DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 基于m序列的测量矩阵构造 在扩频通信和密码学理论中，具有良好的相关特性的序列一直是研究的热点，序列的互相关函数的定义如下： (8) 其中序列 和 的周期为 ， 的下标 按照模 运算。当 时，称 为序列 在位移为 时的周期自相关函数。 利用反馈移位寄存器设计序列的方法有比较直观的实现电路，所以该设计方法较其他序列的设计方法相对更为容易理解，m序列就是一种反馈移位寄存器序列，又称为最长线性反馈移位寄存器序列。 m序列的定义如下 [ 20 ] ： 设 是 上的线形反馈移位寄存器的连接多项式： (9) 当且仅当 是 上的本原多项式时，则 中的全体非零序列都是m序列。 对于二元m序列 (即m序列 的元素在集合{+1，−1}中取值)，具有以下性质： 1) 周期性： 序列 的周期长度为 ，其中 为自然数。 2) 自相关特性： 对于周期长度为 的m序列 ，其自相关函数为： (10) 3) 平衡性： 序列 中+1和−1的个数几乎相等，只相差1个。 构造测量矩阵如下： (11) 周期为 的m序列 构成矩阵 的第一列，从第2列到第 列依次是序列 的循环左移位，第 列到第 列分别是从第1列到第 列的 倍循环采样，(这里取采样周期为 ，每次采样只采到一个值)。 计算矩阵 的列相干性 ： 当 都在前 列取时， ；当 都在后 列取时， ；当 分别在前 列、后 列取时， ； 综上，测量矩阵 的列相干性为 。 进而据式(7)可推得该测量矩阵 满足 的 阶RIP特性，当 时，对于稀疏度不大于 的信号，可保证精确重构。由于RIP特性是充分条件，并非充要条件，所以推测能够精确重构的信号的稀疏度可能会大于 ，下节仿真实验的结果也证实了这个猜测。 按照式(11)所构造测量矩阵 的大小为 ，压缩率固定为 ， 只能取2的幂指数，行、列的取值范围受限。 De Vore在文献 [ 8 ] 利用有限域中多项式的取值，构造出了 ( 为素数， 为自然数)的确定性测量矩阵。测量矩阵 的元素在{0，1}中取值，且具有一个很好的性质：当 时，该矩阵的每一列都只有 个1，且任意两列相同位置出现1的个数为1，通俗的说，即求任意两列的内积时仅有一个1对上，其余要么是0和0对上，要么是0和1对上。 根据有限域的理论可知，将素数 替换为 ( 是2的幂数，即 )时，DeVore提出的方法依然有效。即取 时，构造出的测量矩阵 的每一列都只有 个1，且任意两列相同位置出现1的个数为1，矩阵分析理论中，Kronecker直积是一种十分重要的概念。其定义如下：对于矩阵 和 ， 、 的Kronecker直积记为 等于： (12) Kronecker直积具有一个很好的性质：若矩阵 、 都是正交矩阵，则 也是正交矩阵。这里将Kronecker直积作些改变，当 时，将直积中 用 替换，即原来是用整个矩阵 替换，这里用矩阵 的某一行来替换；当 时，将直积中 用0替换。若矩阵 中每一列非零值的个数不小于矩阵 的行数时，这种替换是可行的。为了下面方便的叙述，将这种替换记为运算 。 取式(11)中矩阵 的前 列构成的子矩阵(矩阵大小为 )做为矩阵 ，参照De Vore在文献 [ 8 ] 中提出的方法构造的矩阵 (矩阵大小为 )做为矩阵 ，然后依运算 可构造出新的测量矩阵 (大小为 ，压缩率为 )： (13) 与式(12)相比较，在式(13)中， 的位置，仍为0； 的位置换成 ，其中 代表矩阵 的行向量。 根据式(5)，计算式(13)中的测量矩阵 的列相干性 ： 1) 当 来自矩阵 的同一个 时 此时 都来自同一个矩阵 ，且 的结构未发生变化，所以列相干性等于矩阵 的列相干性，式(11)中前 列构成的子矩阵的列相干性为 ，所以此时 的 。 2) 当 来自矩阵 的不同的 ， ( )时， 相对于原矩阵 在矩阵 的位置结构发生了变化，但 仅有一组+1或者-1能够对上，其他都错开了所以式(5)中分子的最大值为1，而分母仍为 ，所以此时列相干性为 。 综上分析： 测量矩阵 的列相干性 。 根据式(6)大小为 的矩阵的Welch界为： ，可见本文构造的测量矩阵 基本已经比较接近Welch界，元素取值在{-1，0，+1}取值，较为单一，且具有一定的循环特性和稀疏性，有利于硬件产生。
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user: 4. 仿真实验 实验(1)：对一维稀疏信号进行测量和恢复 I) 压缩率 。选取周期为 的m序列作为初始序列，按照式(11)生成大小为255×510的测量矩阵 ，与同等大小的Gause测量矩阵对一维稀疏信号进行测量重构。每一个稀疏度 ，采用OMP算法重构1000次，得到重构概率与稀疏度的对应曲线，如图1所示。 从图1可以看出，基于m序列构造的测量矩阵重构性能优于同等大小Gause测量矩阵，且能精确重构的信号的稀疏度比理论值要大，稀疏度为58时，本文所提出测量矩阵仍可以精确重构。 II) 压缩率 。分别选取周期为 和 的m序列作为初始序列，按照式(11)生成 挑选其前列 列作为 ，再与Devore提出的确定性矩阵 结合，按照式(13)生成64 × 512和256 × 4096的测量矩阵，然后分别与同等大小的Gause测量矩阵对一维稀疏信号进行测量重构。每一个稀疏度 ，采用OMP算法重构1000次，得到重构概率与稀疏度的对应曲线，如图2所示。 从图2和图3可以看出，利用m序列构造的测量矩阵能精确重构的信号稀疏度均比同等大小Gause测量矩阵要大。 实验(2)：对“cameraman”图像进行测量和恢复。 选取512 × 512的“cameraman”图像，稀疏基取DCT基，分别采用64 × 512、256 × 512的测量矩阵 和同等大小的Gause测量矩阵对该图像逐行测量和恢复。重构算法仍选择OMP算法。恢复结果如图4所示。 从图4来看，直观上基于m序列构造的测量矩阵 比Gause测量矩阵恢复的更为清晰。为了进一步说明图4的实验结果，表1列举了两种测量矩阵峰值信噪比(PSNR)的对比。 Table 1 PSNR of reconstruction with “cameraman 测量矩阵 Gause测量矩阵 基于m序列的测量矩阵 64 × 512 11.67 12.36 256 × 512 22.83 24.92 表1. “cameraman”图像重构的PSNR值 图1. 重构概率随稀疏度变化的对比曲线 图2. 矩阵大小为64 × 512 图3. 矩阵大小为256 × 4906 图4. “cameraman”图像重构效果对比图 表1也说明基于m序列构造的测量矩阵的重构性能优于Gause测量矩阵。
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user: 5. 结束语 本文基于m序列构造的测量矩阵的列相干性接近于Welch界，元素取值较为单一，且具有一定的循环特性，有利于硬件实现。仿真实验的结果显示基于m序列构造的测量矩阵的性能优于同大小的Gause测量矩阵。本文从矩阵的列相干性出发设计测量矩阵，本质上是借助于RIP特性，但RIP特性并非充要条件，所以寻找压缩感知测量矩阵的充要条件，继而根据充要条件才可能设计出更优的测量矩阵；其次基于m序列构造的测量矩阵可任意删列来改变压缩率，但行的取值仍比较受限，而Gause测量矩阵的行、列选取均任意，所以寻找行、列取值更加自由的测量矩阵仍需进一步研究。
