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关键词： 无线传感器网络   传感器数据流   异常检测   无监督学习   深度学习  

摘要： 对到达服务器端的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)数据流进行异常检测可以及时发现故障并报警修复,确保系统安全可靠运行。数据流往往是根据时间的变化来收集的,通常影响环境的变量是多元的。WSN被部署的环境大多数时间是正常运行的,遇到异常的概率小且大部分是未知事件,要想在训练异常检测模型之前收集并标记所有的异常事件几乎是不可能的。因此,对WSN数据流的异常检测不仅要考虑时间相关性,也要关注变量间相关性,还要捕捉和正常数据不同的全局特征和数据的周期性。 本文利用深度学习方法,研究传感器数据流的时间和变量间相关性,用于传感器网络中传感器数据流的异常检测,并提出了两种有效的传感器数据流无监督异常检测算法。 (1)针对传感器数据流存在三类异常情况,提出了一种基于GAT-GAN的无监督异常检测方法。该方法将GAT作为生成对抗网络的基础,生成器由面向时间的图注意力网络作为编解码器组成,编码器部分用于捕捉数据流中的时间特征,而解码器部分则利用面向时间的图注意力网络来重建数据流。在生成器之前引入了同样由编解码器构成的判别器,用来接收生成器生成的数据,并判别与原始数据的异同。在异常检测模块提出了基于重构误差与鉴别误差相结合的异常分数计算方法。最后通过在两个真实数据集中手动插入不同类型异常的方法来构造异常数据集,数据类型包含温度、湿度、光照。大量的实验结果表明,相比三种基线模型方法,GAT-GAN在检测数据异常方面效果更佳。 (2)针对基于预测的异常检测方法无法捕获数据的全局分布,而基于重构的异常检测方法又容易忽略时间序列的周期性,提出了一种基于GATv2和TCN联合优化的数据流异常检测算法。该方法主体包括模型训练和异常检测两部分,训练过程利用GATv2提取不同序列间相关性,同时通过TCN捕捉单个序列的时间特征,再基于自编码器学习随机变量的分布来捕捉整个时间序列的全局分布,采用全连接确定的方式预测下一时间戳的实际值。并通过联合优化基于预测的模型损失函数和基于重建的模型损失函数来计算异常得分,最终判定输入的异常与否。采用四个数据集对所提方法进行性能验证分析。实验表明,算法表现出较高性能,特别是在不平衡数据集中各项指标均高于基线方法,表明所提算法具有较好的WSN数据流异常检测效果。

关键词： 水下传感器网络   MAC协议   信任模型   簇头选择  

摘要： 随着人类认知海洋、探索海洋、利用海洋需求的不断增加,水下传感器网络作为支撑各类水下应用的关键技术手段已经成为研究热点,吸引了来自工业界和学术界的广泛关注。固移结合的簇状网络是一种实用的水下网络部署拓扑,其结合固定节点的稳定性和移动节点的灵活性和可扩展性,能够提高传感器网络的观测范围和效率。本文旨在为固移结合簇状网络设计一种安全高效的MAC协议,在水下传感器网络进行部署和设计具有很大挑战性。 节点的移动性为协议的设计带来了问题。首先是移动接入问题:移动节点接入网络时不能干扰到其他节点的正常数据传输。其次是传输资源分配问题:节点移动性会动态改变网络拓扑,需要动态的为节点分配传输资源。此外,由于节点的移动性,其可以动态的进出簇,如果恶意节点进入到簇中可以威胁到整个网络安全,因此需要对成员节点进行身份验证。 簇头的关键地位也为网络带来了可靠性问题。首先,簇头承担着更多的发送任务,如果簇头过早死亡,会缩短网络寿命,因此需要轮换簇头。其次,如果簇头的信道质量差,甚至簇头被篡改为恶意节点,会使整个簇的数据传输效率降低甚至停止,需要及时更换簇头。 现有的MAC协议在解决节点移动性的问题时,需要为移动节点的接入保留较长的时隙,以进行具有长传播延迟的握手,降低了传输效率。现有的协议在轮换簇头时也没有同时考虑到节点传输成功率、相对移动性和能量三个因素来选择簇头,不能保证网络可靠性。为此,本文做了以下工作: (1)提出了一种自适应移动接入MAC协议。在协议中,通过利用长传播延迟,移动节点在不干扰正常数据传输的同时隐式地快速接入网络。该方法无需为移动节点的接入保留时隙,提高了传输效率。协议还提出了一种自适应的功率和带宽动态分配算法。该算法根据节点的等待队列长度、能量和信息价值动态调整节点的带宽和功率。仿真结果表明,该协议有效地降低了平均端到端延迟,提高了传输效率和能源效率。 (2)提出了一种基于模糊逻辑的可信节点选择方案。在方案中首先设计了一种带预测的安全验证机制对簇中的成员进行身份验证。簇头无需存储整个网络的公钥表,对成员节点验证身份时也无需向基站询问其公钥,使得移动节点节点可以很容易且安全地接入网络,有利于大规模部署,并且降低了安全验证时的存储开销和身份验证延迟。方案还设计了一个基于模糊逻辑的可靠簇头选择机制。该机制使用基于模糊逻辑的水下网络安全信任模型,在该模型中,考虑了节点传输成功率、相对移动性和能量以对节点进行信任评估。而后,将以上三个考量作为参数输入到本机制所设计的模糊控制器中,获得节点的总信任值,并根据节点的总信任值进行簇头选择。仿真结果表明所提出的带预测的安全验证机制在减轻存储成本和验证延迟上具有良好的性能表现,所提出的基于模糊逻辑的可靠簇头选择机制在提高恶意节点的检测精度和网络寿命、降低丢包率方面具有良好的性能表现。

