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关键词： 嵌入式系统   数据采集   WDCNN-LSTM神经网络   预测性维护  

摘要： 在如今“中国制造2025”和“工业4.0”的背景下,畜禽养殖业逐渐向规模化、集约化方向发展,近年来兴起的楼房养殖就是将畜禽和各种养殖设备集中于楼房内,其提高了养殖密度的同时能够降低养殖成本。养殖密度的升高对设备工作的稳定性和可靠性都提出了更高的要求,而设备使用与维护意识仍然停留在传统方式上:通过人工的定期巡检完成设备日常运行状态的检查,仅当设备发生严重故障后才停机维修,没有实现预测性的维护。针对目前养殖业的实际需求以及设备维护存在的问题,本文以养殖场关键设备—通风风机(下文简称风机)作为研究对象,展开了具有预测性维护功能的风机集控系统的研究与设计,主要研究内容如下:(1)为减少系统维护成本并实现更加灵活的数据采集,设计了一主多从式数据采集装置。从机负责采集风机状态数据,主机则汇总多台从机数据,一主多从式设计避免了复杂的系统走线,将底层数据采集功能剥离给从机,从而降低了系统耦合性,减少了系统维护成本,增加了系统灵活性。硬件装置以嵌入式微控制器为核心,组成部分包括风机振动信号采集模块、风机电流采集模块和数据通信模块等。(2)为方便工作人员查看系统数据并远程控制风机启停,本文基于Qt完成了上位机软件的设计。软件可展示系统内设备的当前状态,支持RS 485有线串行通信与4 G无线通信,可远程控制风机启停且具有历史数据记录功能。且为保障主从机通信和上位机通信的稳定性与可靠性,本文设计了相关通信协议。(3)为实现风机预测性维护功能,提出了一种基于WDCNN-LSTM的风机故障预警方法并完成了模型的嵌入式化。本文将WDCNN(第一层宽卷积核深度卷积神经网络)的一维数据特征提取能力与LSTM(长短时记忆神经网络)的序列特征提取能力相结合,生成WDCNN-LSTM网络模型,降低了各自模型的复杂度,避免了网络层数的堆叠,减少了模型的总参数量。为完成模型的嵌入式化,本文对模型参数文件做了C语言的格式转换。(4)搭建系统测试环境,验证系统功能。对系统硬件部分做电磁干扰实验、高低温实验和湿度实验,验证硬件功能的可靠性与稳定性,同时,针对系统数据通信、状态评估及设备控制等软件执行逻辑进行实验验证,确保软件功能运转正常。测试表明,本文设计的具有预测性维护功能的风机集控系统满足相关的设计要求。

关键词： 无人船   避障   路径规划   控制系统   嵌入式系统  

摘要： 小型自主航行无人船具有小巧灵活的特点,可搭载各种传感器或执行装置,完成水质监测、水文测量、海洋调查和水面环卫清洁等多样任务,为传统水上作业带来智能化、无人化变革,推动世界迈向水上智能时代。无人船的路径规划是保证其在障碍环境下安全自主航行、有效完成预期任务要解决的关键问题之一,为此,本文对无人船路径规划问题进行研究,并基于嵌入式技术设计与开发了无人船控制系统,实现了全局路径规划和局部自主避障的功能。论文主要研究内容如下。 本文在分析国内外无人船及其路径规划研究现状的基础上,对无人船路径规划及系统研发需求进行了分析,完成了硬件系统总体设计。鉴于嵌入式系统具有体积小、低功耗、低成本、高性能等特点,选择STM32F103作为无人船硬件系统的核心开发板;针对无人船路径规划和实时避障的功能要求,完成了电源、激光雷达、GPS、摄像头等各硬件模块的选型和总体系统搭建。 考虑水面障碍物的影响,分别对全局路径规划和局部避障路径规划问题进行研究。为保证无人船实现从指定起点到终点的自主航行,本文研究了基于网络DQN(Deep Q-Learning,深度Q学习)的全局路径规划算法,搭建卷积神经网络模型,建立状态-动作值函数来评估不同路径的价值,并利用反馈学习来优化回报函数,从而得到最优路径。针对局部避障路径规划问题,以路径成本最小为目标,设计了基于A*算法的局部避障路径规划算法,以避障路径路径最短为性能指标,确保无人船可以快速、安全地避开动态障碍物。基于传感器数据及随机生成的任务地图进行仿真研究,研究验证了算法的有效性。 本文分别采用Python、QT和Keil5完成了上下位机软件的设计和开发。上位机软件系统采用嵌套布局,实现地图构建、数据采集存储以及全局路径规划和局部避障路径规划等功能;下位机软件以路径规划为核心功能,完成了无人船控制系统及各功能模块的软件开发,实现了无人船位置坐标、地图信息、船体姿态和障碍物信息检测数据的采集,以及基于MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)协议的通信功能。 为了验证所开发的无人船控制系统的可行性,在校园人工湖和沈阳市浑河中对无人船控制系统进行自主航行、上下位机通信、路径规划和实时避障功能的测试。结果表明,无人船能够利用激光雷达传输的地图信息完成全局路径规划,并可通过摄像头模块和红外传感器模块实现障碍物的实时检测,进而完成局部避障路径规划,实现了预期的功能。

