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关键词： 六轴机械臂   嵌入式系统   Linux+Qt   空间轨迹规划  

摘要： 随着产业升级和智能制造的不断深入,六轴机械臂的应用领域也越来越广。六轴机械臂需要提高开放性和可扩展性以满足不同的生产需求,而机械臂控制系统是实现这些要求的重要平台。本文针对工业生产中常用的六轴机械臂的构型设计并开发了一套基于ARM平台的主从式六轴机械臂控制系统解决方案。研究了六轴机械臂的D-H数学模型和正逆解算法。在采用位姿分离逆解方法的前提下,改进了基于位移最小原则的逆解优选算法,在位置和姿态求逆解的过程中对逆解进行了两次基于位移最小原则的逆解优选,不用求出全部可行解即可筛选出最优的逆解,减少了非必要的计算过程,提高了算法效率。针对传统的加减速曲线在实际加工的过程中存在的插补余量的问题,改进了S型加减速曲线和T型加减速曲线的规划算法,相比于传统的加减速算法,本算法的速度波动更小。在此基础上,针对机械臂运行过程中位置和姿态需要同步的问题,采用了以位置规划为主的位姿同步规划算法。提出了空间圆弧轨迹的位姿同步算法,将空间圆弧以中间点分成两段分别规划。避免了位置与姿态不同步的问题,提高了机械臂的运行精度。针对采用单片机进行六轴同步控制的难点,提出了基于STM32的六轴同步驱动解决方案,采用了DMA通道有效减少了数据从传输对STM32芯片实时性能的影响,并合理配置了启停和参数设置的时序,保证了PWM脉冲可以连续输出。使得控制系统的插补周期可以达到1ms,满足系统的实时性要求。完成了机械臂控制系统的整体设计,搭建了基于ARM芯片的主从式控制系统硬件平台,实现了轨迹规划算法和自动功能、手动功能、编程功能等人机交互界面。在完成了控制系统的开发之后,完成了控制系统的搭建,并确保了控制系统的正常运行。最后,设计了多段线轨迹跟踪测试。通过在控制系统中编程和轨迹规划等试验并采集了实验数据,分析实验数据表明控制系统可以满足设计要求。为后续控制系统功能的拓展和开发提供了环境基础。

关键词： 嵌入式系统   采集算法   保护算法   ARM Cortex-M3架构  

摘要： 当电力系统中发生故障危及电力系统安全运行时,需要通过继电保护装置分析故障类型,选择最佳的处理方式,快速处理故障,从而使电力系统恢复稳定,达到效益最优。因为电气故障复杂多样,所以电力系统中的继电保护逻辑复杂,数据量大。微机继电保护装置以性能高效,灵活可靠,体积较小,功耗较低,维护调试简单,硬件通用,功能拓展方便等优势,占据了继电保护装置的主导地位。在电力系统中,变压器承担着电压和电流转换的作用,以达到电能能够合理地传输的目的,是电力系统中的重要设备。当火力发电厂的厂用变压器发生电气故障时,如果变压器继电保护装置发生误动或拒动,将会导致电力设备损坏。例如,在变压器负荷比较重的时候,负荷电流超过了保护电流门限值,引起不必要的过流保护误动情况;在变压器内部发生两相短路故障时,与外部故障造成的过电流在幅值上相近,往往无法区分,造成变压器内部保护误动作;南方为多雨多雷电天气,常常雷击会产生过电压的现象,如果缺乏过电压的识别,将会造成变压器的绝缘的损坏。处理器是微机继电保护装置的硬件核心部分,它犹如整个装置的大脑,采样算法及保护逻辑则是大脑思考的主要内容。为了解决这些继电保护装置在实际工作中遇到的问题,我们首先对微机继电保护装置的处理器进行分析,通过简要对比Cortex-M系列处理器,提出选择Cortex-M3处理器进行分析的原因,通过分析系统时钟单元、DMA控制器、存储单元、架构总线和外设模块,理解ARM Cortex-M3处理器的总体架构设计,从而更好地了解保护装置的“大脑”是如何构成的。然后我们再来了解保护装置“大脑”是如何思考的。通过比较分析基本交流采样算法以及傅里叶算法,展示各采样算法的利弊,之后着重讲述与电厂实际相关的傅里叶变换算法。在变压器发生不同故障时,通过对故障电压电流的时域信号进行采样后,运用傅里叶变换,将获得电气量的频域信号,使用这些电气量数据进行逻辑判断,从而计算出系统某一环节的运行状态,识别出故障类型,并根据计算结果做出相应的出口动作,使得变压器避免故障造成损坏。本文以南宁电厂为例,分析实际遇到的故障,将变压器纵差保护、过流保护、零序保护等保护逻辑进行合理搭配整合,合理优化保护定值,使保护装置更加适配现场设备,更能适应实际工作环境。最后搭建模拟电路模型,将采样的电气量信号以及保护逻辑算法写入处理器,通过测试从而验证采样算法的准确性,以及保护逻辑的可行性和正确性,将变压器微机继电保护的内容与实际工作结合,解决了实际工作遇到的问题,从中获得更深刻的理解。

