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关键词： 采摘机械手   末端执行器   嵌入式系统   图像特征提取   轨迹规划  

摘要： 目前番茄果实采摘主要通过人工的方式进行,但人工收获西红柿番茄费力、耗时并且效率低下,对于较大规模番茄种植园而言并不可行,同时随着我国劳动力成本的增加,该问题就更加显得突出。在此背景下,自动收获技术已经成为替换人工收获的一种更加高效的方法。面对上述实际情况,本文针对成熟番茄果实柔软、易伤的特性研发了一种柔性采摘末端执行器;针对视觉系统采摘环境复杂的特点进行了番茄果实图像特征提取研究;并且基于matlab对四自由度机械臂进行了数学建模以及路径规划研究,为该机械臂实际采摘作业提供了数据支撑。本文主要的研究内容如下。(1)针对成熟番茄果实的柔软、易伤的特性,本文研发了一种番茄果实柔性采摘末端执行器。该末端执行器每根手指下方都安装有薄膜压力传感器,当手指夹取压力到达本文设定阈值时,压力传感器能够控制对应舵机停止转动;为确定压力传感器压力阈值取值范围,本文基于***+***质构仪对“千禧圣女果”做了100组压缩破坏实验,最终确定传感器压力阈值应低于11.94N,并且通过测量每组番茄质量,计算出传感器压力阈值应大于0.46N。基于物理实验结果,本文对末端执行器进行了硬件以及软件部分的设计。(2)本文针对采摘机械手采摘环境较为复杂的特点对视觉系统中番茄果实特征提取进行了研究。首先根据番茄植株生长特点以及成熟果实与叶片之间颜色差异自定义了颜色模型x R-y G,并对其进行归一化处理得到模型n R-G,通过对实验室采集得到的番茄果实图像进行阈值分割实验确定“n“为0.9(8lux下)和1.1(129lux下)。最后通过与YUV颜色模型进行阈值分割、边缘提取、椭圆拟合以及降噪对比实验,最终确定各个颜色模型适用环境特点。(3)基于matlab对四自由度机械臂进行了数学建模以及路径规划研究,为该机械臂实际采摘作业提供了数据支撑。本文首先利用D-H法对机械臂进行数学建模,接着通过“标准型”其次转换矩阵对机械臂模型进行正运动学分析,基于正运动学分析结果,本文采用代数法对机械臂进行逆运动学分析,并通过matlab运动学仿真验证了本文正、逆运动学学分析结果的正确性。最后基于建立的数学模型对机械臂进行路径规划仿真,为后期四自由度机械臂的研发打下坚实基础,并为番茄果实的采摘实验提供理论支撑。(4)为了分析本文研发的末端执行器实际采摘性能,本文对末端执行器进行了模拟采摘实验。模拟采摘实验结果显示该末端执行器采摘实验成功率可达84%,采摘平均用时为6.18s。并且每次采摘实验手指夹取时夹取舵机都能在传感器压力值到达本文设定阈值时控制舵机停止转动,42次成功采摘实验中并未出现果实损伤现象,表明本文设计的末端执行器具有较好的协调性能,满足实际采摘需求。

