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关键词： 人体平衡   嵌入式系统   压力传感器   人机交互系统   C#.NET  

摘要： 平衡能力是人体的一项重要生理机能,许多人因为疾病或者衰老,出现了不同程度的平衡障碍,影响了生活质量。在平衡障碍的预防和康复环节,科学、准确地测试人体平衡能力,具有重要的指导意义。本文基于压力测试平台,设计了一套人机界面友好,信息化程度高的人体平衡能力测试系统。主要研究内容如下:(1)根据系统功能需求,制定了平衡能力测试体系:平衡能力测试以重心投影点轨迹检测为主,以躯干摆动角度检测为辅,通过分析测试指标与测试图像,对平衡能力进行评测。同时设计了系统的总体结构,将系统分为了嵌入式控制系统、客户端人机交互系统和医师端监督管理系统三部分。(2)设计了基于STM32F103的嵌入式控制系统,通过采集测试平台压力传感器数据,计算人体重心投影点坐标;通过装有MPU6050模块的测试腰带检测人体躯干摆动角度;通过串口与客户端人机交互系统通信;通过IC卡和射频读写模块,与医师端监督管理系统通信;设置了程序升级模块,便于更新主控程序。(3)设计了基于Android的客户端人机交互系统,搭载在Android平板上,为用户提供操作界面,通过串口向嵌入式控制系统下发相应命令;将测试信息向用户反馈,包括重心投影点轨迹图、重心投影点分布直方图与平衡测试指标;通过Socket无线网络通信与医师端监督管理系统实现数据传输。(4)设计了基于C#.NET的医师端监督管理系统,利用SQL Sever 2012数据库管理用户档案;通过Socket通信接收测试数据;利用GDI+双缓冲绘图技术实时绘制测试图像,监测用户的测试过程;通过串口驱动射频读写模块,对IC卡数据进行读写。通过搭建实验平台,对人体平衡能力测试系统进行静物实验和人体测试,验证了系统运行稳定性与测试结果可靠性。系统实现了对人体平衡能力的测试与趣味训练,能够应用在运动训练与康复医疗等领域,基本满足市场需求,具有一定的社会和经济价值。

关键词： 卷绕物   张力观测   两轴协同控制   自抗扰控制   嵌入式系统   直驱式PMSM  

摘要： 在纸张、薄膜、带材等各类卷绕物生产加工过程中,通常需要多电机协同控制,一方面需要在加工过程中保持其张力的恒定,另一方面需要提升多电机协同控制的速度,两者决定了生产的品质和效率。而在卷绕物加工过程中,大多情况下都是带张力传感器进行控制,本文重点研究了无传感器的张力观测和协调控制问题,并进行了动稳态的分析,提出了相应的测控系统方案和技术实现方案,最后用PLC进行整机控制。可减轻卷绕设备的复杂度,减少维护量,并降低成本。首先,本文从张力观测和控制两个方面出发,对国内外现状以及发展趋势进行了综述,并进行了对比分析。在此基础上,提出了一种基于无张力传感器的两轴协同测控系统方案,设计了测控系统的总体技术方案与研究思路,结合方案对主要核心部件进行了选型。其次,对执行机构(直驱式永磁同步电机)矢量控制系统进行了分析,然后对两轴协同式测控系统进行数学建模。在此基础上,建立了基于运动方程的张力观测的方案,并对停车、启动阶段、正常运行分段分析。再者,通过对控制系统的研究,将ADRC(Active Disturbance Rejection Control)自抗扰控制算法应用到两轴协同式控制系统中,利用MATLAB/SIMULINK软件对基于最优参数整定下的传统PID控制算法和自抗扰控制算法进行仿真比较,结果表明所设计的张力测控系统能更好地控制张力,使张力快速稳定并带主动抗扰作用,为后续软硬件的联调打下了理论基础。最后,对基于无张力传感器的两轴协同式测控系统进行软、硬件设计。硬件部分以ST公司的STM32F405为主控,介绍了电源电路、人机界面电路、电流采样电路等各个模块。软件部分将张力观测算法、控制算法、信号处理、人机界面等任务模块,通过抢占式实时操作系统μc/Os-Ⅱ分配,实现了软硬件设计。

