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关键词： 纯电动汽车   整车控制器   硬件设计   安全测试  

摘要： 汽车功能安全标准的实施可以帮助新能源汽车电子电气零部件供应商在产品设计阶段规避掉电子电气系统所带来的不合理潜在风险，减少安全相关召回和投诉事件引起的巨大经济损失。整车控制器包含动力管理、上下电管理、故障诊断等一系列关键功能，工况复杂，安全相关故障发生概率较高且后果严重，因此对于整车控制器的功能安全研究具有现实的指导意义。　　本文针对纯电动汽车整车控制器存在的安全隐患，基于ISO26262《道路车辆功能安全标准》在处理车载电子电气系统安全问题上的优势，完成了纯电动汽车整车控制器功能安全概念设计，提出基于功能安全需求的整车控制器硬件设计方案，以降低整车控制器所带来的残余风险，提高纯电动汽车运行稳定性与安全性。论文主要完成了以下工作：　　（1）总结纯电动汽车整车控制器潜在故障，利用HARA方法分析这些故障对整车控制器安全运行的影响，依据ISO26262标准为故障设立安全目标并分配ASIL等级，针对纯电动汽车整车控制器潜在故障提出功能安全技术需求。　　（2）提出了符合功能安全的纯电动汽车整车控制器硬件多安全机制解决方案，依据方案导出了纯电动汽车整车控制器的电路设计，同时运用FMEDA方法进行整车控制器电路设计的硬件架构度量，以分析安全机制对潜在故障的覆盖能力。　　（3）根据功能安全标准对于硬件部分的测试要求，提出基于实体电路板加模拟信号的整车控制器功能安全测试方法，进行了整车控制器电气测试、功能测试、故障注入测试，以验证整车控制器的功能安全符合性。

关键词： 锂离子电池   电池管理   电压采集   均衡管理   SOC估算  

摘要： 汽车是我们日常出行不可或缺的交通工具,使我们出行方便的同时,也会排放大量有害气体,影响生态环境以至全球变暖。电动汽车相比于燃油车可有效地节能减排,电动汽车产业已成为国家重点支持的发展方向。动力电池作为电动汽车的动力源,其性能好坏直接影响电动汽车的续航里程。在实际应用时,常将单体电池进行串并联成电池组,以提高电池的功率和容量。但由于单体间存在差异性,需对其进行均衡管理,准确预估电池荷电状态(State of Charge,SOC),以预测电池剩余电量和车辆续航里程。而目前电池差异性较大、SOC估算精度不高,降低了汽车电池组的整体使用寿命。针对上述问题,本文设计一套以MC9S12G128芯片为核心的集中式磷酸铁锂电池管理系统,实现了单体电池均衡管理,提出基于OEKF的SOC估算方法,有效提高了 SOC估算精度,为电动汽车产业发展提供了支撑。本文具体研究内容与成果如下:(1)开展了动力电池状态监测管理方法及算法研究。根据电池管理系统设计要求,提出了电压、温度等信息采集方案及均衡管理方案,满足了单体电池电压采集对高采样速率及高可靠性等要求;根据磷酸铁锂电池的工作原理、充放电过程、循环寿命特性及其影响因素分析,在传统扩展卡尔曼滤波的基础上,引入了观测噪声动态修正项,得到了优化的扩展卡尔曼滤波,并将其应用于电池SOC预估,基于电池RC模型建立OEKF算法,通过仿真验证其有效性,仿真分析表明,优化后平均误差由优化前的2%提高至1.87%,优化后最大误差由优化前的3%提高至2%。(2)设计开发了集中式电池管理系统硬件电路。针对高采样速率、高可靠性、高共模电压、高精度设计需求,基于NXP公司的MC9S12G128高性能微控制器,结合电池管理系统功能特性,设计了主控芯片外围电路、电压采集电路、均衡电路、温度采集电路、供电电路及通讯等电路,并利用Altium Designer对电路进行搭建、刻板焊接调试,实现了 12-24节电池的单体电压采集;采用隔离的电池监控模块对电池进行电压采集和被动均衡控制,通过单处理器搭载多颗电池监控芯片,实现了对多个串联电池组的管理,以及电池组被动均衡和实时反馈均衡,提高了电池监控的精确性和时效性;利用单片机模数转换器扩展了温度采集通道,弥补了电池监控芯片温度采集通道的不足,实现了单体电池温度采集的全覆盖。(3)设计了集中式电池管理系统软件程序。根据电池电压采集、电流采集、电池温度采集、电池均衡、荷电状态估算、系统下电等硬件功能需求,采用分层式的设计以及功能模块化的设计理念,基于Code Warrior环境,编写调试了模块代码,满足了硬件功能需求,确保了电池管理系统软件系统的结构简明,功能划分清楚。(4)开展了电池管理实验及数据采集分析。通过电池充电实验,测量电池电压、温度,对电池管理系统的数据采集精度及均衡效果进行测试,实验表明电压采集精度达到5mV,电池组均衡效果良好,系统稳定可靠,满足设计需求。