关键词： 表面等离子体共振传感器   气球形光纤传感器   温度   湿度   压力  

摘要： 光纤传感因其独特的优势而被广泛关注,例如灵敏度高、响应速度快、微米尺寸、灵活性强、机械强度高等。探头式光纤传感器的研制是光纤传感技术深入发展的主要方向之一,具有重要的应用价值,尤其是在多参量、微空间、复杂环境探测等领域。然而,在工业自动化、机械设备监测、结构健康监测、气象监测等领域中,光纤传感器无法避免的会受到多个物理参量的共同作用,影响传感器在实际测量中的准确精度,因此不同物理参量间的交叉敏感问题亟需解决。本文针对探头式光纤传感结构设计、传感机制分析、光谱特性研究以及在功能性应用等方面展开了深入研究。主要创新性如下: (1)在光纤端面上实现了一种超紧凑的双通道表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)探头式光纤传感器。该传感器在单模光纤(Single Mode Fiber,SMF)端面上分割单个铜/二氧化钛涂层微锥,并且采用不同折射率(Refractive Index,RI)的聚合物材料制备双层微帽结构,产生两个分离SPR共振峰的传感光谱。研究结果表明,聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)微帽结构激发产生的SPR共振峰(通道II)在30℃～70℃的温度测量范围内可达到2.935 nm/℃的灵敏度,聚乙烯醇(Polyvinyl Alcohol,PVA)微帽结构激发产生的SPR共振峰(通道I)在20%RH～70%RH范围内达到1.08 nm/%RH的灵敏度。最后通过通道Ⅰ和通道Ⅱ建立的数学矩阵进行波长解调,可实现湿度和温度的同时检测。该光纤传感探头具有较大的湿度灵敏度和温度灵敏度,且其操作简单,制造成本低,可重复性强,在生物传感等方面有较大的应用前景。 (2)设计并实验制作了一种集成聚合物微帽的新型复合气球形传感结构的光纤蒙皮压力传感探头。该传感器通过在气球形结构末端一侧级联光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)实现温度补偿,并且可以同时感知压力和温度。当压力板受到压力作用时,内置的聚合物微帽受力挤压,导致气球形结构的弯曲半径发生改变,引起光谱的漂移,从而实现压力传感。该传感器的压力灵敏度在0 m N～0.5 m N范围内可达到6.556 nm/m N,在30℃～50℃范围内的温度灵敏度可达到-0.192nm/℃。双参数矩阵的解调结果显示,压力测量和温度测量的误差率分别小于0.5%和2.01%。在此基础上,该传感器被应用于机械臂辅助穿刺实验检测,通过分析穿刺过程的5种状态,利用反向传播(Backpropagation,BP)神经网络进一步测试该传感器的传感性能,即对5种状态和19组温度的光谱图进行上百次数据采集及分类训练。计算结果表明,该传感器准确率保持在97%以上,展示了该传感器在机器人智能领域的应用潜力。

