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关键词： 超宽带   高精度   TOA   SDS-TWR  

摘要： 近些年来,随着物联网和人工智能技术在煤矿安全监控监测领域应用的蓬勃发展,井下工作人员和设备的位置信息日益重要。在目前的井下定位系统中,更多的是采用WiFi、ZigBee等无线定位技术。但这些定位系统的定位误差普遍较大,已经无法满足井下对目标精确定位的要求。超宽带(Ultra WideBand,UWB)技术具有抗多径能力强、定位精度高、时间分辨率高等优点,所以近年来,基于UWB技术的室内精确定位系统发展尤其迅速,而将UWB技术用于井下目标精确定位的研究并不多见,所以本文基于精确定位的需求,对基于UWB的井下目标精确定位技术展开深入的研究。基于UWB的井下目标精确定位系统与传统定位系统相比,定位精度更高、实时性更强,这对于能够及时准确地掌握井下工作人员的实时移动轨迹,确保工作人员的生命安全具有非常重大意义。此外通过该系统可以对矿车、采煤机、掘进机等设备的运行轨迹进行实时反馈,这对于调度管理人员对设备进行合理的分配和使用提供极大的便利,有助于提高煤矿的生产效率和安全管理水平。本文的主要工作如下:(1)对UWB信号的定义、产生、调制、信道模型进行详细的研究,在深入了解UWB技术的基础理论知识之后,本文对室内常用的测距定位算法进行了详细的原理分析以及对其各自的优缺点进行详细的比较之后,本文选用基于到达时间TOA的定位算法作为该系统的算法理论基础。由于TOA定位算法需要定位标签与读卡器保持严格的时钟同步,所以本文对基于TOA定位算法的三种测距模式进行详细的研究,通过对各个测距算法的比较分析,最终选用对称双边双程测距(SDSTWR)方法,并在此基础之上对其进行优化,改进之后的SDS-TWR测距算法无须发射节点和接收节点保持严格的时钟同步,而且有效减小了因时钟漂移带来的测距误差,同时还缩短了完成一次测距所需要的时间,从而提高了系统的实时性。(2)在对系统需求做了详细的分析之后,并充分考虑井下电磁环境的复杂性,提出了包括用户感知层、信息收集与传输层、位置解算层的三层框架结构,用户感知层的定位标签和读卡器采用UWB无线通信,而读卡器和信息收集与传输层的定位分站采用485总线通信,提高了系统的抗干扰性能。定位分站和位置解算层的服务器采用以太网总线通信,服务器收集定位分站上传的距离值,根据特定算法对距离数据进行解算,最终得出目标的位置坐标。(3)在上述UWB测距方法以及提出的三层框架结构的基础上,分别对定位标签卡、读卡器、定位分站的需求进行分析,并且按照概要设计(包括硬件概要设计和软件概要设计)、详细设计(硬件详细设计和软件详细设计)逐步求精的方法完成该系统的硬件电路的搭建和驱动程序的编写工作。(4)在完成基本开发工作之后,在室内环境中模拟井下环境进行实验,通过对实验取得的数据分析,表明本文设计的井下目标精确定位系统能够达到预期的目标,实现厘米级的高精度定位功能。

