基于FPGA高速视频图像实时采集与处理系统设计

针对高速视频图像实时采集与处理系统处理数据量大与系统实时性之间的矛盾,设计了一种基于高性能FPGA的高带宽处理系统。采用Cyclone IV GX系列芯片为核心处理器,4片DDR2构造64 bit总线。完成了高速系统硬件电路设计,系统主要由视频图像传感器、FPGA、DDR2、VGA控制器件等组成。实现了高速视频图像数据的实时采集、缓存、处理、显示等一系列过程。实验表明,利用此系统进行高速视频图像的实时采集、处理与显示时动态画面流畅、实时性好。

QDRTD单光子探测技术

量子信息技术的发展对单光子探测器提出了更高的性能要求,新型的量子点单光子探测器展现出了很好的性能和发展潜力。研究了一种基于量子点共振隧道二极管(QDRTD)的单光子探测器,介绍了QDRTD的基本结构和原理,重点对其内部电子传输特性和I-V特性进行了分析,并进行了结构优化,可满足单光子探测中多种波长选择的需求,为QDRTD多波长单光子探测的光子响应特性、探测效能等研究奠定了基础。同时,分析结果表明:QDRTD单光子探测器在光子响应、暗电流、波长选择等多个方面都具备很好的特性,具有广阔的应用前景。

基于数字式MEMS声传感器阵列的声源定位系统设计

在研究声源定位算法模型的基础上,搭建了声源实时定位系统。采用空间锥形六元阵并结合数字式MEMS声传感器构建定位阵列。以DSP作为系统算法实现平台,完成数据采集模块和数据处理模块设计,分析了IIS音频数据传输的实现,包括数据传输通道的建立和DMA工作方式。通过测试,验证了系统核心模块的性能达到预期效果,具有较好的实用性。

基于稳瞄稳向系统的在轨标定新方法

针对运载体运行过程中稳瞄稳向系统IMU主要参数的标定问题,提出了速度加姿态匹配的在轨标定方案,建立了在轨标定的状态空间模型。通过研究运载体不同动态条件下各状态可观测度值,确立了在轨标定过程的动态规划方案。采用速度加姿态匹配方法,以主惯导信息为基准,进行了在轨标定实验。实验结果表明,速度加姿态匹配在轨标定方法可对稳瞄稳向系统惯性测量组件主要参数进行有效标定,且标定精度最高可达到真值的90%。

碳纳米管薄膜气流热电发电机性能测试分析

基于碳纳米管薄膜的热电特性,设计了一种新型的薄膜式气流热电发电机。当热气流在碳纳米管薄膜材料表面流动时,在薄膜平面内形成温度梯度,通过塞贝克效应将热能直接转换为电能。利用浮动催化化学气相沉积法制备了导电性较好的透明碳纳米管薄膜,建立了气流热电发电机实验模型,对其输出电压进行了测试。实验表明:与传统的固定热源热电发电机相比,该气流热电发电机的输出电压较高。提出了集流体动力、流固耦合换热、热电效应于一体的多物理场耦合发电机制,对该实验结果进行了解释。碳纳米管薄膜气流热电发电机容易集成加工,可解决微光机电系统的电源问题,具有广阔的应用前景和实用价值。

基于CAN总线的智能车伺服控制系统

在现代战争条件下,智能车在危险条件下代替人工进行自主作业,能够极大地减小人员伤亡风险。设计了一种基于CAN总线的智能车电机伺服控制系统,介绍了CAN总线技术的原理和功能模块,分析了DSP电机控制模块。给出了软件设计方法,实现了上位机对电机动作的实时精确控制。远程操作人员可通过GUI界面实时掌握电机运转情况,实现智能车运动状态的全方位监控。系统在某智能车上运行良好,电机在复杂环境下能够正常动作,具有较高的实用价值。

碳纳米管薄膜热电发电机设计及耦合分析

为解决微小型器件电源体积大、质量重、集成难等问题,利用碳纳米管薄膜材料的热电特性,设计了一种新型的薄膜式热电发电机,可将热气流直接转化为电能。建立了薄膜热电发电机物理模型,研究了热电发电理论和控制方程,对碳纳米管薄膜热电发电单元进行有限元仿真,分析了输出电压和输出功率的变化规律。提出了减小内阻的方法,为改进碳纳米管薄膜热电发电实验模型提供理论依据。利用浮动催化化学气相沉积法制备了导电性较好的透明碳纳米管薄膜,其热电特性与仿真结果一致。碳纳米管薄膜柔韧性较好,将多个发电单元串联连接,构建圆柱体、截顶圆锥体等多种薄膜式热电发电机结构,易与微光机电系统集成,具有广阔的应用前景和实用价值。