关键词： 实木板材   缺陷检测   深度学习   机器视觉  

摘要： 随着经济的发展,我国对木材的需求量不断增加,对木材加工和板材品质的要求也不断提高。由于板材缺陷类型繁多、背景纹理复杂,导致目前基于传统方法的板材缺陷检测效率低、成本高和可靠性差等问题。因此,本研究提出了一种基于机器视觉结合深度学习算法的板材缺陷检测方法,该方法不仅能实现板材缺陷快速高效的检测,而且对推动木材产业向智能化方向发展具有深远的意义。本研究主要工作与创新如下: （1）针对板材缺陷的检测准确率低、效率差等问题,提出了一种基于改进YOLOv7-Tiny的板材表面缺陷检测算法。首先,使用归一化Wasserstein距离的度量方法改进损失函数,提升模型对小目标的检测能力;其次,使用多样化分支模块改进ELAN模块,并用于backbone的P2层和P5层,提升模型的特征提提取能力;最后,对Neck部分进行轻量化,使用GSConv降低计算成本,并使用Vo V-GSCSP模块来加速推理。结果表明,改进后得到的NDG-YOLOv7-Tiny模型的m AP值为93.9%,比原模型提高了3.8%,参数量和计算量分别比原模型减少了8.1%和10%;对比Faster RCNN、SSD和YOLOv5s模型,m AP分别提高了6.7%、6.1%和3.3%,模型参数量分别减少了86.6%、86.5%和21.3%。 （2）针对板材缺陷图像类别不均衡、数据量少和采集困难等问题,提出了一种基于改进Cycle GAN的数据增强算法。通过改进生成器和判别器,提升CycleGAN的图像生成能力,并将生成的多类板材缺陷图像与其它数据集进行整合,制作成多类板材缺陷数据集Multi-Class Wood Defect Dataset。通过对生成图像的主客观评价与实验对比,验证了改进Cycle GAN算法的有效性。 （3）提出了一种基于PCNDG-YOLOv7-Tiny的板材表面缺陷检测算法。通过对NDG-YOLOv7-Tiny使用多类板材缺陷数据集进行训练,得到检测能力进一步提升的CNDG-YOLOv7-Tiny模型,再对得到的模型进行稀疏训练和通道剪枝,减少模型参数量和提升模型的检测速度。结果表明,PCNDG-YOLOv7-Tiny的m AP为94.3%,高于原始YOLOv7-Tiny模型4.31%,低于CNDG-YOLOv7-Tiny模型0.84%,但检测速度提高了51.4%。 （4）设计并应用了视觉检测系统平台。通过平台整体设计,硬件选型与搭建,采用Qt软件进行可视化平台开发以及结合深度学习算法,完成了机器视觉板材缺陷检测系统。

关键词： 单片机   STC89C52RC   传感器   多参数   多样本   水质指标   自动测试  

摘要： 阐述基于单片机技术的多参数水质检测系统设计，系统以上位机软件和STC89C52RC单片机为主控单元，以HC-12单片机和各类水质指标传感器为检测单元。主控单元通过PWM脉冲控制信号进行硬件动作调整，HC-12单片机则通过AT指令集的收发与检测单元进行数据通信。在系统运行过程中，上位机软件与主控单元通过串口通信，使系统按照推杆下降-样品检测（传感器清洗）-推杆上升-风机转动-舵机转角的循环逻辑运动。系统能够一次自动测定四组32个样品的水质指标，测定结果通过HC-12返回至上位机软件界面进行保存和处理。对比标准结果表明系统的误差较小，能够满足样品检测的误差要求。

