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关键词： 间隙平衡   医疗器械   蓝牙技术   神经网络   嵌入式系统  

摘要： 关节间隙平衡法是一种医学上用于治疗中晚期关节炎或严重的关节损伤手术过程中常采用的辅助医疗技术,该技术的主要目的是在关节置换术中确保关节间隙达到医学上的平衡状态,从而使患者恢复后的关节活动特性达到最佳水平。传统的间隙平衡测量方法多采用金属垫片,医生通过调整垫片的厚度来感受间隙之间的摩擦力从而估计间隙平衡状态。近年来也有电子垫片进入医疗器械市场,其原理是利用微型传感器测量间隙之间的压力,然后通过无线通信技术传输到接收端以供医生读取间隙之间的压力。本文结合蓝牙5.0无线通信技术和神经网络技术设计了一种智能医用骨关节间隙平衡器,实现了超低功耗和小型化以及智能化等特点。其工作原理利用柔性压力传感器获取间隙压力,然后利用蓝牙无线技术将数据传输到上位机端,上位机解析数据后保存至患者数据库,医生需要对患者术后恢复状态进行评估并记录,之后上位机需要利用这些评估值作为训练样本对神经网络进行训练,训练完成后该神经网络将应用于实时平衡状态预测,随着训练样本和训练次数的不断增加,该平衡器的预测能力和准确度将不断提高。此外,将不同医生手术中采集的数据对网络进行训练,其预测能力将综合多个医生的评估经验。本文针对上述设计原理给出了具体实现过程,最终设计的智能医用骨关节间隙平衡器的物理尺寸为54.5*36.6*10mm,功耗仅为33.67m W,可持续工作29.7h,有效传输距离50m,压力分辨率为1.1N,误差为2.4N,对几种典型的平衡状态具有显著的预测能力,同时给出具体的平衡预测值。本文详细阐述了硬件和软件原理以及实现过程,包括蓝牙固件开发、上位机开发、神经网络编写。硬件部分实现了数据采集和传输,软件部分实现了患者信息管理、数据库建立、压力曲线动态显示、预测值动态显示以及额外部分扩展功能。整个系统的功能性和重要指标都进行了测试,均满足预期的设计要求。本文最后通过等比例关节模型对本系统进行了功能性验证,测试了600组左右数据并对网络进行训练,实验结果表明本系统在关节间隙平衡状态预测方面具有显著的区分能力,并给出了具体的预测结果。

关键词： 电火花线切割   数控系统   嵌入式系统   实时性   Linux  

摘要： 电火花线切割加工因其具有无切削力、不受限于材料的硬度和刚度特点被广泛应用于精密模具制造、汽车、医疗等领域产品的加工。国内线切割数控的发展仍滞留于PC+控制卡形式,已不能满足现代数控系统的要求。将具有功能可定制、成本低、体积小巧等优势的嵌入式技术与传统数控技术相结合,对线切割数控系统升级具有重要意义。Linux系统以其源码公开、内核可裁剪、性能稳定等优点成为嵌入式领域的热门选择。因此,结合嵌入式技术与Linux系统的优势开发出符合数控线切割加工硬实时要求的数控系统在我国向制造强国转变的大环境下具有重大现实意义。本文以优化Linux系统实时性并尝试在嵌入式平台开发线切割数控软件为目标主要做了以下研究:1、对线切割实时任务和Linux系统实时性的研究。分析研究了电火花线切割加工过程中实时任务的运行及其在通用系统调度延迟的不可预期性,提出电火花线切割数控加工对实时性的要求。对Linux系统的实时缺陷及优化方案进行说明,分析实时补丁实现的关键技术与仍存在的不足,并使用实时补丁对Linux系统实时性进行部分改造。2、提出新型调度策略。对Linux内核进程调度架构、调度器实现原理以及两种成熟的硬实时调度算法进行了比较分析,针对EDF算法在CPU过载情况下会产生连锁反应导致所有实时任务都得不到满足的情况,提出将Linux实时任务优先级与其绝对截止期相结合共同决定实时任务重要性的SPD算法。3、实现并测试新型调度策略。通过实现SPD调度类将新型算法添加进Linux内核,并对改进后的系统进行实时性测试,验证添加了新型调度算法的Linux内核可满足数控系统在轻载、过载下的实时性要求。4、搭建软件开发环境与运行环境。通过配置TFTP、NFS服务,将改进后的Linux内核、u-boot、制作的根文件系统以及Qt/E等移植进开发板完成环境搭建。5、电火花线切割数控软件开发。设计实现了软件的主要功能界面,完成了软件重要模块,包括文件读取、代码解释器、插补器等,并移植进入目标开发板同时进行了上机测试。

