挂板式光伏清洁机器人结构设计及控制系统研究
这是一篇关于光伏清洁机器人,硬件系统,软件系统,运动控制,线性二次型调节器的论文, 主要内容为随着全球对环境保护和可持续发展的认识不断加深,可再生能源的需求不断增加,光伏发电由于其具有的高效、可靠、安全、环保等特点,已成为最受欢迎的清洁能源之一。然而,灰尘、污垢等污染物的积累会降低光伏板的发电效率和使用寿命,影响光伏发电的稳定性和可靠性。因此,定期对光伏板进行清洁具有十分重要的意义。使用机器人进行光伏板清洁是一种高效且稳定的清洁方式,它可以降低清洁成本,减少人工干预。目前,已有多个机构研发出光伏清洁机器人,但这些机器人仍然存在一些问题,例如环境适应能力差、清洁效率低、清洁质量差以及无法实现完全自动化清洁等。基于对当前光伏清洁机器人问题的分析,本文设计了一款挂板式光伏清洁机器人,并对其机械结构设计、系统建模、控制策略设计以及机电系统设计进行了研究。本文的主要研究内容和成果如下:(1)根据光伏清洁机器人的结构功能需求,设计了挂板式光伏清洁机器人的机械结构。首先,通过对光伏板上的污渍类型进行分析,比较各种清洁方案的优缺点,并设计了一种由电机驱动螺旋滚刷的清洁结构。其次,考虑了不同的移动方式,并结合实际工作情况,设计了一套简化的履带结构作为机器人的移动方案。对挂板式光伏清洁机器人的悬挂装置进行设计,在悬挂轮上增加了弹簧结构,抑制偏摆并增大机器人能承受的极限偏摆角范围。最后,对机器人的整体机械结构进行了设计,在UG NX12.0软件中建立了机器人三维模型,搭建实验样机。(2)根据所设计的机器人结构,对挂板式光伏清洁机器人运行过程中可能出现的偏摆问题的原因进行分析,并对机器人的运动控制方案进行研究。对挂板式光伏清洁机器人的运动分析,给出了机器人平移与旋转运动的完整描述,研究了机器人与光伏板间的力和运动关系,建立了挂板式光伏清洁机器人动力学模型。基于所建立的运动学模型,提出了一种基于线性二次型调节器(LQR)的机器人控制方案。最后在MATLAB simulink模块中对机器人动力学模型和控制器进行了仿真研究。仿真结果表明,所提出的控制方案可以有效的纠正机器人的偏摆问题。(3)为了满足挂板式光伏板清洁机器人的控制要求,对机器人的硬件系统与软件系统进行了设计。本文选择以STM32F103C8T6为主控芯片的系统板作为主控模块,负责完成数据采集、角度融合任务、控制滚刷电机和人机交互等任务;采用Odrive开源方案的FOC电机驱动器驱动机器人行走电机,该驱动器具有控制精度高、转矩波动小、效率高、动态响应快等优点,能实现对机器人运动的精确控制。为了实时获取机器人的偏摆角度,采用MPU6050六轴加速度陀螺仪传感器来检测机器人的位姿。同时,通过HC-SR04超声波传感器来检测机器人位移距离,感知光伏板的边缘,避免机器人从光伏板上掉落。最后,对所编写的软件系统进行说明,其中包括MPU6050数据获取与角度滤波融合算法、超声波模块的功能实现、滚刷电机驱动程序和行走电机控制程序。(4)对所设计的挂板式光伏清洁机器人进行实验测试,首先对机器人进行了防偏摆和直行运动实验,测试结果表明机器人能够稳定地行走在光伏板上,当机器人受到干扰时,能够及时纠正偏摆问题,避免卡死现象的发生。其次,对机器人的直行运动能力进行了测试,验证了机器人在直行时也能够保持稳定运行。最后对机器人的清洁能力进行了分析,测试结果表明机器人具有较好的清洁效率和精度,满足光伏板的清洁需求。
基于索引调制OFDM的可见光通信系统设计与研究