关键词： 陀螺飞轮   锁相环控制   电流精密检测   EtherCAT从站  

摘要： 陀螺飞轮的概念起源于对微小航天器姿态控制的需求。评价应用在微小航天器上的主动姿态控制系统最重要的三项指标是其质量、体积以及姿态控制所能达到的精度。基于此,加拿大的科研人员提出了一种特殊的平衡环结构,它能够允许转子在一定角度范围内沿径向自由倾侧,这便是陀螺飞轮。单个陀螺飞轮在输出三轴控制力矩的同时,还具有敏感航天器两轴姿态角速度的能力,在保持姿态控制系统精确指向的同时,减少了系统的体积与重量,降低了微小航天器的研制成本。本课题将从硬件电路设计的角度辅助陀螺飞轮系统实现其姿态检测和控制的功能。首先,陀螺飞轮系统发挥其姿态控制功能的基础是控制飞轮在规定的速度下旋转,因此要设计并实现飞轮驱动电路使陀螺飞轮转子具有良好的稳速精度。在方案选择上,选择基于锁相环控制的飞轮驱动方案,其依靠鉴频鉴相器的负反馈控制可以最大程度满足对于稳速精度的需求。对方案进行硬件电路的搭建,对硬件各环节进行建模,化为传递函数,并设计了串联超前控制器保证系统的稳定裕度,最后通过Simulink仿真的方式验证其稳速和调速过程的性能指标。其次,为了陀螺飞轮系统各模块可以与主站保持实时性的通讯,方便数据统一的监测和管理,设计并实现了Ether CAT从站电路作为陀螺飞轮系统的通信部分。按照OSI参考模型中物理层、数据链路层和应用层的结构搭建Ether CAT从站电路,同时从信号完整性的角度简要分析了串扰、地弹噪声、轨道塌陷、信号反射对波形的干扰,提出了电路在PCB布局中的优化建议。在Ether CAT从站软件设计的角度,利用从站设备微处理器搭建应用层协议编程平台,对Ether CAT状态机和过程数据通信协议进行编程,并在Twin CAT3作为主站的环境下,利用Wireshark抓包软件对通信的性能和可靠性进行分析。最后,为保证陀螺飞轮系统姿态解算的精度,设计并实现了基于电阻采样方案和改进的电流/频率转换方案的电流精密检测电路。对两种方案的误差来源进行了定量分析,并针对性地进行了元器件选择,做出了尽可能的硬件补偿。在试验测试阶段,详细介绍了数据拟合和精度测试的过程,给出了两种方案各自的测试结果。最后,通过傅里叶分析的方法对测试结果中的谐波来源进行猜想,并对两种电流精密检测方案进行了对比分析。

关键词： 汽车燃油泵   控制器   功率电感   测试系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 车用零部件测试系统的研究在汽车工业发展过程中一直扮演着重要作用。随着汽车工业水平的快速发展，对零部件测试系统的要求也在不断提高，在很多测试场合，传统测试系统在很多方面已无法满足测试要求。燃油泵控制器影响了燃油喷射系统的性能继而直接影响发动机的性能、油耗、排放和使用寿命。本文以武汉某公司生产的一款燃油泵控制器作为研究对象，对其电路进行了详细的分析，然后按照测试需求搭建了软硬件测试平台，并对控制器进行可靠性分析。功率电感作为燃油泵系统的主要零部件，以上述测试平台为基础加入电感测试功能。论文的主要工作有：　　（1）介绍燃油泵系统的整体结构，着重分析其控制器的电路。根据控制器的电气特征，分析控制器的各项性能和故障，并提出相应的测试方法。结合该测试方法，提出了一种具有高集成度、高测试精度、高自动化程度的燃油泵控制器测试方案，通过测量控制器的性能参数，对控制器的性能做出判断，并可通过进一步的测试结合故障树分析找到故障的位置。对燃油泵系统的关键部件功率电感进行结构特性分析，确定测试方法。　　（2）根据测试方案，将测试系统分为上位机和下位机两个部分，完成两部分的设计和联调工作。选取STM32F407为主控芯片，完成下位机硬件电路设计。通过分析电感，提出了一种测试动态参数和静态参数测试的电路并分析工作原理。进行嵌入式软件设计，实现相关测试功能。上位机软件使用C++在PC上开发，完成数据处理和测试结果显示的功能。　　（3）对燃油泵控制器的可靠性进行分析。采用故障树分析的方法，建立了各模块的故障树，为该测试系统的故障诊断提供了理论依据。采用应力分析法，结合元件可靠性手册，计算系统各模块和整体的预计失效率，完成系统可靠性的定量计算，为测试系统的测试方案提供参考。　　（4）使用本文设计的测试系统对控制器和功率电感进行测试，将测试数据和标定设备的进行对比，结果表明该测试系统有效，符合设计需求。

