智能评语系统论文（通用7篇）
智能评语系统论文 篇1
随着计算机技术尤其是计算能力的进一步发展, 智能机器人作为新一代生产和服务工具具有更广泛、更重要的位置, 计算机技术得到了更为深入的研究。本文主要完成了智能小车运动控制系统软件及硬件设计, 并且用到Pro/E三维实体设计软件, 用此软件来设计智能小车的三维实体模型并进行装配。针对智能小车运动控制系统, 本文主要工作内容及设计要求如下:
(1) 对小车运动轨迹设计采用红外发射接收探头检测路面寻迹线, 从起始线出发, 自动将物体按设计好的轨迹线逐一运送到库房内, 运行的时间应力求最短。
(2) 小车运送物体到达库房时, 把物体放到库房挡板线以内。
1 系统方案设计、比较与论证
本文主要设计一辆带有机械手的智能电动小车, 采用轮式结构以减少制造成本。能够实现把物体放入库房内, 同时对搬运过程中自动记录、显示每一次往返的时间和总的行驶时间。为完成相应功能, 系统可以划分为以下几个基本模块:单片机最小系统模块、舵机驱动模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块、转向指示模块、声音提示模块。
2 车体设计
制定了左右两轮分别驱动, 车尾安装牛眼轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流步进电机进行驱动, 车体尾部装两个牛眼轮。这样, 当一个直流步进电机转动另一个不动时就可以实现机器人的旋转, 由此可以轻松的实现机器人的90度和180度的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时, 左右两驱动轮与后万向轮形成了四点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳, 可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移, 车尾的牛眼轮还起支撑作用。
对于车架材料的选择, 我们经过比较选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固, 比铁制小车更轻便, 美观。
3 智能小车控制系统的总体设计
控制器模块采用宏晶公司的STC12C5A32S2单片机作为控制器的方案。该单片机I/O资源丰富, 并具有两路PWM, 可以很容易的控制两个舵机;寻迹线探测与寻木探测模块
集成式GP2A25反射式光电传感器。它具有集成度高、工作性能可靠的优点, 只须要调节探头与被测物之间的距离达到1.5cm就可, 此种探头还能有效地防止普通光源 (如日光灯等) 的干扰;电动机选择采用旧打印机拆机的步进电机控制机器人的运动, 由于其转过的角度可以精确的定位, 可以实现小车前进路程和位置的精确定位。当不给步进电机发送脉冲的时候, 能实现自锁, 从而能较好的实现小车及时停车的目的;电机驱动模块采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片, 它相应频率高, 一片L298可以控制一个步进电机, 而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动, 操作方便, 稳定性好, 性能优良;舵机驱动模块采用三极管驱动电路, 单片机I/O口只需要控制三极管的集极来控制三极管的导通或是截止, 来给驱动舵机;显示模块用LCD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点;电源模块采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6 V给步进电机供电, 然后将12.6V电压再次降压5v、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足, 并且可以充电, 重复利用, 体积小巧, 便于安装到机器人;供电模块消耗的功率过大, 采用2576将电压稳至5V。2576的输出电流最大可至3A, 完全满足系统要求。经过反复论证, 最终确定了如下方案:
(1) 车体用有机玻璃车架手工制作。
(2) 采用宏晶STC12C5A32S2单片机作为主控制器。
(3) 用GP2A25型光电对管进行寻迹与寻木块。
(4) L298作为步进电机的驱动芯片。
(5) 用9013三极管作为舵机的模块
(6) 用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6 V给步进电机供电, 将12.6V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。
4 硬件设计与软件流程
寻迹线探测电路采用型号为GP2A25P2A25反射式光电传感器, 该探头输出端只有三根线 (电源线、地线、信号线) , 只要将信号线接在单片机的I/O口, 然后不停地对该I/O口进行扫描检测, 当其为底电平时则检测到路面, 当为高电平时则检测到运动轨迹线。搬运机器人前进时, 始终保持运动轨迹线在车头两个传感器之间, 当搬运机器人偏离轨迹时, 探测器一旦探测到有轨迹线, 单片机就会按照预先编定的程序发送指令给搬运机器人的控制系统, 控制系统再对搬运机器人路径予以纠正。当搬运机器人回到了轨道上时, 搬运机器人车头两个探测器都只检测到路面, 则搬运机器人继续直线行走, 否则搬运机器人会持续进行方向调整操作, 直到搬运机器人恢复正常。
寻木块探测电路采用型号为GP2A25P2A25反射式光电传感器, 该探头输出端只有三根线 (电源线、地线、信号线) , 只要将信号线接在单片机的I/O口, 然后不停地对该I/O口进行扫描检测, 当其为高电平时则检测到物体, 当为底电平时则检测没有检测到物体, 搬运机器人再前进时探头始终寻找物体, 当搬运机器人寻物探头探测到物体时, 单片机就会按照预先编定的程序发送指令给搬运机器人的机器手夹持物体。
步进电动机驱动电路如图所示该驱动动电路J2接单片机I/O口进行向L298输入脉冲, J3接步进电机的线上L298输出地脉冲来驱动步进电机转动或停止。
5 结束语
本文对智能小车的硬件及软件进行分析设计, 并且通过使用Pro/E三维软件对车体的设计。通过测试, 系统完全达到了设计要求, 不但完成了基本设计要求, 并增加了全路程记时、每次往返时间和全程时间显示和语音提示, 转向时转向灯显示三个创新功能。
参考文献
[1]赵健领.51系列单片机开发宝典[M].北京:电子工业出版社, 2007.
[2]张毅刚等.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2003.