这是一篇关于可见光通信,现场可编程门阵列,硬件系统,LED＿to＿LED,索引调制非对称限幅光OFDM的论文, 主要内容为可见光通信(Visible Light Communication,VLC)作为无线频谱资源的扩展和补充技术,以其带宽不受限、信息容量大、绿色安全,无电磁干扰等优势,获得了广大学者的关注和肯定。随着VLC技术的发展,研究者逐渐将目标转向高速可见光通信技术方案的研究。对于已有光正交频分复用(Optical orthogonal frequency division multiplexing,O-OFDM)技术存在的高峰均比(Peak-to-average power ratio,PAPR)以及低能量效率(Energy efficiency,EE)的问题,在光正交频分复用的基础上引入索引调制(Index modulation,IM)技术,利用光OFDM技术优点与IM技术特点相结合,实现了EE、PAPR和传输速率等方面的有效平衡,提高了光OFDM系统性能。目前对于O-OFDM-IM技术在理论方面已有较为深入的研究,但在硬件实现和数字调制电路设计方面的研究相对较少,且目前可见光通信系统的上行链路设计依旧是一个难题。因此本文根据O-OFDM-IM技术理论研究,基于现场可编程门阵列(FPGA),设计研究了索引调制OFDM可见光通信系统的数字调制、解调电路,并利用LED的电光和光电特性,设计完成了基于RGB-LED收发的可见光通信系统。具体研究内容如下:(1)采用LED作为可见光通信系统的收发器,设计实现了系统收发端电路。系统发射端包括压控恒流电路、LED恒流驱动电路、Bridge-T均衡电路。接收端包括前置放大电路,高通和低通滤波器电路,信号主放大电路。依据电路设计方案完成电路原理图的绘制以及电路PCB的绘制,最终完成硬件系统的制作,并通过了对各模块的电路级联测试。(2)设计实现了基于索引调制OFDM的可见光通信系统的数字电路,设计基于FPGA开发板,采用Verilog语言设计编写系统调制与解调模块程序。调制部分包括串并转换模块、子载波索引模块、16QAM映射、Hermitian对称模块、IFFT和限幅模块。解调部分为对应的调制子模块的逆向过程,并根据O-OFDM-IM系统特性设计实现了符号同步模块,最后利用Model Sim仿真软件对设计的各模块程序进行逻辑功能验证。最后,本文对基于LED＿to＿LED收发的可见光通信系统进行了测试分析,实验在四种传输模式和不同的传输距离下对误码率进行了检测和对比分析。并验证了LED作为接收器的响应度与发射信号光的波长有关,即接收端LED无法对其波长更长的光波信号产生响应。
火力发电厂热工DCS系统的设计与实现
这是一篇关于DCS,火力发电厂,OC6000e系统,硬件系统,软件组态的论文, 主要内容为目前,我国火力发电厂的控制系统均采用集散式控制系统—DCS系统,它具有非常多的优点,可以对火力发电厂进行集中监控,也为火力发电厂的安全生产和经济效益也带来了非常积极的影响。因此,对于火力发电厂来说DCS系统的设计是至关重要的。本论文主要以实际的某火力发电厂为主要研究对象,然后进行该火力发电厂热工DCS系统的设计与实现,其设计内容包括了硬件系统和软件组态的设计。整个设计的目的就是为了使运行人员能够有效地控制机组和各设备的运行,以及有效的对其运行状态进行监测。论文首先学习了OC6000e DCS控制系统的基本功能和主要技术;在掌握该系统的基本原理和功能之后,开始进行其主要设计内容,首先对硬件系统进行设计,其中包括I/O点数量的统计、硬件配置的统计和设计、系统接地的设计、控制器分配的设计以及IP地址的设计;然后进行系统组态的总体设计,在总体设计过程中是将整个热工DCS系统按功能性分为了数据采集系统、模拟量控制系统、顺序控制系统、锅炉炉膛安全监控系统、数字电液调节系统五个部分进行设计。数据采集系统的总体设计内容为现场数据采集信号的处理和上位机画面显示部分;模拟量控制系统的总体设计内容为协调控制系统、汽包水位调节系统等;顺序控制系统的总体设计内容为锅炉顺序控制系统和汽机顺序控制系统;锅炉炉膛安全监控系统的总体设计内容为主燃料跳闸(MFT)、炉膛吹扫、点火系统角程控等;数字电液调节系统的总体设计内容为挂闸及打闸、运行方式的选择等。之后论文对其中典型子系统的软件组态进行了详细设计,并用OC6000e系统对以上硬件系统与软件组态进行实现,其实现内容主要包括协调控制系统、汽包水位调节系统、凝结水系统、点火系统角程控以及炉膛吹扫系统。本次火力发电厂热工DCS系统的设计与实现能够保证该火力发电厂的生产需求,使该火力发电厂安全、稳定的运行。提升了该电厂的生产效率,也使该火电厂的所有控制系统的性能更加稳定。