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user: 摘 要 传统的房产管理方法和手段已无法全面满足房地产开发和管理决策的需要，本文以不动产登记暂行条例的出台和实施为背景，针对目前房产管理中存在的问题研究了基于Web GIS的房产管理信息系统。首先概括和总结了相关技术的概念、特点和适用性；其次完成了系统各种用户的需求分析；再次，从架构、功能和数据库三个方面对系统进行了全面设计；最后，重点实现和展示了各主要功能的功能页面，为系统的全面建设奠定了基础。 关键词 :GIS，Web GIS，商业地图API，WAMP，房产管理信息系统
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user: 1. 引言 随着我国城市建设的快速推进，建设及房地产领域已积累了海量信息和数据，而传统的房产管理方法和手段已无法全面满足政府、企业甚至公众对房地产开发和管理决策的需要。同时，房产管理信息系统建设中仍存在信息利用率低、数据更新困难、可视化程度低等问题。 目前我国的房地产管理信息系统主要有两种。其一，基于网络、数据库等技术建立的房地产管理信息系统。如杨志(2013) [ 1 ] 在《房地产信息管理系统的设计与实现》一文中使用C/S体系结构、Delphi8面向对象技术、SQL server 2008数据库等技术开发了房地产信息管理系统，并实现了系统的部分功能，该系统虽然功能比较全面，却无法实现房地产信息的可视化管理；武佳卫(2013) [ 2 ] 的《构建上海房地产信息管理体系的关键技术》对上海市房地产信息系统实现的关键技术、存在问题进行了探讨，并指出了房地产信息系统的发展方向，但其研究内容仅限于理论，系统的实现是否可行还是个未知数。其二，基于GIS的房地产管理信息系统。目前我国的很多城市(北京、上海等大城市)在实际应用时都采用了GIS技术和Web GIS技术对房地产信息进行管理，很多学者也对该技术在房地产管理信息系统中的应用进行了研究。如李璇、刘汉湖和王炜(2014) [ 3 ] 在《基于GIS的房产信息管理系统设计》一文中设计了系统的总体结构、数据管理和主要功能；鲍月玲(2014) [ 4 ] 在《GIS在房地产管理信息系统开发中应用研究》中分析了GIS在房地产管理和房地产管理信息系统开发中的应用特点及GIS应用的可行性。这些研究都是利用GIS可以把房地产管理中的各种图文信息及地图信息有机结合的特点来实现房地产管理的可视化，但由于GIS软件的操作和二次开发都非常复杂，需要专业人员完成，成本比较高，数据更新困难，造成了该类房地产管理系统中的房产信息利用率极低，很难多部门共享，且不易推广。 大众版Web GIS产品商业地图API为开发者提供了免费的应用接口，能够切实解决房产管理信息系统的空间数据源问题。应我国《不动产登记暂行条例》的实施和目前房产管理的需要，以Web GIS技术为基础开发城市房产管理信息系统对规范市场管理、提高政府效率、加强房管服务，保障房地产行业稳步发展具有一定的借鉴和参考价值。
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user: 2. 技术基础 本文的开发工作是在GIS、Web GIS、高德地图API和WAMP等技术基础上进行的。 2.1. GIS和Web GIS GIS即地理信息系统，是一种在软硬件支持下用于获取、存储、查询、管理、分析和显示地理空间数据的计算机系统 [ 5 ] 。它与传统数据库相比其具有强大的可视化功能和图文显示和互动管理能力。随着技术的不断成熟，GIS在环境变化动态监测、自然资源调查与管理、自然灾害监测和预测、城市区域规划和地籍管理、军事及辅助决策等领域得到了广泛的应用 [ 6 ] 。 Web GIS指基于Internet平台、客户端应用软件采用WWW协议运行在万维网上的地理信息系统，也称为互联网地理信息系统 [ 7 ] 。它是由多主机、多数据库与多台终端，通过Internet/Intranet连接而成的的大量的、分布在不同地点的不同部门的独立的GIS系统组成 [ 8 ] 。因此，Web GIS可以使基于地图的各类应用系统通过互联网技术在各行各业中得到广泛应用。 2.2. 高德地图API 高德地图API是提供给开发者的一套免费应用程序接口，是大众版Web GIS产品，它以高德地图为基础，包括iOS，Andriod，Web服务，JavaScript等多种版本。高德地图JavaScript API是一套支持HTML5特性地图开发由JavaScript编写而成的应用程序接口。它能够帮助用户构建交互性强、内容丰富、功能强大的地图应用，主要是通过PC端和移动终端的浏览器进行地图开发。它能够提供地图的展示、平移、拖拽、缩放等基本功能，并且支持在地图上添加点、线、面等覆盖物，标注，标注管理器、定位，重设底图或自定义图层等功能。高德地图API的实现流程如图1所示。 2.3. WAMP WAMP即Windows下的Apache Web服务器+Mysql/MariaDB数据库+Perl/PHP/Python开发语言，是一组用来搭建动态网站或者服务器的开源软件 [ 9 ] 。它们本身都是各自独立的程序，因为经常被放在一起使用而拥有越来越高的兼容性 [ 10 ] ，也就发展成了捆绑为一个整体的包的形式的WAMPs，它能够在最短的时间和最少的麻烦下，把一个网络开发服务器安装和运行起来。
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user: 3. 系统需求分析 本系统的参与者包括：系统管理员即房管局信息中心和用户，用户主要包括三类：政府用户(主要是房屋管理局和对房产信息有需求的其他政府部门)，企业用户即房地产开发商和房屋中介，普通用户。 3.1. 系统管理员需求 系统管理员拥有最高权限，是系统后台的使用者，应具有管理首页信息、注册用户和数据库等功能。具体用例包括：增加、删除、修改用户；查看用户注册信息；审批用户；管理用户权限；系统维护；数据库管理：备份、恢复数据库。另外，针对该系统，管理员还应具有房源信息管理、企业用户资信管理等重要功能。 3.2. 房屋管理局需求 各地房屋管理局因地域原因所形成的组织机构和职责略有不同，以郑州市为例，住房保障和房地产管理局的主要职责包括：负责行政区域内的住房保障、住房制度改革、房地产市场管理、物业服务行业管理、拆迁安置管理等工作，管理城市房屋权属登记，核发房屋所有权证书，管理房屋信息等。因此，作为该系统的政府用户，房屋管理局应具备用户信息管理、房地产信息登记，权属变更和办证归档，信息发布，信息查询与统计等功能。 图1. 高德地图API实现流程 3.3. 企业用户需求 房产管理信息系统的企业用户包括房地产开发商和房屋中介，他们使用该系统的目的主要是为了实现自己的营销目的，为了提高系统的应用程度和政府服务效率，开发商和中介需要向房屋管理局提交各种资料，其中包括：房屋买卖合同、房屋租赁合同、客户信息等。因此开发商和中介的功能需求包括：用户信息管理、房源信息的发布、更新和删除，业务数据查询和统计，合同管理，网上签约等功能。 3.4. 普通用户需求 普通用户指为满足住房需求而寻找出租或出售房源的潜在消费者。消费者只拥有系统的最低权限，可以作为游客不用注册，以减少庞大的消费群体给系统带来的管理负担，进而降低系统数据库维护成本，但当普通用户需要与系统进行交互时必须进行注册。普通用户的功能需求主要有用户信息管理、房源信息查询、发布需求信息和房源评价。