关键词： 汽车自动驾驶   遥控接管系统   硬件设计   软件开发   安全辅助  

摘要： 随着车辆线控技术和5G通信业务的发展，为车辆遥控驾驶技术的实现和应用提供了前提条件。当前的自动驾驶技术发展不够完善，导致其在很多场景无法落地实施。将遥控驾驶作为自动驾驶车辆的安全辅助系统，可在其无法处理的工况下由远程驾驶员接管车辆并进行过渡处理，进而保证自动驾驶技术可以在一部分场景实际应用。　　车辆遥控接管系统的核心是通信和人机交互功能。此外，对受控车辆自动驾驶系统的监控预警功能可有效的提高车辆驾驶权人机交接过程中的效率和安全性。本文主要完成的工作如下:　　(1)对遥控驾驶技术在国内外的研究现状与应用案例进行了调研分析，对采用不同技术进行受控车辆监测的研究成果进行论述，并着重分析了车辆遥控驾驶过程中的安全保障相关的研究成果;(2)针对调研分析结果和本文的实际应用场景，进行了遥控接管系统的需求分析工作，其中对本文主要子系统的设计原则、功能需求和性能需求进行阐述;在需求分析的基础上，对本文架构和功能的整体设计进行了阐述;(3)详细设计并实现了受控车辆自动驾驶系统运行监控和安全预警子系统，解决通过人工监测自动驾驶车辆带来的准确率低和实时性低的问题;(4)基于目标检测和增强现实技术，详细设计并实现了人机交互子系统中的增强现实模块，解决遥控驾驶员对场景缺乏深度判断和视线焦点分散的问题;基于组件映射技术，详细设计并实现了人机交互子系统中的车辆管理模块，解决本文针对多种车辆重复开发的问题;(5)对通信子系统进行了功能测试和性能测试，并根据测试结果阐述本文报文发送方案和监测视频回传方案确认的依据;对自动驾驶系统运行监控和安全预警子系统的功能和性能进行了测试;最后展示了本文部分实际应用场景。　　本文设计并实现了面向自动驾驶车辆安全辅助的遥控接管系统，该系统实现了自动驾驶车辆运行状态监控的自动化以及人机交互的智能化，有助于自动驾驶技术在全无人化场景的实际应用。