关键词： 车窗电机   防夹区间性能测试   连续小波变换   嵌入式系统  

摘要： 现今汽车上普遍采用了电动式车窗升降系统,该系统给操作带来方便的同时也带来了安全隐患,即车窗在自动上升期间存在会夹到人手臂的危险,因此汽车厂商对该系统电机防夹区间性能提出了较高的要求。电机生产厂家需要对生产的电机进行防夹区间性能综合测试,以确认其是否满足汽车厂商对防夹功能的要求。目前,电机生产厂家多采用电流-位置直接检测法进行电机防夹区间性能测试,但该方法存在位置传感器安装占用空间、需额外加装磁环、引出线较多等影响测试系统稳定性的缺点,且测试成本相对较高,普适性低。本文以电流-位置直接检测法的测试结果为标准,设计了一套无位置传感器的普适性相对较高的经济型电机防夹区间性能测试系统。首先,基于车窗电机防夹区间性能测试要求及标准、电机转速与电流换向脉动频率关系、连续小波变换等方面的研究,设计车窗电机整体测控方案。该方案通过下位机采集电流数据后传输至上位机,上位机采用连续小波变换（CWT）算法对电流数据进行时频谱分析,根据电机转速与电流换向脉动频率关系先计算出电机瞬时转速,再进一步计算出电机其他性能参数数据,最终完成车窗电机防夹区间性能测试,测试结果支持图形和数据两种方式显示。其次,根据车窗电机防夹区间性能测试的需求分析,完成系统的硬件设计。硬件部分主要是以STM32F103RCT6芯片为核心的嵌入端板卡,该板卡包括电流信号采集电路、RS-232串行通信电路、DO控制电路、H桥驱动电路等外围模块。通过对各模块进行计算分析,确定元器件型号,并对相关电路原理进行说明。随后,基于测控板卡设计,完成该测控系统的软件设计。软件部分包括嵌入端下位机软件和上位机MFC应用程序。下位机软件主要实现电机启停、正反转控制、电流信号采集、通信传输等功能,上位机软件为Visual Stdio 2013环境下开发的MFC应用程序,主要实现串口控制、连续小波变换分析、电机防夹区间性能参数计算、曲线及数据显示等功能。最后,用该测试系统对车窗电机进行防夹区间性能测试实验,多次测试并记录测试结果及相关数据,把测试结果与用电流-位置直接检测法测得的电机防夹区间性能参数信息进行对比分析,并对相关数据进行优化修正,达到电流-位置直接检测法的测试效果,以替代电流-位置直接检测法进行电机防夹区间性能测试。

关键词： 双层智能车库   静力分析   嵌入式系统   PLC   APP  

摘要： 随着我国拥有的私家车的数量越来越大,传统的停车场已经不能满足停车的需求,这样立体车库使得占地面积得到充分利用的优势就充分发挥出来了,也有效的缓解了停车难、无处停车的问题。本文主要选择双层智能立体车库作为研究对象,分析了双层智能停车机的结构,同时也对四边形框架和台板连接板进行了静力分析并计算了最大形变量和最大应受力,确定了结构符合双层智能停车机的存取车的要求,满足了双层智能立体车库能够长期使用的质量要求,解决了智能立体车库是否能长期使用的问题。用欧姆龙PLC控制智能双层停车机的存取车,对操作屏运用STM32F103进行控制,操作屏能通过按键进行存取车的操作并能显示相应的运行状态,还能显示相应的故障,以便工作人员及时发现问题进行维修。运用STM32进行控制还能在后期扩展硬件,然后对硬件使用相应的软件编程,从而对功能进行扩展使其更加方便人们的生活,与以前的智能立体车库相比有了更大的智能扩展空间。还设计了相应的两台双层智能立体停车机的APP,能远距离遥控查看停车位的位置,选择停车位进行停车,解决了以前到停车位却发现停车位已被占用的问题,并根据存取车辆的时间支付相应的费用。最后对双层智能停车机的操作屏与欧姆龙PLC通信、自动控制模式存取车辆、手动控制模式存取车辆、强制运行模式存取车辆、APP存取车辆、APP支付相应的费用进行了实验,实验能完全模拟预期设置。