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user: 4. 系统设计 系统设计主要是在功能需求分析的基础上对系统的构架、功能和数据库进行设计，使各种数据信息以科学合理的方式组织起来，各个功能模块之间能方便地实现信息共享和相互链接，提高基础数据的利用率，系统的操作界面能最大限度地符合用户操作习惯。 4.1. 系统框架 目前在应用型地理信息系统中，主要有两种系统架构模式：一种是Client/Server(客户/服务器)模式，一种是Browser/Server(浏览器/服务器)模式。C/S模式主要由客户应用程序(Client)、服务器管理程序(Server)和中间件(Middleware)三个部件组成的两层结构 [ 11 ] 。B/S网络结构模式统一了客户端(浏览器)，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用，具有维护和升级方式简单、成本低、选择多等优点。 本文所开发的房产管理信息系统是在高德地图API的基础上进行开发，使用的基础数据是网络地图。基于以上分析及B/S模式的特点，采用B/S模式更能够满足系统的实际需要。 4.2. 系统功能设计 根据需求分析可将系统分为管理员功能模块，用户自助管理模块，房产信息管理模块，企业用户模块和普通用户模块。其中，系统管理员功能可以分为四个模块，分别是：房源信息管理、用户管理、基础数据维护和系统维护；用户自助管理模块设置注册、登录、密码找回和个人信息管理等功能；房产管理模块主要包括房产信息登记、权属变更和办证归档、信息发布和信息查询与统计等功能；企业用户模块包括的功能主要包括：房源信息管理、网上签约、合同管理和数据查询与统计；普通用户模块的功能包括：房源信息查询、需求信息发布和房源评价。 4.3. 系统数据库设计 房产管理信息系统涉及到的数据包括房产基本信息、房产空间信息、用户信息、政府公开信息等，按照数据获取方式的不同可分为基础数据、处理数据和服务数据三种。数据采用My SQL关系型数据库系统和高德云图数据库相结合的存储方式。其中系统产生的大部分数据如房产基本信息、各种用户信息、政府发布的信息采用My SQL数据库存储，而房产的空间信息则采用高德云图存储，这是由高德地图API的特性决定的。 根据需求分析，本系统的逻辑结构设计如下所示: ●管理员信息表(管理员账号、姓名、密码)； ●用户信息表(用户账号、昵称、密码、用户类型、联系方式、电子邮箱)； ●房产信息表(房产编号、详细地址、权属人、证件号、开发商、面积、成交价格、户型、楼层、朝向、房龄、结构、属性、设施)； ●房源信息表(房源编号、中介、开发商)； ●房源明细表(房源编号、房源类型编号、地址、面积、户型、楼层、朝向、房龄、电梯、公园、医院、学区房)； ●房源类型表(房源类型编号、类型名称)； ●合同信息表(合同编号、甲方、乙方、合同类型、标的物、价格、合同明细)； ●求房信息表(求房信息编号、求房类型、需求内容、联系方式、发布时间)； ●公告信息表(公告编号、公告类型、公告内容、发布时间)。 数据库表结构如表1所示。
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user: 5. 系统实现 在使用高德地图API和高德云图时首先要申请密钥，本文使用开发工具和高德地图重点实现了房产管理信息系统的以下功能：房源信息查询、房产信息登记和更新、信息统计等。 5.1. 系统开发工具 本系统的开发选择WAMP server 2.1集成开发工具，高德地图JavaScript API，高德云图数据库和云图JavaScript API。 系统后端采用的PHP CodeIgniter框架是一套开放源代码能帮助PHP网站开发者编写“优雅”PHP程序的应用程序开发框架和工具包。它是一套MVC框架，集成了很多类库、辅助函数(helpers)等。前端则使用jQuery和Bootstrap。jQuery是一个轻量级的js库，并且兼容CSS3和各种浏览器；Bootstrap是一个CSS/HTML框架，用于前端开发。 5.2. 功能实现 5.2.1. 系统主页 在开发时，系统主页设置了普通用户模块、房产管理模块、企业用户模块、用户自主管理模块和系统管理员模块五个登录窗口，点击其中一个即可进入相应页面，使用实现的功能。在WAMP server 2.1 集成开发工具正常运行的情况下，打开浏览器，输入网址localhost/s即可进入如图2所示的主界面。 5.2.2. 房源信息查询页面 用户进入房源信息查询页面后可以直接以游客的身份查询房源信息，可以在地图上划定范围限制查询区域，并设置六个查询条件，点击查询即可得到该区域内符合条件的房源信息列表和空间位置显示。界面如图3所示。如果用户需要与系统进行交互则可点击登录，输入用户名和密码进入系统。 5.2.3. 房产信息登记页面 房屋管理局工作人员进入主页后点击房屋管理模块则可进入登陆页面，输入账号和密码即可进入房产信息登记页面，在地图上标记房产空间位置，此时系统自动生成坐标和地址，用户输入和设置页面上包括的房产的其他信息后点击登记房产信息，此时房产基本信息和空间信息即可自动存入My SQL数据库和高德云图。信息登记页面如图4所示。 5.2.4. 房产信息更新页面 本页面可以实现房产信息的基本信息和权属信息修改，在进入页面以后首先以房屋编号为条件进行 Table 1 The table structure of databas 表名 主键 外键 管理员信息表 管理员账号 无 用户信息表 用户账号 无 房产信息表 房产编号 无 房源信息表 房源编号 房源类型编号 房源明细表 房源编号 无 房源类型表 房源类型编号 无 合同信息表 合同编号 无 求房信息表 求房信息编号 无 公告信息表 公告编号 无 表1. 数据库表结构 图2. 系统主页 图3. 房源信息查询页面 图4. 房地产信息登记页面 检索，找到需要修改信息的房屋位置和原有信息，然后将需要修改的选项重新设置即可用修改后的信息覆盖原有信息，该页面如图5所示。 5.2.5. 房产信息统计页面 为满足房屋管理局的需求，该页面主要实现了房屋属性信息的统计和房龄统计，分别统计的数据库内的房屋存储总量、商用和居住用房屋各占的百分比，以及房龄在30年以下、30年-50年、50年以上各占总房屋量的百分比，并将统计结果以饼状图的方式显示出来。页面如图6所示。 房屋的房龄统计以饼状图的形式显示出来所表达的是一个整体的现状反应，将其用于辅助规划显然是不够的，因此本系统还实现了三种房龄空间分布的显示，使它们以不同的颜色标注在地图上，界面如图7所示。 图5. 房地产信息更新页面 图6. 房地产信息统计页面
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user: 6. 小结 本文针对获取地图成本较高、GIS和专业版Web GIS产品开发难度大、使用时对专业技能要求较高等现状设计了基于大众版Web GIS高德地图API的房产管理信息系统，并利用WAMP网络开发组件重点实现了房源信息查询、房产信息登记、更新和统计等重要功能。与目前现有房产管理信息系统相比，该系统的优点包括可以直接利用高德地图，无需再使用专业GIS或Web GIS软件对基础空间数据进行编辑、切片和渲染等，减少了系统建设的工作；系统功能全面，操作简单灵活，满足了不同用户的大部分需求；同时，系统主要功能的实现也说明了该系统是可行的。另外，该系统还具有性能稳定、交互性良好、开发和运行成本低廉等特点。系统的应用将提高房产信息登记和更新的速率，并为城市规划管理提供可视化的查询统计工具。在未来的研究中可利用高德地图在手机端的良好表现开发可移动房产管理系 图7. 房龄统分布图 统，并实现与本系统的有效连接，进而为不动产登记的现场调研等工作提供技术支持。