关键词： 随钻测井   EMI检测   嵌入式系统   卷积神经网络   电源监测  

摘要： 在随钻测井仪器的作业过程中,需要对测井仪器电子电路的工作状态进行监测和控制,确保随钻测井仪器各电路始终处于正常且稳定的工作模式。本文设计并实现了一种基于电源EMI噪声特征分析的随钻测井仪器电路工作状态在线监测方法,用于解决工作在高温及振动环境中随钻测井仪器的电路工作状态监测问题。设计了一种基于STM32F746ZG和FPGA系列MAX10M50SC的电源EMI信号采集与数据处理电路,对随钻测井仪器的EMI信号进行采集和运算处理。信号采集电路由信号调理、模数转换,MAX10M50SC构成的先入先出存储器及时序控制模块组成,以25MHz采样率对电源EMI信号进行连续采集,数据处理电路由STM32F746ZG构成。使用卡尔曼滤波算法和快速傅里叶变换等实时信号处理方法对EMI信号进行数字去噪和特征提取操作,并使用去直流和归一化处理将特征值转换为无量纲表达。通过此方法提取的特征参数表征了不同电路板类型的电源工作状态,其时间稳定性为分类器的输入提供了稳定的基础。随钻测井仪器的钻铤内部空间狭窄且维护困难,引入非侵入式单点传感方法,仅在电源供给端口安装单个传感器,在嵌入式平台上部署轻量化卷积神经网络分类算法对电源EMI信号识别并执行异常触发操作判断。本文所设计的电路监测方法,具有完备的数据采集、特征提取和电源EMI特征识别功能,使用学习算法,实现对随钻测井仪器电路板工作状态的识别,能够有效满足实际井下作业过程中的电路板工作状态检测需求,减小电路板异常带来的经济损失,这为将来的现场实验工作提供了参考。

关键词： 边缘计算   智能型全站仪   自动化监测   多项差分处理   嵌入式系统   物联网  

摘要： 随着我国水利、交通、建筑等行业的快速发展,对大型工程的变形监测工作提出了更高的要求,非物联网下的全站仪自动监测系统已经无法满足当前各类变形监测项目的需求。当前的物联网技术具备解决以上问题的巨大潜力,尤其是嵌入式与边缘计算的结合,可以为全站仪变形监测来定制具备计算、存储、通信以及多接口的边缘端微控制器,以实现无人值守的自动化监测,来满足目前变形监测工程的迫切需求。因此,为实现基于边缘计算的全站仪自动化监测系统,本文主要从以下几个方面来展开:(1)从系统架构、采用技术等角度进一步分析非物联网下的全站仪自动监测系统存在的问题,根据其所存在的问题,带着目的明确地分析目前物联网的相关技术,如嵌入式、边缘计算等。通过综合分析将物联网技术与全站仪自动监测技术相结合,设计出物联网下基于边缘计算的全站仪自动监测总体方案,并对方案进行可行性分析。(2)为实现边缘端全站仪无人值守的自动监测,采用嵌入式与边缘计算,将全站仪气象观测条件的判定、全站仪自动化测量、数据存储以及长时间监测运行环境下的设备供电等功能均在边缘端实现。因此,需要针对以上功能选择合适的硬件设备与软件实现环境,本文对所采用的智能型全站仪、微控制器、通信模块、气象模块以及UPS不间断供电模块进行介绍,并完成无操作系统的边缘端软硬件开发环境的搭建,以支持后续全站仪自动监测完整功能的实现。(3)还需要考虑全站仪在观测过程中的测点遮挡与全站仪视场内出现多个目标棱镜时的处理,以及无操作系统的边缘端软硬件开发环境下,如何进行气象数据的获取、全站自动化监测、限差判定与数据处理、数据存储。针对以上问题,本文根据所用气象模块的通信协议来实现气象数据的获取与解析;采用Fat FS文件管理系统,并封装其驱动SD卡的函数,来实现将监测数据以文件的形式保存在边缘端节点;结合边缘端环境,采用一定的重测机制来实现对超限观测数据的处理;采用多项差分处理技术与坐标转换结合的方式对观测数据进行处理,同时利用测站点与基准点之间的已知方位对水平方向差分改正进行改进,并通过试验验证了其可行性。(4)在物联网环境下建立基于边缘计算的全站仪自动监测系统的最终目的还是获取可靠的变形监测数据,因此本文针对边缘端系统环境与特点和云上系统的架构特点,来设计可以区分不同边缘端节点的传输协议,并建立云—边缘端通信链路,完善边缘端节点的网络重连功能。最后,对接入云上系统的边缘端系统进行长时间运行下的功能验证试验,并对监测成果进行统计分析,表明系统运行良好。

