基于RBF神经网络整定PID的电液比例系统位置控制研究

针对凿岩机械臂的电液比例系统位置控制精度问题,提出了一种基于径向基函数(RBF)神经网络整定PID的电液比例系统位置控制方法。首先,在AMESim中搭建了阀控非对称液压缸的电液比例系统简化模型,设置了各个模块的参数;然后,利用MATLAB/Simulink搭建了系统闭环控制模型,通过不断更新RBF网络模型并修正PID参数,实现了基于RBF神经网络整定PID的电液比例系统位置控制目的;结合AMESim搭建的电液比例系统模型和Simulink下搭建的控制器进行了联合仿真;最后,基于凿岩台车机械臂实验平台,进行了电液比例系统位置控制实验。仿真结果表明:在受到外部干扰的情况下,RBF神经网络整定PID控制系统能够在0.3 s内控制活塞杆重新运行至目标位置,平均响应时间为1.5 s,位置精度误差不超过5 mm。实验结果表明:与常规PID控制方法相比,RBF神经网络整定PID控制活塞杆位置精度误差降低了75%,位置精度误差在工程实际要求的10 mm范围以内,因此,RBF神经网络整定PID算法可以有效提高电液比例系统的位置控制精度,满足凿岩机械臂实际工作中对电液比例系统位置精度的控制要求。

基于PNN神经网络的凿岩台车电液控制系统故障诊断研究

针对凿岩台车电液控制系统故障诊断效率低的问题,该文提出一种结合故障树分析法和概率神经网络(probabilistic neural network,PNN)的故障诊断方法。首先,基于电液控制系统的结构和工作原理构建其故障树模型;然后通过对故障树模型进行定性分析,确定其最小割集和典型故障种类,以选取的典型故障种类的关键参数构建故障征兆矩阵,通过PNN神经网络对该矩阵进行训练和计算,实现对系统典型故障状态的自动识别。实验结果表明,该文方法的平均诊断时间为1.2 s,平均诊断准确率为80%,能够快速准确地定位系统故障,可满足凿岩台车电液控制系统故障诊断的工程实际需求。

凿岩机械臂轨迹规划及电液跟踪控制研究

针对液压凿岩机械臂运动控制的平稳性及跟踪精度问题,提出一种关节空间轨迹规划和电液系统模糊PID跟踪控制方法。首先,基于关节空间五次多项式插值方法对关节的位置、角速度及角加速度进行约束,生成含有时间序列的关节角度变量,通过直接控制关节角度完成轨迹规划。采用智能算法模糊PID对液压缸位移进行跟踪控制,将传感器反馈并计算得到的位移偏差值及其变化率作为模糊控制器的输入,经模糊处理后,把输出的3个参数ΔK_(P)、ΔK_(I)、ΔK_(D)加到PID控制器中以此实现动态调参。在V-REP(Virtual-Robot Experimentation Platform)中建立三维SolidWorks的虚拟样机模型,使用MATLAB软件远程API同步模式控制V-REP验证所提轨迹规划方法对工程实际机械臂的有效性。同时,通过模糊工具箱设计模糊控制器并运用Simulink模块对电液跟踪控制系统进行仿真。V-REP及Simulink仿真结果表明:五次多项式轨迹规划可避免机械臂运动过程中速度及加速度的突变,V-REP中机械臂模型运行平稳;模糊PID能有效提高电液系统的跟踪控制精度,系统响应快速,上升时间不到2 s,最大跟踪误差不超过3.3 mm,该结果可满足凿岩机械臂实际施工作业时规定的误差要求。

基于末端姿态约束的液压凿岩机械臂运动控制研究

为了使凿岩机械臂末端能够保持期望初始姿态且平稳、准确地移动至目标位置,提出一种基于末端姿态约束的液压凿岩机械臂运动控制方法。首先,基于雅可比矩阵建立机械臂末端广义速度与关节速度关系;然后,分析驱动油缸结构并采用全微分方法建立机械臂关节速度与油缸伸缩速度的函数关系,从而基于末端姿态不变的约束,建立机械臂末端广义速度与油缸伸缩速度的对应关系;最终通过控制器给定相应电信号直接控制各油缸伸缩速度完成对姿态约束下凿岩机械臂末端广义速度的控制。使用MATLAB和V-REP(Virtual Robot Experimentation Platform)软件分别对凿岩机械臂末端速度与关节速度关系以及三角油缸和梁摆动油缸伸缩量与关节角度对应关系进行验证,确保计算过程的正确性。通过现场实验得出数据表明:在末端姿态约束下控制凿岩机械臂保持某一期望初始姿态运动不同时间到达不同位置,凿岩机械臂末端最大姿态角偏差为0.42°,末端位置相对误差不超过0.41%,凿岩机械臂运动平稳,说明该运动控制方法可以在保证平稳运行前提下实现凿岩机械臂末端定位,从而满足工程实际需求。