关键词： 惯性导航   嵌入式系统   零速检测算法   多传感器融合算法   扩展卡尔曼滤波  

摘要： 惯性导航系统不依靠外部辐射与信号,在GPS(全球卫星定位系统)信号到达不到的地方可以继续提供精准的导航服务,因此广泛应用于抢险救援,国防保卫,商场导购等领域,对社会的发展做出了重要贡献。但是由于MEMS(微电子机械系统)惯性传感器精度低,且导航系统存在二次积分运算的累积误差问题,导致惯性导航系统输出的位置和导航信息产生较大偏差。本文主要是在嵌入式ARM系统上利用惯性导航算法实现行人轨迹记录。通过查询国内外相关文献,对惯性导航技术的研究背景和研究意义进行阐述,并对国内外惯性导航技术的发展状况进行概述。对多种嵌入式系统进行基本介绍,选择适合本文实现的嵌入式ARM芯片进行硬件设计。首先通过传感器采集行人运动数据,针对MEMS惯性传感器精度低的问题,提出了一种多传感器融合算法,利用多个传感器同时采集数据并使用融合算法得到一组精度更高的数据;对于惯性导航系统存在的二次积分运算累积误差问题,提出了一种加速度角速度融合的姿态最优零速检测算法,利用扩展卡尔曼滤波对行人行走误差进行滤波,根据本文系统模型进行嵌入式算法程序开发,完成嵌入式ARM系统上导航解算。并将解算后的导航数据存储到硬件芯片中,同时通过蓝牙将导航数据上传到上位机应用程序中,实现行人运动轨迹的存储和显示。本文将嵌入式ARM系统和行人惯性导航系统进行融合,不仅有利于扩展嵌入式系统的应用场景,还可以推动惯性导航技术的应用范围。实验结果表明,利用多传感器融合算法与零速检测算法结合的惯性导航系统实现的行人轨迹记录更加精准,对于基于惯性导航的服务具有重要意义。

关键词： 生物识别   门禁系统   手掌静脉   嵌入式系统   Arm平台  

摘要： 随着社会经济和科技的快速发展,门禁控制系统在人们的进出管制区中得到日益广泛的应用。传统的门禁技术已经不能够满足现代化社会越来越高的安全需求,不断提高门禁系统的安全性成为当前热门的研究课题。近年来,计算机技术的飞速发展,生物识别技术在很多领域也得到了广泛的应用,生物特征识别利用生物生理特征或者行为特征进行识别,具有很强的防伪性,在一定程度上解决了传统身份识别中的识别能力低,防伪能力弱等问题,从而逐渐成为现代社会身份认证的主要实现手段。本文通过分析各种生物识别方法,基于掌静脉识别的诸多优点,最终设计了一种客户端基于ARM平台并采用Android操作系统,服务端采用X86系统进行统一数据管理的高安全性掌静脉门禁系统。本文首先对门禁系统进行了阐述,分析了传统门禁的发展历程以及技术上的缺陷与不足,详细介绍了掌静脉识别技术的原理以及优势,并与传统门禁识别、其他生物识别技术进行比较,突出了掌静脉识别的诸多优点,最终实现了一种具有高安全性的掌静脉门禁系统。该设备掌静脉采集模块采用富士通的PalmSecure掌静脉识别传感器,ARM(Advanced RISC Machine)板上采用轻量级Android系统作为与用户交互的客户端采集用户信息。由于Android系统本身不稳定,用户信息涉及关键信息,为保证用户信息的安全,用户信息必须需要在X86服务端集中管理。客户端通过读取掌静脉信息和其他信息通过http协议与X86服务端进行数据对比和管理,从而通过韦根接口通知门禁控制器进行开关门操作。本文还设计了门禁系统的用户图形界面、以及门禁系统服务端数据库表结构,以方便用户使用。最后,本文对门禁系统进行软硬件测试。完成本课题后,可以实现一种客户端采用CQA83T ARM板并采用Android系统与用户进行交互,服务端采用X86系统进行数据统一管理的高安全性掌静脉门禁系统,成为目前第一款采用全志A83T作为核心处理器,客户端采用Android操作系统的掌静脉门禁系统设备。该设备配合设计的软件系统,可以作为企业门禁和考勤机使用。为用户提供更高安全级别的身份验证,具有广阔的市场前景。