关键词： 跳板攻击   多智能体系统   路径分析   嵌入式系统   攻击分析  

摘要： 智能设备大规模普及的同时,全球范围内物联网安全事件频发,给用户资产安全与行业发展带来极大挑战。一方面,攻击者的攻击目标不再局限于直接攻破某一特定设备,而是先攻破若干中间系统,使之成为“跳板”,借助跳板系统完成攻击行为。除了可以隐藏攻击者的真实身份,考虑到物联网的特殊性,攻击者还可以将智能设备作为网关和跳板,深入专用网络进行破坏。另一方面,在现实场景中,攻击者对跳板攻击路径的选择标准也越来越多元,不同的攻击目标将会衍生出不同的攻击意图,从而产生不同的最短攻击路径选择,特别地,防御者日益提高的攻击防御措施和仅考虑利益最大化的路径选择约束之间存在矛盾,使得攻击实施的可行性差、最短路径分析可靠性低。针对以上问题,本文对物联网中存在的跳板攻击进行研究,并对攻击者选择攻击（跳板）路径时的多种策略进行建模和分析,以提高攻击路径分析的准确性。本文的具体工作如下:（1）通过研究风险规避型攻击者在跳板攻击中对约束的选择及量化问题,提出满足被检测风险最小的最短路径分析方案。首先,本文在基于有偏最小共识协议的多智能体系统最短路径求解方法基础上,提出并实现了一种多智能体系统中带约束的最短跳板攻击路径的分析方案。其次,针对攻击者可能基于两方面攻击意图同时采取两种攻击策略的需求,定义复合边缘评分,用于评价漏洞复杂性并量化攻击实施过程中的被检测风险,以提升跳板路径评价的准确性。最后,将边缘评分纳入邻接二次最短路径问题目标函数,求解得到满足被检测风险最小的最短跳板攻击路径。以上方案通过赋予攻击路径两个评分标准,从两个角度进行最短路径的分析和评估,提升了跳板攻击路径评价的准确性。（2）设计了面向Vx Works设备网络的跳板攻击路径分析演示验证系统。针对实际系统环境,展开从网络探测、漏洞分析与部署到攻击路径分析的全流程分析,并在实际环境中部署了5个CVE漏洞,自动化获得了演示验证环境中满足被检测风险最小的最短跳板攻击路径。通过比较分析结果与实际环境中的被检测风险来证明分析的正确性,通过与现有最短攻击路径分析方案的比较来证明本文方案的优势。

关键词： 多轴电机控制系统   可编程片上系统   嵌入式系统   驱控一体化   软硬件协同设计  

摘要： 随着机器人产业和电子科学技术的发展,伺服电机系统和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)成为研究的热点。本课题是基于吉林省科技厅重点科技研发项目,为了提升动静态平衡康复与训练系统原理样机的集成度、控制精度、动态性能和稳定性而展开深入研究。本文以驱控一体化和软硬件协同的思想为基础,设计一款基于可编程片上系统(System on a Programmable Chip,SOPC)的多轴电机控制系统。本文基于驱控一体化的设计思想。硬件上,将控制单元、电机驱动单元、信号处理单元等进行集成,在能够同时控制多个电机的同时又能有效提升控制系统集成度。软件上,直接将多轴电机上层控制算法和底层的驱动算法进行整合,系统因无需多个主控芯片而舍去部分外部电路走线,有效避免不必要的干扰,提升系统稳定性,同时有利于提升系统带宽、节省成本。控制系统采用了可编程片上系统SOPC技术,充分利用现场可编程门阵列FPGA极强的并行任务处理能力,将部分较为复杂的算法和一些硬件接口电路以数字逻辑电路的形式在FPGA上完成搭建,并实现与片上ARM处理器协同工作。将算法完成在FPGA上的集成,能够有效降低嵌入式系统主控芯片运算单元的运行负载,提高控制系统的带宽。将部分硬件电路集成到FPGA上,一方面可以根据需要随时修改电路的功能,提高电路灵活性,缩短开发周期,降低研发成本;另一方面,由于减少了电路板上的硬件电路的布局,提高了控制系统的集成度。本文设计的多轴电机控制系统具有高集成度、高控制精度、高动态性能和高稳定性的特点,可以实现同时控制3路永磁同步电机的功能,通过合理的路径规划,灵活调整控制策略,完成对并联机器人的阻抗控制任务。通过实验,控制系统的电流环响应时间不足4ms,速度环和位置环响应时间也都能控制在100ms之内,速度误差不超过10RPM,位置误差不超过0.021°,面对有外界扰动时,系统也能保持较强的稳定性,各项系统指标均满足设计要求。验证了本系统设计基于软硬件协同技术和驱控一体化技术理念的合理性。