关键词： 可组网   低成本   线性调频连续波   DSP   毫米波雷达  

摘要： 毫米波雷达在周界安防和民用领域的应用已经逐渐占据重要地位,在保证较高的雷达性能的同时,降低雷达系统的研制成本成为了需要关注的重点。通过雷达组网技术能够实现对单部雷达性能不足的弥补并扩大系统探测范围,在提高系统性能的同时降低成本。基于可组网、低成本的设计理念,并结合线性调频连续波雷达结构简单、不存在距离盲区的特点,本文以TI TMS320F28379D DSP作为系统控制与信号处理核心,设计了可组网锯齿波LFMCW(Linear Frequency Modulated Continuous Wave,线性调频连续波)周界雷达系统方案,完成了单部雷达的硬件平台设计与软件实现,研制了低成本低功耗的雷达系统硬件。本文对锯齿LFMCW雷达系统的设计分为以下四个部分。第一部分,对组网技术和LFMCW雷达的原理进行介绍,为系统设计提供理论基础。通过建立回波差频信号数学模型,分析了测速测距原理并推导相关公式,解释了使用距离和速度维FFT算法解决调频连续波雷达距离—速度耦合现象的可行性。针对干扰环境下雷达探测性能降低的问题,采用动目标显示与检测、恒虚警检测技术,实现了对运动目标距离和速度的提取,并进行MATLAB仿真与验证。第二部分,根据实际需求设计了雷达系统硬件方案。围绕TMS320F28379D进行各功能模块设计,包括电源系统、存储模块、时钟模块、模拟波形调理模块、通信模块等的芯片选型与原理图绘制,并对PCB的设计与实现提出了要求。第三部分,给出了系统控制与信号处理软件实现的流程与方案,包括发射波形的控制、回波信号的采集、信号处理算法以及与上位机的通信。第四部分,进行硬件系统调试与外场测试。首先给出了电源模块、时钟系统、存储模块的功能调试结果,确保硬件电路设计的正确性。通过上位机、雷达前端与信号处理板的联合调试,对波形控制、数据采集、通信模块进行测试,实现上位机与雷达系统的通信,DSP对发射波形参数的控制,四路回波差频信号的同步采集和数据存储功能,并由外场实验对雷达性能进行了测试。本文在线性调频连续波雷达信号处理方法的理论研究基础上,结合实际需求研制了以DSP为核心的可组网锯齿波LFMCW周界雷达硬件系统,并对系统的各功能模块进行了调试,硬件平台的设计达到低成本、低功耗的要求,为后续实现雷达组网系统提供了基础。

关键词： 信号发生器   硬件设计   软件设计   D/A转换   低通滤波  

摘要： 非线性绝缘介质是指其电导率和（或）介电常数随电场变化而变化的绝缘介质。非线性绝缘材料具有简化绝缘结构设计、减薄绝缘厚度功能,在高电压复杂绝缘结构设计和制造领域具有广泛的应用前景,在高压直流电缆主绝缘和附件绝缘结构以及高压复合绝缘子中具有潜在应用前景。因此,非线性绝缘介质的相关研究受到国内外的高度重视。而受到非线性绝缘测试技术发展的限制,非线性绝缘介质的相关研究举步维艰,因此开展非线性绝缘电介质暂态介电特性测试技术的研究迫在眉睫。对于非线性绝缘电介质暂态介电特性测试而言,需要长时间、非周期、多种复杂高压激励电压信号,而市售任意信号发生器无法满足其需要,因此设计出满足非线性绝缘电介质暂态介电特性测试需求的长时间序列信号发生器具有重要意义。本论文依托于NI Compact RIO硬件平台与Lab VIEW软件开发平台,设计了基于FPGA的长时间序列信号发生器。在硬件设计部分,确定了系统的整体架构,对硬件架构中的核心部件进行选型,并设计了合适的滤波器;在软件设计部分,对硬件平台中的上位机、RT和FPGA分别编程,实现上位机上的构建人机交互界面、波形显示功能;RT上与上位机和FPGA通信功能;FPGA上信号参数计算处理、D/A转换和信号输出功能。最后对信号发生器系统性能进行了信号种类、信号幅值、信号频率、系统稳定性测试。测试结果表明,该论文设计的电压信号源能够产生长时间、非周期、多种复杂激励波形组合的电压信号信号发生器,经线性高压放大器后续放大满足非线性绝缘暂态介电特性测试需求,为非线性绝缘电介质暂态介电特性后续研究奠定了一定基础。