关键词： 轨道监测   二维码快速定位   自动监测   图像处理   嵌入式系统  

摘要： 当前铁路飞速发展,中国高铁走向世界,在随着铁路里程的不断增长,铁路维护的压力也日渐增大。对于轨道运输来说,轨道发生超过设计的位移之后,如果没有及时的维护,会加快铁轨的损坏过程,减少使用寿命,断轨,甚至可能产生脱轨等严重的故障。导致巨大的经济损失,危及铁路行车的安全。传统的轨道测量检测采用周期性人工检测的方法完成对铁路轨道的检测,有效率低、成本高、作业人员工作程序复杂等缺点,而现有的综合轨道检测车中使用的位移量检测系统存在识别区段大,定位问题轨道准确度低等问题。因此研究轨道位移监测的自动化监测系统具有重要意义。本论文基于实际情况分析了高速铁路中轨道位移的方式,提出了基于二维码和激光测距的检测方法,阐述了轨道位移监测系统的整体方案和具体实现。轨道位移监测系统基于嵌入式硬件系统,在二维码快速定位识别上基于图像处理的方法进行研究,包括了图像采集、图像处理、数据存取、设备端嵌入式软件设计、上位机软件设计、上位机与设备端通信。根据系统设计方案,首先摄像头采集图像并判断是否存在二维码图像,然后结合激光测距得到的图像深度值,定位二维码图像与当前摄像头的相对位置,最终计算出二维码中心点的(x,y,z)值,以及使用QZxing库在设备端完成二维码的解码。通过RS232串口上传到上位机,上位机实时显示当前的测量点位值,并存储在数据库中,发生超偏移时实时报警。论文工作内容包括系统总体设计、检测原理与图像处理算法分析、设备端实现和上位机实现。在下位机上实现二维码快速识别的轮廓检测方法。图像处理算法包括二维码快速识别检测。数据库设计包括Sqlite数据库的搭建,设计数据表存储所需数据。设备端实现包括了对使用硬件的选型,驱动的移植,采用QT编写了设备端的嵌入式软件。上位机实现采用QT平台编写了上位机应用程序,用于轨道的实时状态以及历史记录查询。本论文研究分析并实现了提出了以二维码为信息载体,结合激光测距的轨道位移的监测系统,实现了对轨道状态的测量和预警,实现了数据的保存,对于轨道监测测量具有重要的意义。

关键词： 故障诊断   嵌入式系统   多传感器信息融合   特征提取   自适应随机共振  

摘要： 机械的意外故障或事故将会造成严重的经济损失和影响人们的生命财产安全,对机械设备的故障诊断,保证设备的安全稳定的运行至关重要。通常在机械运行的状态下,采集机械设备的振动信号、声音信号以及电流信号等,对信号进行分析处理,评估设备运行状态。但是传感器采集的信号一般情况下需要在PC机上进行分析,实时性差,可能错过对机械故障诊断的最佳时间。此外,采集的信号常包含有严重的运行噪声和环境背景噪声,给信号分析带来困难,可能造成对机械设备运行状态的误判。因此,研究快速的故障诊断方法、抑制噪声、提取微弱信号的特征信息在机械故障诊断中显得尤为重要。本文研究了一种基于嵌入式随机共振的轴承故障诊断方法。目前,随机共振(Stochastic Resonance,SR)算法被广泛的应用于旋转机械故障诊断,然而,大多数随机共振算法都是在桌面平台上开发的,其重点是对离线信号的分析。本文提出了一种基于嵌入式的简单、易实现的轴承在线故障诊断方法,实现了信号的去噪和滤波,并对滤波后的信号在嵌入式上进行随机共振处理,以信噪比(Signal-to-noise Ratio,SNR)为判定指标,识别出轴承的故障类型,同时在LCD显示诊断结果。自适应随机共振(Adaptive Stochastic Resonance,ASR)方法已被证明能有效地增强淹没在强背景噪声中的弱周期信号,同时,ASR系统不依赖SNR为调优指标,因此目标故障频率不能准确估计时,ASR同样可以达到较好的消噪效果。然而,当振动信号的SNR极低时,传统的ASR方法可能无法正确地增加故障特征频率(Fault Characteristic Frequency,FCF)能量。针对这一问题,本文提出了一种声音信号辅助振动信号(Sound-Aided Vibration signal ASR,SAVASR)轴承故障诊断方法。首先对轴承声音和振动信号进行解调。然后,通过沿包络声信号的时间轴移动滑动窗口,自适应地增强包络振动信号。将优化后的融合信号发送到ASR系统,在综合评价指标的指导下对参数进行自适应调整。最后,利用最优SAVASR输出信号的频谱来检测轴承故障。通过定性和定量分析,与传统的仅对振动信号进行处理的ASR方法进行比较,充分评价了所提出的SAVASR方法的性能。综上所述,本文研究了基于嵌入式SR以及声音信号辅助振动信号的轴承故障诊断方法。同时,提出了一种多传感器信息融合方法,能够在振动信号低信噪比的情况下利用声音的能量使振动微弱信号增强,实现轴承微弱故障特征频率在强背景噪声下的增强,与传统方法相比,本文方法轻便易实现,且提高轴承故障诊断准确率。