关键词： 稻田喷药   视觉导航   深度学习   嵌入式系统   路径规划  

摘要： 水稻在我国种植历史悠久,是我国最主要的粮食作物。水稻每年需进行多次喷药作业,每年喷药需求巨大。随着农村劳动力老龄化,加之农业劳动力结构性短缺,对能够实现喷药机械无人化、智能化作业的稻田喷药机器人需求逐渐提高。稻田喷药机器人的研发核心在于稻田喷药机器人的路径规划算法及系统研究。基于此,本研究提出基于视觉的稻田喷药机器人路径规划算法,并搭建嵌入式平台,以低成本的机器视觉系统为核心,将视觉识别技术移植到嵌入式设备中应用于稻田喷药机器人的路径规划。使稻田喷药机器人实时跟随目标苗列工作,到田埂自主转弯,以实现智能化、无人化稻田喷药作业。 针对传统图像分割难以精准地分割定位到秧苗的问题,提出建立基于深度学习的水稻秧苗与田埂分割模型。具体通过建立不同生长时期的稻田图像语义分割数据库,训练轻量级语义分割网络,构建环境鲁棒性能高、定位精准的分割模型。精准分割出水稻苗列与田埂,并为苗列中心线提取与田埂识别提供支持。 针对通过水稻苗列特征点拟合苗列中心线速度过慢的问题,提出了基于苗列轮廓提取中心点,进行拟合苗列中心线的方法。具体根据苗列轮廓的关键边缘点,计算苗列轮廓的中心点,利用多种直线拟合算法将其拟合成苗列中心线,并评估各直线拟合算法的准确性。最后,研究了一种基于苗列中心线平均斜率构建图像中心线的方法,以确定初始导航基准线。 针对喷药机器人路径规划问题,对稻田喷药机器人的行驶路径需求进行了分析,确定了全局行驶路径规划。为确保喷药机器人在稻田环境中能够跟踪相同苗列,设计了一种基于特征匹配的直行路径确定算法。此外,还确定了喷药机器人转弯方式,并对转弯位置的确定进行了研究。 根据对喷药机器人路径规划算法相关技术的研究,以Jetson AGX Xavier嵌入式开发板作为模型部署的边缘平台,利用Tensor RT优化部署稻田图像语义分割模型,移植图像处理算法,进行分割精准度与运行速度测试。测试结果表明:经过优化过的稻田图像语义分割模型Io U为75.7%,运行速度31.5ms/幅,图像处理算法运行速度为79.6ms/幅。处理一张水稻图像的总耗时约为110ms,满足喷药机器人高速作业下的实时性要求。