关键词： 数据采集   片上网络   电源设计   信号完整性  

摘要： 数据采集是测试测量领域的重要组成部分,随着数字化时代高速发展,对数据采集的系统提出了更高要求,传统基于总线形式的数据采集方案遇到了扩展性差、时钟树庞大等瓶颈。本文采用片上网络技术实现数据采集,在研究片上网络相关理论基础上,以重点设计基于No C高速数据采集的硬件平台,为相关技术理论的研究提供实验平台。通过分析基于No C高速数据采集的实施方式,确定硬件平台设计架构和功能模块划分,就其各个功能模块的实现方式进行了设计。平台以Xilinx的XC7A200T FPGA为核心,用以实现片上网络路由器、数据获取,传输、存储器控制、对外高速接口等功能。本平台使用DDR3 DRAM作为高速数据采集、传输、处理过程中的缓存器,可以工作在533MHz频率模式下,双沿操作数据,为系统提供了较大的数据操作带宽。为了实现四通道数据采集,选择两片采样率均为1Gsps的ADC芯片作为平台数据采集通道,并设计了ADC抗混叠电路等模拟前端,对模拟信号的输入进行调理,并对抗混叠滤波器进行单独测试调优,达成了设计目的。为了解决数据采集中通道间同步的问题,在研究了当前主要的网络时钟同步方法的基础上,借鉴WR-PTP的方式,设计了用于DDMTD方式同步时钟的硬件功能单元。为了使得本平台工作稳定可靠,对电源和关键信号进行了集中优化设计,电源输入端引入了过压保护、防反接保护、缓启动设计、上电序列控制设计。并针对FPGA内核供电的小电压大电流的设计挑战,利用Hyperlynx进行电源完整性仿真和分析,并就仿真结果优化设计,最终达到预期设计目标。为了将采集到的数据及时,可靠的与外部进行交互,使用高速串行总线对外传输数据,借助于FPGA灵活配置的特性可以实现万兆以太网,Aurora等传输协议。为了使得高速串行数据接口在物理层面上的传输稳定可靠,设计光口作为通信的物理介质,利用光纤通信受干扰小,带宽大等优势方便后期数据传输。在详细研究了Xilinx 7系列FPGA高速Serdes以及高速数据传输特点的基础上,完成了原理图和PCB设计,并使用Hyperlynx就其中关键的信号路径进行了信号完整性的分析和仿真。最后借助IDE中集成的工具对设计结果进行测试,表现良好,满足设计需求。在完成上述工作的前提上,通过FPGA开发工具中内嵌的工具进行了数据采集功能的验证,结果表明,该平台可以完成基于No C的高速数据采集,在领域内一定的应用参考价值。

关键词： FPGA   YOLO   硬件设计   目标检测   实时性  

摘要： 目标检测技术作为计算机视觉、人工智能等领域研究的重要课题之一,无论是在安防监控、还是国防工业等领域,都发挥着重要的作用。然而传统目标检测算法通常运行在桌面计算机或者服务器集群上,存在便携性差、功耗高等缺点,无法满足室外实时检测等任务的需求。此外,传统的目标检测系统通常使用单波段传感器进行数据采集,只兼容可见光传感器或红外传感器中的一种数据输入。虽然在光照充足、场景简单、视野清晰的情况下,可见光图像检测效果较为理想,但当场景中存在遮挡、阴影等干扰时,可见光图像检测结果中漏检,误检的概率会明显上升。相比可见光图像,红外图像针对夜晚场景的生命体、发动机等在红外波段有较强温度差异的场景有较大的优势,但是受限于探测器的限制,红外图像通常分辨率较低,边缘失真严重,并不适合所有工作场景。针对单波段检测系统无法很好满足不同工作场景需求的问题,本文设计并实现了一种双波段传感器的实时目标检测系统,该系统集成了可见光和红外双波段传感器输入接口,采用当前主流的图像检测算法,相比单波段检测系统,该系统能够更好满足不同场景检测任务的需求。采用FPGA和嵌入式GPU异构架构进行系统集成化,充分利用FPGA的灵活性和GPU并行处理的优点,在保证检测系统检测精度和实时性的情况下,实现了低功耗、小型化的双色传感器的实时目标检测系统设计。主要工作内容如下:1.基于红外和可见光双传感器的硬件平台设计为解决单一的可见光或红外传感器获得的信息有限,检测能力不足的问题,本文提出采用可见光与红外双传感器结合的目标检测系统设计方案。并围绕系统设计方案,利用模块思想对系统进行硬件电路设计。分别设计了基于CMOS传感器的图像采集输入模块、基于FPGA+GPU的图像处理模块和基于SDI的实时显示模块,最终获得带有SDI接口可独立使用的可见光相机和半径为14cm的圆形处理板。在满足系统技术指标和功能需求的同时保证了系统良好的散热环境以及工程应用性拓展。2.实时目标检测方案设计研究现有的目标检测算法,综合考虑效果,处理速度与硬件平台适配性,采用基于神经网络的Tiny YOLO v3算法。针对遮挡目标和小目标检测中经常出现漏检和误检问题,根据层卷积对目标局部特征和小目标比较敏感的特性,通过增加YOLO网络浅层的特征输出层和目标局部特征学习的样本,大幅提升网络对遮挡目标和小目标的检测能力。加入大量红外图像训练集,保证算法对红外图像的良好检测效果。将算法移植到NVIDIA Jatson TX2上运行,能够对1920×1080p@60Hz的可见光图像和640×480p@50Hz的红外图像进行实时处理,实现实时目标检测。3.基于FPGA逻辑设计的图像传输为了保证系统的实时性,利用FPGA进行逻辑设计实现包含采集输入功能、数据传输通道、视频输出功能的图像数据传输通路。采集输入部分使用FPGA对CMOS图像传感器配置并接收高速LVDS信号,对接收的各类图像数据进行格式转换以便于传输。数据传输通道利用FPGA内部的IP核完成基于AXI总线的DDR3图像缓存以及PCIe高速数据传输通道的逻辑设计,最后通过视频输出功能对处理后的图像以SDI格式进行显示。本文实现的双波段传感器的目标检测系统,能够满足1080p@60Hz可见光图像和480p@50Hz红外图像输入的实时处理需求,同时克服了目前基于单波段传感器的目标检测系统存在的信息量有限、检测能力差的问题,并且具有功耗小、便携性强、集成度高等特点。在交通监管、安防监控等领与具有广阔的应用前景。

