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关键词： 嵌入式系统   图像融合   目标识别   FPGA  

摘要： 面对复杂战场环境下的战略侦查,目标识别,精准制导等军事行动,可见光与红外图像融合识别技术在理论和现实方面有迫切需求。当前目标识别方法大多基于单一传感器进行研究,而且识别算法结构的复杂,难以部署在嵌入式系统中。本文针对坦克目标识别的关键问题,提出红外与可见光图像融合的目标识别算法,通过不同算法对比并进行算法仿真验证。基于Xilinx Zynq平台对所提算法进行移植以及硬件优化加速并搭建嵌入式红外与可见光图像融合的目标识别系统。主要研究内容包括图像数据采集,异源图像配准及融合算法和图像的识别算法在嵌入式系统中实现。如下所述:基于红外与可见光成像的特点,对图像预处理方法进行分析研究,对红外与可见光图像采取灰度处理、中值滤波、均值滤波、直方图均衡化以及图像的锐化增强处理。为图像配准融合提供有效的特征并通过实验验证预处理算法的可行性。针对坦克目标特点,对比Hu不变矩、SURF特征描述以及形状上下文特征匹配的正确率,选取适合坦克目标异源图像配准方法,对配准后的图像进行小波变换图像融合。利用融合规则对图像中相应的高频分量以及低频分量进行融合并通过主观视觉与客观指标对融合算法进行评价。提高目标识别特征选取的可靠性。基于坦克目标识别算法的分析研究,对比坦克的局部二元模式特征、SIFT特征描述、梯度方向直方图特征。结合算法处理实时性及FPGA计算特性,采用HOG特征描述作为识别判断的特征依据,通过训练SVM分类器实现目标的分类识别。嵌入式图像融合的目标识别系统搭建,在FPGA上部署定制算法IP核模块实现硬件加速设计,ARM上实现硬件驱动程序的设计以及模块时序控制和构建SVM分类器模型。通过Peta Linux工具在开发环境中移植Linux系统以及Open CV库函数和Qt库函数,实现高效的图像处理。实验结果验证了算法的有效性。

关键词： 嵌入式系统   小信号放大   自相关检测   环形缓冲区   μC/OS-Ⅱ实时操作系统   实时采样  

摘要： 随着化工、生物等领域发展迅速的情况下,污水排放的问题也日益严重,污水中含有的重金属元素会对人的身体造成损害。原子分光光度仪作为一种实验室设备,可以精准的分析出样品中重金属元素的含量,但存在浪费人力、时间、使用场地限制、不能保障数据的实时性等缺点。随着元素分析领域需求的增加,研制出一台符合“互联网+”的原子分光光度仪是十分必要的。本文研究的在线原子分光光度仪具有远程可控,自动化程度高,保障实时性等优点。论文主要对原子分光光度仪仪器中的元素灯模块与单色仪模块进行研究。主要研究内容如下:(1)针对仪器的功能需求,为元素灯模块与单色仪模块研究了一套硬件控制系统。选择LPC5411芯片为主控芯片,用于控制所有模块的运行。使用空心阴极灯作为特征光光源。设计了能量采集模块,使用光电倍增管采集特征光能量,改进了前置放大电路和滤波电路,克服了传统电路中元器件冗余的缺点。同时还设计了A/D转换电路。为了保障数据的准确性,在此基础上增加了自动增益调节电路、调零电路、单色仪的狭缝控制电路、波长控制电路。使用Simulink软件对主要电路进行了仿真。(2)针对系统的控制需求,研究了一套控制方案。阐述了LPC5411的双核通讯机制,在操作系统中完成了对μC/OS-II实时操作系统的移植。制定了采样任务、空心阴极灯点亮任务、调零任务等任务,使系统稳定运行。结合狭缝控制任务、波长控制任务、元素灯能量任务,保障了测量数据的精度,并为任务的执行制定了精准的时序。(3)针对旧版原子分光光度仪过滤噪声有限的问题,改进了处理数据的算法。使用自相关检测法处理检测到的数据,弥补了在噪声较大时滤波效果不理想的缺点,阐述了自相关检测法的原理和过程,比对了改进前后的滤波效果。使用示波器在放入样品前测量得到,放大电路输出的为幅值在1V左右的方波,波型平稳,含有的噪声较小。经过使用Matlab软件测试,自相关检测法在信噪比为0.01时也能较准确的还原波型。根据国标中的静态稳定性对仪器进行测试,本文研究的仪器基线稳定性30分钟内的瞬时噪声均在0.002Abs内,测试的六组汞灯波长精度与理论值相差最多的为0.37375nm,分辨率测试中汞灯谱线半宽度为0.16nm,锰灯两个峰值间的波谷能量值为0.25。以上三项指标均远小于国标中的规定。