稳瞄稳向系统FOG随机信号处理方法研究

为辨识稳瞄稳向系统中光纤陀螺(fiber optical gyro,FOG)主要噪声,研究基于Allan方差的FOG随机信号处理方法;在静态条件下,对稳瞄稳向系统三轴FOG输出信号进行数据采集,并进行Allan方差分析,通过最小二乘拟合,分别计算FOG 5个随机误差系数;经分析得出稳瞄稳向系统FOG输出信号主要噪声为速率随机游走与速率斜坡噪声。该研究可为简化稳瞄稳向系统误差模型,实现FOG噪声信号重点滤除,提高系统性能提供理论参考与依据。

基于声传感器阵列的机器人语音定向技术研究

将声源定向技术应用于机器人平台,使其对语音信号具有感知定向能力。对语音定向技术的3个阶段进行仿真,首先进行语音端点检测,然后解算2只声传感器间的时间延迟,最后结合声传感器阵列的空间几何结构分析定向误差。仿真结果表明:算法简单有效,能有效减少系统计算量,具备一定抗噪声和混响能力,满足系统定向精度的要求,对工程实现有一定指导意义。

稳瞄稳向系统可视化仿真平台研究

以防空作战条件下稳瞄稳向系统的研究需求为背景,为实现作战过程的三维一体化仿真,设计基于MFC框架的Open GL可视化仿真平台实现方案;建立稳瞄稳向系统可视化仿真平台所需的3D模型;通过模型格式转换与加载、模型位姿控制数据的读取,模拟防空作战条件下4个阶段的稳瞄稳向过程。通过与实测数据的连接表明:该可视化仿真平台可作为稳瞄稳向系统性能的验证平台,对系统性能进行直观的评判,具有一定的参考价值。

基于ZigBee的特种装备贮运状态监测系统设计

设计了一种基于ZigBee技术的实时贮运状态监测系统;系统通过MEMS传感器实现特种装备贮运状态的采集,采用CC2530模块实现数据的无线传输,以ARM微处理器STM32F407为核心实现数据的实时存储、分析与显示,并应用数字滤波算法对数据进行滤波处理,提高了检测数据的精确度;系统测试结果表明该系统对于节点信息的采集和无线传输具有较高的可靠性和稳定性,具有推广应用价值。

基于北斗/iNEMO的航姿测量系统设计

基于北斗接收机和i NEMO惯性传感器模块,设计了一种可用于载体运动姿态方位解算的传感信息采集微系统。针对两个导航单元存在输出数据格式、速率和接口完全不同的问题,采用双CPU+FPGA+Flash的硬件架构,并由两个处理器协同工作完成了多路大容量导航参数的实时采集、处理和存储。同步计数器将北斗输出的1PPS脉冲作为清零信号,同时考虑到i NEMO没有固定的时间参考系,在i NEMO数据中加入北斗时标信息,由硬件逻辑电路实现了子单元数据在整秒时刻的同步。试验验证了北斗1PPS秒脉冲信号的同步偏差不会影响后续滤波的精度,且该模块能稳定地输出带时间标记的三轴加速度、陀螺传感器和磁传感器数据。通过解算可得到载体位置、速度、姿态等信息。该系统体积小、功耗低、鲁棒性好,设备可重复使用,不仅能够满足单一飞航装备测试的要求,还可以结合多传感器信息融合技术,进一步提高多目标导航定位的时空精度。

基于磁致旋光效应的光电装备隐身技术

针对目前激光主动探测技术对军队光电装备造成的探测威胁,在不改变光电装备光学结构以及有限牺牲光电装备光学性能的前提下,实现其猫眼光学窗口的"隐身"。首先,基于磁致旋光晶体的法拉第效应,设计了加载于光电装备光学窗口前端的隐身装置。然后通过数值仿真和实验方法,从磁光晶体的性能、隐身装置消光比、隐身装置对像质的影响三个方面对该设计的可行性进行了分析。仿真及其实验结果表明:当磁光晶体能实现良好的消光效果,且加装隐身装置的光学窗口对像质影响很小。基于磁致旋光效应的隐身设计能够满足战场环境对军用装备的性能要求,且其消光比和对像质的影响程度能使光电装备在不影响正常工作的前提下有效实现隐身。