智能评语系统论文 篇2
本系统为提高其混凝土生产管理效率，采用射频识别技术进行车辆的运输管理，使用硬件为Siemens的RFID660。车辆管理作为混凝土搅拌站日常生产管理的一个重要组成部分，对于搅拌站的正常运营起决定作用，车辆安排的好坏能直接影响混凝土搅拌站的生产运营成本。作为车辆的传统管理方式：计划调度员根据施工工地的生产计划、现场反馈信息，进行搅拌站混凝土生产计划制定，安排混凝土运输车辆进行工地运输；计划调度员应随时了解每辆车的运输情况、运输路线、运输时间、排队信息等繁杂的信息，与计划员的管理经验有很大关系，且容易出错，不利于控制；如采用RFID射频识别技术进行车辆的管理，将把计划调度员从繁杂的信息中解放出来，减少车辆安排的出错机率；每台车辆进入搅拌站后，自动刷卡排队，混凝土生产根据车队队列自动调用车辆，车辆离开搅拌站后再次刷卡记录运输工地、方量、离开时间等信息；车辆运输完成后回到搅拌站再次刷卡，如此循环，减少在车辆管理中人的不稳定因素的影响。
400-618-2028
智能评语系统论文 篇3
为了面对日渐凸显的全球资源环境问题以及更高的用户服务质量要求所带来的前所未有的挑战,全球电力行业都在积极研究并提出电力行业未来的发展方向,而建设智能电网已经成为全球电力行业应对各自挑战,实现可持续发展的共同选择。
智能用电,作为电力“发、输、调、变、配、用”的重要环节,是社会公众感知电网智能化服务的关键所在,智能用电是智能电网的重要组成部分[1]。2011年11月,国家能源局颁布的国家能源科技“十二五”规划中,明确提出了建设智能电网技术研发平台,大力研发智能用电技术,智能电网用户端设备及系统测试技术等智能电网关键技术[2]。国家电网公司发布的《智能电网关键设备(系统)研制规划》中也明确提出了智能家庭网关,家庭能量管理系统,智能开关,智能互动终端等相关设备的研发任务[3]。因此,在智能电网的建设过程中,智能用电技术受到了广泛的关注和重视。
近年来,随着智能用电逐步成为研究的热点,一些研究成果也越来越多的出现。例如,在专利CN102130507A中提出了一种智能家居系统及能效管理方法,支持将新能源接入智能电网中[4];文献[5]提出了基于实时电价的智能用电系统,分析了电价政策对智能用电的影响;总之,智能用电的研究都围绕一个指导思想,即采用信息化手段,利用价格杠杆,通过互动化策略,调动电力用户参与需方响应,实现电力负荷需求的理想化[6,7]。
本文侧重于用户侧,对家庭智能用电体系进行研究并开发了适用于家庭智能用电的相关装置—智能控制器。智能控制器是连接电器与电源的中间设备。一方面,它可以实时采集用电设备的电压、电流、功率、耗电量等用电信息,并将这些信息通过Zig Bee无线网络传给互动终端或高级量测体系(AMI),为电力公司提供详细的用电信息。另一方面,智能控制器可接收电网侧传来的电价信息或互动终端发送的指令,控制用电设备的运行。这样,用户可参与电网的需求响应和双向互动,减少电费开支,提高家庭耗能效率。
本文第二部分设计了家庭智能用电系统的结构架构,并介绍了各组成部分的功能。第三部分提出了智能控制器的硬件、软件设计,并实现了其基本功能。第四部分搭建一套模拟系统,用PC模拟互动终端,设计人机界面,并验证智能控制器的效果及功能。第五部分提出结论并展望未来发展前景。
1 家庭智能用电系统
家庭智能用电系统作为整个智能用电系统中的一部分,所面向的主要对象是用户侧,它由智能电表、智能互动终端、家庭户内网络(HAN)、智能控制器或智能家电、小型分布式电源、储能设备、电动汽车等组成。系统如图1所示。家庭智能用电系统是智能电网最末端与客户直接联系的环节,能够支持分布式能源、电动汽车等系统或设备的接入和计量,家用电器智能控制,综合家庭能耗监测和能源优化管理等功能[8]。此系统也为电网公司和电力用户之间提供了友好开放的双向交互门户,满足了智能用电对营销管理和客户服务的要求。
1.1 智能电表
智能电表是基于最新的计算机技术,现代通信技术及计量技术的高级量测设备,是高级量测体系(AMI)的基础单元[9]。其设计应遵循如下三个原则:考虑分布式能源的接入;考虑通信信道的实际承受能力;考虑用户互动的便捷性。智能电表主要功能有:
1)电能计量。
有功电能和无功电能双向计量,支持分布式能源用户的接入。
2)电能监管。
具备阶梯电价,预付费及远程通断电功能。支持需求侧管理,与智能互动终端配合对用电设备及分布式电源进行管理,帮助电网削峰填谷,提高电力供应可靠性。
3)双向通信。
在双向通信模式下,接收电网侧的指令信息发布给用户,如实时费率,用电策略;同时将采集的家庭耗能数据传给电网侧[10]。
1.2 智能互动终端
智能互动终端,作为电网(力)公司与用户的交互门户,是用户感知智能电网新特性的主要体现点之一。用户通过该平台了解电能使用信息,并结合实时费率等资讯,对各用电器用电情况进行控制,调整自己的用电方案[11,12]。其主要功能如下:
1)接收智能电表,智能控制器发送的大量数据信息并进行实时显示,使用户可获取详细的电能使用情况及其他相关信息。
2)对家用分布式能源和电器进行统一监控管理,实时获取家庭能耗状态并进行家庭能效分析管理。
1.3 家庭局域网络(HAN)
家庭局域网是AMI中重要的结构基础。HAN将智能电能表、智能互动终端和各种可控的用电设备连接起来,组成局域网络,可以实现多种能源管理功能[13]。HAN可采用有线和无线两种通信方式,相比有线网络,无线网络安装维护更为简便可靠。目前有三种常用的短距离无线通信技术:Wi Fi,蓝牙和Zig Bee技术,它们主要特性如表1所示。Zig Bee是一种新兴的短距离、低功率无线网络技术,它是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术[14]。由于Zig Bee技术具有低功耗、低成本和支持网络节点多的优势,因此家庭智能用电系统中多采用Zig Bee无线技术构建HAN。