关键词： 无透镜成像   即时检测   红细胞三维尺寸检测   嵌入式系统  

摘要： 血液检测是医学诊断的重要依据。在疫情突发、野外支援和边远地区医疗等诸多条件受限的情况下,亟待开发能够实现血液检验的便携式即时检测(POCT,Point-Of-Care Testing)设备。近年来,无透镜成像系统以大视野和微型化的特点,使之在POCT领域中显示出广泛的应用前景。主流的无透镜成像技术存在装置复杂、算法计算量大、通量低等问题。为此本文利用无透镜成像系统结合微流控技术,分析不同姿态下红细胞的衍射图样与红细胞真实尺寸之间的关系,完成红细胞三维尺寸测量模型构建。首先根据光路结构、细胞形态特征,基于直边菲涅尔衍射理论,建立弧边衍射模型。然后考虑衍射叠加的影响,建立了完整的衍射图样和细胞外形关系模型。其次分析了红细胞在微流控芯片运动过程中,红细胞平移和翻转对衍射图样的影响,建立了动态红细胞的衍射图样和细胞形态的关系模型。最后,根据红细胞衍射图样第一亮环与红细胞尺寸之间的关系,建立红细胞三维尺寸测量模型。基于以上红细胞三维尺寸测量模型,本文搭建算法验证平台。设计并完成多组微球和人体红细胞实验,并利用前景检测算法、细胞轨迹追踪算法、细胞姿态估计算法对采集的实验数据进行分析处理。针对样本流速不均匀现象,基于最小位移和速度匹配追踪算法,提高了追踪准确率。最后搭建了基于嵌入式的红细胞三维尺寸测量系统。利用本文算法分别对直径为6μm、7μm、8μm、9μm微球和红细胞进行测试,测试结果和显微镜下测量的真实尺寸对比,其中单个微球尺寸测量最大误差为6.43%,平均误差为3.99%,人体红细胞测量最大误差为3.91%,平均误差为1.96%。在微流控中对流动样本进行测试,测得直径6μm、7μm、8μm、9μm微球,其平均半径分别为2.51μm、3.01μm、3.48μm、3.99μm。正常人体红细胞圆盘面平均大小为7.34μm,平均厚度为2.03μm,符合实际人体红细胞尺寸分布情况。因此,本文基于无透镜成像的红细胞三维尺寸测量方法具有可行性、有效性和准确性。

关键词： 外骨骼   语音识别   端点检测   语音增强   嵌入式系统  

摘要： 近年来,外骨骼技术成为机器人领域的研究热门,被广泛应用在老年护理、航空航天、能源开采等领域中,其中外骨骼智能控制是研究重点。尽管在过去几十年的研究中外骨骼智能控制已经得到了很大的进展,基于语音信号的智能控制系统被提出,不过由于成本、实时性、准确性、安全性等问题,导致外骨骼语音控制研究没有得到重大突破。研发一款能够准确实时的语音识别系统依然是一件很困难的工作。本文基于语音识别控制系统,从端点检测以及语音增强这两个视角出发,探讨复杂环境下提高语音识别性能的方法与技术,并设计对应的硬件系统实现其功能。 为改善在复杂环境下语音端点检测出现端点偏移的现象,设计了一种基于增强型能量算子与谱熵的能熵比端点检测算法。首先让短时能量算子经过信号质量系数进行增强得到增强型能量特征,同时计算谱熵值作为语音特征,然后将两个特征参数进行相除操作,得到能熵比特征值,并采用估计噪声作为门限值。最后将能熵比值与阈值进行比较,得到有效语音段;针对现有语音增强算法存在“音乐噪声”问题以及在复杂环境下降噪能力不足的问题,设计了一种基于三次样条插值的扩展谱减语音增强算法。首先为了全面利用语音信号中的语义信息,利用分数阶傅里叶变换对语音信号进行处理。然后为了更好的反应信号的变化以及更快的估计噪声,将三次样条插值引入语音增强算法中,并将函数与二阶导数加权相加。采用谱减法与维纳滤波进行噪声的实时估计与平滑处理,这样能得到更为准确的噪声。最后将经过三次样条插值函数化后的含噪语音序列与噪声序列经过几何谱减得到最终的纯净语音信号。 最后将算法移植到STM32单片机中,结合LD3320语音识别芯片等一系列外部扩展电路搭建了一个双芯片语音识别系统硬件平台,并安装到外骨骼设备上进行实验。实验证明,本文所设计的语音识别系统具有低成本、低功耗、安全、识别速度快的特点,具有很好的应用前景。