关键词： 制造装备   物联网   数据采集终端   嵌入式系统   STM32  

摘要： 工业制造业的产业结构正在发生变化,全球工业制造业正在朝着智能化、数字化和精益化的方向发展。将物联网和信息技术应用于传统的工业制造业企业,建立工业智能运维系统,促进企业智能化发展,可有效提升企业的生产效率和产品质量。工业智能运维系统的建立需要大量的数据支撑,这些数据具有非对称性、数据量大等特点,这些特点对数据传输的实时性、数据的解析和数据流量等方面提出了更高的要求。因此,制造装备的综合信息数据采集终端的设计有很大的意义。本课题针对物联网中微电子制造装备的自动数据采集中设备种类繁多,接口及数据类型多样化的问题,设计了一个数据采集终端。论文根据制造装备的需求,设计了终端工作硬件组织架构和数据传输网络架构,开发了数据采集及入网终端,实现设备工艺、状态、生产、环境信息等关键参数的实时获取和入网。首先,根据采集数据需求,采用嵌入式ARM处理器和STM32联合工作的方式,设计了硬件平台。然后,本文针对制造装备接口协议类型不同的问题,基于Qt开发平台设计了一个终端装订软件。为了保证数据采集传输过程中的可靠性和安全性问题,本文在硬件上采用电源管理的方式来协调外部电源和备用电池之间的切换,在数据处理方式上采用加时间戳、数据加密、选取通信协议和设计分时传输的方式来保障数据的可靠性。针对数据特性设计了相应的数据处理和存储方法。为了实现终端的片上决策功能,研究了基于卷积神经网络的振动数据故障分类模型,对数据集进行训练测试,取得了良好的结果。本课题设计的数据采集终端体积小,部署方便,并且能够兼容不同协议类型的制造装备,有利于广泛推广。

关键词： 嵌入式系统   环境监测   WiFi   视频流   Linux  

摘要： 随着深化改革的步伐进一步迈进,我国已经在过去的四十多年中取得了举世瞩目的成就,国家的整体实力稳步加强,国际话语权进一步提升。但人民物质生活获得极大丰富的同时,也伴随着严重的环境污染问题,诸如企业排放的废气、作物秸秆的燃烧等造成的空气污染,地下水和海水正遭受的水体污染,城市生活中的建筑垃圾、生活垃圾和噪声污染等。正如大范围影响人民生活的雾霾问题,使得人们逐步意识到环境保护的重要性,追求更高的生活品质。当前,政府已经将生态文明建设纳入到政府工作重点,并出台了针对大气污染、土壤污染和水体污染的防治行动计划等法律法规。对环境污染物的实时监测是保护环境的有效措施,不仅可以约束部分企业和个人的不文明行为,而且可以为预防污染提供指导性的可视化数据。本文针对企业工厂生产的安全监管,设计了一种基于WiFi的嵌入式实时环境监测系统。系统的硬件部分包含系统主控芯片及其外围接口,和用于采集环境相关参数数据的各类传感器。在主控芯片的选型上,采用SamSung推出的S5PV210微处理器,支持扩展多个GPIO和USB外围接口。在环境参数传感器的选择上,选用AM2302温湿度传感器、GP2Y1051粉尘浓度传感器和Logitech-C310高分辨率网络摄像头,分别采集当前环境中的温湿度、PM2.5浓度和现场视频图像。系统软件部分基于嵌入式Linux操作系统为平台,通过同步的方式实现传感器数据采集功能,并对环境参数数据进行处理。处理后的数据将被存储于本地闪存中,现场实时视频则采用视频流的方式进行传输。为了进行良好的人机交互,同时移植嵌入式Web服务器和小型SQLite数据库。系统整体采用B/S模式,基于无线WiFi模块接入网络中与用户进行交互,将采集到的数据在客户端浏览器的网页中进行显示,并可进行现场视频监控。通过对系统进行性能测试,系统可以长时间稳定运行,并准确记录当前环境中的参数数据,接入网络的终端设备均可正常访问,操作界面简单,开发成本低,符合预期的设计功能。