1.4 智能控制器
目前,在家庭智能用电中,为了实现家庭能效分析管理,指导用户合理、经济用电,获取负荷级别的详细用电信息并实现各用电设备的组网是非常有必要的。然而,由于现阶段电器的智能化尚无法满足这种要求,并且智能电器的普及也不能一蹴而就,因此这就需要一个中间设备来实现这些功能[15]。智能控制器(智能开关)作为连接普通用电器与电源的独立设备,可以满足上述要求。本研究着重开发了这种智能控制器,利用其采集负荷用电信息并对用电设备进行控制,使家用电器更好地参与需求响应。其具体功能如下:
1)计量功能。
实时测量并采集各电器设备的用电信息(电压、电流、功率、耗电量等)、工作状态。
2)通信功能。
采用无线Zig Bee通信,实现家庭内各电器设备与互动终端的组网,上报电器的用电信息并使各电器接收互动终端的统一管理。
3)控制功能。
接收互动终端的指令,对家电进行调节、控制等操作。
2 智能控制器开发
2.1 硬件设计
在硬件上,智能控制器主要由电源模块、电量测量模块、微处理器模块、通信模块、LCD显示模块、开关电路、实时时钟电路以及外部接口电路组成,结构图如图2所示。
电源模块将交流220 V转换为直流5 V、3.3 V,为其他模块提供电源支持。电量测量模块(2)包括电压采集电路A、电流采集电路B,计量单元C。电压采集电路采用分压原理,电力线220 V电压信号经过分压电阻和滤波电容,变换为小直流电压信号,作为ADE7763的V2P的输入。电流信号经分流器Shunt也转换为一个小直流电压信号,经滤波电容作为ADE7763的V1P和V1N端输入。测量单元由计量芯片ADE7763组成。ADE7763具有两个二阶模拟数字转换器、一个数字积分器(通道1)、系统校准电路、温度传感器和和具有计算功能的高速信号处理电路。ADE7763工作原理如下:ADE7763将输入的电压、电流信号通过各自的模数转换器变成数字信号后,进行相乘,计算出瞬时功率p(t),再通过低通滤波器LPF2后,得到有功功率P,利用功率偏差校准寄存器APOS的值对有功功率进行校准,放入采样波形数据寄存器中,然后对采样波形数据寄存器的值进行累加,将功率累加值(电能值)存放在电能寄存器AENERGY中[16]。最终,ADE7763实现电器设备电压、电流、功率、耗电量的测量。
智能控制器采用Microchip公司的一款16位的单片机PIC24FJ128GB206作为微处理器。PIC24FJ128GB206拥有充足的存储空间,并具有强大的外设,用作器件与外界的接口,如SPI,UART接口。PIC微处理器主要完成以下任务:(1)上电时,对ADE7763进行初始化设置,使其精确测量。(2)读取ADE7763的电能数据并存储在其数据存储器中。(3)通过UART接口及外接RS485收发器与Zig Bee模块进行串口通信,获取Zig Bee模块从互动终端接收的控制命令并执行,将响应信息通过Zig Bee模块以无线方式返回给互动终端。(4)向LCD输出数据,控制LCD屏显示。(5)根据接收命令控制继电器通断,进而控制电器设备的运行。微处理器作为智能控制器的核心,控制各模块协调运行,使智能控制器实现其基本功能。智能控制器实物如图3所示。
2.2 软件设计
智能控制器的软件设计主要由主程序,中断程序和执行程序组成,各流程图如图4所示。主程序运行过程如下:(1)智能控制器上电,微处理器对SPI,UART,定时器,IO口,ADE7763,LCD等进行初始化操作。(2)设置并使能串口和定时器中断。(3)通过SPI通信,周期性地从计量芯片ADE7763中读取数据并计算各电量实际值,调用显示子函数将各电量信息显示在LCD屏上。(4)等待UART端口接收数据和消息帧,多个字符数据组成一个消息帧,如果一条消息接收完成执行下一步,否则,返回到(3)。(5)对接收的消息帧进行校验,如校验正确则执行相应命令,并产生响应信息返回到互动终端;否则返回到(3),依次循环执行。
中断程序包含串口接收中断和定时器中断子程序。串口接收中断用于将接收到的字符数据缓存到接收寄存器中,定时器中断用于判断一条消息帧接收完毕。在智能控制器中,MCU与Zig Bee模块之间的串口通信采用Mod Bus-Rtu通信规约,Mod Bus-Rtu通信规约的软件实现中使用串口接收中断和定时器中断。Mod Bus-Rtu帧数据格式如表2所示。
在RTU模式中,新的信息总是以至少3.5个字符的静默时间开始,整帧的信息必须以一个连续的数据流进行传输[17]。当有新数据接收,则转入串口接收中断子程序,缓存接收的数据并计数,刷新启动定时器计时。当定时器达到预定时间,响应定时器中断,消息帧接收标志位置1,计数器清零,关闭定时器,这时一个消息帧接收完成,进行下一步操作。
执行程序主要是实现以下功能:读取电量信息、电器工作状态,控制继电器通断,产生遵循Mod Bus-Rtu数据帧格式的响应信息并发送。依照Mod Bus-Rtu通讯规约,执行程序中所用部分功能码定义如表3所示。命令执行前,先判定接收消息中的功能码值,根据功能码定义,调用并执行相应的功能子函数,创建响应信息并传给互动终端。
2.3 装置测试结果
为了测试该装置测量数据的准确性,本文利用日置3193功率计(可达±0.2%的高精度计量)搭建了一套测量平台,分别通过上位机采集智能控制器与日置3193功率计在同一时间测量的负荷数据并进行比较,测试数据如表4所示。智能控制器与3193功率计所测负荷电压、电流、功率比较结果分别如图5、图6、图7所示。该装置中所采用继电器额定电流为10 A,因此该装置需在电流为0~10 A的范围内工作。由测试数据及所测电压、电流、功率比较结果可知,在正常工作电流范围内,智能控制器与日置3193标准表所测数据相对误差较小,测量精确度较高。
3 演示模拟系统