基于STM32的高精度0～24mA恒流源的设计

为了满足测量领域对高质量恒流源的迫切需求,提出了一种基于STM32的便携式高精度0～24 m A恒流源的设计方案。由STM32微处理器控制高精度AD5062,实现V-I转换电路输入电压的精确调节,进而得到0～24 m A的输出电流。V-I转换电路由高性能的运算放大器、精密的金属电阻等构成,其线性反馈调节电路使得输出电流更加稳定。实验结果表明,设计的恒流源最大标准差低于0.5μA,具有较高的精度。

一种LVDS接口的液晶显示驱动设计

为了解决目前嵌入式液晶显示技术中存在的显示驱动支持分辨率低、数据更新慢及控制灵活性差等问题,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的LVDS接口的液晶显示驱动。对数据缓存技术中数据读写控制等关键问题进行了分析,研究了对液晶显示驱动时序和低电压差分信号(LVDS)传输时序。基于FPGA构建缓存控制模块和显示控制模块,实现数据快速更新及LVDS接口液晶显示屏的显示。通过QuartusⅡ软件,对缓存控制模块控制时序进行了采样分析验证。验证结果表明:第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器(DDR2 SDRAM)在166 MHz下工作,LVDS接口液晶显示屏分辨率为1 024 pixel×768 pixel,位宽为16 bit时,数据更新率达82 MHz,且控制灵活,能够满足目前对液晶显示驱动的需求。

一种全相位FFT法的高精度相位测量仪设计

针对传统相位测量仪结构复杂、精度低的缺点,提出了一种全相位快速傅里叶变换(FFT)法的高精度相位测量仪设计方案。该方案以高性能Cortex-M4内核的STM32F407VGT6作为系统核心,利用高速同步AD7606获取相位信号,采用高精度的全相位FFT法进行相位计算,并通过以太网接口实现数据的远程传输和显示。实验结果表明:采样点数取1 024,测相位为0°~360°,测频为1 Hz^60 kHz时,实际测量误差小于0.003°,响应时间小于1.0 s。

一种FIR滤波参数可调的电压采集模块设计

为了有效滤除电压采集信号中的高频噪声,提出了一种有限长单位冲激响应(FIR)滤波参数可调的电压采集模块设计方案。基于高级精简指令集微处理器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)的硬件平台,采用FIR数字滤波器滤除采集信号中的高频噪声。ARM根据采样频率、截止频率等滤波参数自动生成滤波器系数。FPGA采用改进后的直接型滤波器,根据滤波参数调整滤波器结构,完成滤波系数与采集数据的运算。ARM与FPGA协同工作实现参数可调的FIR滤波器。实验结果表明:本文电压采集模块电压具有较高的采集精度,采集相对误差绝对值最大为0.22%。本模块能够根据设置的滤波参数,自动完成FIR滤波系数计算和滤波器结构调整,在信号采集的同时完成数据滤波,有效滤除信号中的高频噪声。

一种ARM+FPGA的液晶触摸屏控制器的设计

针对目前液晶触摸屏控制技术存在帧率有限、处理器负担重以及可移植性差等问题,提出了一种基于微处理器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)的液晶触摸屏控制器的设计方案。该控制器采用ARM实现对液晶触摸屏的输入输出控制,基于FPGA构建同步动态随机存储器(SDRAM)控制器和液晶显示模块,实现系统的硬件加速功能及不同分辨率液晶显示屏的实时显示。实验结果表明:该控制器的数据传输率能达到31MB/s,可适应多种分辨率的液晶屏,同时能完成触摸操作。