关键词： 无线携能通信   嵌入式系统   数字波束赋形   时隙切换  

摘要： 在绿色通信的背景下,为了整合现有的通信技术与能源技术,解决高速无线通信网络中终端设备节点的充电和续航问题,无线携能通信(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)引起了广泛关注。无线携能通信技术利用射频信号实现信息和能量的同时传输,拥有广阔的应用前景和市场价值。为了将无线携能通信的理论研究与工程应用结合,本文使用多种数字芯片和外围射频元器件,在嵌入式平台上成功搭建一个功能完整的无线携能通信系统。同时阐述与研究嵌入式平台中应用的技术方案,实现信息的调制与解调和能量的传输与收集。本文主要的工作内容和研究成果概括如下:(1)设计基于嵌入式平台的无线携能通信系统发射端与接收端架构,搭建嵌入式Linux开发环境,在无线携能通信系统发射端的ARM芯片内成功移植Linux系统并启动运行。研究部署不同天线数量的无线携能通信系统的无线信道模型,分析不同信道矩阵条件下的信道容量,使用注水功率算法对发射信道进行功率分配,最大化信道容量。根据信道容量仿真结果提出高性价比的收发天线方案,分别设计出一种相控阵天线和一种印刷偶极子天线部署于SWIPT系统。(2)研究基于嵌入式平台的无线携能通信系统中应用的技术方案。研究偏置幅移键控调制的偏置比、噪声容限和误符号率,设计系统组帧策略和非相干解调流程。为了优化发射端相控阵天线波束的主瓣增益、3d B带宽和旁瓣电平,构建相控阵天线波束优化模型,提出一种基于分解的多目标进化算法的数字波束赋形算法,迭代求解关于波束的多目标优化问题,实现数字波束赋形,并将数字波束赋形算法部署于ARM芯片中。(3)研究整流电路模块的性能和作用,详细分析时隙切换策略下无线携能通信系统关于最大收集能量和可达信息率的可行域集合。通过引入时隙切换因子和不同的系统工作模式,提出一种可在嵌入式平台上实现的时隙切换策略。(4)完成无线携能通信应用程序的开发并移植至嵌入式平台中,测试系统的信息传输、能量收集、时隙切换和数字波束赋形功能。测试结果表明本文设计的嵌入式系统成功实现7.5米距离内的信息与能量传输,时隙切换策略和数字波束赋形算法达到预期效果。