智能用电强调用户的参与,鼓励电网与用户的双向互动,峰谷电价、实时电价等措施的实施可使用户更积极的参与电力需求响应,在电网高峰时实现负荷转移[18]。本文设想了一种家庭智能用电模型,在此模型中,电力公司提供两种用电模式—错峰响应模式与自由模式,当电网处于用电高峰时,启用错峰响应模式的用户需关闭一部分负荷,但可从电力公司获得一定的补贴作为补偿,自由模式用户不需关闭负荷,则无补贴。用户自主选择开启哪种模式。
在此模型基础上,建立了一套演示系统来模拟家庭智能用电并测验智能控制器的功能,如图8所示。演示系统由一个智能控制器、一台饮水机、一台模拟互动终端的PC和一个与PC连接的Zig Bee通讯模块组成。智能控制器实时采集饮水机的用电信息、运行状态并可控制其通断。此外,还在PC上安装了力控公司的组态软件Force Control6.1,并利用该软件设计了一套人机交互界面,如图9所示。模拟系统可以方便地监测饮水机等用电设备的实时用电信息、工作状态。此模拟系统中,在用户选择错峰响应用电模式的情况下,还可以根据电价(或峰谷)因素控制用电设备的运行,模拟用电设备参与需求响应。图10为错峰响应模式下考虑电价(或峰谷)因素时饮水机的运行方式。
图10中,横轴表示时间,纵轴表示有功功率(实线)和电价(虚线)。由图10可知,当负荷处于用电高峰时,电价较高,智能控制器接收互动终端指令关闭饮水机;当用电高峰过去后,电价降低,智能控制器再次启动饮水机工作。这样,智能控制器就可以使用电设备参与需求响应与双向互动,为电网削峰填谷,提高家庭能效,对于热水器、洗衣机等柔性负荷,采用智能控制器负荷转移效果更为明显。
目前,更为完善的智能用电模拟系统及相应的机制策略正在进一步的研究中。
4 结论
本文提出了家庭智能用电系统的结构框架并介绍了各组成部分的功能。重点开发了一种适用于家庭智能用电的智能控制器。还搭建了一套演示系统模拟家庭智能用电,并测试了智能控制器的性能,在演示系统中,还模拟了错峰响应模式下负荷基于电价的需求响应运行方式,验证得出智能控制器可以减少用户开支,帮助用户有效节能。
智能积冰系统 篇4
要解决积冰对飞行安全的危害, 首先要对容易产生飞机积冰的环境做出准确的预报。准确的预报可以减少积冰环境对某些飞机产生危害的可能性。其次是飞机要具有良好的防/除冰能力, 这保证了飞机在积冰环境中飞行的安全。但是, 我们对积冰的预报不可能做到完全的准确, 另外不同的飞机对同一积冰环境会有不同的反应, 而且尽管现代大型客机有比较完善的防/除冰设施, 它们在起飞和进近着陆阶段速度相对低, 同样可能发生积冰现象甚至导致积冰事故。
基于上述原因, 目前积冰界研究的热点是一种彻底改进和完善飞机防冰系统的系统—智能积冰系统 (SIS—smart icing system) [2]。本文先简介飞机积冰, 然后详细介绍智能积冰系统, 最后对相关研究做些展望和总结。
1 智能积冰系统 (SIS) 的思想
1998年美国伊利诺伊大学的Bragg教授提出智能积冰系统 (SIS) 的构想。SIS的基本思想是:结冰对飞机的影响主要在于它对飞机的性能、稳定性和操纵性的影响。如果在一定的飞机结冰条件下, 飞机拥有一定的安全裕度并且能保持既定的航线飞行, 那么飞行安全就可以保证[3]。
SIS的结构和组成见图1。从图中可以看出, SIS包括了结冰的探测和分级、结冰防护系统和结冰管理系统三大部分, 这三者相互支持, 帮助飞行员实现了对积冰的智能化处理 (图1, 图2) 。
SIS在目前使用的积冰防护系统 (IPS—icing protection system) 的基础上发展起来的, 它新增加的功能同时也是最重要的部分是积冰管理系统 (IMS—icing management system) 。IMS的具体功能和相关的支撑见图2。从图中可以看出, IMS的功能是监视积冰的形成和它对飞机的影响, 并帮助飞行员安全操纵积冰环境中的飞机。具体说来分为四项功能, 即积冰对飞机的影响描述, 积冰防护系统的操纵和监视, 飞行包线的保护和飞行控制的调整;要实现IMS (然后最终实现SIS) 的这些功能, 前期需要研发的核心技术涉及多个学科的综合, 如空气动力学、飞行力学、检测与控制理论、人因学;当然, 最终还要对系统进行飞行模拟验证。
2 SIS的研究进展
美国自1998年提出SIS的设想以来, 在NASA、FAA和UIUC (University of Illinois at Urbana-Champaign) 的联合努力下, 取得了显著的成绩。空气动力学和飞行力学方面, 已经用双水獭飞机和风洞实验获取了大量实验数据, 并建立了无冰和积冰以后的线性模型, 给出了积冰对飞机空气动力性能影响的初步描述, 数值模拟方面研发了LEWICE、NSU2D等软件。利用传感器探测、识别积冰方面, 在原有操纵面效能检测探测结冰、动力学结冰探测系统 (DIDS) 的基础上, 选用神经网络来实现对积冰的探测和分级。以人为中心的驾驶舱显示界面方面, 通过对大量飞行员的调查积累了数据, 正开发能向飞行员提供积冰种类、位置、对飞机的影响等信心和提示飞行员如何操纵等强大功能的人机交互界面。积冰情况下的飞行模拟方面, 已经完成基于个人电脑的模拟器IEFS (Icing Encounter Flight Simulator) , 组建了交互式分布模拟环境, 对SIS在驾驶舱中的应用情况进行了初步验证。另外, 该团队还在安全性和经济性方面对系统进行了评估, 研究SIS能多大程度上能增加飞行安全, 找出SIS与现存的积冰防护系统相比所存在的优势等。
3 结语
从查找的文献资料看目前我国此方面的研究主要集中于积冰的预报、防/除冰系统的开发, 而对像智能积冰系统这样大型的研究基本处于空白。我国正努力研制具有自主知识产权的大飞机, 若能紧跟积冰界研究的前沿技术, 开发极具潜力的智能积冰系统, 那么我国的航空安全水平会得到更大的提高, 自主研制的大飞机也会具有更大的竞争力。
参考文献
[1]黄仪方, 朱志愚.航空气象[M].成都:西南交通大学出版社, 2006, 6.