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user: 摘 要 体操机器人是非线性、强耦合、多状态的欠驱动系统，且在稳摆区域属于自然不稳定系统，这类系统能反映出许多控制领域的关键问题，国内外许多学者投身于体操机器人的控制研究。本文综述了国内外有关欠驱动单杠体操机器人的研究现状，分析和讨论了体操机器人在动力学建模及运动控制研究方面的理论与方法，具体分析了体操机器人的摆起、平衡、加速及大回环运动的主要控制方法，对存在的问题进行了讨论，并对未来的发展趋势进行了展望。 关键词 :体操机器人，欠驱动，控制策略，非线性系统
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user: 1. 引言 单杠体操机器人是模仿运动员在单杠上运动的机械模型，它同时也是一个多输入、多输出、欠驱动、非线性、强耦合的典型复杂系统，其控制具有高度的复杂性和非线性。生物力学研究表明，人类和其它生物的运动之所以自然、优美、高效，原因是他们极善于利用躯体各部分的动力耦合来实现运动能量的传递，达到整个机体的高度协调。因此，对基于动力学耦合驱动原理的欠驱动机器人展开研究，将会促进机器人从呆板机械的运动向接近人体或生物的动力协调运动发展。 欠驱动机械系统是一类构成系统的广义坐标维数多于控制输入维数的非线性系统 [ 1 ] 。系统欠驱动的原因各异，通常机器人在如下情况下会具有欠驱动特性：仿生机器人、空间机器人、系统本身存在一些运动约束的移动机器人、具有柔性操作臂和柔性操作关节的机器人等 [ 2 ] [ 3 ] 。由于离心力、科里奥利力、重力等作用，欠驱动机器人系统是一种高度非线性系统，并且在控制过程中不可避免的带有漂移项。对于欠驱动系统的控制存在两个难点：一是输入空间维数小于构造空间维数，运动方程中位形变量的速度或加速度受到动力学约束，验证这些约束何时可积是非常困难的，需要用到比较复杂的数学知识，大多数情况，这些约束都是不可积的，称为非完整约束 [ 4 ] ；二是利用微分几何方法可证明，非完整系统不能用连续时不变的状态反馈镇定，因此不能直接应用发展成熟的控制理论成果。欠驱动机器人控制策略的研究在机器人和控制领域都是一个巨大的挑战。 单杠体操机器人正是一类具有非完整约束的欠驱动机械系统。这类系统的共同特点是，具有复杂的内部动态特性，状态变量间的耦合性非常强，而且二阶非完整约束使得它不能够严密反馈线性化 [ 5 ] [ 6 ] 。由于欠驱动机器人系统具有能简化控制、减轻重量、降低能耗及制作成本低等优点，其研究对于欠驱动机械系统、二阶非完整性系统、复杂非线性系统和太空机器人系统的控制是非常有用的。因此，、对欠驱动单杠体操机器人的研究具有重要的理论意义和实际应用价值 [ 7 ] [ 8 ] 。
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user: 2. 研究现状 2.1. 两杆体操机器人 在国内外大部分关于体操机器人的研究中，较常采用Acrobot的欠驱动两杆体操机器人模型 [ 9 ] - [ 12 ] 。 Acrobot是一种具有2个自由度和1个主动关节的二连杆机器人，它能简单的模拟体操运动员在单杆上的摆起、倒立、大回环等体操动作。 Takashima [ 13 ] 和Nakawaki [ 10 ] 均对Acrobot的数学建模问题进行了探讨。Bortoff和Spong [ 14 ] 研究了用伪线性化的方法分析Acrobot在垂直向上不稳定平衡点周围的运动控制问题。Huaser和Murry [ 15 ] 提出将模型在竖直向上不稳定平衡点附近线性化，再将传统的线性控制方法应用于平衡控制。这些方法虽然描述了Acrobot的建模和在不稳定平衡点附近的平衡控制问题，但还没有考虑如何把Acrobot从垂直向下稳定平衡点摆起到垂直向上不稳定平衡点附近。如何从摆起控制过渡到平衡控制，达到快速而平滑地摆起Acorbot，以及使Acorbot在不稳定平衡点快速达到平衡的控制目标。 Dejong和Spong [ 16 ] 提出了一种经验控制方法，并将其发展成为智能控制，但是整个控制过程所用的时间比较长，控制效果却并不理想。随后，Spong [ 17 ] [ 18 ] 提出将Acrobot的摆起倒立控制过程划分为两个阶段：摆起过程采用部分反馈线性化的方法，到达竖直向上的平衡区后，切换为线性二次调节器(LQR)将体操机器人稳定在竖直向上的不稳定平衡点。摆起过程的部分反馈线性化方法把Acorbot第二关节的运动从第一关节的运动中解耦出来，通过近似地选择第二杆的参考轨迹为第一杆角速度的同符号函数，然后再选择输入中间控制规律使第二杆的运动跟踪参考轨迹。根据跟踪控制所得到的中间控制规律和部分反馈线性化所得到的控制规律，可求得驱动装置的控制力矩。这一控制力矩作用在第二杆上，并带动第一杆使其摆动幅度不断加大，这样Acrobot就能成功摆起到不稳定平衡点附近，接着在合理的状态点切换到相应的平衡控制方法，即可实现控制目标。但此控制器吸引域较小，摆动控制器较难使系统状态进入吸引域，完成控制的时间也较长。 Borwn和Passnoi [ 19 ] 提出了基于内部部分反馈线性化的PD控制、状态反馈控制或基于部分反馈线性化的模糊控制来实现Acrobot的摇起控制，基于LQR控制或模糊控制来实现Acrobot的平衡控制、摇起控制和平衡控制都采用遗传算法优化各控制器的参数。这种控制策略非常复杂，摆起区的控制基本上仍然是基于部分反馈线性化方法的思路，而且摆起Acrobot所用的时间相当长。 Xin [ 20 ] - [ 22 ] 提出了一种考虑系统能量控制方法来实现Acrobot的控制目标，采用基于LyaPunov函数的摇起控制器，保证能量趋向期望值，确保机器人能顺利从摇起区进入到平衡区；进入平衡区后，进行控制器的切换，采用基于LQR的平衡控制策略，最终实现Acrobot的控制目标。 国内也有学者对Acrobat进行了大量研究，并提出了一些控制方法，如基于滑模的离散时间变结构控制 [ 23 ] 、基于T-S模型的模糊变结构控制 [ 24 ] 、基于神经网络的控制 [ 25 ] 和基于倒转方法的稳定控制 [ 6 ] 等。赖旭芝等人 [ 26 ] [ 27 ] 把智能控制引入到Aocrbot控制中，提出基于模糊控制和变结构控制的智能集成控制方法，运用数学的方法把它的运动空间划分为摆起区和平衡区两个部分。从Acorbot总能量出发，确立了摆起区的模糊控制策略，确保在摆起过程中能量不断增加。在平衡区，使用局部线性化的方法，基于Takagi-Sugeno(TS)模型来描述Acrobot在不稳定点附近的非线性特性，采用基于TS模型的模糊控制实现了较大范围内的平衡控制。采用模糊变结构控制对第二杆进行控制，使其角度和角速度分别朝着相对于第一杆的角度和角速度为零的趋势运动。但此方法也仍然难以确保Acrobot能较快地由摆起区过渡到平衡区，摆起时间也较长。 2.2. 三杆体操机器人 通过对体操运动员的运动技巧分析可知，人的行为动作是通过多个关节的互连耦合来实现的，而两杆机器人模型不足以表达人的肢体运动。为了能更好地模拟人在体操运动中的运动控制，体操机器人至少需要三个关节，与两杆机器人Acrobot相比，这类机器人具有更高的实际应用价值和更复杂的非线性特性。 三杆体操机器人具有3个自由度和2个主动关节，是一种典型的欠驱动机器人。该机器人可以有效地模拟体操运动员肩关节和髋关节的主动控制作用，真实地反映体操运动员的肢体运动 [ 28 ] [ 29 ] 。相比于Acrobot，三杆体操机器人具有更强的非线性和耦合性，其控制具有高度的复杂性。 