关键词： 工业控制   实时系统   微内核   嵌入式系统  

摘要： 随着工业化进程的不断加深,工业控制设备正在往智能化、网联化和综合化方向不断发展,这对设备的安全性、可靠性和可扩展性提出了新的要求。由于设备在接入网络后必将面临多种潜在的威胁,因此工业控制系统需要采取额外的机制来降低这些威胁带来的影响,至少保证设备的可用性。同时,由于设备的计算能力不断提高,设备提供的功能日益丰富,因此工业控制系统也应具备良好的可扩展性以便扩充其功能。通过对现有内核架构进行分析可知,微内核架构由于其本身所具有的隔离性、可靠性以及可扩展性使得该架构能够很好地满足工业控制领域的要求。因此,本文首先对微内核架构以及采用微内核架构的系统进行了研究与分析,然后基于研究结果设计并实现了一个满足工业控制领域基本要求的实时微内核,最后完成了内核的功能测试和性能测试。为了更好地适应工业控制领域的特点及需求,本文主要采取了三个措施:(1)结合安全启动机制、基于Capability的访问控制模型以及地址空间隔离实现了对内核的完整保护,满足了工业控制领域对安全性与可靠性的要求;(2)对内存资源进行分区并采用不同的管理方式管理分区,降低了内核管理内存的元数据开销,使得内核可以更好地适应内存资源较紧张的工业控制平台;(3)对地址空间进行抽象并提供统一的操作接口,屏蔽了底层MMU与MPU之间的差异,使得内核可以适配不同种类的工业控制平台。通过对功能测试结果和性能测试结果的分析可知,本文所实现的微内核达到了预定的目标,但性能与实时性还需进一步的优化。

关键词： 机器视觉   嵌入式系统   图像处理   亚像素边缘检测   齿轮测量  

摘要： 齿轮是一种用途非常广泛的机械传动部件,其生产制造的水平可以在一定程度上反映出一个国家的工业实力。随着我国齿轮市场的规模以及各种应用场合对齿轮精度要求的不断增加,齿轮生产企业需要尽快完成制造技术的迭代升级。齿轮测量是齿轮生产过程中重要的一环,然而目前的齿轮测量设备大多具有高精度、低效率、高成本、操作复杂等特点。这些特点即给制造企业的带来了成本压力,也增加操作人员的学习负担。因此本文设计了一种基于嵌入式设备的机器视觉齿轮测量系统。该测量系统有如下特点:1、价格低廉:与价格为几万的影像测量仪和动辄几十万的CNC齿轮测量中心相比较,本测量系统的硬件成本只有三千元人民币。2、操作简单:人机交互界面类似于手机App,对操作人员十分友好。3、精度适中:本系统采用视觉测量方式,虽然测量精度不及CNC齿轮测量中心等方式,但已经可以满足精度等级在7～12级的齿轮的测量。本文主要围绕者着上述三个特点来进行嵌入式视觉测量系统的设计与实现:首先分析了当前的嵌入式硬件平台架构,选取基于博通BCM2837芯片的树莓派3B作为硬件开发平台,利用其自带的VideoCore GPU进行图像卷积计算的硬件加速,现实性能与价格的平衡;同时利用像素坐标拟合的方法对相机装配的垂直度进行校正,以减小因相机装配所带来的测量误差。然后利用开源平台Qt和自行开发的树莓派3B GPIO驱动实现了图形用户交互系统;在图像算法方面,首先分析了常见的图像灰度化算法,根据本测量系统应用场合的特点,优化RTCP灰度化算法;接着介绍了几种不同的亚像素测量方式如高斯拟合法、曲线插值法、矩方法,最终结合Canny算法和Zernike矩方法实现亚像素边缘检测,以保证测量精度;针对最小二乘法拟合圆心的缺陷,本文采用最小化径向偏差和的方法对其进行修正;然后基于OpenCV将算法实现应用到测量系统中。最后,通过测量实验验证了本测量系统的可行性,并对本测量系统后续的扩展工作做了几点的畅想。

关键词： 基于CAN总线   水质在线监测   嵌入式系统  

摘要： 水是人类和地球一切生物赖以生存不可缺少的重要物质,水资源是经济发展、环境改善和工农业生产不可替代的自然资源,特别是人类日常的饮用水,它直接与我们的日常生产生活息息相关,尤其是随着我国经济和社会的不断发展,城市化进程的不断加快,我国的生产生活所排放的污染物已经对水资源造成了污染,因此,必须要严格监控水质状况,只有保证水质状况符合生产生活用水要求,才能促进我国经济社会的不断发展进步。故此,必须要高度重视水质在线监测工作,通过引入高效的监测系统,及时精确地监测我国水质情况,文本旨在探讨基于CAN总线的情况下,进行水质在线监测嵌入式系统研究。

关键词： 密码技术   网络安全   实验室  

摘要： 密码是保障网络安全的核心技术和基础支撑,在维护国家安全、促进经济社会发展、保护人民群众利益中发挥着不可替代的重要作用。"云物移大智"的蓬勃发展,5G、智慧城市、互联网+政务服务的全力推进,离不开用密码技术来保障网络安全、保护数据安全、保证网上诚信,需要密码学与其他学科深入合作,需要密码产业与其他产业的深度融合,需要产学研管用的真诚协作,需要全社会共同传播密码知识与政策、研究密码应用技术、推进密码应用方案。