[2]M.Bragg, T.Basar, W.Perkins, etal.Smart Icing System Year I Interim Report[R].
智能测控系统 篇5
关键词：pt100温度传感器,插值算法校正,PID控制,BP神经网络,系统仿真
1智能测控系统图
1.1 pt100温度传感器工作原理
电阻式温度检测器是一种物质材料做成的电阻, 它会随温度的上升而改变电阻值, 如果它随温度的上升而电阻值也随着上升就称为正电阻系数, 如果它随温度的上升而电阻值反而下降就称为负电阻系数。铂热电阻是应用广泛的温度传感器, 它具有体积小、准确度高、稳定性好测、温范围宽、正的温度系数等特点。
传感器的接入非常简单, 从系统的5V供电端仅仅通过一支3K92的电阻就连接到PT100了, 这种接法通常会引起严重的非线性问题。但是由于有了单片机的软件校正作为后盾, 因此就简化了传感器的接入方式。
1.2 Pt100的特性
按铂热电阻技术标准, 铂电阻Pt100在0~650℃范围内的符合国际分度表函数Rt可用下式表示:
Rt=R0 (1+At-Bt2)
其中:Rt, R0分别是t℃和0℃时的铂电阻阻值, R0=100Ω, A=3.90802×10-3℃-1, B=5.80195×10-7℃-2。该函数的特点是精度高、覆盖温度范围宽。以经常使用的分度值 (10℃为间隔) 作比较, 可以看出在0~650℃范围内拟合值与实际阻值的最大绝对误差为0.0049Ω, 平均绝对误差为0.0026Ω, 这时的最大相对误差仅为1.487×10-5, 因此该函数满足高测量精度的要求.但由于函数中存在非线性项Bt2, 要消除铂电阻非线性对输出的影响, 就需要想法补偿在不同温度点时由于电阻的变化率降低而导致测量输出信号减少或增大的那部分。
一般使用单片机来进行温度等的计算, 由于该表达式比较复杂, 用单片机处理这样的计算过程, 将会占用大量的资源, 程序的编写上相当复杂, 所以一般采用先查表, 再插值的方法换算处温度。
1.3 pt100测温原理
Pt100式温度传感器, 测温的本质其实是测量传感器的电阻, 是将电阻的变化转换为电流或电压等信号, 再将模拟量转换成数字量, 再经处理器算出相应温度值。采用pt100测量温度, 一个用pt100热电阻, 当pt100阻值变化时, 测量端将产生电势差, 再由电势差换算出对应的温度值。
1.4提高pt100测温精度的方案
1.4.1通过改善pt100接线方式对误差进行补偿
铂热电阻的使用, 一般有三种解法, 分别是二线制接法、三线直接法和四线制接法, 不同的接法是应用于不同的精度要求。
1.4.2通过插值算法校正pt100的非线性度
由pt100的特性可知, 虽然pt100的线性较好, 但是由于电阻—温度函数是非线性的, 单片机运算则占用时间和资源较多。常用线性插值算法和查表进行标度变换计算温度, 运算快占用单片机资源少, 并且可以对pt100进行线性校正, 达到相当精确地温度测量结果。
查表要在单片机的ROM区建立电阻与温度分度表, 在检测值内均匀地选择几个标定点, 标定的点越多则表格越大。在0-100度之间每隔5度标定一个pt100的电阻值, 共20个点, 分别记作R[i], 对应的温度记作T[i], i取0-2, 采用线性差值算法进行标度变换时, 将检测值Rx通过顺序查表, 与标定点R[i]比较, 确定区间R[i]<Rx<R[i+1], 然后进行线性插值算法球的温度值Tx;
因为是每隔5℃标定一个电阻值, 所以T[i+1]-T[i]=5, 即:
1.5程序设计
1.5.1程序流程图
1.5.2程序设计
2控制器设计
2.1 PID原理
2.1.1 PID控制的原理和特点
当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分:测量、比较和执行。把测量关心的变量与期望值相比较得到系统误差, 再用这个误差来纠正调节系统的响应。这个理论应用自动控制的关键是, 做出正确的测量和比较后, 如何才能更好地纠正系统。
PID控制算法的基本原理:简单地说, 就是运用比例、积分、微分算法, 来对回路中的偏差进行修正, 通过执行器调节参数, 使测量值稳定在设定值附近, 达到控制某一参数的目的。
2.1.2闭环控制系统
闭环控制的特点是系统被控对象的输出值会反馈影响控制器的输出值。闭环控制系统有正、负反馈, 若反馈信号与系统给定值相反, 则称为负反馈, 若相同, 则称为正反馈, 一般闭环控制均采用负反馈控制系统。
PID控制器由比例单元、微分单元、和积分单元组成。 (1) 比例调节按比例反应系统的偏差的大小来进行调节的, 系统出现偏差, 比例调节产生调节作用减少偏差。比例作用大能加快调节速度, 减少误差, 但比例作用过大, 会造成系统不稳定。 (2) 积分调节可以使消除或降低系统的稳态误差, 积分调节常与微分比例规律相结合。 (3) 微分调节能够反映系统偏差信号的变化率, 能够预见偏差变化的趋势, 能产生超前的控制作用, 在偏差形成之前, 就被消除。
2.2 PID控制器的参数整定
PID控制器参数整定的方法很多, 概括起来有两大类:一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型, 经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用, 还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法, 它主要依赖工程经验, 直接在控制系统的试验中进行, 且方法简单、易于掌握, 在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法, 主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点, 其共同点都是通过试验, 然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数, 都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。
PID控制器参数的整定步骤:
(1) 首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作;
(2) 仅加入比例控制环节, 直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡, 记下这时的比例放大系数和临界振荡周期;
(3) 在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
2.3 BP神经网络控制器设计