关键词： 接触式测量   在机测量   三维扫描测头   LVDT数字解调   嵌入式系统   复杂曲面  

摘要： 随着现代工业的快速发展,复杂曲面零件在航空航天、船舶、国防等等领域的应用愈加广泛,此类零件具有复杂的面形、较高的精度要求以及表面形貌要求等,使得其加工难度远高于规则几何曲面零件。为满足高性能装备对复杂曲面零件高几何精度、高物理性能的加工要求,需保证其加工过程精细、可控,在复杂曲面加工过程中引入在机测量技术,构建复杂曲面的测量加工一体化系统,成为了一种应用广泛且行之有效的途径。三维测头是在机测量的尺寸获取传感器,其往往难以兼具高测量精度和高测量效率。接触式三维扫描测头则是测量精度和测量效率较为平衡的一类测头。目前,以英国Renishaw以及德国Zeiss公司为代表的接触式三维扫描测头产品已经得到成熟的商业应用,但其价格高昂。国内在三维扫描测头研究大多处于实验室阶段,产品化、商业化程度不足,且其中大部分测头还存在着体积偏大、稳定性差等问题。可用于获取三维测头位移的传感器种类繁多,如应变片、LVDT、电容式位移传感器、光学自动聚焦传感器,其中LVDT具有小型化、无摩擦测量、无限机械寿命以及理论无限分辨率的特点,是用于三维扫描测头位移获取的一种较为理想的传感器。但现有基于LVDT的三维扫描测头常规采用三轴串联机械解耦形式,存在体积较大的问题。再者,因LVDT的输出信号为模拟交流电压信号且输出电压幅值较小,难以胜任信号的远距离传输且容易收到电磁干扰。因此,针对以上问题,本文开展了一种小型化的基于LVDT传感器的接触式三维扫描测头设计研制及其全数字解调方法研究工作,主要研究内容包括:设计了一种小型化的并联式三维扫描测头机械结构。对串联式测头和并联式测头进行了测量误差分析以及误差量化,针对串联式测头存在的结构体积大、耦合误差大、压阻并联式测头存在的测量模型复杂、测量范围小等问题,设计了一款小型化、测量模型简单、耦合误差小的并联式三维扫描测头,为其建立了测量模型,分析了其耦合误差的形成原因,并量化了该测头测量过程中存在的耦合误差。提出了一种LVDT传感器的全数字解调算法。为满足测头小型化、可集成、高可靠性等需求,需为测头中的LVDT传感器设计一种数字解调算法。针对正弦信号处理算法中,DFT法、最小均方差法存在的运算量较大、硬件需求高以及三点值法存在的受采样频率影响大、抗干扰能力弱的问题,设计了一种LVDT传感器的全数字解调算法,并对其进行了原理分析与误差仿真分析,并将其与三点值法进行了精度以及运算量的对比。设计了一种三维测头的嵌入式全数字解调系统。在完成并联式三维扫描测头的结构设计以及LVDT传感器的全数字解调算法设计后,将其集成到一个整体当中,完成了三维扫描测头的软硬件一体化开发。为测头跟踪扫描测量的实现进行了原理分析,并为其设计了闭环控制方法。最后,在完成上述工作后,将测头及其解调系统搭载到TSUGAMI M08DY-Ⅱ数控机床上进行测头的性能测试工作,对测头的线性范围、分辨率、非线性度以及零点残余误差等进行了测量与分析。

关键词： 医疗物流运输   AMR   电机加减速控制   嵌入式系统  

摘要： 智慧医院是目前医疗系统大力推进的项目,针对智慧医院项目中医疗物资的运输工作,传统人工运输存在运输效率较低、人工成本较大以及错误率较高等弊端。在应对例如新冠疫情这类非常时期的医疗系统工作时,无人运输系统可起到重要作用,因此市场对智能物流运输产品的需求与日俱增。 本文针对整体AMR(自主移动机器人)智能运输系统中的AMR单机电控系统进行分析,根据企业需求,设计并实现了一套医院物流AMR电控系统。系统设计并实现了稳定的电控硬件平台、流畅的嵌入式软件与可靠的总线通讯协议,使AMR智能运输系统得以布置于医院实际场景中并进行完整的医疗物资运输任务。 本文主要完成工作包括:分析了医院仓库的实际应用场景与企业需求,设计AMR电控系统的整体架构,并对重要器件进行评估与选型;推导了梯形加减速曲线与S形加减速曲线的输出参数,并设计了相应的驱动程序;设计了各模块的硬件电路原理图并设计具体的硬件电路板,同时根据硬件电路与任务需求设计对应的嵌入式驱动程序与上位机程序。 电控系统设计实现后,与整体AMR智能物流系统一同进行运输任务实测。经过模块功能测试与系统性能评估,测得转角误差在3%左右,验证导航模块硬件层搭建成功,防撞模块与抱夹模块工作正常。针对实验中出现的问题进行分析,提出增加底盘标定步骤、改进梯形加减速控制算法以及更换接插件类型等优化措施。系统各项性能均满足企业与院方要求,以此申请发明专利一项,样机于安徽医科大学第一附属医院高新院区二级仓库试运行中。