关键词： 腔衰荡技术   ZYNQ   衰荡时间   嵌入式系统   数据采集及处理  

摘要： 腔衰荡技术是一种基于时间衰减法的高精度光学损耗检测技术,它利用激光在光学无源腔的弛豫效应来增加激光在谐振腔内的光程,通过测量光学无源腔谐振输出光的衰荡时间,来反演得到腔内损耗及气体浓度等重要信息,已成为国内外超低损耗测量的标准方法。在腔衰荡技术实际应用中,如何才能高速测量和精确处理腔衰荡信号是需要解决的重要问题,尤其是如何从腔衰荡信号中精确提取出衰荡时间更是腔衰荡技术成功应用的关键。因此,有关腔衰荡信号的准确采集及实时处理一直以来都是国内外科学和工程技术领域中的研究热点。本文首先从理论上分析了腔衰荡技术的测量理论以及典型信号特征,根据其信号特征及以往实际应用经验对系统的性能参数和指标提出了要求。目前,国内外常用的腔衰荡信号采集与处理系统大多数为高速数据采集卡及PC机的非嵌入式大体积操作系统,使用时多有不便。针对该问题,本文基于Xilinx公司ZYNQ系列芯片FPGA+ARM的特有架构及嵌入式系统,提出并设计了一套基于ZYNQ的腔衰荡信号采集及处理系统。系统利用FPGA强大的硬件逻辑控制能力及丰富的IP核资源进行FPGA部分硬件逻辑功能设计与实现,再利用ZYNQ芯片内部的高速数据传输总线进行数据交互,最后将ARM部分作为上位机进行开发设计,从而完成数据拟合及结果显示等功能。依据于所提出的要求进行器件选型及模块化功能设计,利用Altium Designer完成系统原理图及12层PCB的设计实现,最终系统实现了500Msps的采样率、16bit量化位数;在500MHz频率范围内,验证了有效位数大于10.3bit、无杂散动态范围大于68d B。通过实际测量测得其重复测量精度小于0.5%,验证了系统的可靠性,能够基本达到甚至优于原有腔衰荡信号采集与处理系统的性能,且在体积和成本上有较大改善。本文所做的工作为后续腔衰荡技术典型应用,如光学谐振腔损耗测量、基于腔衰荡法的微弱气体浓度测量以及精密光谱检测的推广的应用奠定了坚实基础。同时,本文所研制的基于ZYNQ的信号采集处理系统,还可以广泛应用于其它需要进行信号高速采样和分析的重要场合。

关键词： 嵌入式系统   舰船温湿度   温度控制   湿度控制   控制应用  

摘要： 目前研究的舰船温湿度控制方法控制过程损耗过多,控制耗时过长。为了解决上述问题,基于嵌入式系统研究了一种新的舰船温湿度控制方法,选用三星公司生产的TSD6382G8芯片提供控制电压,内部电路采用手动复位方式,利用嵌入式系统管理平台内部操作系统进行舰船蒸汽制冷,引入显示屏显示结果,通过数据交互实现温度控制。使用嵌入式系统的人机交互界面完成除湿工作,在进行冷却除湿过程中,需要对冷却空气进行传热,实现湿度控制。实验结果表明,将嵌入式系统应用在舰船温湿度控制中,可以很好地减少控制损耗,缩短温度湿度控制响应时间。

关键词： 微型直升机   嵌入式系统   互补滤波   飞行控制律   飞行试验  

摘要： 微型直升机具有成本低、体积小、操纵便捷、隐蔽性强等特点,同时具备垂直起降、空中悬停、低空飞行的能力,适合狭小空间侦察渗透,如室内侦察、野外丛林搜索、灾后搜救等,在军事和警用领域有广阔的发展前景。但由于微型飞行器体积小、负载轻,对飞行控制系统的设计提出了技术难题与挑战。本文的研究对象为微型双旋翼直升机,该飞行器各项尺寸小于120mm,重量为20g。论文首先根据飞行器结构特点及飞行任务要求,完成了飞行控制计算机、惯性测量元件、无线通信模块的选型及硬件集成,建立了微型化、轻量化、高精度、高可靠性的嵌入式飞行控制系统,系统尺寸为20mm×20mm,重量为2.7g。根据飞行任务的功能需要,对系统软件进行模块化设计;完成数据传输链路的通信协议设计,实现飞行控制系统与地面测控系统无线通信;采用基于四元数的二阶互补滤波算法对传感器测量数据进行数据融合,得到最优估计姿态。其次,对微型双旋翼直升机的操纵策略进行分析,采用内外环控制回路设计增稳模式、高度保持模式和位置保持模式的控制律,通过数值仿真计算,验证了所设计的控制律和操纵策略的可行性。最后,对微型双旋翼直升机进行试飞试验,分析飞行数据记录,验证所设计的角速率控制器、姿态控制器、高度控制器和位置控制器的效果能够达到预期;使用UWB定位技术进行了室内自主飞行试验,试验结果表明室内自主导航定位的测量精度和飞行轨迹跟踪控制能满足任务需要。