2.3.1简介
BP网络是多层前馈神经网络, BP网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映射关系, 而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最速下降法, 通过反向传播来调整网络的阈值和权值, 使网络的误差平方和最小。
2.3.2 BP算法基本原理
其中BP网络应用中隐含层神经元个数的确定问题尚没有固定算法, 也没有理论支持, 通常是靠经验来确定。
3控制系统仿真
3.1常规PID控制器设计仿真
3.1.1软件程序仿真
校正后如图4所示
4结束语
在测控系统中, 如何减少测量误差, 实现精确测控一直是被关注的但尚未解决的问题。本文介绍了一个简单而有效的基于单片机实现测温与显示功能, 利用PID算法、PB神经网络进行矫正, 实现智能稳快准的预期效果。
参考文献
[1]张陪仁, 张志坚, 高修峰.十六位单片微处理器原理及应用[M].2005-05-01.
[2]韩峻峰.测控仪器设计[J].2009-7-1.
[3]周征.传感器原理与检测技术[M].2007-2-1.
智能刹车模拟系统 篇6
关键词：智能刹车,模拟系统,研究分析
系统方案:操作平台系统包括单片机模块、油门信号输入模块、刹车信号输入模块、车辆方向控制模块、加速度测量模块、紧急制动模块、液晶显示模块、无线收发模块、电源模块。
操作平台系统以STC12C5616AD单片机为控制核心, 通过操作脚踏板和方向杆, 向单片机输入刹车、油门, 以及转弯的信号, 使单片机做出判断, 发出相应的指令, 通过NRF24L01无线收发模块发送信号给车辆并同时接收车辆反馈的信息;在油门脚踏板上安装有MMA7455数字加速度传感器模块, 根据脚踏板加速度的改变的程度, 给单片机输入信号, 然后单片机向紧急制动模块发出指令进行刹车制动;液晶显示模块实时显示车辆的速度, 脚踏板的加速度。
(1) 操作平台单片机模块。采用STC12C5616AD作为控制核心, 飞思卡尔芯片解密, 增强型8051内核, 速度比普通8051快8~12倍, 宽电压, 外部掉电检测电路, 可在掉电时, 及时将数据保存进EEPROM, 正常工作时无需操作EEP, 低功耗设计。
(2) 刹车信号输入模块。刹车信号输入模块, 通过改变电阻来模拟制动踏板, 给单片机输入模拟制动信号, 从而使单片机发出减速的指令。
(3) 油门信号输入模块。油门信号输入模块, 通过改变电阻来模拟油门大小, 给单片机输入模拟油门电压信号, 从而使单片机发出加速的指令。
(4) 车辆方向控制模块。为车辆方向控制信号输入模块, 通过改变电阻来模拟控制车辆方向, 给单片机输入模拟车辆方向电压信号, 从而使单片机发出指令, 改变车辆的运行方向。
(5) 加速度测量模块。为加速度测量模块, 将MMA7455数字加速度传感器模块安装在油门脚踏板上, 实时测量脚踏板的加速度, 将测量的数据传送到单片机, 使单片机根据加速度的改变做出相应指令。
(6) 无线收发模块。由于系统是用于控制小车的速度变化, 从而达到演示效果, 因此选择无线模块连接控制平台和小车, 让演示效果更佳。NRF24L01内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器, 功率放大器等功能模块, 需要很少的外围元件, 因此使用起来非常方便。
(7) 紧急制动模块。光电耦合器驱动继电器电路, 该模块由光电耦合器组成开关电路。当单片机发出紧急制动指令后, 继电器将衔铁向下吸引, 对刹车脚踏板施加压力, 进行刹车减速。
(8) 演示车辆单片机模块。采用STC12C5410AD作为控制核心, 加密性强, 超强抗干扰, 超低功耗, I/0驱动能力更强, 内部集成高可靠复位电路, 外部复位电路可完全省掉当然可以继续用外部复位电路。
(9) 无线收发模块。NRF24L01无线收发模块电路, NRF24L01内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器, 功率放大器等功能模块, 需要很少的外围元件, 因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装, 外形尺寸只有5×5mm。
(10) 角加速度测量模块。MMA7455数字三轴加速度传感器, MMA7455是一款数字输出 (I2C/SPI) 、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度计, 具有信号调理、低通滤波器、温度补偿、自测、可配置通过中断引脚 (INT1或INT2) 检测0g、以及脉冲检测 (用于快速运动检测) 等功能。0g偏置和灵敏度是出厂配置, 无需外部器件。通过检测Z轴加速度的改变, 来判断角加速度的改变。
(11) 测距模块。测距模块电路, 应用红外对管电路, 测量前方路况, 当距车辆10m时有车辆或大型障碍, 车辆会自动刹车减速。金属封装红外线接收管, 适用于各类光电转换的自控仪器, 传感器, 各类光电检测器的信号光源。根据驱动方式可获得稳定光, 脉冲光, 缓变光.常用于控制, 报警等方面。特点:采用反射功能的结构形式, 光功率较强, 低驱动电压, 易与晶体管电路匹配.结构坚固耐震、可靠性高、金属玻璃封装器件, 耐磨耐温性好。
(12) 电机驱动模块。电机驱动对于PWM调速的电机驱动电路, 主要有以下性能指标:a.输出电流和电压范围, 它决定着电路能驱动多大功率的电机。b.效率高的效率不仅意味着节省电源, 也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率, 可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通 (H桥或推挽电路可能出现的一个问题, 即两个功率器件同时导通使电源短路) 入手。c.对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离, 防止有高电压大电流进入主控电路, 这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。d.对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流可能导致地线电位浮动。e.可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到, 无论加上何种控制信号, 何种无源负载, 电路都是安全的。
参考文献
[1]徐爱钧.单片机高级语C51应用程序设计[M].北京:电子工业出版社, 2001:10-23.