关键词： EGR系统   神经网络算法   模糊PID   硬件设计   软件设计  

摘要： 机动车近年来的产量攀升,引发了一连串汽车减排的热潮。传统的柴油机在工作过程中将会释放大量的有害物质,其中有害物质中又以缸内局部温度影响而产生的NO(Nitrogen Oxide)为主要组成,因此可控制缸内局部温度的EGR(Exhaust Gas Recirculation)技术应运而生。本文的研究重点在于针对柴油机运行过程中NO排放量较大,以及带EGR系统的柴油机EGR率标定工况有限的问题,通过设计适合某型号柴油机的EGR系统,应用BP(Back Propagation)神经网络算法对标定后的MAP图进行数据预测,从而使某型号柴油机NO排放量显著降低。本文的主要研究工作如下:柴油机EGR电控系统的仿真分析。基于GT-Power搭建了某增压柴油机的仿真模型,通过试验与模拟结果的对比分析,得出所搭建的仿真模型具有较高的正确性和准确性,在原搭建柴油机模型基础上增加EGR系统并进行仿真分析,得出该型号柴油机标定的最佳EGR率与最佳EGR冷却温度MAP图。柴油机EGR电控系统的结构设计及选型。依据EGR系统的仿真结果,对EGR系统的整体结构进行了设计,同时设计了满足目标柴油机的EGR阀与EGR冷却器的结构,通过计算最大热负荷确定了水作为EGR的冷却液。柴油机EGR电控系统的硬件设计。基于Altium Designer开发平台设计研发了系统的硬件电路,以模块化概念为设计核心,并遵照实需的原理图设计、元器件选型、元器件布线布局等准则。对模拟信号采集电路、执行机构驱动电路以及整体硬件电路PCB板进行了设计与制作。柴油机EGR电控系统软件设计。基于Keil-u Vision5的开发平台,应用C语言编写了柴油机EGR电控系统的主控程序、模拟与数字信号采集处理程序、CAN(Controller Area Network)总线通讯程序、基于神经网络的MAP数据处理程序、EGR阀和节流阀驱动及EGR冷却器电磁阀驱动程序等。通过BP神经网络算法预测标定的MAP图,采用模糊PID控制算法来确保柴油机EGR系统在发动机全工况下正常精确工作。基于柴油机EGR电控系统的试验台架,进行柴油机EGR电控系统与某型号柴油机的综合性能对比分析。试验结果充分验证了所设计的柴油机EGR电控系统的可行性与准确性,且在基本不改变柴油机动力性与燃油经济性的基础上可以很好降低NO排放。