基于TEGRA K1的实时信号处理示波器的设计

针对传统示波器不能满足信号实时处理的问题,提出一种基于TEGRA K1的实时信号处理示波器。通过FPGA控制模拟通道和数据采集模块,完成对输入信号的采集和传输;采用TEGRA K1作为系统数据处理和计算的核心,基于CUDA架构实现数据的并行处理,从而降低了算法复杂度,缩短了算法的执行时间,实现信号的实时处理。实验结果表明示波器的性能稳定,各项指标均达到设计要求。

基于数字滤波的圆锥滚子倒装识别算法

为避免圆锥滚子倒装缺陷,提出了一种基于数字滤波的圆锥滚子倒装识别算法。首先,通过图像预处理提取圆锥滚子所在环带区域的信息,并根据轴承本身的固有特性及所采集环带区域中滚子的像素统计信号,对圆锥滚子自身结构、倒装缺陷及其他干扰在像素统计信号中的频响特性进行分析;然后,采用FIR数字低通滤波滤除像素统计信号中滚子自身结构所对应的高频信号,对像素统计信号进行FFT,滤除信号中的低频干扰信息;最后,由IFFT得到仅包含倒装缺陷的信号,基于此信号数据实现缺陷位置的准确识别定位。试验表明:该算法能够消除检测因素的干扰,实现滚子倒装缺陷的准确定位。

一种ARM+FPGA的可裁剪以太网串口服务器设计

针对目前以太网串口服务器串口数量固定而无法实时增减的问题,提出一种基于高级精简指令集处理器(ARM)和现场可编程门阵列(FPGA)的以太网串口服务器设计方案。该以太网串口服务器采用ARM+FPGA构架,以ARM+LAN8720芯片为以太网硬件平台,在μC/OS-Ⅱ操作系统上实现以太网通信。以FPGA+接口芯片作为串口硬件平台,基于FPGA构建串口单元模块实现串口通信。通过操作系统的多任务管理、可变静态存储控制器(FSMC)的映射寄存器地址操作及FPGA的多串口管理等功能的设计,实现多串口的增减操作。通过对串口增减操作过程中动态资源分配算法的研究,求出本系统能实现的最大串口数量。实验结果表明:该以太网串口服务器能够实现多串口通信,串口数量可增减,且波特率可独立设置,最大波特率可达115 200 bit/s,最大串口数为35。

一种CPLD+ARM齿轮流量计变送器的设计

为了有效地消除齿轮流量计的原始脉冲信号误差,提高其测量精度,设计了一种基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)和高级精简指令集处理器(ARM)的齿轮流量计变送器。通过CPLD获取流量计脉冲信号的相位差,确定流体方向;采用状态比较法设计软件,进行滤波整形,消除脉冲信号的原始误差,并输出方向电平与计数脉冲信号。以ARM为处理核心采集计数脉冲的个数和方向电平信号,将流量信号转换成标准信号并输出。实验结果表明:利用光耦和CPLD滤波能够有效减小流量计输出信号中的误差,减小后的误差在0.1%以内,适应不同黏度的液体。

基于ARM+FPGA的远程显示终端设计

为了有效解决嵌入式显示终端实时性和高分辨率的问题,提出了一种基于ARM+FPGA的远程显示终端设计;本设计采用RS485总线实现远程通信,由ARM获取图像数据,FPGA控制数据存储和VGA显示;为了有效解决图像数据刷新与显示的同步,提高系统实时性,提出了一种多主机交替访问SRAM的分时复用技术;基于FPGA构建了VGA控制器,实现了远程终端的高分辨率显示;在通信距离1km、SRAM容量512kx 16Bits的条件下,实现了图像数据刷新速度为40 MHz、分辨率为800*600(60Hz)的VGA显示,图像无抖动、无花屏、稳定清晰、效果良好,很好地满足了嵌入式远程显示终端对实时性和高分辨率的需求。

一种高精度无源电阻发生器

针对一般无源电阻发生器存在精度低、稳定性差等问题,提出了一种基于分支定界的高精度无源电阻发生器。模拟各影响因素耦合作用下的实际输出电阻值,确定实际输出值与电阻组合的定量关系,建立电阻输出模拟方程。将模拟方程的求解转化为0-1整数规划问题,并采用分支定界法获得输出值最接近设定电阻值的最优电阻组合,从而有效地减小硬件因素对电阻输出精度的影响。试验结果表明:1.0Ω~1 kΩ分辨力为0.1Ω,1~20 kΩ分辨力为1Ω,系统输出响应时间优于500 ms。本电阻发生器能够满足仪表调校场合对无源电阻器的输出精度要求。