关键词： ROS2   嵌入式系统   分布式通信   机器人小型化  

摘要： 近年来机器人行业迅速发展,随着人工智能与物联网行业的兴起,多种多样的机器人产品开始出现在人们的视野当中。但是机器人产品的开发周期较长,与市场对机器人的需求产生了矛盾。机器人操作系统ROS(Robot Operating System)作为一款优秀的机器人消息中间件。使用发布订阅的消息机制实现了机器人各个模块之间的解耦,实现了机器人软件模块的高度复用,在机器人行业逐渐占据重要地位。许多创业公司和科研机构都在ROS上进行开发。随着ROS的适用范围不断扩大,ROS的一些缺点也开始显露出来。比如对运算资源要求高,中心化节点管理方式使系统不稳定,不适合在小型的使用嵌入式微控制器的机器人上使用等。为了弥补ROS的各种不足,ROS官方设计开发了 ROS的改进版本ROS2,并于2017年12月9日发布了 ROS2的第一个正式版本。ROS2依旧保留了优秀的发布订阅通信机制,同时使用DDS(数据分发服务)作为其底层通信机制,从而使ROS2完成了真正的去中心化,使ROS2成为一个分布式的机器人操作系统,同时也提高了通信性能。ROS2发布后受到了广泛的关注,微软还为Visual Studio Code提供了ROS2的扩展支持。但是ROS2目前还不支持在嵌入式微处理器或微控制器上使用,也没有提供对任何嵌入式实时操作系统的支持。所以当前的ROS2依旧无法在小型化的机器人产品中使用。这导致一些公司放弃使用ROS2,限制了ROS2的发展。因此,提供ROS2对小型嵌入式环境的支持能够让ROS2更好的应用于机器人行业之中,对ROS2的应用和机器人行业的发展都拥有极大的积极意义。本文所做主要工作内容是发现了 ROS2对嵌入式微控制器环境支持的不足对ROS2的广泛应用产生了一定的阻碍,并针对ROS2提出了使用代理机制的思路。通过代理机制实现运行在资源有限的微控制器上的ROS2节点能够与PC机上的ROS2节点实现无缝兼容的通信的方法。为了完成ROS2对嵌入式环境的支持,选用当前使用较多且普适性较高的STM32平台作为实验环境。嵌入式实时操作系统选用了对POSIX标准支持非常好的NuttX。通过对NuttX进行一系列配置,将其移植到了 STM32上,并适配了相关硬件驱动。使用专门面向极端资源受限系统的Micro XRCE-DDS作为应用到STM32上的ROS2底层DDS实现。为了实现Micro XRCE-DDS能像ROS2支持的DDS实现一样使用,本文参考ROS2的软件架构编写了对应Micro XRCE-DDS 的 ROS 中间件接口(ROS Middle Ware)和 ROS 客户端库(ROS Client Library)并整理了相应的API接口。经过编写样例和系统测试表明,本文设计并实现了 ROS2对RTOS的支持扩展。实现了运行嵌入式实时操作系统NuttX的STM32微控制器可以通过Micro XRCE-DDS提供的客户端服务器架构与运行在PC机上的ROS2标准节点无缝兼容的通信。稳定性也达到了要求,完成了本文想要达到的目标。

