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关键词： 智能传感手套   触觉传感器阵列   敏感单元可更换叠层结构   硬件设计  

摘要： 触觉传感器阵列以电子皮肤的形式附着于物体表面感知温度、压力等信息，在智能机器人、医疗诊断和可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，是当今研究的热点之一。针对现有柔弹性传感器阵列制备后敏感单元更换困难、传感功能单一的问题，本文对柔弹性传感器阵列的设计及应用展开了研究。首先，提出了一种敏感单元可更换叠层结构（Replaceable Laminated Structure for Sensitive Units）的二维阻性传感器阵列制备方法，基于此结构制备了兼具柔弹性的多功能传感手套;其次，基于多功能传感手套、硬件测量电路、云服务器和微信小程序搭建了一套多功能智能传感手套应用系统;最后，对多功能智能传感手套应用系统进行实验测试和性能评估。　　论文主要工作内容和研究成果如下：　　1.提出了一种敏感单元可更换叠层结构的二维阻性传感器阵列制备方法。在该方法中，以钩面魔术贴（粘扣带）和毛面魔术贴分别作为上衬底和下衬底，二端阻性传感器作为敏感器件，阵列采用共用行列线方式;每个传感单元的固定部分固定在织物基底上，其行固定电极连接基底共用行线，其列固定电极连接基底共用列线，其行固定电极和列固定电极都由金属导线上穿过下衬底（魔术贴毛面朝上）并在其毛面的特定圆形区域内盘成紧密螺旋状的固定接触面;在每个传感单元的可更换部分中，二端阻性传感器固定在上衬底（魔术贴钩面朝下）上，其两个金属丝引脚分别下穿过上衬底并在其钩面的特定圆形区域内盘成紧密螺旋状的活动接触面;为保持良好接触，每个传感单元的两个固定接触面与其可更换部分的两个活动接触面分别正对。　　2.将基于敏感单元可更换叠层结构的二维阻性传感器阵列固定于织物手套基底表面，制备了兼具柔弹性的多功能传感手套，并基于多功能传感手套、硬件测量电路搭建了多功能智能传感手套数据采集子系统，实现了阻性传感器阵列数据的采集、处理、传输和显示;利用校验协议来保证阵列数据传输的可靠性;利用显示屏实现阵列数据的本地化显示，包括阵列阻值、温度分布图等信息。　　3.基于云服务器、微信小程序开发了多功能智能传感手套数据管理云平台，实现了阵列信息的远程查看和管理。后台云服务器部署在阿里云，主要负责对微控制器传输数据的接收、处理、存储，以及小程序请求的响应;微信小程序作为可视化界面，主要负责用户登录和注册、阵列数值的显示和温度分布图的绘制。此外，通过与MySQL数据库连接和管理实现了传感阵列数据的存储、查询和删除。　　4.对多功能智能传感手套应用系统的软件功能进行测试，验证了该系统具有数据通信和存储、阵列信息显示等功能;对多功能传感手套进行柔弹性测试、敏感单元更换、触点测试、水杯抓取等实验，实验结果表明：1）制备后的多功能传感手套中敏感单元可以实现更换，且更换后性能保持稳定;2）多功能传感手套具有良好的柔韧性和拉伸性;3）多功能传感手套具有良好的温度场感知能力;4）多功能传感手套的压敏-热敏复合传感单元具有温度、压力感知能力。