欠驱动三杆体操机器人具有两个驱动力矩，在分析力矩方向和大小对各杆产生的角加速度时，要考虑三个关节角度以及三个杆之间的夹角，使得控制关系变得非常复杂，很难选取合适的力矩将三杆体操机器人摇起并进入平衡区。Mettin [ 30 ] 针对欠驱动三杆机器人，提出了一种基于虚拟约束的方法来规划机器人的运动轨迹，建立了驱动关节与被动关节之间的运动约束关系，以实现机器人像人一样运动。然而，该策略很难找到驱动关节与被动关节的约束关系，对其进行摆起控制，从而无法通过规划机器人运动轨迹的方法，来实现三杆体操机器人的摇起控制目标。 Xin [ 31 ] 提出了一种基于能量和角度的摇起控制策略，通过坐标转换将含有驱动关节的第二杆和第三杆转换为一个主动关节，这种策略能够控制能量和角度，从而将欠驱动三杆摆起到不稳定平衡点附近。但是该控制策略很难避免摇起过程中存在的奇异值，使得体操机器人不能顺利地进入到平衡区。 国内的薛方正等人 [ 32 ] 针对加速度驱动型三关节体操机器人，通过机理分析得到模型的刚体动力学分量和电机驱动分量，然后通过加速度阶跃响应曲线分析得到纯滞后分量，综合这3种分量，确定三关节体操机器人的模型结构，并利用改进的遗传算法对该综合模型进行参数辨识。Xie [ 33 ] 提出了一种仿人智能控制策略，将体操机器人的摆起倒立运动过程分成六个串行的目标阶段 [ 34 ] ，并针对六个阶段分别采用 Bang-Bang控制、PD控制等，这种控制策略能够规划体操机器人的运动姿态并且兼顾摆起过程中能量递增的控制目标。基于仿人智能的控制策略需将控制过程划分为六个阶段，由于体操机器人系统的复杂非线性，并且需要考虑控制器之间的平滑转换，使得各阶段的控制策略设计变得十分复杂。
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user: 3. 单杠体操机器人动力学模型 以关节变量为广义坐标，根据拉格朗日方程，可以求得如图1所示的n连杆体操机器人系统的动力学方程为 (1) 式中， 分别是关节点的位移、速度和加速度； 是 惯性矩阵； 表示哥氏力和离心力项； 表示重力项； 表示作用于系统关节的力矩，即系统控制输入，B为输入矩阵。 图1. n杆体操机器人模型 [ 35 ] 图2和图3是研究者们较常采用的两杆和三杆体操机器人模型。图2给出了肩关节处带有驱动器的两杆体操机器人示意图。在忽略其关节摩擦力和随机干扰时，其动力学方程可表示为 (2) 三关节体操机器人是一种由两个主动关节和一个被动关节组成的欠驱动系统(图3)。多数情况下，肩关节和髋关节是主动的，腕关节是被动的。三关节体操机器人是一种多输入型欠驱动系统，因此比两关节体操机器人和倒立摆系统更适合作为研究欠驱动问题的标准平台。其动力学方程可表示为 (3) 图2. 2杆体操机器人模型 [ 36 ] 图3. 3杆体操机器人模型 [ 37 ] 尽管欠驱动机器人在模型上与全驱动系统相似，但由于自由关节运动方程承受非完整约束，仅可以通过与其它关节的耦合获得动作，因此，两种系统在控制方法上却是完全不同的，这也是欠驱动机器人研究的主要难点。目前对类似体操机器人这样的二阶非完整欠驱动系统来说，尚没有固定的控制方法。一般便于控制，都把关节变量定义为状态向量 ，将主动关节的加速度或力矩作为输人 [ 14 ] [ 15 ] ，由此，式(1)、(2)和(3)可以表达为如下形式： (4) 式中， ， 均为平滑矢量场， 称为非线性系统的漂移项， 为输入。
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user: 4. 体操机器人运动控制 一般将体操机器人的控制分为：从竖直向下到倒立的摆起控制、在倒立不稳定状态的稳摆控制、大回环周期运动控制以及从倒立到大回环周期运动能够开始的加速控制。 4.1. 体操机器人摆起运动控制 通过对体操运动员的观察，如图4所示，单杠运动的上杠过程经过一系列的连贯动作最后到达倒立位置， 并稳定倒立 [ 34 ] 。这种技术动作，被称之为“晃起”运动，适用于Acrobot的摆起控制 [ 38 ] 。 用定性运动学的方法，结合对体操运动员的动作特征的分析可以发现，上杠动作序列中切换时机的选取很重要，是保证运动姿态的控制策略的转换条件。根据体操机器人各部分的运动姿态及其运动中各部分动能与势能的转换过程，可以将整个摆起倒立运动过程规划成如图5所示的6个串行的目标阶段： 1) 小后摆阶段：从悬垂静止的初始位置，躯干和腿后摆小角度； 2) 向前摆起阶段：将躯干和腿迅速摆起，使躯干和腿达到几乎垂直向上； 3) 前姿态调整阶段：目标是将三个连杆伸展成一条直线； 4) 向后摆起阶段：关节力矩控制住夹角，利用重力向下并向后摆动； 5) 后姿态调整阶段：这个阶段结束时，机器人应进入稳摆控制的能控范围，系统的能量总和应接近不稳定平衡点所要求的势能； 6) 倒立稳定阶段：使机器人在垂直倒立点保持动平衡。 Spong提出了经典的部分反馈线性化方法实现了对Acrobot进行摆起控制 [ 17 ] [ 18 ] 。Michitsuji [ 39 ] 对该方法进行改进，提出了一种参数激励的方法进行摆起控制。通过对式(3)进行部分反馈线性化，可得 (5) 式中 ， 为辅助输入，且 ， ， 。 因此，部分线性化方程可表示为 (6) 图4. 体操运动员的上杠动作 图5. 摆起倒立过程的6个阶段的姿态 假定 ， 可以被确定，因而每个主动关节角度收敛于期望的角度 和 (7) 式中， ， 为正反馈系数。 此外，研究者们还提出了多种方法试图对体操机器人进行摆起控制，如基于能量的控制 [ 21 ] [ 40 ] - [ 43 ] 、模糊控制 [ 44 ] [ 45 ] 、基于切换输出函数法 [ 46 ] 、连续力矩和冲击型制动力矩组合法 [ 47 ] 以及基于李雅普诺夫函数的控制 [ 48 ] [ 49 ] 等。 4.2. 体操机器人平衡控制 倒立状态是体操机器人的不稳定平衡点，平衡控制的目标就是在施加控制后，让机器人和控制器组成的新系统能稳定在该点。由于体操机器人是高度非线性系统，所以即使施加控制，在倒立状态也只能实现小范围的局部稳定。 体操机器人平衡控制主要采用的线性二次调节器(LQR)方法 [ 18 ] [ 50 ] 。若定义 为倒立位置时的状态量，则由式(4)得到体操机器人动力学模型在倒立位置的线性化表达式为 (8) 式中， ， ， ， 。 基于线性模型(8)的二次最优控制策略，可得线性二次调节的最优控制规律。控制器一般设计为 (9) 由状态方程 确定最佳控制向量的反馈矩阵 ，使得式(10)中的性能指标J达到最小。 (10) 式中， 是半正定矩阵， 是正定矩阵。 4.3. 体操机器人加速运动控制 为了使体操机器人能从倒立状态过渡到大回环周期运动状态，需要采用某种控制策略对系统进行控制使得被动关节(第一关节)能被加速到一定的速度以上。Yamaura等人模拟体操运动员的运动，提出了一种加速控制方法 [ 51 ] ，其控制输入为 ， (11) 式中， ， 为反馈系数， ， 为角度参数， 是期望值参数， 为控制输入常数。 如图6所示，在区间 ，第2杆的控制目标角度为 ，在区间 ，第2杆的控制输入被设计为一个常数 [N×m]。另外，在区间II→III，控制目标是使第二杆的角度为零，但考虑到控制的延时，目标角度设定为和区间III→I相同的 。 此外，Matsuoka [ 52 ] 采用神经振荡器来增大体操机器人的摆动幅度，从而可以达到大回环运动开始所要求的状态。 4.4. 体操机器人大回环周期运动控制 体操机器人的大回环运动控制研究相对较少，但研究者们也提出了一些控制方法，如利用被动关节位移函数作为参考轨迹的配置控制法 [ 51 ] [ 53 ] 、延迟反馈控制法 [ 54 ] [ 55 ] 以及基于质心等效的控制方法 [ 56 ] 等。 Ono等人 [ 53 ] 的研究相对较早，他们将Acrobot的自由大回环运动模式归纳为如图7所示的3种形态(A型、B型和C型)。其中，B型是一种刚体模式旋转，其在零重力场中Acrobot将会变得笔直；A型和C型分别是在刚体模式旋转基础上叠加正的或负的振动模式。 Yamaura等人 [ 51 ] 的研究将其扩展到三杆体操机器人，并根据3杆的初期角速度的符号将其自由大回环运动分类成5种类型(图8)。其中，Type1是刚体模式，其第2、第3杆的初期角速度近似为0；Type2 图6. 加速控制 图7. Acrobot自由大回环运动模式 是第2、第3杆的初期角速度为正的类型，该类型中，第1、2杆运动1个周期时第3杆运动为半个周期；在Type3、Type4中，第2杆和第3杆的角速度的符号相反，且第1杆运动1个周期时，第2、第3杆运动为半个周期；Type5是第2、第3杆的初期角速度均为小负值的情况。Yamaura [ 51 ] 和Liu [ 54 ] 分别采用配置法和延迟反馈控制法实现了对其中几种类型的大回环运动的控制。 图8. 三杆体操机器人自由大回环运动模式