关键词： 双目视觉测量   路面平整度   智能车   ORBSLAM2   系统设计  

摘要： 近年来,我国道路交通系统日益庞大,各等级公路里程不断增加,截止2022年末公路总里程已达到535.48万公里,日常公路养护压力越来越大。路面平整度作为检测路面质量的一项重要指标,传统的路面平整度检测方法耗时费力,搭载激光雷达等传感器的道路检测车功能全面精度高但数量较少,研究路面快速检测新方法是当前热点。在“十四五”与大规模设备更新的背景下,路面检测设备智能一体化已成必然趋势。本文研究了基于双目视觉的路面平整度检测方法,搭建了无人车载数据采集硬件平台,完成了平整度检测系统设计与开发。主要研究内容如下: (1)搭建了无人车载双目视觉道路数据采集系统。将采集系统分为路面感知端、数据处理端与驱动控制端,实现了道路图像采集与平台运动控制。基于STM32单片机,串口连接各硬件元件,解析遥控器传输的SBUS协议数据并实现了通道数值的转换,使用增量式PID控制算法及麦克纳姆轮运动学理论,控制减速电机的转向转速,其摆式悬挂底盘可紧贴地面,有效保证了路面图像获取的准确性。 (2)针对双目视觉点云数据拼接耗时长的问题,研究并分析了双目视觉基础理论与SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)架构,利用采集的道路图像构建出整段路面点云。首先,分析了双目视觉结构模型与成像模型,经过相机标定及校正实验,得到相机标定参数。其次,剖析了立体匹配原理,针对Middleburry公共数据集图像实现了BM、SGM、SGBM及NCC四种立体匹配算法的视差获取。然后,解析了ORBSLAM2架构及运行原理,并将其作为视觉里程计对相机位姿进行估计与相机轨迹输出。最后,改写了ORBSLAM2图像流节点与点云拼接节点,实现了道路路面三维点云重建,实验表明点云拼接效率高。 (3)针对双目视觉点云如何提取路面平整度信息的问题,构建了综合随机抽样一致性(RANSAC)平面拟合和符合测量规范的路面点云高差计算的处理方法。首先,利用体素(Voxel)滤波对路面三维点云进行降噪与抽稀处理,保留了整体点云的几何特征。然后,利用RANSAC对点云进行平面拟合,结合ORBSLAM输出的相机轨迹,利用拟合平面与路面点云的高差信息,计算得到路面平整度信息。 (4)完成了路面平整度检测系统的设计与开发,依托实际工程项目完成了路面平整度检测与实验分析。交互界面进行了模块化设计,包括相机标定、数据采集、数据处理及平整度测量功能模块。采用三米直尺法、精密水准仪及颠簸累积仪三种路面平整度检测方法与本文方法进行试验分析,验证了本文方法的可行性。

关键词： 蜗轮副啮合   视觉检测系统   图像处理技术   接触斑点检测  

摘要： 蜗轮副具有传动效率高、结构简单、承载能力强、分度精度高、齿面接触稳定、调整方便、装配灵活以及传递功率范围大等优点,这些优点使得蜗轮副在机械领域及生活用品中得到了广泛的应用。尤其是在精密机械制造业、重型机械制造业以及自动化生成线中,对蜗轮副的啮合质量要求越来越高,同时蜗轮齿面的接触斑点是衡量蜗轮副的啮合质量的重要指标之一,然而目前对蜗轮副齿面的接触斑点的检测仍然是通过工程技术人员目测——经验判断为主,这种方法只能大致对蜗轮副的啮合状态进行评估,具有主观性强,检测进度低、难以量化评估等缺点,因此已经不满足现代化生成的要求,或者使用专业仪器检测,但这方面的仪器较少,而且价格较贵。 本文为了更加贴近实际的应用场景和实用的目的出发,将Tkinter(Tkinter是Python编程语言中用于构建图形用户界面(GUI)的控件集)、图像采集设备、图像的处理技术和计算机图形技术,设计和开发了一套的蜗轮副接触斑点自适应光强视觉检测系统。在图像数据采集方面,通过工业摄像头采集并通过网口传输给上位机;在图像预处理过程方面,融入了自适应光强的特点,增加了检测系统在实际环境中的应用能力;斑点边缘识别方法,使用改进的Canny算法,根据本文的目的,提出在自适应中值滤波——自适应权重双边滤波基础上,再使用二值图融合方法进行滤波,增加边缘保留能力的同时消除了齿面和红丹人工涂抹不均匀的影响,使用8方向的Sobel算法以及大津算法确定阈值的方法,增加边缘定位能力;接触斑点信息提取方法,融合使用了计算机图像技术,对齿面边缘进行最小二乘法拟合以及对齿面边缘进行网格划分,增加了啮合质量分析的准确性。本文主要内容分为以下几个部分: 1、阐述课题研究的背景和意义,并对机器视觉技术以及机器视觉检测技术进行了国内外探讨。 2、对检测系统的硬件进行了介绍和选型,并设计视觉检测系统的整体方案。 3、根据传统亮度调节算法进行改进,提出了一种“高亮调低,低亮几乎不变”的伽马调节算法,然后融合改进的多尺度Retinex(MSR)算法(自适应权重双边滤波和Tanh函数融合MSR算法),然后以Python语言编写光强自适应功能模板。 4、根据本文需求、蜗轮齿面的特点和人工涂抹红丹的主客观因素,改进了Canny算法,在Canny算法中提出了在自适应中值滤波——自适应权重双边滤波基础上,再使用二值图融合方法进行滤波,增加边缘保留能力的同时消除了齿面和红丹人工涂抹不均匀的影响,使用8方向的Sobel算法检测边缘以及大津算法确定阈值的方法,增加边缘定位能力,最后融合计算机图像技术,增加了啮合质量分析的准确性。 5、设计实验方案和对检测系统进行验证。利用设计的检测系统对采集的图片进行光强自适应和边缘检测进行在线检测,验证其效果,最终得到边缘图片。以离线处理的方式,先后对图片进行伪边缘消除颜色反转、最小二乘法拟合、网格划分、斑点信息提取。首先分析接触斑点的面积占比,如果占比60%～70%之间则说明啮合质量较好。最后分析造成蜗轮副接触斑点位置、面积占比等问题的原因。