关键词： 自动编码技术   嵌入式系统   软件开发   应用  

摘要： 当前科技条件下,计算机技术正处于高速发展状态,而嵌入式系统则是近年来计算机技术当中发展前景更为广阔的技术类型,其不仅规模越来越大,开发的类别也随之增多。随着技术投入的不断增多,嵌入式系统需要花费的维护成本也随之增加,其中所涵盖的问题也暴漏出来。本文就自动编码技术在开发嵌入式系统过程中的具体应用展开研究,先概述自动编码技术,然后详细分析嵌入式系统在开发时自动编码技术所起到的应用效果。

关键词： 少模光纤   光时域反射仪   损伤测量   光纤通信   嵌入式系统  

摘要： 随着信息技术的高速发展,各行各业对带宽的需求越来越高。因为香农极限定理限制着基于单模光纤的光通信网络容量上限,迫切需求革命性的新技术解决当前网络容量挑战。一种以少模光纤为传播媒介的模分复用技术应运而生,该技术采用相互正交的空间模式作为互不影响的传播通道,能够提高光通信系统容量。然而,少模光纤中独有的损伤特性如模式相关损耗、模式耦合、差分模式群时延会影响模分复用技术的传输能力,降低模分复用系统的传输距离;此外,不同空间模式的传输特性存在差别,而且空间模式之间又会因串扰问题相互影响,这导致检测少模光纤的链路故障状况要难于单模光纤。因而,研究少模光纤的损伤测量技术与光纤故障检测技术尤为重要。这对于优化少模光纤结构、为模分复用系统损伤补偿提供数据支持,提高光通信系统传输能力等方面十分重要。目前主流的少模光纤损伤检测技术有脉冲响应技术、波长扫描干涉技术和背向瑞利散射测量技术。本文依据背向瑞利散射测量技术研制出一种基于嵌入式的少模光时域反射仪,其原理为利用光脉冲在传输过程中发生的背向瑞利散射效应获得光纤损伤与光纤结构参数。本文在理论分析空间模式正交性与少模光纤背向瑞利散射特性的基础上,分别搭建了嵌入式少模光时域反射仪的硬件平台、研发了嵌入式少模光时域反射仪的人机交互软件,并针对6模光纤与3模光纤进行测量,分析了嵌入式少模光时域反射仪的动态范围、空间分辨率等指标,并验证了少模光时域反射仪在故障定位与测量模式耦合、差分模式群时延与模式相关损耗的性能。本文的主要内容与创新点包括如下:1.针对少模光时域反射仪需要满足测量不同空间模式传输特性的问题,本文搭建一种光子灯笼+少模环形器的光纤故障检测系统,利用光子灯笼实现模式复用器和模式解复用器,最终通过实验证明该系统能够激发少模光纤中的多种空间模式,并分离少模光纤中的不同空间模式,为后续的少模光纤损伤检测与链路故障诊断奠定基础。2.针对少模光纤损伤检测独有的模式相关损耗、模式耦合、差分模式群时延。本文首先建立基于少模光纤的背向瑞利散射理论模型,然后通过对少模光纤损伤产生机理的深入研究,理论推导出少模光纤模式相关损耗、模式耦合与背向瑞利散射曲线斜率的关系式,进而得到上述损伤参数的检测结果,而差分模式群时延则采用时间飞行法获得。最终通过实验证明该系统可以达到测量目的,实现了少模光时域反射仪满足多模式、多参量测量的设计初衷。3.针对光纤链路故障诊断过程中,因噪声而引起的故障点误判问题,本文使用卡尔曼滤波算法去除测量数据中的噪声。通过仿真与最终实验结果显示该算法能够保持测量曲线原有变换趋势的情况下,使曲线变得平滑,进而提高少模光时域反射仪的故障诊断精确度。4.针对目前少模光时域反射仪体积大、功耗大、成本高等问题。本文使用嵌入式设备作为少模光时域反射仪的数据处理与人机交互平台。具体型号为Xilinx公司的Zynq-7000 SOC硬件平台,最终实验结果表明嵌入式设备能够满足设计需求,且更具便携性。