关键词： NB-IoT技术   冷链监测   嵌入式系统   预测算法  

摘要： 随着我国冷藏运输设备的快速增长,货物运输安全性和新鲜度要求的提高,冷链运输监测系统成为冷藏运输设备的必配系统。现有的冷链运输监测系统主要监测运输车辆位置,信息采集单一,信息传输采用短信息方式,信息处理简单,难以满足现代冷链运输监测的需要。所以利用现代信息技术研究和开发一种信息采集全面、信息传输及时、信息处理先进的冷链运输监测系统具有重要的作用。针对当前城市生鲜农产品冷链运输环境难以得到有效保证这一问题,设计了 一种冷链运输监测系统,对数据采集、数据传输和数据处理技术进行研究,从车载监测终端、监测中心两个层面对监测系统进行设计。车载监测终端通过低功耗处理器连接多种传感器以及定位模块采集冷链车厢内的环境参数和车辆位置信息,通过NB-IoT技术进行数据传输。监测中心的设计主要利用了 ***、HTML、CSS、JavaScript和数据库技术,包含后端服务器、数据库和前端管理平台三大部分,实现对数据的接收处理、存储和显示。此外,在系统功能实现的基础上,为了实现对车厢内环境数据的预测,本文利用两种预测算法:自回归平均算法和BP神经网络算法,构建预测模型,并通过实验仿真对比两种算法的预测性能,实验结果表明,BP神经网络的预测模型更接近真实值,其平均绝对误差、均方根误差、相关系数分别为0.1353、0.1660、0.9667,具有更好的预测效果。最后对冷链运输监测系统进行功能测试和功耗测试,测试结果表明,该系统能够实现冷链车厢环境数据的采集与传输,数据传输时间均在3s以内,具有良好的实时性。监测中心对车厢内温度、湿度、二氧化碳浓度、气压数据变化进行监测,并能够完成数据图表显示、用户注册登录、历史记录查询、地图定位等预期功能。

关键词： 嵌入式系统   实时信号   长时相参积累   并行DDR存储  

摘要： 在复杂的信号检测环境中,采集到的实时信号夹杂着较强的背景噪声,信号的信噪比较低。实现这类微弱信号的实时处理和位置参数提取对系统的处理速度、存储带宽等都有很高的要求。针对微弱信号检测运算量存储量大时往往难以实时处理的问题,本文研究了多路高速率低信噪比信号的实时处理技术,构建FPGA处理平台,实现了信号时延与多普勒频率参数的实时提取。研究实现自动校幅校相模块校正多路信号的幅相偏差,提升了波束合成信号的信噪比;对合成后的连续信号进行DDR存储并分帧滑动读出,随后进行脉冲压缩处理,实现系统分辨率的提升并扩大了距离搜索范围;针对长时相参积累引起的距离走动的现象,研究了基于Radon-Fourier变换的长时相参积累算法与其硬件实现,进行并行1200个搜索通道的距离-速度二维搜索,实现信息提取;采用高速时钟处理,研究硬件串行结构,实现系统在一次积累时间中完成两路信号的处理,其中每路信号串行积累两次,将速度搜索范围扩大了1.5倍。研究实时处理过程中的接口实现,采用一种带内通信方法,实现板间传输通道带宽的高利用率传输和后级校验;设计高带宽乱序处理结果的并行DDR存储与串行读出,实现数据高速存储和数据顺序纠正。最后对系统的各个处理模块进行功能正确性仿真验证;对传输和存储模块进行板级效率验证,其中DDR的同时读写效率最高支持76%,板间传输通道带宽利用率达80%;构建FPGA平台对系统整体进行验证,验证系统单路信号搜索时延达102421)1)秒、多普勒频率搜索单元1200个。