关键词： Hi3559   智能相机   嵌入式系统   视频监控  

摘要： 随着人工智能和大数据的发展,智能物联网产品获得了广泛的普及和市场认可,也面临着海量数据传输、运算和存储的挑战。与传统的网络摄像头相比,智能相机能够在数据采集的源端执行智能分析任务,辅助快速决策,减少了对网络带宽的占用,对于构建去中心化的、实时的智能视频监控系统有着重要的工程应用价值。为此,本文针对实时的智能视频监控研发了基于Hi3559芯片的智能相机系统应用软件,利用Hi3559的AI协处理器研发和部署实时智能分析算法,并采取模块化的思路将系统分为三个部分:系统业务模块、视频业务模块和智能分析模块。系统业务模块通过网页提供设备运维界面,采用专有的会话和升级协议实现视频预览、参数配置和应用升级等交互功能。视频业务模块实现实时视频的采集编码和基于主流的RTSP和HTTP-FLV流媒体协议的视频传输,提供个性化的码流配置功能。智能分析模块中,本文设计了以Hi3559神经网络推断引擎为处理核心的、可扩展的智能分析软件框架。基于该框架,开发者能够快速高效地部署智能分析任务,以软硬件协同的方式对采集的视频帧进行实时分析和标注。本文以人脸识别和行人检测为例进行了部署,前者采用了Retina Face、Mobile Face Net网络以及NMS算法、仿射变换、余弦相似度等技术,后者采用了Faster R-CNN双阶段网络和基于推荐区域的边界框回归技术。经测试,该系统实现了1080P/30fps实时视频流的采集和传输,并提供了较为完备的高清相机配置功能。智能分析软件框架中部署的人脸识别和行人检测功能的实时性和准确性较好,能够满足具体场景下的应用需求。

关键词： 智能无人机   OODA   嵌入式系统   算力   延迟  

摘要： 无人机场景中,传感器大数据融合将造成数据量指数级增长,进而增大无人机飞控硬件压力。目前无人机端侧硬件算力不足,而广泛使用的图数传将任务卸载到无人机地面控制站这一方法也受到了通信带宽和延时的极大制约,未来需要探索新型无人机端侧强实时、高计算能力。因此,本文设计实现了一个智能无人机系统,引入AI技术,提高无人机端侧任务实时处理能力。本文的研究工作主要分为以下三个部分:(1)硬件设计部分:选取了飞腾FT-2000/4 CPU和寒武纪边缘计算思元MLU220加速卡以PCIe Gen3连接方式搭建物端智能计算机,为无人机端提供智能算力;根据无人机应用场景采用SDI、以太网、UART串口等数据传输方式,完成了OODA硬件通路连接;通过接口转换及电压转换技术完成了便携式供电系统的设计。(2)软件设计部分:设计了OODA软件层,并实现环境感知层和数据抽象层功能。配置端侧计算机网络,实现RTSP数据流实时接收并输出每一帧图片及文件地址;依据加速卡对于yolo＿v3和Mobile Net-SSD执行时间、功耗、稳定性等实验结果,本文选择部署Mobile Net-SSD网络,并在GPU服务器上完成了120000次训练,最终测试准确度高达90%,最后在MLU220部署模型并实现离线运行功能;考虑安全性和高效性因素,定制数据格式以UART串口方式完成OODA数据流传输。(3)系统优化部分:本文提出了重定制技术,采用区域插值技术将预处理任务卸载到飞腾FT-2000/4 CPU上,大大减少物端智能计算机工作延迟。此外,本文还提出了流式技术,将任务分割成子任务并分配至各个计算节点,并结合自启动技术,加快了OODA数据流处理速度,提高了无人机系统智能化程度。在智能无人机系统实现后,本文针对打造的百分之百纯国产物端智能计算机进行了多次测试。实验结果表明,其TPR(Target presence rate)值超过80%,OODA前两个环节的延迟仅为0.78s,功耗为26.8W。对比NVIDIA Jetson TX系列实现效果,物端智能计算机处理星光4K图片的FPS值为24,这有力体现出其强大的AI算力。此外,本文还模拟了真实战场环境,设计了机狗大战演示场景。机狗大战的成功结果充分证明了智能无人机系统可靠性,达到了项目的预定要求。