关键词： 柑橘   动态检重分选系统   硬件设计   软件开发   分选精度  

摘要： 柑橘作为我国重要的经济类作物，种植面积超过3800万亩，给果农带来巨大的经济效益。通常，柑橘在采摘后需对其重量品质进行检测分选处理，按检测分选的差异对柑橘进行分类售卖。为此，国内外开展了一系列对于柑橘重量检测系统的研究，并研制了出相应的检测设备。这些重量检测设备以其价格便宜和分选准确的优点得以广泛应用，然而，目前国内外所使用的柑橘重量检测设备多为静态检测设备，其自动化程度较低，上果、分选等环节需要进行人工处理，浪费了大量的人力物力。针对上述问题，本文设计了一种柑橘动态检重分选系统，并通过性能试验明确该系统存在的不足，针对检重分选系统中存在的问题，从柑橘动态重量检测的精度以及分选精度方面进行优化，并测试了优化后的效果，本研究的主要结论如下:　　1)检重分选系统硬件与软件部分的设计。检重分选系统的工作原理基于应变式压力传感器的响应特性，整体可分为检测机构、排序机构与提升机构，检测机构采用链式传动的方式能完成柑橘的动态重量检测与分选。排序机构以V形带作为柑橘输送部件，能在柑橘输送过程户对其进行排序整理。提升机构以滚筒带动柑橘运动，能实现检重分选系统的自动上果;检重分选系统的控制终端为计算机，能实现检测系统传动链启停与调速控制以及系统的参数设置。　　2)检重分选系统性能测试。检重分选系统的工作性能的测试，主要围绕其检测精度与分选精度进行，通过试验探究影响检重分选系统检测精度与分选精度的主要因素，结果表明:检重分选系统检测精度主要受柑橘检测样本的重量与传动链速影响，其中柑橘重量大小与系统的检测误差成正比，在传动链速为0.5m/s时，256.7g的柑橘样本与78.8g的柑橘样本相比，检测误差增加了4.2g，此外传动链速的提高也会导致检测精度的下降，0.5m/s传动链速下，系统重量检测的平均误差为:8.7g，在传送链速为1.5m/s时，系统重量检测的平均误差上升至20.8g;检重分选系统的分选精度受检测精度与系统分选执行元件运行效率的共同影响，当系统检测精度低于设定分选区间或分选执行元件工作效率与传动链速不匹配，都会造成分选误差。综合考虑检重分选系统的重量检测与分选精度，其动态检重分选时传动链速范围应为:0.5m/s～1m/s。　　3)检重分选系统的性能优化。对于系统的性能优化主要从检测精度与分选精度两部分开展。针对系统动态重量检测精度的优化，从称重信号的降噪处理上入手，称重信号降噪处理方法主要包括数据预处理与算法滤波处理两部分，通过各种预处理的综合试验对比，选定中值滤波算法作为系统动态称重信号的数据预处理方式，并基于BP神经元网络设计了动态称重算法，对预处理后的称重信号再降噪，经优化后，在传动链速为0.5～1.5m/s内，检重分选系统的动态称重平均相对误差范围缩减至2.1g～4.3g;对于检重分选系统分选精度的优化，在对重量检测精度优化的基础上，提高分选执行机构的响应灵敏性，改用继电器来代替下位机控制分选执行机构的运行，使得执行机构的运行时长从50ms缩减至4ms，优化后的系统在传动链速为1.5m/s时的柑橘动态重量分选精度提高了约50％。