关键词： 边缘端模型推理系统   硬件设计   软件开发   深度学习   模型加速   容器化处理  

摘要： 随着万物智能互联时代与人工智能时代的到来，边缘计算结合人工智能技术实现边缘智能服务的需求得到了学术界与工业界越来越广泛的关注，本文以此为背景，以在嵌入式边缘设备上实现深度学习模型推理任务为目的，在模型加速、任务生成和系统设计与实现几个层面，研究支持边缘多任务模型推理的关键技术，并实现边缘端多任务推理系统。该系统首先对模型做硬件多层次加速以提供不同的加速后模型供任务调用，然后实现了一种任务与模型、设备和数据集的动态绑定方法并实现了一种可靠的设备状态监测服务，最后结合容器化与容器编排技术实现了一套高可靠性与扩展性的边端深度学习多任务模型推理系统。　　综合以上内容，本文共包含以下三部分工作的内容:　　1.针对主流深度学习框架无法满足边缘端硬件实时模型推理的问题，本文借助硬件模型加速库，实现了一种边缘端硬件多层次加速方法，能够适应主流深度学习框架（如Tensorflow、Pytorch和Caffe等）产生的模型，并且针对同一模型产生不同层次的加速后模型适应不同的任务场景需求。　　2.对深度学习推理任务的模型、设备和数据进行解耦，实现了一种模型、设备和数据的自由组合策略，能够在深度学习推理任务中实现模型、设备和数据的动态绑定。另外，为了提高推理系统的可靠性，实现了在边缘设备上的设备状态上报服务，能及时发现设备的异常情况，确保了推理系统的安全性。　　3.基于容器化技术，对深度学习推理任务做了容器化处理，使得单个容器镜像文件支持多种任务的推理，有效避免推理程序中的重复代码;基于容器编排技术，实现了多个深度学习模型推理任务在边缘端的部署。最后，基于对推理系统使用者的需求分析和完整系统的设计原则，从软件和硬件层面出发，设计并实现了一套高可靠性和可扩展性的多任务推理系统。

关键词： 故障诊断   设备巡检   数据采集   硬件电路设计   软件设计  

摘要： 开展机械设备的状态检测和故障诊断对于及早发现油气生产现场设备的安全隐患具有重大意义。目前现场巡检人员使用功能简单的红外测温仪和手持式振动测试仪采集油气生产设备的运行状态数据,巡检时需交替使用两套仪器,工作量大、检测效率低,且所采集的运行数据仅含有温度和振动的有效值,无可用于频谱分析的波形数据,无法满足设备状态分析和故障诊断对准确性的需求。因此,急需研发一套能采集完整波形和温度数据的状态参数采集仪器,以改善油田设备状态数据采集现状、提高状态分析和故障诊断工作质量、保证设备安全可靠运行。(1)振动-温度采集仪器硬件研发针对传统巡检仪器只能单一地进行振动检测或温度检测的不足,本文将振动和温度信号采集技术集成到采集仪器的硬件研发中,并将模块化设计应用到电路设计中以解决多路振动通道采集仪器功能冗余、体积过大的问题。首先,通过对比分析选择在24位精度下可对数据实现同步采集的高性能芯片。然后,运用Altium Designer软件对采集仪器的电路原理和PCB电路走线进行设计。运用模块化理念设计了数据采集模块,优化了数采模块在PCB上的分布,完成了高精度振动-温度采集硬件系统的开发。系统功能测试结果显示电源的输出正常,且振动传感器输出电压能够随着振动而变化,硬件设计可靠。(2)振动-温度采集仪器驱动设计为解决驱动程序对采集仪器性能的约束,本文使用SPI和IIC通信快速读取转换完成的数据到MCU中,在此基础上运用FSMC扩展外部内存以缓存振动数据,使用SDIO接口扩展SD卡将设备测点信息预存到SD卡中以存储离线检测设备测点预置和保存的数据,实现了硬件驱动程序完成数据从采集到存储的功能。编写模块化硬件组合逻辑处理程序,通过检测模块的插入信号并穷举硬件的组合情况,模拟测试了各种组合下的程序运行状态。驱动测试中对采集模块采集的振动和温度数据进行解码处理,得到振动单通道数据采集下能匹配的最高采样率为256k Hz,双通道时为128k Hz每通道。检测得到频率为10k Hz,峰峰值2000m V通过正弦信号差分处理后测得最高电压为1001.28m V,误差在0.2个百分点以内,满足设计指标,采集到的温度和振动数据精确。(3)设备状态分析及数据管理系统设计为满足油田对设备状态分析和故障诊断技术的需求,在本文所研发的振动-温度采集仪器的基础上,本文基于Visual Studio、My SQL等开发环境,运用C#编程语言,将数据处理技术、数据库技术集成到上位机软件的设计中,设计开发了设备状态分析及数据管理系统。采集器保存的数据通过USB接口加载到软件中,通过快速傅里叶变换将数据转换成时、频域图显示到系统界面中,并且将设备数据保存到数据库中,实现了对设备运行状态的分析和数据管理。本文设计的设备状态分析及数据管理系统为巡检人员进行设备状态分析提供可视化工具,为保证设备安全、平稳运行提供有力保障。