关键词： 手势识别   人机交互   嵌入式系统   神经网络  

摘要： 本文提出一种轻量级视觉手势识别系统,在现有手部关键点提取方案基础上,设计一个多层神经网络将21个手部关键点坐标转化为静态手势类别。多层神经网络在多个图像数据集所提取的手部关键点数据上均有良好表现,还能够一定程度上抑制将非目标手势分类识别为目标手势,减少实际应用中手势动态变化过程引起的错误识别。利用开源神经网络推理框架,部署在低成本嵌入式计算平台树莓派上可达到平均12FPS的处理速度。

关键词： 阻抗   参数测量   MSP430   变频测量   嵌入式系统  

摘要： 高压输电线路因受到雷电侵袭而发生跳闸事故的概率极高,恶劣气象条件下保障输电线路不受雷击,从而将电能安全高效地输送到全国各地,是国家电力部门所关注的重点问题。输电线路的防雷接地系统是预防雷电灾害的重要电力设施,其由架空避雷线、输电杆塔、接地引下线、接地装置共同组成的,而接地系统的阻抗参数是衡量输电线路耐雷击水平的主要技术指标。目前相关规范要求,需要对接地装置的接地电阻参数进行定期性测量,保证阻抗参数的数值在规范要求的合理范围内,及早发现存在的隐患并找到具体的故障位置,有效地完成输电线路接地装置的巡检维护工作,以减少雷击事故造成的经济损失,保证输电线路安全运行。目前对于输电线路防雷接地系统相关参数的研究主要集中在接地体接地电阻测量方面,在实际现场实施中,常采用三极法、回路法和高频并联法进行。但在输电线路接地系统参数的建模及测量方面仍有一些未深入研究探讨的问题,传统的测量方法存在操作难度大、现场不适宜的弊端,而回路法和高频并联法的测量精度均有赖于输电线路接地系统的电气模型,因此输电线路接地系统参数的建模及测量对于确定回路法和高频并联法的测量精度具有极为重要的意义。对输电线路接地系统模型中的问题进行相关的理论推导,基于接地系统的简化模型,提出了一种采用多频电流注入方式的回路测量法。通过ATPDraw电磁暂态设计软件建立接地系统的物理模型,包括雷电流、杆塔、接地装置等部分,对输电线路遭到雷击时发生反击的电路特性进行仿真。以35k V输电线路防雷标准为参考,对所搭建接地系统等效模型的可靠性进行验证,分析接地阻抗的参数变化对输电线路防雷水平的影响,研究接地装置和避雷线中电感分量随信号频率变化的作用。为线路的防雷预测分析提供理论基础,对接地阻抗检测算法的进一步改进具有重要的指导意义。通过对输电线路接地系统参数的测量方法开展研究,将嵌入式开发技术与变频测量方法相互融合,从而实现在不同频率条件下对接地装置的阻抗参数进行测量。首先,结合现场的应用环境完成测量仪系统的总体方案规划,再按照硬件电路的功能要求对各个模块单独进行设计,研制了一种可实现变频测量的接地阻抗参数测量仪。测量仪利用电压互感器和电流互感器钳在同一条接地线上进行测量,分别负责采集电压、电流数据。其内部选用MSP430单片机作为核心处理器,由正弦激励源模块产生正弦交流信号,并依据测量要求改变输出的交流信号频率,信号通过两级放大电路后由电压互感器感应至接地系统的回路中。电流互感器对感应得到的电流信号进行采集,经带通滤波模块、信号放大模块及模数转换模块,完成数据的实时存储和分析处理工作。依据傅里叶变换方法对时域数据进行处理,并结合输电线路参数模型设计方程,完成参数的求解,从而实现输电线路接地系统各环节参数的综合求解,为高效准确地评价输电线路防雷能力提供了技术支持。