[2]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础.第四版[M].北京:高等教育出版社, 2007:12-14.
[3]宏晶科技.STC12C5410AD系列单片机器件手册[Z].2005.
[4]周惠潮.常用电子元件及典型应用[M].北京:电子工业出版社.
野外智能导航系统 篇7
随着人们生活水平的提高,人们越来越热衷于到各地的旅游景点游玩,甚至是到深山、野外或原始森林进行探险,因此安全问题格外重要。目前各类导航产品琳琅满目,如百度、高德等地图导航软件,虽能为居住在城市乡镇的人们提供便捷贴心的服务,但在荒凉野外却有所欠缺。而日本IT行业巨头NEC开发的NEC909E手机中的大地领航者软件可实现野外导航,但导航功能单一,皆无法成为探险者心目中完善的野外探险的导航安全设备。
而本系统的出发点就是针对喜欢进行野外活动的人群,帮助使用者实时监测自身的情况及定位信息,准确掌握队友行踪。相对于传统的导航系统[1],该导航系统是在实现基本功能的基础上,新增加了一些更实用的功能,如:个性化路线指南系统,只要是智能手机都能使用指南针准确判别当前所在位置的方向。新增的路线记忆功能,能有效记忆当前使用者走过的路途,帮助使用者走出迷途。另外,还设有队友组队、共享队员位置功能,能有效的解决队友掉队问题,时刻查询队友行踪,便于队伍进行分地探险活动。而新增景点信息推广功能,即可为探险的人群提供附近已知景点,为人群提供探险去处。以上这些都是目前大多数主流导航设备所暂缺的,这就是设计本系统的意义所在。
2. 系统概述
本系统基于Android开源移动应用平台[2],为实现精确定位和导航,采用了百度API[3],云端数据库[4]等,结合软硬件实现实时监测方向,人体体温,环境温度,定位导航,路线记忆,共享位置和景点信息等功能,其主要针对的是喜欢进行野外活动的人群,能帮助使用者实时监测自身的情况及定位信息,能有效避免队员丢失,迷失方向等意外的发生,是一款实用性强、市场潜力大的智能导航系统。
3. 系统详细设计与实现
整个导航系统主要是由硬件部分和软件部分组成。
硬件分为指南针、环境温度、人体脉搏、人体体温四部分,主要硬件有:DS18B20,Pulse Sensor,TN901等,这些设备体积小,易操作。为使用者方便携带,本系统将所用硬件与使用者的帽子缝合,实时准确地监测环境和人体情况,方便了使用者,同时软硬件的结合使结果显示在同一终端上,系统简单化,用户体验更好。
而软件部分则分为服务器端和客户端,本系统的服务器端主要通过Bomb的云平台实现,客户端用户界面设计则通过Andriod实现,主要分为五大模块:登录注册,定位导航,路线记忆,共享位置和景点信息。点击相应模块,即可实现相应的功能。界面简单,易操作。
3.1 系统的硬件设计
本系统主要使用DS18B20,Pulse Sensor,TN901等硬件,整体硬件框架图如图1所示。
其中,环境温度检测由DS18B20数字温度传感器实现,此传感器耐磨耐碰,体积小,使用方便,封装形式多样,实时准确检测环境温度,使用者能正确、合理判断该地环境情况。
人体脉搏由光电反射式模拟传感器—Pulse Sensor测出,使用者将其佩戴于手指或耳垂等处,光电变换器的电信号变化周期就是脉搏率。通过导线连接可将采集到的模拟信号传输给MCU,简单的计算得出脉搏数值,根据脉搏数据得出身体的大致情况;而另一指标:体温,则使用不需与人体接触的TN901红外测温仪,通过热电堆测量出环境温度以及辐射物体的全波长热辐射确定物体的辐射温度,采用温度补偿技术快速、准确地测量出人的体温。相对于传统水银、电子体温计等,使用方便,不需接触身体就能测温,既卫生,又安全,并且具有高灵敏度、高精度、低功耗的优点。
另外,利用现代智能手机自带的指南针即可快速实现方向指南,不需额外增加硬件。
本系统将所有相关设备都与使用者的帽子缝合,采用STC12C5A60S2[5]和Arduino[6]单片机读取传感器的数值,通过蓝牙模块与手机相连,将数值发送到Android手机端App,手机接收数据后可显示在App上,使用者可自行选择是否查看和显示数据。操作简单,适合大多数野外探险人群使用,使整个系统走向大众化。
3.2 系统的软件实现
本系统的软件设计功能由服务器端和客户端相结合实现。软件部分主要是对用户界面五大模块的设计,如图2所示为本系统App的运行流程图。
当用户打开App时,首先进入用户登录页面,若未注册,则点击注册按钮进入注册页面进行注册,再返回登录页面。登录成功后,进入用户主界面视图,该视图有八个选项可供选择,分别是指南针、环境温度、人体脉搏、人体体温、GPS定位、路线记忆,共享位置和景点信息,通过选择相应项执行相应功能,下面主要对软件的各个模块进行分析:
(1)登录注册:将手机App安装后,进入登录页面,若没注册,则先注册后登陆。此功能主要使用Bmob后端云数据库,写入用户数据和读取用户信息实现。登录时查询¬User表输入用户名和密码与该表的数据项匹配一致,则完成登录,进入主界面,如图3所示。
(2)GPS定位导航:利用目前百度地图,高德地图提供的免费接口及部分开源代码,我们可通过GPS、Internet实现定位。单独使用GPS定位,需要打开手机的GPS定位,适用于室外。单独采用Internet,只要联网即可。综合考虑,我们采用两者结合方式,即可准确、快速地实现定位功能。
(3)路线记忆:在进行野外导航时,为便于识别正确的方向,不易迷失,需要用到记忆路线功能。使用时打开定位,点击“开始记录”。当从定点出发,不断移动位置时,短时间内将不断更新经纬度信息,并与更新前一点相连,形成路线。只要位置更新,则不断连线,直到点击“停止记录”,所得到的路线信息将保存在SD卡文件中。点击“历史记录”,则可通过读取相应文件查看保存的路径,辅助使用者记忆路线。
(4)共享位置:探险活动中,组队探险很普遍,因此掌握队员位置信息很重要。利用好共享位置功能,可避免队员掉队等意外的发生,如图4所示。该功能主要通过对云端数据库中相应数据的增加、删除、修改、查找等操作实现。使用共享位置功能之前,需要创建队伍、加入队伍。实质上,每创建一个队伍,即是在后台创建一个新的属于自己队伍的表(自定义命名,如:Test),用于存放相关用户的信息。为能查询当前用户所加入的队伍,云端数据库中创建了一张存放每个用户加入的队伍信息的队伍列表team Array。
在主界面中,每次点击进入“共享位置”,首先都会加载最新所在队伍的信息,即查询team Array表,列出当前用户所有已加入的队伍,如图4-A所示。点击队伍名,即可跳转到该队伍相关信息的界面中,如图4-B所示。若点击“队员”,则可查询队伍中队员信息,如图4-C所示。而点击查看“队友位置分享”,即可实现“共享我的位置”和“加载队员位置”的功能。如图4-D、图4-E所示,分别展示了两种视图下队员所在的位置信息。
在图4-D或图4-E中,点击选择“共享我的位置”,即将当前自己位置的经纬度实时上传到该队伍对应的表中,若位置移动,则不断更新表中经纬度的数值,而此时其他队员就可以通过加载队员位置来获取到对方的当前位置,停止共享,则会停留在最新共享的位置。“加载队员位置”可实时查询当前队伍表中的所有用户的经度、纬度字段,获取到这些字段值和相对应的昵称字段值,在地图上将该坐标点标记并显示出来。
(5)景点信息:进行野外活动时,了解附近景点,能更好的帮助用户进行路线计划。在主界面点击“景点信息”后,可选择想要查询的城市查找附近景点,也可通过直接定位到当前城市查询景点相应信息,通过使用此功能,可以有效的帮助使用者找到最近的景点,计划探险路线,少走弯路。
本系统软件部分主要通过App界面进行操作,界面清晰明了,用户使用简单方便,主要适用于Android平台,实现大众化需求。其中共享位置功能更人性化,实现组队功能的同时,可共享队员位置,时刻掌握队员位置,给进行野外探险活动的队伍带来莫大的帮助,以免发生队员掉队,迷路等意外。
4. 结论
本论文采用开源的安卓(Android)系统,百度API,云端数据库等,结合软硬件的使用,实现实时监测方向,人体体温,环境温度,定位导航,路线记忆,共享位置和景点信息等功能,着重介绍路线记忆,共享位置两大特色功能,能有效解决当前导航系统功能单一,不灵活等缺陷,本论文这款智能导航系统具有较高的实用价值,非常实用于喜欢户外运动的野外探险人群,方便携带,简单易操作,具有很大的市场潜力。
摘要：随着现代科学技术的发展和人民生活水平的提高,人们对野外探险的兴趣越来越高,本文针对其需求开发了一套野外智能导航系统,该系统通过各类传感器采集使用者体温、脉搏及环境温度等数据,经蓝牙传输到使用者的手机上进行显示,采用百度API实现精确导航及定位,同时具有组队功能,实现位置共享及路线记忆等功能,并提供景点查询功能。该系统功能丰富,给使用者带来很大的便利。
关键词：导航GPS路线,记忆共享位置,Android
参考文献
[1]吴欢.智能手机导航系统设计与实现[J].电子科技大学,2014.
[2]黄宏程,胡敏,陈如松.Android移动应用设计与开发[M].北京:人民邮电出版社,2012.
[3]百度地图API.百度地图开放平台[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/119320.htm.
[4]张振勇,文静华,基于架构的关系数据库与云端数据库比较分析[J].电脑知识与技术,2009.25.
[5]林倩,严桂林.基于STC12C5A60S2单片机的SD卡读写[J].新特器件应用,2010.04.