关键词： 漂流浮标   低功耗   嵌入式系统   卫星通信  

摘要： 表层漂流浮标是监测海洋洋流的主要设备,具有体积小、成本低、使用方便的优点,可在海上大量投放。漂流浮标系统主要采集GPS定位点数据,通过分析该数据,可计算一定时间内漂流距离,进而计算出洋流流速和流向,并绘制洋流轨迹,得到所测范围内的洋流数据。研究洋流对海上捕鱼、海上航行、海军行动、天气预报等具有重要意义。本文通过分析国内外浮标研究现状,对浮标系统做整体改进,主要体现在硬件低功耗设计、球体构造设计、铱星发射设计、上位机系统设计以及软件优化等方面,力求漂流浮标系统稳定运行,获取更多更准的洋流数据。开展工作如下:(1)整体规划设计。确定了浮标球体,对球体的密封性、稳定性进行设计;对浮标内部构造做整体结构设计,保证球体内器件稳定运行;解决水帆不规则坍塌现象,并进行了海上实验。(2)低功耗系统设计。通过各类器件的综合对比选型,设计浮标系统的低功耗电路,自行制作电路板,并通过了低功耗测试;进行了软件低功耗设计,包括整体软件实现、卫星通信软件设计、丢包处理、蓝牙通信等。对各组成成分进行功耗计算,得出理论运行天数。(3)功能软件设计。其中:变采样算法的设计可获取更为全面的洋流流速;高性能漂流浮标上位机软件系统,可实现数据解析、轨迹绘制以及洋流数据的计算。(4)进行系统综合验证实验,包括:GPS的定位精度实验、浮标体综合运行稳定性实验、水帆海上展开实验。漂流浮标完整海试验证了浮标系统的改进成果,本文所研究的浮标成功在南海投放,为海洋洋流研究获得了大量数据。

关键词： 嵌入式系统   控制终端   事件驱动   模型/视图  

摘要： 近年来,新能源清扫车以其排放少、噪音小等优点,逐渐在城市道路清扫工作中普及开来。为进一步提高新能源清扫车的性能,可以引入嵌入式平台,对路面的清洁情况进行感知。本文针对此需求,设计了一种智能清扫车路面垃圾检测系统软件,为机器视觉算法的部署提供设备控制、数据管理和远程调试功能。本文分析了应用于智能清扫车的路面垃圾检测系统的功能需求,从降低系统资源占用的角度将系统分为控制端和监控端两部分。控制端部署于嵌入式平台,负责所有必要功能实现,可以独立工作。监控端可部署于多种平台,负责软件参数的查看和调试。针对控制端软件,本文设计了基于Reactor模型和HSHA线程管理模型的事件驱动软件架构,将系统设备的行为抽象为事件进行异步处理。设计了监控端的基于M/V模型的远程调试管理软件架构,在M/V模型的基础上添加了网络通信模块,将控制端软件参数与结果进行远程同步显示和修改。根据系统设计需求,本文对控制端和监控端软件进行了模块划分和C++语言实现。控制端软件中存在多个耗时部分,如图像获取、图像转换等,本文中使用多种针对性方式进行了优化。对于监控端软件,本文对用户界面进行了规划和设计,在注重系统交互的友好性的同时保持了软件的可扩展性。本文中以包含ARM架构CPU的Jetson AGX Xavier平台为核心搭建了智能清扫车路面垃圾检测系统硬件实验平台,测试了系统所需的各项功能完成情况,并针对整个工作流程的各个关键环节进行了详细的软件性能测试。