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user: 5. 总结展望 综上所述，单杠体操机器人的研究在动力学建模分析以及运动控制方面取得了一定的成果，但仍存在一些问题需要解决： 1) 确保了摆起过程的能量不断增加，但没有考虑机器人的姿态。机器人处于不同的姿态可能拥有相同的能量，而姿态是影响机器人能否顺利从摆起过程过度到稳摆过程的关键因素。 2) 能够实现平衡控制的范围太窄，用在不稳定平衡点附近的近似线性化方法来描述Acorbot在这一平衡点附近区域的非线性特性，然后用LQR设计方法对Acrobot进行平衡控制时，能够实现平衡控制的范围太窄，这样就增加了平衡控制的难度。 3) 由于三杆体操机器人的强耦合特性以及复杂非线性特性，因而，很难设计控制策略来实现三杆体操机器人摆起倒立的控制目标。目前三杆体操机器人控制存在的问题主要有：运动区间划分条件太苛刻，使三杆体操机器人很难满足进入平衡区的条件；为了实现从摇起区顺利过渡到平衡区，在控制三杆体操机器人的能量和姿态时，由于模型复杂，难以避免奇异值现象的产生；很难快速实现从摇起区过渡到平衡区。 4) 缺乏鲁棒性问题的分析。由于体操机器人的参数往往具有不确定性，因而基于理想模型得到的控制规律在不确定条件下一般难以保持良好的控制效果。大量的研究都是在理想仿真平台上进行的，并没有将仿真平台与实际平台进行比较，因理想模型与实物存在较大的偏差，不能确保研究成果能运动到实物平台上。因此，对体操机器人的控制问题不仅是要找到一种比较行之有交的控制方法，而且还要考虑其鲁棒性问题。
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user: 摘 要 磁响应胶体光子晶体因其具有光子带隙可调、制备简便、响应速度快等特点，在彩色显示、光开关等领域有着重要的应用前景。本文首先采用溶剂热法制备出了Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子，并利用正硅酸乙酯(TEOS)水解对其表面进行SiO 2 包覆，得到表面携带负电荷的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 复合纳米胶体粒子。SEM和TEM测试结果表明，Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 具有单分散特征，平均粒径约为100 nm。VSM测试结果表明，胶体粒子具有超顺磁性，其饱和磁化强度约为26 emu/g。经进一步回流处理后，胶体粒子表面表现明显的负电荷属性，Zeta电势为−48.3 mV。所合成的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子可在乙腈中均匀分散，所形成的胶体溶液在外加磁场的作用下表现出明亮的结构色，具有明显的磁场可调谐光子带隙特征。 关键词 :胶体光子晶体，磁响应，结构色，光学性质，超顺磁性
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user: 1. 引言 近年来，超顺磁性胶体纳米粒子以其特殊磁学性质及在生物医学、电子信息等领域的潜在应用前景，受到人们的极大关注 [ 1 ] [ 2 ] 。其中，利用单分散超顺磁性胶体粒子作为结构单元在磁场作用下构筑磁响应型胶体光子晶体，成为当前该领域国内外研究热点之一。这种光子晶体因其具有组装速度快、光子带隙可调等特性，在彩色显示、民用涂装、印刷防伪、军事伪装等领域有着巨大的应用前景 [ 3 ] - [ 10 ] 。 截止目前，国内外研究者已就单分散超顺磁性胶体纳米粒子的制备及其组装形成光子晶体方面展开了深入研究。例如，Asher等人采用乳液聚合法，成功制备了粒径约为134 nm的单分散超顺磁性Fe 3 O 4 /PS胶体粒子，这种胶体粒子由于表面携带电荷，可在水溶液中自组装形成晶态胶体阵列，并在外磁场作用下形成可调谐光子带隙特征 [ 11 ] - [ 13 ] 。Yin和Ge等人采用高温热解法制备了单分散超顺磁Fe 3 O 4 纳米晶团簇，由于聚丙烯酸的作用使得粒子表面存在大量羧基，因而可在水溶液中实现稳定分散，其在磁场作用下组装形成的光子晶体可在整个可见光波长范围内呈现光子带隙可调谐的特征 [ 14 ] [ 15 ] 。进一步发现用SiO 2 对Fe 3 O 4 纳米晶团簇进行表面改性并修饰烷基，可使光子晶体稳定地分散于烷醇类非极性有机溶剂中，并展现出光子带隙行为 [ 16 ] 。Chen等人利用以二茂铁为原料，采用溶解热法制备了粒径约为190 nm的单分散Fe 3 O 4 /C胶体粒子，由于表面C包覆层的羧基化，使得胶体粒子表面带负电荷，在磁场作用下可组装形成带隙可调谐光子晶体 [ 17 ] 。 磁场作用下磁性胶体粒子能否在溶液中组装形成光子晶体除了取决于胶体粒子的尺寸和单分散性外，还与粒子表面性质密切相关。溶液中的磁性胶体粒子在外场作用下由于磁偶极耦合及范德华力的作用，倾向于形成团聚体。为了平衡磁耦合力和范德华力，需要在磁性粒子间引入排斥力。这种排斥力的获得可通过空间位阻效应、表面活性剂对粒子的包覆或静电排斥作用来实现。所以，探索简便高效的单分散超顺磁性胶体粒子的有效制备途径，并通过表面改性增大粒子间的排斥力以平衡粒子间的引力，是磁性胶体光子晶体研究中需要解决的重要课题。 本文以FeCl 3 ·6H 2 O为铁源，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面分散剂，采用溶剂热法制备了超顺磁性Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子，并用改进的stöber法对粒子进行SiO 2 包覆，获得了Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 核壳结构复合胶体粒子；通过进一步回流处理，借助Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 粒子表面硅烷基数量的增加提高粒子表面电荷密度。这种表面携带负电荷的胶体粒子可在磁场作用下迅速组装形成胶体光子晶体，其光子带隙可在整个可见光范围内进行调谐。