关键词： 帧同步   载波同步   单载波频域均衡   大容量毫米波通信   硬件设计  

摘要： 随着无线通信网络的快速演进和移动互联网的飞速发展,通信系统的传输速率也在不断增长,然而低频段频谱资源紧张的问题制约着通信系统传输容量的发展,因此具备频谱资源丰富、传输品质优秀及抗干扰能力强等特点的毫米波通信成力10Gbps甚至更高速率数据传输的实现方式之一。然而由于工作频段的特殊性,毫米波信号在传播过程会有较大损耗,该问题会严重影响信号的传播范围,并且高阶调制带来的高峰均比问题同样会影响毫米波系统的通信距离。在大容量毫米波通信系统中,本文采用单载波频域均衡技术对抗系统峰均比过高的问题,该技术还能有效地降低均衡算法复杂度。毫米波通信系统的工作频率和信号带宽与低频段通信系统有较大的差异,所以传统信号处理算法如何在大容量毫米波通信系统中应用的问题具有一定的研究价值。因此,本文设计了适用于大容量毫米波通信系统的帧同步方案和载波同步方案。首先,本文通过学习毫米波的传播特性和信道模型、研究毫米波通信的应用场景、再结合大容量毫米波通信的性能需求,设计了系统的总体方案。其次,针对传统帧同步算法难以在硬件单元中实时实现的问题,本文提出一种低复杂度的时频联合帧同步方案。本方案通过联合时域的粗帧同步和频域的精帧同步的方法,降低了帧同步算法的复杂度。该方案在性能与Meng算法相近的前提下,算法复杂度大大降低。再次,针对传统载波同步算法中估计精度与估计范围难以两全的问题,本文设计出一种低复杂度的联合载波同步方案。本方案通过简化单载波系统中的L＆W算法,并与OFDM系统中的Moose算法联合,实现了大范围频偏的精确估计。本文所设计的方案兼具Moose算法较高的估计精度和L＆W算法较大的频偏倍计范围,能够以一个较低的算法复杂度精准地实现载波同步。最后,本文还设计了帧同步方案和载波同步方案的硬件实现方式,并通过仿真软件验证算法的正确性,并且在现有的E波段无线通信基带处理单元上,验证了方案的可行性。

关键词： 矢量声信号采集   矢量信号调理   FPGA   LabVIEW  

摘要： 海洋的开发和利用,离不开海洋环境信息的获取和研究。想要获得海洋环境信息,水声信号采集系统必不可少。随着矢量水听器的出现,人们开始采用矢量水听器采集记录研究水下声矢量场信息。也因此使得矢量水声采集系统的研究成为了一个较为热门的课题。本文设计了一种矢量水声信号采集分析系统,提供了一套完整的软硬件解决方案,为矢量水听器、矢量声场、矢量信号处理等多个研究领域提供高性能、高可靠性、高便携性的集成化采集记录设备。本文主要分为总体、硬件、软件设计和系统测试4个部分。首先根据使用需求开展总体方案设计,对矢量水听器进行选型,设计水听器悬挂结构,系统接口、系统功能及指标等。系统硬件设计主要分两部分,信号调理、采集传输。信号调理将三维同振式矢量水听器输出的3路振速通道和1路声压通道合计4通道的极弱信号进行前置放大、带通滤波等调理,数据采集传输采用AD7606将模拟信号进行数字化并采集,同时应用串口接收三维电子罗盘输出的水听器姿态信息,之后采用FPGA进行网络传输。软件部分也包括两部分,FPGA软件和显控软件,FPGA软件包括FPGA与AD7606的模拟信号采集、与传感器的RS485串口通信以及与PHY芯片的网络传输接口等软件模块设计实现;显控软件用Lab VIEW设计,主要包括参数配置、时域波形显示、频谱显示、姿态显示、数据存储和回放等的设计与实现。最后针对系统的功能实现和性能指标进行了检测,验证了系统电路自噪声、通道一致性、增益等指标,采集传输、存储、数据分析(时域波形、频谱显示等)等功能,测试结果表明系统设计达到预期。