关键词： 分布式电源   继电保护   硬件设计  

摘要： 电力系统在新时代发展之下,已经得到了具有智能化特征的发展,而相应的电力系统智能化发展也使得整体分布式电源在发展过程中得到较高程度的创新型改变.将分布式电源予以并网处理后,整体分布式电源将会对主网产生相互性影响,进而使整体电源在具体的应用过程中出现一定程度的创新性问题,从而对使用分布式电源的各类设备造成现实性威胁.此外,当主网出现诸如短路等诸多故障时,如若不能将相应的分布式电源予以清除将使孤岛现象发生,从而对整体电力设备与电力系统造成较为严重的负面后果.基于以上情况,文章对分布式电源的相应功能,进行研究并对相应的分布式电源监控保护设备进行有效的设计,希望能够为我国的分布式电源开发与监控工作提供有效的现实性参考.

关键词： 教育机器人   硬件设计   语音交互   人工智能  

摘要： 背景与意义:近年来人工智能的快速发展,带动了机器人智能化的浪潮。教育机器人作为一个问世不久的产品,也得到了越来越多的关注。我国从二十世纪八十年代开始抓信息技术的发展,自2017年全面二胎的政策的放开,以及中国城市化不断加速的现状。适龄儿童所需要的教育资源较之以前有了极大的提升,如何保证他们在当今信息化社会不被淘汰,并跟上当今教育的浪潮。价廉质优的教育机器人产品是保障他们充分享受教育资源的一个有力手段。父母在传统家庭中扮演的教育角色也日益产生变化,如今加上智能化工具参与家庭教育环节愈发成为了一项趋势。教育机器人将会带动现在孩子们共同成长,扮演教育环节里一个不可缺失的角色。因而教育机器人有着良好的市场与较大的市场潜力,也是我国中国制造2025的一个重要研究重点。基于教育机器人的市场需求,本文设计了一款智能教育机器人,具体工作如下:(1)分析与研究世界教育机器人的发展现状,对最新的教育机器人热点进行追踪与解析。再对市场进行调研,了解市场上的主流教育机器人的功能与价位,进而归纳总结出本文设计的教育机器人的基本定位与功能方案。(2)本文阐述了所设计的教育机器人核心功能,从功能出发,设计出硬件方案与软件方案,选定开源软硬件平台,经过一系列实验与学习,选出相应的器材与软件,进行所设计的教育机器人方案的组装。给出了实现功能的教育机器人器材选型与关键技术的基础原理、设计思路与具体步骤。(3)完成机器人的组装后,组织一定数量的志愿者以事先定好的教育机器人测试方案与标准进行多次测试。对每个测试结果进行详尽的比对并给出原因和改进方案。内容1:Arduino作为一个新兴的电子硬件平台,以开源性,低成本,模块化为主要特点。可以通过光源、电机、声音传感器来实现设计功能,同时板子上的微型控制器可以通过Arduino自带语音进行程序烧录。同时,在Arduino项目中,在和PC端通信时,可以进行多种软件之间通信(Flash,Msp)来实现的。本文在比对多款微型控制器:51单片机,树莓派与arduino中,51单片机开发程序较为繁琐,实现功能比较单一,树莓派实现功能较多,但本身的电源供电有一定的局限性,模块化一般。Arduino在实际开发中,开发的难度较为简单,模块化资源丰富,较为适合本文的设计方案。在硬件设计方案中,采用Arduino UNO开发板,驱动板选择L298N,并采用Arduino拓展版来实现其他模块的互联。在中文语音识别芯片上选用LD3320,来进行中文语音的识别。识别的策略是将所需识别的内容简化成关键字。当麦克风采集到声音信号时,MCU执行ASR识别程序。录人的语音内容将被储存经由arduinowifi模块并上传到云端。此外再选取常用5v马达,在供电方面采用18650锂电池,此电池一节标准电压为3.7V,电池充满电为4.2V,在以前的经验中,当一节电池电压下降到3.2V便无法正常使用。那么采用两节锂电池进行串联,标准电压为7.4V,充满电为8.4V,可使用最低电压为6.4V。故需要使用一款AOZ1016芯片转5V出来给整块板子供电(因为USB等各种接口均为5V),使得7.4v转为5v。在具体的操作中,对其中两个电阻阻值调节即可实现预期目标。在语音识别的技术实现中,在语音引擎选择上,因为经费受限,百度语音平台自2017年起便采用终身免费,科大讯飞在一部分的API接口采用免费。同时在语音识别率上,后起的百度语音时劣于科大讯飞的,为了解约成本,我们采用百度语音进行语音识别加用科大讯飞平台进行语音合成,由于条件受限,暂时不加入离线模块,只从线上模式进行考虑。从语音交互流程设计上看,将机器人的常态设为待机状态,处于低功耗待唤醒的模式,唤醒词可以通过内部设置,即呼唤机器人名字“tiri”。机器人由待机状态进入工作状态,工作状态下即可进行语音输入,机器人开始主动聆听。例如询问“今天是几号”。经过相关模块处理,语音内容录入成SST,云端语音识别文字,提取关键词破译意图与语料库匹配。然后文本转化为语音进行输出。如果无法匹配,将信息传人云端,得到云端回答后输出。在语音识别得过程中,儿童可以通过教育机器人询问并获得天气,新闻,科教,文化,笑话,故事等知识,既可以陪伴留守儿童得身心成长,也可以一定程度上缓解教师与家长的教学压力。使得教育机器人本身的教育功能予以发挥。内容2:此外,语音的反馈还可以从机器人实物的运动中出发,对于机器人的驱动,与之前进行在线识别不同的是,该运动模块采用LD3320中文识别芯片在线下识别,此时机器人用动作反馈,即让机器人前进、后退、左转、右转和停止的操作。从流程上分析,第一步建立指令子集集合,第二部解析并运动,此时需要硬件设备(电机与电机驱动)的支持,用arduino的库与L298N电机驱动通过串口链接来实现运动。在教育机器人模块组装完毕后,我们