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user: 2. 实验方法 2.1. 主要试剂 六水合三氯化铁(FeCl 3 ∙6H 2 O)，无水乙酸钠(NaAc， 99%)，聚乙烯吡咯烷酮(PVP， K30)，葡萄糖(D-(+)-Glucose， C 6 H 12 O 6 )，乙二醇(EG， >99%)，乙腈(acetonitrile， 99.7%)。以上均购置于Aladdin公司。正硅酸乙酯(TEOS， >98%，天津市科密欧化学试剂有限公司)，无水乙醇(CH 3 CH 2 OH，分析纯，安徽安特食品股份有限公司出品)，氨水溶液(25%)，去离子水。 2.2. 单分散超顺磁Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子的制备 采用溶剂热法制备Fe 3 O 4 /PVP单分散超顺磁胶体粒子。具体方法为：将3 g PVP(K30)、0.306 g葡萄糖(D-(+)-Glucose，C 6 H 12 O 6 )和30mL乙二醇加入100mL三颈瓶中，在100℃下强力搅拌0.5小时后冷却至室温。随后向三颈瓶中加入0.675 g FeCl 3 ·6H 2 O，混合搅拌0.5小时形成透明的黄橙色溶液。然后向溶液中加入3.28g NaAc搅拌2小时。上述溶液随后转移至50 mL不锈钢反应釜中密封，放入加热炉中200℃保温12小时进行反应。随后冷至室温，得到的黑色分散液用去离子水和无水乙醇分别洗2~3次以去除反应物等杂质，最后将其放入真空干燥箱中50℃干燥待用。 2.3. 单分散超顺磁Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 复合胶体粒子的制备 称取50 mg上述方法得到的Fe 3 O 4 /PVP粒子分散于50 mL无水乙醇并转入100 mL三颈烧瓶中，超声30分钟；然后加入4 mL去离子水和2 mL氨水溶液，搅拌1小时充分混匀；用微量注射器量取0.2 mL转至25 mL小烧杯中，再向烧杯里加入10 mL无水乙醇混合均匀，得到正硅酸乙酯(TEOS)的无水乙醇溶液。将此溶液用注射器逐滴滴加于上述搅拌中的三颈瓶中。搅拌反应6小时后，离心分离，用水和乙醇清洗三次，得到Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 复合胶体粒子。 2.4. Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的回流改性 将上述制得的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子分散于30 mL去离子水中，超声分散30 min后转至三颈瓶中继续搅拌，100℃下回流反应2小时，然后自然冷却至室温，用去离子水洗涤三次，最终得到表面硅烷基化的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 复合胶体粒子。 2.5. 测试与表征 采用德国Bruker公司的d8-advance 3.0 X射线衍射仪(XRD)对样品进行物相分析；利用日本电子的JSM-7000F型扫描电子显微镜(SEM)进行微观形貌分析；用美国Lake Shore公司的振动样品磁强计(VSM)测试其磁性；利用英国马尔文公司的Zeta-sizer纳米粒度电位仪测试胶体粒子的表面电学性能；采用上海复享仪器设备有限公司的PG2000型高速光谱仪进行反射光谱测试。
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user: 3. 结果分析与讨论 图1(a)和图1(b)分别给出了Fe 3 O 4 /PVP与Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的SEM照片。由图中可知，所合成的Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子近似为球形，粒径约为100 nm，呈现典型的单分散特征。进一步分析发现，所合成的Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子表面并不光滑，呈典型的分等级结构，每个胶体粒子由尺寸更小的纳米晶粒聚集而成。经SiO 2 包覆后，胶体粒子表面变得光滑，粒子的球形度和尺寸均匀程度进一步提高，Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的平均粒径约为140 nm。图1(c)给出了Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子TEM照片。从图中可发现，胶体粒子成典型的核壳结构，Fe 3 O 4 /PVP粒子表面被SiO 2 均匀包覆，包覆层厚度约为20 nm。为了进一步验证SiO 2 包覆后的胶体粒子的相组成，对Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 粉体进行XRD分析，结果如图1(d)所示。从图中可看出，样品的衍射峰与尖晶石结构Fe 3 O 4 的(220)、(311)、(400)、(422)、(511)、(440)特征峰完全吻合，未检测出晶态SiO 2 的特征峰，说明所制得的氧化铁产物为尖晶石Fe 3 O 4 ，且在与SiO 2 复合过程中Fe 3 O 4 的物相保持不变，同时表面SiO 2 以非晶态形式存在。根据(311)主衍射峰的半高宽，利用Debye-Scherrer公式计算得到Fe 3 O 4 晶粒尺寸为6.2 nm。 图2(a)和图2(b)分别为Fe 3 O 4 /PVP与Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的FT-IR红外谱图。图2(a)中波数为572.8 cm −1 处的峰对应Fe 3 O 4 中的Fe-O特征峰；波数为1662.6 cm − 1 和1292.3 cm −1 处的征峰分别对应PVP分子的−C=O的伸缩振动和−C−N−伸缩振动，说明Fe 3 O 4 表面确实存在PVP；波数为3761.1 cm −1 附近为游离羟基的伸缩振动峰，3022.4 cm −1 和1550.7 cm −1 处分别对应羟基-OH的伸缩振动峰和弯曲振动峰，相比较于传统羟基，特征峰移向低波数且峰变宽，这是由于Fe 3 O 4 和PVP分子之间的氢键结合会限制其他红外吸收化学键的振动，振动频率降低，谱带移向低频区，峰型变宽所致。由图2(b)可发现，Fe 3 O 4 /PVP表面包覆SiO 2 后，Fe-O特征峰从572.8 cm −1 处移动到了586.3 cm −1 附近，发生了“红移”。波数为800.4 cm −1 附近和470.6 cm −1 处分别为对应Si-O键的对称伸缩振动和弯曲振动峰，在1084.0 cm −1 处出现的明显不同于图中Fe 3 O 4 红外谱图的新的吸收峰则是Si-O键的反对称伸缩振动谱带。这一结果进一步说明Fe 3 O 4 /PVP表面的包覆层为SiO 2 。 图3(a)~(c)分别为Fe 3 O 4 /PVP、Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 和经回流处理过的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的表面zeta电位分布图。由图可知，Fe 3 O 4 /PVP的zeta电位为−6.95 mV，说明PVP修饰的Fe 3 O 4 胶体粒子表面几乎不带电，近似于电中性。经表面SiO 2 包覆后，由于表面硅烷醇基的出现，使得胶体粒子表面携带一定的负电荷，其zeta电位下降为−25.8 mV。