关键词： 水力发电机组   振动监测系统   噪声监测系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 水力发电机组是中国水利领域的关键设备,在保证水电厂安全生产中起着至关重要的作用，其运行状态的好坏直接影响着电能的质量和产量。在水电机组保持长时间的高载荷或高速的状态过程中，机组的某些部位可能会因为各种因素产生剧烈的振动及运行噪声，这些剧烈的振动和噪声若长期存在会破坏水电机组的结构，同时大幅降低了机组的运行效率。这些故障不仅严重影响机组的正常运行，也会对运行人员的生命安全造成威胁。因此需要对水电机组各部位进行实时监测，并对产生的振动和噪声原因进行分析，这在机组故障诊断并保障水电设备安全运行方面具有重要意义。本文通过对水电机组振动和噪声故障产生原因进行分析，并结合振动和噪声信号处理方法设计了水轮发电机组振动和噪声监测系统。论文具体的工作内容如下：　　首先，结合水电机组的工作方式对机组的振动产生原因以及噪声产生机理进行分析，介绍了机组振动和噪声的信号处理方法。并确定本文所设计的水电机组振动和噪声监测系统设计方案，包括系统设计原则、总体结构框架及监测点的布置要求。　　本文设计的监测系统由下位机数据采集部分和上位机监测部位组成，并分别从硬件和软件两个方面对水电机组振动和噪声监测系统的设计进行详细介绍。在硬件设计部分，依次介绍了传感器、传声器等测量器件的选型、数据采集卡的选择和系统硬件的抗干扰设计。在软件设计部位，基于LABVIEW的上位机监测系统设计。　　最后，为验证所设计的水电机组振动和噪声监测系统的实用性和稳定性，以HL160-LJ-225混流式水电机为研究对象，监测并分析其主要部位在各工况下的振动和噪声情况。

关键词： 折射率传感器   硬件设计   软件开发   量子弱测量原理   全反射光路  

摘要： 在光学检测技术中，折射率(RI)传感器已广泛用于食品，生化和环境领域，并与人们的生活息息相关。鉴于其不同的工作环境和工作目的，RI传感器必须具有不同的测量范围，灵敏度，响应速度和分辨率，不同的需求被不断提出。而量子弱测量方法由于其放大效应的强大优势，在精密测量领域受到了广泛的关注和研究。本文基于量子弱测量原理设计折光仪，将光束弱耦合得到异常放大的光信号，实现了RI的测量，具体工作如下：　　第一，介绍光学原理，包括惠根斯-菲涅尔全反射(TIR)定理，在其基础上延伸出了光的偏振特性以及光的自旋霍尔效应原理。并建立了光的全反射模型，分析光子自旋分裂的原因以及光束相位和光的偏振态对弱测量模型的影响。介绍了CMOS图像采集原理及光信号的获取。　　第二，对弱测量折光仪进行硬件设计，包含了光学系统的设计和硬件电路的设计。在光学平台上实现了原型机搭建，对光学元件进行选型和测试;完成点光源、准直光源的调制和结构设计。完成了以AM335X为核心的硬件电路部分的工作，对硬件原理图以及PCB设计、对电路进行调试。最后，集成系统，完成光学弱测量系统小型化。　　第三，使用折光仪进行实验测试。分析了TIR中反射光的强度和在光的自旋霍尔效应下光斑的位置偏移，提高了RI的检测精度。用软件程序构造了一个自动确定相对光强度和点中心的程序，对光的偏振态和传感器参数进行优化，以确定最佳的工作区域和偏振态，以获得最佳的分辨率。使用弱测量的原理来获取全内反射下光束的原始数据，实现了非接触实时检测。　　通过使用单次反射的TIR结构和没有纳米涂层的棱镜配置，简化了系统的复杂度，降低了制造成本。并且p和s偏振光使用公共光路的系统抑制了环境噪声，鲁棒性高。实验表明，系统分辨率达到3.40×10-6RIU，相对于其他在普通玻璃表面上进行测量的经典干涉方法提升了2-3个数量级。系统的优势在于结构简单并具备较高测量分辨率。因此，具有很强的应用潜力。