超声调制多频电阻抗层析成像系统设计
这是一篇关于电阻抗层析成像,超声调制,声电效应,硬件系统,模块化程序,任意波形发生的论文, 主要内容为电阻抗层析成像(Electrical Impedance Tomography,EIT)技术具有非侵入、无辐射与低成本等优势,但其逆问题求解的欠定性使得电阻抗成像的空间分辨率较低。针对这一问题,课题采用一种基于声电效应原理的新型耦合物理成像方法,超声调制电阻抗层析成像(Ultrasound Modulated Electrical Impedance Tomography,UMEIT)技术,其通过聚焦超声作用在被测介质上产生的电导率变化为电阻抗层析成像增加更多的有效信息,有望提高成像的空间分辨率。论文开发设计了超声调制多频电阻抗层析成像硬件系统,并进行了系统性能测试以及超声调制被测场的模型实验验证,具体工作包括:(1)开发设计了基于FPGA的超声调制多频电阻抗测量硬件系统,主要包括:FPGA及其配置电路、电学激励、超声激励、通道切换、参考标定、信号采集与处理、数据通信及电源管理模块。其中电学激励模块可以实现频率可调、幅值可调的单频或多频电流输出,且具有高输出阻抗与宽频带;超声激励模块可以实现任意波形高压超声发生以及双极性高压脉冲发生,激励信号峰峰值可达±100V,并对聚焦超声换能器进行阻抗匹配使转换效率最大化。(2)在超声调制多频电阻抗层析成像系统的模块化程序设计中,基于FPGA主要完成:时钟管理、多频DDS与任意波形合成、数字解调、AD/DA接口程序、USB通讯及Pico Blaze逻辑控制模块等设计,并进行仿真与调试。(3)在完成超声调制多频电阻抗层析成像系统设计的基础上,开展了系统的性能测试实验,主要包括:电流源、通道一致性与重复性、信噪比、超声激励、超声与电学激励时序匹配、换能器阻抗匹配等性能测试;并通过了超声调制被测场的模型实验验证。
比特深度增强硬件系统设计与实现及PSD应用
这是一篇关于比特深度增强,FPGA,硬件系统,预失真的论文, 主要内容为随着通信技术与图像显示技术的发展,图像开始逐渐成为当今的主流信息载体,这在给人们生活带来便利的同时,也给图像存储与传输所需要的资源与设备带来了挑战。通常会将采集到的高比特图像量化为低比特图像,来降低图像传输的成本,但也会带来不可恢复的信息损失,直接将这类图像在高比特显示器上输出时,会出现颜色失真与伪轮廓等问题。为了解决这一问题,提高比特深度增强算法重建的图像质量以及将算法应用于更加便携、小体积的硬件设备成为一个研究的重点。本文设计了以FPGA为主控芯片的硬件开发平台,并设计与实现了可编辑逻辑程序完成了整个图像处理流程,具体工作如下:第一,本文首先对比特深度增强算法的研究背景以及国内外的研究现状进行了介绍。随后根据项目与图像处理的实际接口需求,设计了比特深度增强硬件系统的电路,支持图像的实时传输与处理。对FPGA资源进行分析选型,选择了Xilinx公司的XC7K325T-2FFG900型号芯片作为主控芯片。为了满足图像处理过程中的数据交互,使用了DDR3 SDRAM与FLASH作为外部存储。并且设计了四路HDMI输出接口与两路HDMI输入接口,FPGA还可以通过UART串口与上位机进行数据交互以及接收控制指令。满足了系统的设计要求与实际应用需求。第二,在本文搭建的硬件平台上用硬件语言Verilog实现了基于预失真的比特深度增强图像处理系统的逻辑功能,按照图像输入、缓存、显示的流程对系统进行模块化设计。针对硬件实现对基于预失真的比特深度增强算法进行了流程上的优化,利用FPGA并行计算的特点提高了运算速度,并根据优化后的算法完成了算法模块的实现。并依次完成了图像缓存模块与图像显示模块的逻辑功能实现,使处理完的图像能通过HDMI接口在显示设备上直接观察。最终进行验证调试,证明了系统能够正确的实现图像输入、传输、比特深度增强处理的功能,并且在高比特图像重建方面取得了较好的效果,达到了系统的设计要求。
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