关键词： PWM整流器   比例积分控制   PI-QR控制   电压电流测量误差补偿  

摘要： 随着电力电子技术的发展,传统的变流方式由于谐波大、功率因数低等缺点已经逐渐被脉宽调制(PWM)整流技术所取代。PWM整流器具有单位功率因数、网侧电流无畸变、四象限运行和直流母线电压稳定等优点,符合国家对绿色节能型社会发展的需求,被广泛应用于高性能交流传动和柔性交流输电等高性能变流领域。目前PWM整流器控制技术的研究仍着眼于传统控制策略,而对于PWM整流器采样过程中存在的电压电流测量误差等问题的研究仍存在局限性。本文在详细研究了PWM整流器的工作原理和拓扑结的基础上,分别搭建了开关函数描述和占空比描述的数学模型,在分析了两种数学模型的优劣之后,建立了PWM整流器在两相旋转(dq)坐标系下的数学模型,并分析了系统采用的空间脉宽矢量调制(SVPWM)的数学原理和输出开关信号的推导过程。简要的介绍了整流器的双闭环控制,分别给出了电压外环和电流内环的设计过程和参数设计方案。在PWM整流器实际运行过程中,电压和电流经过采样调理环节之后,传感器的非线性、调理电路的漂移、A-D转换器的量化误差以及三相电源电压的不平衡都会导致电流和电压测量值存在增益误差和偏移误差。传统的控制方法显然无法对正弦输入量实现无静差跟踪,也无法抑制直流母线侧电压纹波,从而造成网侧电流畸变,严重影响电网质量。针对电压、电流测量误差带来的交流侧电流畸变谐波与直流母线电压纹波的问题,本文给出了一种简单有效方案来处理三相电压型PWM整流器的电压和电流测量误差,利用带通滤波器和低通滤波器来估算电流测量中的偏移误差和增益误差;电流内环将PI控制器与两个准谐振滤波器并联,来减少电压测量中直流偏置和增益误差,该方法无需额外的硬件配置,不受传感器和系统参数的影响,能有效的抑制测量误差引起的直流纹波和网侧电流畸变。最后,在Matlab/Simulink平台上,搭建了三相PWM整流器的仿真模型,对传统PI控制策略与本文设计的电压电流策略误差补偿策略进行了仿真与实验研究,对比分析了PI控制与PI-QR控制在网侧电压纹波抑制的效果,同时对负载突变以及直流给定电压突变情况下的仿真结果进行了详细的研究分析,实验结果和仿真波形验证了所提出的控制策略的有效性和正确性。

关键词： 电动移栽机   关键部件选型计算   驱动电机控制   锂电池组保护   硬件电路设计  

摘要： 高水平的农业机械化对我国现代化农业的高质量快速发展起着关键作用,然而我国以传统能源为动力的农业机械能源利用效率低,并且废气排放、废油滴漏、噪音污染等缺点十分突出,对农田资源环境、农民身体健康危害很大。本文依托一台自走式双垄鸭嘴吊杯型蔬菜移栽机,对其原有的驱动系统进行了电动化设计改造,优化成一台自走式纯电动移栽机,既可用于大田移栽作业,也可用于大型温室大棚。本文主要研究结果如下:(1)基于对不同驱动电机、动力电池性能比较分析,对移栽机行车作业消耗功率、期望工作行驶里程、续航作业时间等重要指标的计算,选择了额定功率、电压、转速分别为2.5 kw、60 V、3300 r/min的开关磁阻电机为驱动电机;选择额定容量为100 A?h的三元锂电池组为动力电池;重新设计了一套适用于电动移栽机的最大传动比为142的减速传动装置,并利用SOLIDWORKS软件对整机绘制了三维模型图。(2)基于对驱动电机运行原理与控制策略的分析,以STM32F103R8T6单片机为核心,对驱动电机控制系统的硬件电路进行了设计。主要包括单片机最小系统电路、供电电源电路、电机转子位置检测电路、移栽机行车作业管理信号采集电路、电机功率驱动变换电路、电流电压检测电路、过温保护电路。实现了对电动移栽机启动调速、前进倒车、断电停车的行车作业管理控制。(3)基于对锂电池组使用中会出现的安全问题分析,以HY2113、HY2213这两款锂电池保护专用芯片为核心,设计了对16串锂电池进行安全保护的硬件电路。主要包括锂电池充电均衡保护电路,过充保护、过放保护、过流保护、短路保护电路,实现了对电动移栽机锂电池组在充放电运行时的监测保护,并说明了锂电池组与保护电路的外部接线方式。经过驱动系统电动化改造的移栽机,其移栽作业速度可在0.3m/s～0.7m/s的最佳作业速度之间无级变速;最大作业行驶里程可达4.8km,最长续航时间约4小时左右。