关键词： 视频监测   运动目标检测与跟踪   人脸检测   人脸识别   嵌入式系统  

摘要： 近年来,随着人们的安全意识的逐步提升,视频监控系统也在很大程度上得以推广和发展。视频监控设备的市场前景也被持续看好。与此同时,随着图像处理技术以及机器视觉技术的深入研究和发展,视频监控设备已经变的越来越智能,除了具有拍摄功能外,检测与识别技术逐渐成为研究的热门邻域。在此背景下,本课题设计了基于嵌入式系统的人脸识别监控系统,主要研究内容如下: 首先,对相关算法进行了深入研究。通过基于Fast RCNN的运动目标检测获取和标记人体目标区域,并实现视频图像人体目标跟踪。在此基础上,通过Adaboost实现了人脸的检测功能,并且通过调整加权误差参数的方法对原有算法进行了优化。通过RPCA(鲁棒主成分分析)和RLBP(鲁棒局部二值化)方法完成对人脸识别算法的研究与设计。 其次,完成了系统的硬件及软件设计部分,选用适合本系统的飞思卡尔***6q作为处理核心,OV5640摄像头作为图像采集设备。并对各个功能模块进行了设计,详述了系统开发环境的搭建步骤。对系统的总体软件架构及工作流程进行了设计,按照模块化开发的方式,对系统各个单元模块进行了设计与具体实现。 最后,通过仿真实验,验证了算法的可行性以及检测性能。分别对运动检测与跟踪相关算法,人脸检测算法以及人脸识别算法进行仿真实验,对不同算法的性能进行了对比实验;对人脸识别受光照影响的实验样本进行了针对性实验。结合软件与硬件的实验成果,完成了系统的整体调试,结果表明,系统响应速度快,基本满足设计预期。

关键词： 光纤布里渊传感   嵌入式系统   温度控制   光电转换   激光器频率检测  

摘要： 随着人类社会的发展,人们对外部环境物理量的检测的需求越来越高,各种传感技术应运而生。光纤传感技术凭借抗电磁干扰、环境适应能力强、体积小、结构简单、信噪比高、距离长等优势,成为人们的研究热点。与其他传感技术相比,基于受激布里渊效应的光纤传感技术(BOTDA)凭借着传感距离和信噪比的优势,成为光纤传感技术的一个热门解决方案。本文基于光纤布里渊传感系统,对系统中的控制板和接收板的软件进行了设计,并完成了对硬件关键部分的测试。光纤布里渊传感系统由上位机、控制板、接收板、脉冲板、扫频板等部分组成。控制板用于上位机和其他部分子板的数据交换;脉冲版和扫频板用于产生脉冲光和连续探测光。接收板采集检测布里渊散射光并完成光电转换。接收板和控制板的主控芯片均采用Cortex-M4架构的嵌入式微控制器配合实时操作系统(RTOS)来组织各个任务模块实现板上的各个功能。控制板实现PC机与传感设备的串口通信,实现数据的校验转发、数据帧的解析、转义和反转义,控制板同时通过I2C与其他子板通信。接收板上以单片机为核心对板上各个器件工作状态进行维护和控制。基于外围电路进行软件设计实现了对雪崩光电二极管(APD)的偏压控制和电信号的直流调节;采用高精度温控芯片和半导体制冷片,通过PID闭环控制实现了 0.002℃的温控精度,并且通过开环阶跃响应自动获得参数。论文最后提出了一种根据布拉格光栅(FBG)对分布反馈式激光器(DFB)的频率稳定性的检测方法,根据光栅反射谱的上升沿检测激光的功率变化进而转化成其频率漂移,通过温度控制策略稳定了光栅的中心波长,实现了对激光器的频率稳定性的精确快速检测。