关键词： PLC   污水处理   控制系统   硬件设计  

摘要： 重工业废水和城市生活废水会造成重大生态污染,要重点关注城市污水处理,引入先进的PLC(可编程逻辑控制器)技术和方法,设计和应用基于PLC的污水处理控制系统,结合污水处理控制的实际需求,进行系统软硬件设计,实现污水处理的自动控制功能。

关键词： 1080P   CMOS图像传感器   信号完整性   硬件设计   摄像系统  

摘要： 得益于人脸识别的发展、“和谐社会”、“智慧城市”的建设、以及人们安全意识的提高,人脸识别在安防行业的研究应用蓬勃发展,人脸识别安防系统已进入快速发展阶段。在未来,人脸识别的智能安防系统将切实改变人们的生活方式。摄像系统作为人脸识别系统的眼睛,其对后端人脸识别有直接影响。单目人脸识别容易受光线影响并且易受到照片、视频、面具的攻击。双目人脸识别能适应各种逆光、暗光等使用场景,且能有效地拒绝照片等攻击,具有强防伪、多环境、高精度的特点,适应于门禁、边检闸机等人脸识别安防系统。本文针对摄像系统在人脸识别门禁系统上的应用,研究并设计了一款高性价比、低照度、高动态范围的双目高清摄像系统。双目摄像系统选用了两颗支持最大分辨率为1080P的CMOS图像传感器AR0230和OV2710,两者都具有卓越的低光性能且动态范围都达到了 96dB以上,增强对光线变化的适应性以及人脸识别门禁系统的识别效果;采用彩色成像和黑白成像相结合的方案并配置红外补光,增强识别的精准度和安全性。采用了外置、USB2.0接口的图像处理器,输出图像效果更好、传输速度更快、抗干扰能力更强。本课题重点研究了双目摄像系统的工作原理、硬件设计、调试、图像测评。根据人脸识别门禁摄像系统实际应用,对摄像系统进行方案设计和芯片选型、进而完成了原理图设计、硬件PCB设计、摄像系统调试、图像质量测评。而且硬件设计中研究了信号完整性问题,保证双目摄像系统在复杂的电磁干扰环境中都能正常工作,达到EMC设计标准。