关键词： 医院实验室自动化   托盘转运车   运动控制   硬件设计   软件设计  

摘要： 随着收入和科技水平增加,人们对身体健康愈发重视的同时各种医疗检验项目也愈发繁多,这导致血样标本管理流水线每天都有着巨大的检验量。为了减轻检验部门的负担、避免医护人员直接和血样进行接触,设计了一款托盘转运车用以解决血样试管托盘转运的问题。本文针对托盘转运车控制的相关问题进行研究,使其能够在上位机的命令下成功完成采血试管托盘的取放、转移、存储等工作,与其他相关设备配合实现采血试管分拣流水线的全自动化。本文的研究内容主要包括以下几个方面:以采血试管分拣流水线为应用背景,按照基于行为的控制体系对托盘转运车在上位机控制下需要完成的运动类型进行分析,研究不同运动类型下的基于多传感器融合的定位方式;根据托盘转运车的结构特点设计了托盘取放控制方案,并完成运动控制相关的元件选型。对麦克纳姆轮进行参数化建模,并结合托盘转运车中麦克纳姆轮布置的方式完成了逆运动学模型的建立,为车体的运动控制提供理论依据;对车轮打滑和偏载下的运动特性进行研究,得到了打滑率的计算方式和考虑偏载下与不同车轮驱动力之间的联系。运用卡尔曼滤波对电子罗盘测量的角加速度与磁场角度进行信息融合,得到了车体更加准确的方位角度;根据电子罗盘、激光测距传感器以及激光雷达采集的数据完成托盘转运车的定位;研究步进电机的加减速控制模型,解决了因加减速导致失步与过冲的问题,实现了步进电机的平稳启停;针对转运车底盘不同种类的运动进行仿真,并在位置反馈的基础上对外部干扰导致车体角度突变问题进行纠偏研究,减弱了干扰带来的车体运动误差;对托盘转运车的取送托盘过程进行时序仿真,验证其可行性。对托盘转运车的控制系统进行设计,设计了主板加副板的双开发板控制方案,对副板底板进行了电路设计并制作了控制板;设计主要的驱动程序、避障程序和托盘取送等子程序;设计了主板与上位机、主板与机载平板的通信程序。搭建了控制系统实验样机,对托盘转运车的基本运动进行实验,实验表明转运车的运动精度满足技术指标要求,能在上位机的命令下顺利进行托盘取放。

关键词： 全地形移动靶车   运动控制系统   增量式PID算法   硬件设计   软件架构  

摘要： 为了满足实弹射击训练中对靶车移动路线不断变更的要求,结合当下训练用靶车的发展情况,提出一种全地形移动靶车运动控制系统设计方案。主要研究内容如下:针对移动靶车的技术要求,提出运动系统整体设计方案,并以此为基础进行各部分设计。对比常用驱动轮,确定中心可转向轮作为驱动轮。根据靶车需求,确定STM32单片机作为主控制器,并完成各类电机与供电电源的选型。根据设计方案与结构参数,建立全地形移动靶车四轮驱动和四轮转向运动学模型。通过正逆运动学求解,确定移动靶车与各驱动轮之间的运动学关系。对靶车在匀速圆周运动、加速旋转运动与转角渐增运动情况下进行运动学仿真,获得各驱动轮的运动情况,验证靶车运动学模型的正确性,分析了靶车直行与原地旋转时的运动情况。根据靶车运动控制需求,提出PID算法,将其数字化得到增量式PID算法,实现轮毂电机转速的闭环反馈控制。分析研究了PID参数整定的方法,并调节参数实现对电机转速精准控制。结合主控制器和电机选型,提出了以STM32单片机为核心的整体硬件设计方案,完成单片机的最小系统设计。根据各类电机的选型,研究发送串口二进制指令来控制轮毂电机的方法,确定了以PWM方波控制为基础的舵机和步进电机的驱动模块。设计无线通信模块,选择了ESP8266芯片来实现串口转Wi-Fi功能。设计供电模块以满足各模块不同的电压需求。设计了由底盘操控、云台旋转、升降靶三大模块组成的控制系统软件架构,并确定整体运动控制流程。针对电机驱动模块,设计PWM控制程序,研究串口二进制指令控制轮毂电机的方式。在无线通信模块中,配置STM32作为TCP服务器。通过上位机对驱动器进行设置,完成轮毂电机的闭环调试。对靶车进行越障性能测试,验证了通过改变整车质心位置的方法来实现越障的方法。