关键词： 大尺寸四足机器人   运动控制系统   柔顺性   力控制   通信机制   硬件电路设计  

摘要： 足式机器人正在从实验室走向实用,大尺寸四足机器人具有更高的应用潜力。大尺寸四足机器人尺寸大,承载重,对环境接触的实时响应和顺应性问题尤其突出,需要使用实时可靠的控制系统以及高柔顺性的控制策略。本文根据大尺寸四足机器人运动需求,着重开展了运动控制系统的研制、柔顺控制算法开发两个方面的研究工作。对四足机器人运动控制功能需求进行了分析,提出了分层分布式的运动控制架构,将四足机器人控制系统分为主控层、协调层和执行层。对机器人运动的任务需求、通信需求以及实时性进行分析,明确了控制系统各层级的功能,设计了相应的通信机制。通过对机器人单腿在不同控制方式下的运动特性仿真分析,提出了逆动力学前馈+PD阻抗控制补偿的柔顺控制策略,降低了机器人足端与环境碰撞时速度突变造成的冲击影响,实现了机器人运动的高稳定性。设计了基于ARM+DSP双核CPU的运动控制器硬件电路,实现了单腿控制系统的多通信功能和快速计算性能。设计了基于共享内存的双核处理器间通信方法,实现了ARM和DSP核之间的握手以及数据同步。根据大尺寸四足机器人对控制系统的高实时性和高可靠性需求,设计了基于时间触发的安全通信实现方式和单腿运动控制软件程序,实现了运动控制系统各层级间数据的可靠传输。搭建了四足机器人单腿实验平台,测试了四足机器人控制系统性能以及机器人腿部柔顺控制特性,验证了控制系统的有效性,满足大尺寸四足机器人的应用需求。

关键词： 交通信号控制器   硬件设计   软件开发   物联网  

摘要： 随着硬件终端计算能力不断提高、5G、物联网等技术的发展，使得交通信号控制机朝着更加轻量化、集成化的方向发展。本论文所撰写内容以设计开发轻量化的交通信号控制器为背景，通过元器件的选型、电路图的优化改进以及软件优化设计来提高交通信号控制器的交通信号控制性能。本论文的研究对象是交通信号控制器，即交通信号控制机的控制主机，首次将RT-Thread物联网操作系统应用于交通信号控制领域，并对交通信号控制器硬件平台进行了优化。　　本论文在调研分析交通信号控制机的研究和发展现状基础上，提出了基于RT-Thread物联网架构的交通信号控制器设计与开发，确定了论文的主要研究内容、研究路线和设计指标。本论文主要做了以下工作：　　（1）交通信号控制器采用物联网的采集感知层、传输控制层和应用管理层三级架构，其中采集感知层选用线圈检测方式采集交叉路口的车流量信息;传输控制层采用以太网进行通信，交通信号控制器将数据传输到上位机并对交通信号灯进行控制;应用管理层采用现有的上位机模拟软件，可对传送到上位机的数据信息进行保存、处理以及运算。传输控制层主要针对交通信号控制器的软硬件设计，是本论文论述的重点。　　（2）根据交通信号控制器的设计需求，介绍了交通信号控制器的逻辑结构和工作原理，采用模块化和自下而上的设计思想，提出交通信号控制器的整体设计实现方案，并实现多时段控制和感应控制的配时方案。在与现有交通信号控制主机性能进行比较的基础上，结合ARM系列64位*** RT1052处理器的优点，采用*** RT1052核心板模块和STM32F103VCT6芯片分别作为主控板和灯控板的核心元件，给出了详细的硬件设计。交通信号控制器采用以太网口、RS-232接口、RS-485接口进行通信。软件方面，采用模块化的设计思想和多线程机制，完成了系统内核在*** RT1052核心板模块上的移植、设备驱动程序开发和虚拟文件系统移植;采用TCP/IP协议，基于RT-Thread物联网操作系统和LwIP协议栈开发以太网通信程序，实现了多时段控制和感应控制。此外，可通过硬件故障检测保障交通信号控制器正常运行。　　（3）对所完成的交通信号控制器硬件和软件进行模拟测试验证和结果分析，主要针对主控板和灯控板测试，然后是对多时段控制和感应控制功能的测试，测试结果符合预期的交通信号控制器的基本要求。