关键词： 实验平台   继电保护   半实物实时仿真   电磁暂态方程   嵌入式系统  

摘要： 随着电网规模的扩大和线路复杂度的增加,对电网运行管理的可靠性和高效性带来了巨大的挑战,同时,继电保护装置的升级换代以及新型继电保护方法的应用,对继电保护专业人员专业素质和实操能力提出的要求也越来越高,针对检修运维人员的培训变得愈发重要。目前电网公司主要采用集中理论授课和动模实验台实验等传统培训手段进行继电保护培训,存在诸多缺陷,对技术人员的继电保护培训效果并不理想。针对电网公司继电保护技能培训和岗前培训,论文分析了国内外电力系统仿真技术的发展情况,并对仿真模式和仿真特点进行了总结。在此基础上,提出将电力系统半实物仿真技术引入继电保护培训实验领域,设计了基于嵌入式技术的低成本继电保护实时仿真实验平台总体方案。分析了电网中各电力设备的物理模型,考虑断路器开关和不对称故障,使用MATLAB语言编写了电网电磁暂态仿真模型。为解决电网模型中断路器和故障各相开关所引起的数值震荡问题,使用MATLAB语言编写了适用于刚性微分方程的吉尔算法,并将模型和数值算法都编译为C++语言,实现了对嵌入式系统实时计算的软件支持,完成了实时仿真核心的环节。采用FPGA和嵌入式板卡为数据的采样输出和模型的计算提供了硬件支持。运用MFC框架实现了具有继电保护原理学习与实验操作功能的上位机界面。利用TCP/IP协议实现了上位机与仿真机的参数下载与数据监控的功能。最终设计与开发的基于ARM嵌入式系统半实物装置实现了电网电磁暂态方程模型的实时仿真。实验运行结果表明,该平台仿真结果准确,整个闭环系统运行可靠。平台通过200μs实时仿真计算持续输出模拟电网中状态量波形数据。继电保护从业人员既可在实际继电保护装置上进行操作,又可以观察到模拟电网系统的动态过程。文中研发的平台已成功应用于国网某地级市电力公司,并取得较好的实训效果。

关键词： 户用光伏   嵌入式系统   分时电价   经济效益   灰狼优化算法  

摘要： 随着社会经济的快速发展与人们生活水平的提高,电能的需求量与日俱增,与此同时,光伏发电与储能技术的发展也日趋成熟,户用光伏储能系统在促进节能减排、改善家庭用电方式、节约能源和智能电网发展上起着重要作用。然而,对于家庭用户来说,在用电量增加的同时,高昂的电费成为其所困扰的一大难题。随着国家鼓励用户安装光伏储能设备以及分时电价政策的实施,为减少家庭用电费用带来了契机。因此,本文以用户已安装的光伏储能系统为基础,结合当下城市电网所采用的分时电价供电方式,研究一款基于嵌入式的储能优化控制器,可通过优化控制策略为用户带来较高的经济效益。本文主要的研究内容有以下四个部分:第一部分是对用户侧的光伏储能系统进行研究,建立光伏储能系统并网模型,分析储能优化控制器在整个系统中的主要功能;第二部分是结合峰谷电价差、光伏出力和用户的用电需求,在满足系统功率平衡与储能电池约束的条件下,综合考虑系统收益和电池损耗成本,建立多目标优化函数,并利用灰狼优化算法进行求解,得出用户净收益最优的充放电控制策略;第三部分是根据储能优化控制器的功能需求,确定控制器的总体硬件结构,介绍各个模块的功能,并分别对采集模块、通信模块、存储模块以及报警模块的电路进行设计,其中,采集模块用于采集光伏储能系统中的各项数据,通信模块用于数据与控制命令的传输,存储模块用于实时存储采集与计算后的数据,报警模块则用于数据的实时监控,保证系统的稳定运行;第四部分则是进行软件算法设计,实现控制器的各项功能,并制作一个网页平台,用于实时显示系统数据,方便用户查看。本文研究的储能优化控制器具有智能化程度高,控制性能稳定的特点,可通过合理控制储能电池的充放电时间来为用户带来可靠的经济收益。