关键词： 生命体征参数   嵌入式系统   PPG信号处理   健康监测  

摘要： 2019年末爆发的新冠疫情和近年来城乡居民心血管疾病发病率的逐渐提高,中国逐步迈入深度老龄化社会以及食品安全不断暴雷,迫使现代人愈发重视自身的健康状况。春秋时期的扁鹊见蔡桓公揭示了对健康防护要重在“治未病”,故生活中对人体多项生命体征参数的居家检测大有必要,旨在预防和避免重大疾病的发生。鉴于现阶段市面上的医疗电子器械多具有测量指标单一、测量流程繁琐或测量过程造成创伤等缺陷,本文设计了一款家用生命体征参数检测系统,可无创测量脉搏(脉率)、血氧饱和度、灌注指数、血压、温度、心输出量,助力日常健康检测。本文从光电容积脉搏波(Photoplethysmography,PPG)信号入手进行深入分析和实验探讨,结合生理学知识讲解其测量方式、波形形态学特征及意义、研究噪声组成并使用三种滤波方式实验,综合分析后选取合适的滤波器。讲解了血氧和脉率测量原理。引入三阶PPG导数辅助求解脉搏波传导时间,优化了测量模型,结合PPG信号分别计算出收缩压、舒张压和心输出量。介绍并改进基于时域PPG信号的主波波峰提取、灌注指数测量模型。提升了脉搏波传导时间、灌注指数、PPG波形特征提取等算法的鲁棒性。本文基于嵌入式Linux技术设计了一台生命体征参数测量样机,硬件分两部分,其中指夹式前端信号结构部分包含非接触式测温电路、微控制器模块、双光源发光管驱动电路、光电接收管信号采集电路和信号处理电路。主控和显示部分包含主控S5PV210模块、存储模块、显示和功能交互模块、电源管理和软启动电路、SD卡电路、USB转TTL电路、测试端口模块和LED状态显示电路。对硬件电路编写驱动程序,设计功能代码,编写交互和显示界面程序,完成仪器的软硬件设计。制定实验方案,将本系统和不同商用仪器进行对比并做统计学分析。实验结果表明,本系统所测得多项生命体征参数与商用仪器有较高的相关性和一致性,实现了多个生命体征参数的准确测量。

关键词： 造影剂   高压注射器   STM32   嵌入式系统   人机交互  

摘要： CT增强扫描已经成为现代临床医学中一种重要的病变检测方式,在CT主机开始扫描前,需要先将造影剂注射进人体血管内,再进行扫描便可以得到对比度不同的影像图像,便于医护人员进行疾病诊断和病理分析。本文的研究目标是利用嵌入式、传感器和自动控制等技术,设计并实现一种在CT增强扫描时可以同时用于造影剂和生理盐水注射的CT造影剂双筒注射装置电控系统。CT造影剂双筒注射装置的电控系统主要由两个部分组成:注射头控制系统和人机交互终端。注射头控制系统是系统中的主控单元,负责控制注射头实现所有注射功能和采集传感器信息。人机交互终端用于接收用户输入,显示注射相关信息。具体研究内容如下:1)注射头控制系统硬件设计,包括控制器、按键板、电机模块、压力模块、温控模块和姿态模块的硬件设计。控制器主要负责本地的数据处理以及与各模块进行通信和数据交换;按键板基于按键外壳布局进行设计,作为本地输入方式获取用户对注射头的操作指令;电机模块负责接收解析控制器发送的控制指令并驱动电机实现注射功能,压力模块用于采集和处理注射过程中的压力数据;温控模块和姿态模块用于实现造影剂加热和注射头角度监测。2)注射头控制系统软件设计,包括嵌入式系统驱动程序设计,系统通信程序设计、核心模块控制程序设计和监控程序设计。驱动程序设计包括系统初始化、系统外设资源的配置、通信驱动程序以及传感器模块驱动程序设计等;系统通信程序设计包括基于Modbus-RTU通信协议的人机交互终端通信程序设计和基于CAN2.0B通信协议的电机驱动器通信程序设计。核心模块控制程序设计包括电机控制、压力采集显示、造影剂加热、注射头姿态监测等功能的程序设计。3)人机交互终端人机交互功能设计,包括在人机交互终端上切换注射模式、设置注射参数、监测压力曲线、记录历史案例以及异常情况报警等功能的设计。通过对注射速率、注射量和注射时间、压力和压力超限保护功能进行测试和校准,校准后的测试结果均在指标要求的误差范围内,符合行业标准,验证了本课题设计的CT造影剂双筒注射装置电控系统能够应用于实际CT增强扫描时的造影剂注射场景,具有实用价值。