关键词： 光纤布拉格光栅   阵列波导光栅   光纤法布里-珀罗标准具   传感技术   解调系统  

摘要： 近年来,光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)以其传输损耗低、抗电磁干扰、电隔离、重量轻等优点,被广泛用于工程、航空航天、医学等领域,基于光纤布拉格光栅的传感器可用于温度、压力、应变、加速度等物理量的测量。例如,光纤布拉格光栅可用于桥梁、隧道、建筑等结构的变形和应力,实现对结构健康状态的实时监测;也可以用于测量医学设备中的温度和压力,提高医疗设备的安全性和稳定性。同时,由于光纤布拉格光栅的高信噪比、结构紧凑性、高线性度、高灵敏度、抗电磁干扰性等优点,使得它们在恶劣环境如高温、极寒、高湿度、电磁环境复杂等情况下对比传统电学传感器有着巨大优势,在现代工业社会中有着举足轻重的地位。基于FBG的传感器通常是通过其反射谱的中心波长变化来反映外界物理量的变化,因此获取传感器中FBG的中心反射波长即FBG的解调技术是传感系统中的重要步骤,国内外学者对FBG的解调技术进行了深入的研究,提出了多种方法,它们都有各自的优势和劣势,除了环境适应性的问题外,还难以做到解调速度和解调精度的兼顾。 针对上述问题,本文基于阵列波导光栅(Array Wave guide Grating,AWG)设计搭建了一套FBG解调系统,在此过程中,除了提出基本的设计考虑因素之外,还在算法上进行了改进,解决了部分基于AWG对FBG进行解调的实际问题,并提出了一种方法对阵列波导光栅的温度敏感性进行了校正研究。 本文的主要研究工作如下: (1)简要介绍了基于光纤布拉格光栅的传感器的国内外研究概况,对光纤布拉格光栅的传感原理进行理论上的分析介绍。之后罗列了几种常见的光线布拉格光栅解调技术,介绍了它们的基本原理和研究现状,并对其优缺点进行对比分析。在此基础上提出了阵列波导光栅,简要介绍了基于阵列波导光栅的FBG解调技术研究概况。 (2)利用ASE宽带光源和阵列波导光栅解调FBG的原理验证,证明了该方案的可行性后将解调系统的整体构造分为了光学、电学、机械、上位机四个部分,对所需的光学器件和电子器件进行了详细的选型考虑;确定了机箱内部的具体布局和底板、侧板的设计制造;完成了基于Lab VIEW环境下的上位机程序开发,并针对大范围连续解调过程中的波长不连续问题进行了算法改进,经实验证明有效解决了动态信号解调种的信号失真问题。 (3)展示了解调仪实物图与上位机显示面板,并利用该解调系统与现有的两款FBG解调产品进行了多种应用场合下的性能对比测试,测试场景包括温度解调、蜂鸣片振动频率解调、气瓶压力信号解调、柴油发动机缸压解调。测试结果显示该解调系统的多项性能参数如波长稳定性、解调精度、解调速度、波长分辨率等优于同类产品,能够用于实际工业应用。 (4)简要介绍了F-P标准具的特性、基本结构以及跳峰F-P标准具的组成方式、工作原理。通过对跳峰F-P标准具和AWG的升温实验证明了前者的温度稳定性和后者的温度敏感性,阐述了了利用跳峰F-P标准具和可调窄带光源计算AWG通道波长的原理并进行了相关实验,实验结果表明当AWG的温度上升到35℃以后,利用该校正方法得到通道波长值能显著减小与实际波长值之间的偏差,具有良好的波长校正效果。