关键词： 直流电动推杆   交叉耦合控制   偏差耦合控制   模糊PID   嵌入式系统  

摘要： 随着中国制造2025的持续推进、新兴经济体医疗设备市场规模的增加,电动推杆这种线性执行器的应用场景也越来越多,为丰富其应用场景,本文针对多个直流电动推杆同步工作的应用需求,在多推杆同步控制方面做了一些行之有效的控制方法研究。本文首先介绍了电动推杆的应用领域、市场前景及国内外的相关研究成果,然后分析了直流电动推杆的结构及工作原理,建立了其通用传递函数模型,再根据具体型号电动推杆的电气、机械参数将传递函数模型实例化,并在MATLAB中仿真验证了模型的准确性。根据模型完成了电动推杆速度、位置双闭环PI控制器的设计,通过参数整定仿真实验,使其达到了无超调且能快速响应的控制效果。针对传统交叉耦合同步控制策略在推杆同步控制中无法削除静态误差的不足,改进了其补偿算法,设计了基于模糊PID算法的同步误差补偿器,仿真实验证明这种方法能达到优异的同步控制效果。另外针对推杆数量更多的同步控制,设计了一种扩展简灵活的平均位置偏差耦合补偿器,并通过仿真验证了它的同步控制效果。最后根据理论研究成果,从芯片选型、模块电路设计、原理图绘制、PCB板设计、直至电路板焊接与调试,完整的开发出了一个低成本的直流电动推杆同步控制器。软件层面采用了抗积分饱和型PI控制算法,模糊PID补偿算法,通过最后的实验验证,该同步控制器定位精确度高,实现了同步误差最大不超过5mm的控制效果。论文共有图73幅,表8个,参考文献63篇

关键词： 无人机   嵌入式系统   目标跟踪   判别式相关滤波   矩阵运算  

摘要： 在本文中拟将目标跟踪算法应用于嵌入式系统以实现可应用于小型化无人机(UAV)的目标跟踪系统。对于目标跟踪算法,在计算机视觉领域目前有两种主要的研究方法:基于判别相关滤波器(Discriminative Correlation Filter,DCF)的方法和基于深度学习的方法。考虑到嵌入式系统的功耗和计算资源的限制,最终选择基于DCF方法的Auto Track算法。对于嵌入式系统的选择,由于功耗和成本的限制,必然在性能上有所不足。通过对目标跟踪算法的计算细节分析,结合当前国内易于获得的情况下,选择了勘智K210作为嵌入式系统的处理器,并以此选择矽速科技的Sipeed Maix Dock作为嵌入式系统的开发平台。本文主要完成以下工作:1.在原算法中针对目标外观的多变性,引入了自适应时空正则化,使得相关滤波器可以根据目标的外观变化情况调整其对目标的学习程度。通过对该算法的原理分析,发现算法没有考虑目标候选框的选择和目标的运动快慢对相关滤波器的学习影响。因此本文针对上述问题引入了运动偏差补偿和运动速率调整。另外原算法为了提升跟踪精度,引入了高维图像特征,使得算法的计算量变大,从而导致检测速度相对较低。而这对于嵌入式平台来说,其影响将更大,针对该问题本文对特征进行了相应的计算优化。2.通过对选定的嵌入式平台已有的计算资源和相关软件支持进行分析,并根据目标跟踪系统的实现所需,本文设计了系统的整体框架,然后对其中的各模块针对具体的嵌入式平台分别进行设计与实现。3.目标跟踪算法中涉及大量的数学运算,尤其是矩阵运算,而在嵌入式平台上对这块的支持相对缺乏,因此为保证算法在嵌入式平台上的完整运行,在目标跟踪系统框架中专门设计并实现了一个底层计算库,并利用嵌入式平台的特性对其中的计算进行了加速。4.本文对嵌入式系统上实现的目标跟踪系统进行了系统测试。首先对其跟踪效果进行了直观的测试,然后对算法进行了性能测试,未优化算法的参考精度为0.577,参考重合率为0.388,而经过优化后其精度和重合率分别提升到0.652和0.44,而基于PC端运行的原算法其精度和重合率则分别为0.715和0.479。其结果证明本文对原算法在嵌入式平台上的优化是有效的且接近该算法在PC上的性能。