关键词： 电气火灾监控   监控装置   嵌入式系统   CAN总线  

摘要： 随着各种各样的电气设备在人们日常生活中和工业生产中的普及,电气火灾的发生频率也随之增加,电气火灾造成的损失、引发的后果也越来越严重。为了能预防电气火灾的发生,降低其带来的损失,进行电气火灾监控装置的升级开发就显得尤为重要。本课题的目的就是结合国家相关标准和电气防火现场要求,设计出一套检测准确、报警灵敏、操作简便的电气火灾监控装置。本文的工作概括如下:首先分析了我国电气火灾的严峻形式,通过查阅国内外相关的文献资料,了解了电气火灾的研究现状;分析了由于电气短路和超负荷产生电气火灾的原理及过程,从而提出了本论文的研究意义和研究的主要内容。其次进行了该装置的整体方案设计。根据国家的相关标准及实际需求,明确了设备需要实现的功能和设计标准;对设备之间常用的通信方式进行比较,优选出CAN现场总线作为设备的通信方式。然后对电气火灾监控设备和探测器的硬件电路部分进行了详细的设计。选用了STM32系列单片机为监控装置主控制器,根据模块功能的不同,分别给出了主要部分的电路原理图以及电路原理分析,并对主要的元器件进行了选型和介绍,包括核心单片机、CAN总线收发器等。紧接着对装置软件部分进行了设计,设计出了程序流程图,分析了各程序模块的功能和实现方法,并提供了相关部分的核心程序代码。编制了一套基于CAN总线火灾监控设备通信协议,用标识符区分报警优先级从而达到了监控报警优先。最后,为了进行电气火灾监控装置样机的综合测试,设计了简易的上位机监控软件。测试结果表明:火灾监控装置的信号采集精度、关键指标报警、故障的响应时间符合国家标准规定的要求;同时,与上一代基于RS-485的产品相比,响应速度有了明显的提高。

关键词： 柱塞泵压力测试   无线传感器   数据采集   嵌入式系统  

摘要： 轴向柱塞泵是液压系统的核心元器件,在航空航天、大型工程机械、船舶航海等工业领域发挥着重要作用。振动、噪声和流量脉动是影响柱塞泵性能的三个关键因素,这些因素与柱塞腔内压力变化密切相关。前人通过搭建实验台等方法进行柱塞泵腔内压力测试,但这些方法工作量大,测试精度不高。因此设计出合理的柱塞腔内压力测试方法,有助于推动轴向柱塞泵的研究,具有重要的工程意义和较高的学术价值。本文针对轴向柱塞泵的工作特性和结构特点,提出一种柱塞泵腔内压力无线测试方法。该方法基于现有的无线传感器技术,通过在柱塞泵缸体的过渡区处安装微型压力传感器;在缸体和转轴上设计传感器走线孔洞;在转轴和后盖处布置无线数据采集和接收节点,实现对柱塞泵腔内压力的无线测试。该方法具有较高的数据采集精度,最大程度减小对柱塞泵工作特性的影响。在采集节点硬件设计方面,针对节点的应用场合,采用模块化的设计思路。设计数据放大模块、数据采集与处理模块、数据存储模块、无线数据发射模块和无线供电模块。模块化硬件结构增强了节点的性能,降低电路设计复杂度,具有更好的稳定性。在软件设计方面,采用基于嵌入式实时操作系统的软件设计方法,提高了软件的可移植性和稳定性。文章最后对节点的数据采集精度和数据无线收发进行了测试分析。经测试,该节点具有较高的稳定性和精度,在充满液压油的环境中仍然可以进行数据的无线传输,能够满足轴向柱塞泵内部压力的数据采集和无线传输。

关键词： 组培苗移植   物流机器人   嵌入式系统   自主导航  

摘要： 随着组织培养技术在植物快速繁殖领域的广泛应用,组培苗工厂化生产已经成为一种发展趋势,但组培苗生产工艺仍然以人工为主,生产效率低,不适合工厂规模化生产,因此,研究组培苗自动化生产技术,开发组培苗移植物流机器人,对促进组培产业的发展具有重要意义。论文分析了组培苗人工剪切移植过程,依据现有的组培苗移植机器人,提出了一种由移植中心、固态培养基制备中心、组培苗培养中心及仓储中心组成的自动化生产工艺,并依据该工艺设计了自主导航的物流机器人总体方案;基于总体方案,进行机器人机构设计,完成机器人车体、运动机构与移载机构的设计;提出了基于ARM架构的嵌入式系统控制方案,以STM32F103ZET6微控制器作为机器人的运动与移载控制核心,根据机械设计参数,进行运动单元与移载单元硬件选型与设计,根据机器人工作周期,设计电源系统保障机器人的连续运行;基于机器人控制系统硬件平台,结合机器人运输流程,设计机器人控制系统软件架构,完成无线通讯、站点识别、自主导航、防撞预警及物料移载功能;机器人自主导航功能利用最小二乘法进行导航偏差曲线拟合,通过PID控制算法同时控制机器人运行速度与方向。论文在搭建的组培苗移植物流机器人平台上进行功能测试,测试结果表明论文设计的组培苗移植物流机器人能够完成组培苗自动化生产设备之间物料的运输及移载作业,达到了预期目的。