进一步将Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 粒子在沸水中回流处理后，由于沸水对SiO 2 表面的刻蚀，使其表面的硅烷醇基数量显著增加，从而使得粒子表面电荷密度进一步增加，其zeta电位下降为−48.3 mV。胶体粒子表面的高电荷密度有利于增大粒子间的静电斥力，从而有助于胶体粒子组装形成光子晶体。 用VSM对样品的磁性进行测试分析，结果如图4所示。图4分别为Fe 3 O 4 /PVP和Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的磁滞回线。从图中可以看出，Fe 3 O 4 /PVP和Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子均表现出典型的超顺磁性，矫顽力为零，且无剩磁现象。其中，Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子的饱和磁化强度为50 emu/g，Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 粒子的饱和磁化强度约为26 emu/g。样品超顺磁特性的产生是由于Fe 3 O 4 纳米晶粒的尺寸小于超顺磁临界尺寸，磁性纳米粒子中磁晶各向异性能小于或与磁矩热扰动能相当，磁矩的自发磁化方向无法固定在某一个方向，易磁化方向也做不规则变化，从而导致粒子呈现超顺磁状态。Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的这一超顺磁特性有利于胶体粒子在磁场作用下的可逆响应。 图1. (a) Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子的SEM照片，(b) Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的SEM照片，(c) Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的TEM照片及，(d) Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的XRD结果 图2. (a) Fe 3 O 4 /PVP与(b) Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的FT-IR谱图 将回流处理后的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子超声分散于乙腈中，浓度约为10 mg/mL，并将分散后的溶液置于磁场中，观察其结构色的变化，并用光纤光谱仪测量其反射光谱，结果如图5所示。从图中可知，Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 分散于乙腈中所形成的胶体溶液在外加磁场作用下显示出明亮的结构色，通过改变磁场 图3. 胶体粒子的Zeta电位分布图：(a) Fe 3 O 4 /PVP，(b) Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 ，(c) 回流处理后的Fe 3 O 4 /PVP/p-SiO 2 图4. (a) Fe 3 O 4 /PVP与(b) Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子的磁滞回线 强度，结构色随之变化并覆盖整个可见光区。反射光谱测量结果也表明，随着外加磁场强度的增大，反射峰逐渐向波长减小的方向移动，反射峰所对应的光波波长由最初的760 nm逐渐减小为620 nm左右，光子带隙可在近140 nm的波长范围内进行可逆调谐。这种光子带隙的可调谐特性是由于磁性胶体粒子间的相对距离在外磁场作用下发生可逆变化所致。随着外加磁场的变化，磁性粒子间的距离，特别是平行于磁场方向的粒子间距离发生变化，从而使得通过布拉格衍射产生的带隙特征随之发生变化。 Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子之所以能在外加磁场作用产生光子带隙行为、显现结构色，是由于表面携带电荷的磁性胶体粒子在磁场作用下倾向于在溶液中规则排列形成晶体结构所致。Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子在溶液中的规则排列，与其在不同方向上受到的吸引力和排斥力有关。首先，超顺磁性胶体粒子在外加磁场作用下会沿着磁力线方向产生磁偶极矩。相邻胶体粒子之间的偶极间作用力在垂直于外磁场方向表现为斥力，在平行于外磁场方向表现为吸引力。这种不同方向的引力和斥力以及粒子间的静电排斥力相互协同作用并达到平衡，使得磁性粒子沿磁场方向组装为有序链状结构，并通过布拉格衍射形成光子带隙特征，如图6所示。 图5. Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体溶液在外磁场作用下的反射光谱及结构色 图6. 外场作用下Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子间的相互作用力以及粒子的规则排列
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user: 4. 结论 本文采用溶剂热法制备了超顺磁性Fe 3 O 4 /PVP胶体粒子，并用改进的stöber法对粒子进行SiO 2 包覆，得到表面携带负电荷的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 核壳结构胶体粒子。通过进一步回流处理，借助Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 粒子表面硅烷基数量的增加提高了粒子表面电荷密度，其Zeta电势为−48.3 mV。所合成的Fe 3 O 4 /PVP/SiO 2 胶体粒子可在乙腈中均匀分散，所形成的胶体溶液在外加磁场的作用下表现出明亮的结构色，具有明显的磁场可调谐光子带隙特征。这种光子带隙可磁场调谐的胶体光子晶体在彩色显示、民用涂装、印刷防伪、军事伪装等领域有着巨大的应用前景。
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user: 摘 要 通过对鄂西榔坪–枝柘坪地区奥陶系岩石组合、基本层序、沉积相的综合分析，结合野外露头层序界面识别，根据露头层序地层学原理和方法，本地区奥陶纪由下至上可划分为9个由海侵体系域(TST)和高位体系域(HST)组成的三级层序，据沉积层序演化特征编制的海平面相对变化曲线显示出与本区较好的可比性。 关键词 :鄂西，奥陶纪，层序地层
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user: 1. 引言 鄂西榔坪–枝柘坪地区位于扬子地台腹地，奥陶纪地层发育齐全，露头良好，区域上生物地层和年代地层研究程度较高，具有露头层序地层研究的良好条件 [ 1 ] [ 2 ] 。近几年作者在开展1:5万高店子幅、野三关幅、清太坪幅、枝柘坪幅区域地质调查中，通过对长阳县榔坪、千彩岭、铜钩湾、枝柘坪等地奥陶系岩石组合、基本层序、沉积相的综合分析，露头剖面的综合研究，结合区域地质调查中野外露头层序界面识别，对奥陶纪地层进行了层序地层划分，为扬子地层区奥陶纪层序地层格架对比精度和沉积盆地分析提供进一步的资料。