具有双重结构的多通道任意波形发生器设计

直接数字合成(direct digital synthesizer,DDS)技术在输出高频信号时容易造成信号失真且杂散较大,限制其应用领域。通过对DDS信号杂散的分析,提出一种具有双重结构的多通道任意波形发生器设计方案,在DDS波形发生器的基础上增加数据顺序输出模块以弥补DDS信号的不足。采用FPGA构建DDS频率合成器,间隔输出波形数据,实现DDS信号输出;利用DDS频率合成技术产生数据顺序输出模块的数据输出时钟,通过改变数据输出时钟控制信号输出频率,最终达到信号输出且频率可调。实验表明:输出频率达到2 MHz时DDS已经出现明显失真,而顺序输出模块则可以很好地还原实际波形,但DDS具有明显的频率调节优势,两者相互补充,具有较好的应用价值。

基于BFS的高精度无源电阻发生器研究

针对一般无源电阻发生器精度低、稳定性差等缺点,提出一种基于广度优先搜索算法的高精度无源电阻发生器。首先,分析影响无源电阻器输出精度的硬件影响因素,模拟各误差叠加作用下的实际输出电阻值,建立电阻组合与其实际输出值的定量关系方程,并通过系统校准确定方程初始参数;然后,采用广度优先搜索算法求解方程,获得输出值最接近设定电阻值的最优电阻组合,实现高精度无源电阻输出。实验结果表明:此方法在实现1.0Ω~20 kΩ的输出范围、0.1Ω(1 kΩ以内)分辨力的技术指标下,电阻器输出相对误差<2.4%,系统响应时间优于500ms,能够满足仪表调校场合对无源电阻器的输出精度要求,且系统具有一定的稳定性。

一种U盘单向高速读取系统设计

为了防止计算机数据被U盘反向窃取,造成信息泄露,提出了一种基于光纤的U盘单向高速读取系统,可以实现数据的高速单向准确传输。基于Linux系统平台,采用管道技术,实现NAND FLASH接口对打包文件的数据传输。以光纤作为数据传输手段,基于FPGA设计数据编码和解码模块,通过研究曼彻斯特编码与同步传输的特性,设计了一种具有时钟线的数据编码传输方式,实现高速准确传输。采用高速USB与上位机进行通信,并利用SDRAM设计FIFO缓存方案,克服USB数据传输中的干扰。实验结果表明:FAT32、exFAT、NTFS 3种文件系统的U盘传输速度均在15 MB/s以上,文件传输的正确率可达到100%,满足U盘单向读取系统的需求。

一种嵌入式智能视觉系统的设计

针对目前嵌入式视觉系统的图像识别算法复杂、鲁棒性差等问题,提出了一种嵌入式智能视觉系统。该系统以进阶精简指令集机器Cortex-A53为核心搭建硬件平台,并搭载Linux嵌入式操作系统。基于V4L2接口设计图像采集程序,完成图像的采集及存储。通过移植学习框架,采用Inception-V3神经网络模型实现图像的智能化识别。实验结果表明:该系统具有良好的采集效果,对不同物体和同一物体在不同姿态下的识别准确度均可达100%,满足智能视觉系统的设计要求。

一种凿岩机器人机械臂位姿数据采集方案设计

针对传统凿岩机器人机械臂位姿数据采集方案存在采集精度不高、抗干扰能力差等问题,提出了一种凿岩机器人机械臂位姿数据采集方案。采用绝对值编码器对机械臂位姿变化数据进行采集,并基于同步串行接口(SSI)差分输入、串行输出的设计方式完成编码器数据传输。选用复杂可编程逻辑器件(CPLD)作为控制器,微处理器(ARM)STM32F412作为系统处理核心,通过控制器局域网络(CAN)接口完成数据输出。实验结果表明:本方案具有良好的采集效果,机械臂末端位置信息在X方向、Y方向和Z方向上的最大误差为9.60 cm,最小误差为0.09 cm,满足隧道施工中偏差不得超过±10 cm的技术要求。该方案保证了采集系统的采集精度,提高了数据传输过程中的抗干扰能力。