关键词： 激光雷达   嵌入式系统   Linux   数据质量   故障检测  

摘要： 大气污染对于人类的健康与社会的发展有着不可忽视的影响,因此对于大气气溶胶进行有效监测至关重要。目前全球各地已经广泛采用激光雷达对大气状况进行监测。激光雷达系统结构复杂,且多处于无人值守的野外地区,一旦出现故障,工作人员需要到达现场才能进行故障判断。同时,随着区域激光雷达网的建立,对于组网激光雷达数据的一致性提出了更高的要求。为了快速判断激光雷达数据质量,提高数据的可信度,本文提出了一种基于嵌入式系统的激光雷达故障检测平台,主要的工作如下:(1)使用ARM工业控制开发板搭建了基于Linux操作系统的嵌入式开发系统平台,实现了嵌入式系统的交叉编译以及网络服务搭建,为远程开发提供了基础。(2)提出了基于图形学处理的图像识别方法,对激光雷达舱体天窗洁净度进行自动监测,基于OpenCV通过边缘检测、图像形态学处理以及轮廓检测,计算出天窗污染点数与污染面积,从而自动判断天窗洁净度情况,并完成嵌入式平台的移植。通过实验验证了算法的功能,实现了自动获取天窗洁净度污染情况的功能。(3)为了监测激光器出光能量的稳定性,使用OPA615跨导放大器设计了脉冲激光能量监测的峰值保持电路,并使用信号发生器模拟激光脉冲信号进行实验,实验结果显示了较好的峰值保持性能。(4)为了获得更为准确的激光雷达比,分析了使用太阳光度计获取激光雷达比的方法,统计了 2016年～2018年AERONET北京站点的气溶胶光学特性数据,归纳了气溶胶的变化规律,使用AOD与Angstrom波长指数对气溶胶进行分类,并获取对应的雷达比数值。以2018年3月的一次沙尘污染过程为例,分析了使用激光雷达比经验值与分类后的对应数值反演时的误差。

关键词： 银纳米线   加热膜   温度控制   模糊PID   嵌入式系统  

摘要： 针对目前纯电动汽车节能、轻量化的电气应用需求,本文研究了柔性透明电加热薄膜系统来替代汽车空调的除霜除雾系统,它具备更高的电能利用率,能够有效增加纯电动汽车的续航。本论文将从三个方面对该系统进行设计与实验研究。首先,提高加热膜上银纳米线导电网络的稳定性。通过采集加热膜工作时的电压、电流和温度等信息,建立银纳米线导电网络的简易模型,分析出导电网络崩溃的原因,并据此提出利用银纳米线与氧化锌复合来提升透明导电薄膜的稳定性。由于透明氧化锌的高导热性,它将加热膜表面局部的高温传递到温度相对较低的区域,保护了银纳米线网络不被高温熔断。其次,优化柔性透明电加热薄膜的温度控制算法。鉴于银纳米线网络的稳定性较差,供电时应该尽量减少温度超调量和振荡,而传统PID的控温过程中容易出现这些问题。这种电压不稳定且温度持续变化的情况将使得银纳米线网络崩溃的几率增加,因此本文提出了模糊PID控制算法来调节加热膜的温度。该算法能够实时调整PID控制的三个参数,可以降低控制过程中的超调量和振荡。通过MATLAB对两种控制方法进行的仿真结果表明,模糊PID控制的超调量更小、调节时间更短且稳态误差较小。最后,为柔性透明电加热膜设计嵌入式控制系统。采用ARM Cortex-M3内核的微控制器STM32F103C8T6为主控单元,设计相应的硬件电路和软件系统。该系统具备温度采集、温度显示、温度控制、按键输入和故障检测的功能,通过LCD液晶显示屏实现与用户的人机交互。实验结果表明,通过模糊PID算法进行温度控制的柔性透明加热膜从19.5°C上升到65°C的调节时间约20s,没有出现明显的超调量,稳态误差为±1%。该系统在较大的范围内都能保持良好的控制性能,满足其用于除霜除雾时的温度控制要求。