基于MIMU和磁强计的在线实时定姿方法

针对航姿参考系统(AHRS)小型化、低成本工程实现的需要,基于微惯性测量单元(MIMU)及磁强计,提出了一种在线实时定姿方法,给出了详细的算法推导过程。该方法采用四元数法描述系统模型,采用优化的梯度下降算法对加速度计和磁强计测得的数据进行处理,并通过互补滤波器与陀螺仪测得的结果融合,提高姿态解算精度。通过在线测试对算法的静态及动态性能进行了评估,并与Kalman滤波算法进行了比较。结果表明该方法实现简单、参数调整方便、姿态跟踪误差小、运算量小、便于在嵌入式微处理器中实现在线实时定姿,具有较强的实用性。

多尺度变步长最小均方自适应算法在光纤陀螺数据处理中的应用

为有效抑制光纤陀螺(FOG)随机噪声,提出将一种多尺度变步长最小均方(MVSLMS)自适应算法应用于FOG数据处理中。根据FOG输出数据的特点,构建了MVSLMS自适应滤波器,提出了FOG信号滤波算法的实现步骤。对FOG实测静态数据、振动数据和速率测试数据进行了滤波实验,结果表明所提算法对FOG随机噪声的抑制效果明显,相比LMS滤波,MVSLMS自适应滤波后的静态数据零偏稳定性数值减小了72.0%,振动数据在振前、振中、振后零偏稳定性数值分别减小91.5%,77.4%和96.5%,速率测试数据标准差减小了54.4%。摇摆测试滤波实验结果表明所用算法对FOG真值信号具有较好的跟踪能力。

一种基于DAVAR的FOG随机信号处理新方法

为定量描述光纤陀螺(FOG)测试信号中各误差分量的动态变化过程,分析了多个随机信号处理方法的优缺点,指出了常用Allan方差分析不能辨识FOG信号非平稳性因素的不足,提出采用动态Allan方差(DAVAR)对FOG信号动态特性进行分析,采用二维表示法定量描述FOG各主要噪声项变化过程。实验结果表明,DAVAR能够反映FOG数据的非平稳特性;利用二维表示的方法,可准确地反映动态误差中各噪声项的变化特征。新的方法可作为FOG信号非平稳性分析的一种定量评价工具,为研究各干扰因素对FOG组成系统精度的影响提供理论参考和评价依据。

一种基于速度加姿态匹配传递对准的稳瞄稳向方法

针对战车稳瞄稳向系统中单一惯性测量组合(IMU)组建的姿态测量系统初始对准时间较长,测量精度随惯性器件漂移影响较大的问题,提出了基于速度加姿态匹配传递对准的稳瞄稳向方法。仿真结果表明,提出的新方法可在10s内实现光电设备IMU的初始对准,并且能准确估计出光电设备IMU计算平台失准角。将结果用于解算姿态角的补偿,可大大提高稳瞄稳向精度。

MIMU和磁强计组合在线定姿算法研究

为了满足航姿参考系统(AHRS)小型化、低成本工程实现的需要,基于微惯性测量单元(MIMU)和微磁强计,提出了一种在线实时定姿方法。该方法首先采用四元数法描述系统模型,接着利用优化的梯度下降算法对加速度计和磁强计测得的数据进行处理,然后采用快速小波变换阈值去噪方法对陀螺仪输出信号进行预处理,最后通过互补滤波器将以上得到的结果进行融合,提高了姿态解算精度。在线测试和Kalman滤波表明,在线定姿法实现简单、参数调整方便、姿态跟踪误差小,便于在嵌入式微处理器中实现,具有较强的实用性。

基于Cortex-M3的Ethernet-CAN总线转换器

设计了一种Ethernet-CAN总线转换器。该转换器采用Cortex-M3微处理器作为主处理器,可实现2种网络之间的数据交换,进而实现CAN总线接入因特网的目的。设计了硬件电路,移植了uIP小型TCP/IP协议栈,介绍了软件控制流程,在VC++环境下开发了相应的通信测试软件。测试结果表明:该转换器能有效地收发数据,同时具有连接简单、系统可靠及易于实现等优点。

低阶线性Kalman滤波实时定姿算法的设计与实现

从Kalman滤波定姿算法的实时实现出发,设计一种降维Kalman滤波器。推导了加速度计、磁强计组合全方位姿态角的解算公式。基于四元数微分方程,采用四阶龙格-库塔法对陀螺仪输出的角速率数据进行处理,建立了递推关系式,并以姿态四元数作为系统的状态矢量,构成四维Kalman滤波器。在DM3730 Cortex-A8处理器平台上对算法进行实现和实验验证。实验结果表明,经过降维处理后的算法,显著降低算法的实现复杂度和计算量,滤波效果及实时性能均达到预期的目标,具有较强的实用性。