高精度巡检系统压力传感器标校及目标跟踪算法研究

摘要

要害区域高精度巡检系统不但可以实现要害区域内管路压力数据的高精度监测，为测控设备提供必要的提示信息，而且能够在要害区域内对巡检人员进行精确定位并实时跟踪其巡检路线，通过智能行为分析为巡检人员提供更高级别的人身安全防护。本论文对要害区域高精度巡检系统中所涉及的探测技术、数据采集技术及算法进行了深入研究，同时还设计了一套用于特殊环境下的视频采集和传输系统。
　　针对要害区域高精度巡检系统中管路压力数据采集模块的设计要求，选择了一款满足应用需求的压力传感器。根据其输入输出特性曲线，建立了非线性误差校正模型，提出了一种高精度的非线性误差校正算法。该算法不同于常规的BP(error Back Propagation，误差反向传播)和RBF(Radius Basis Function，径向基函数)，其先通过RBF网络得到某一温度下输入输出特性曲线的斜率和截距，然后描述出电压-压力曲线。仿真对比实验显示：本算法具有较快的收敛速率、较强的鲁棒性和极小的SSE(Sum of Squares for Error，误差平方和)。实际应用结果表明：应用该算法的标校系统的测量精度优于0.1％。
　　为有效对要害区域内的强机动和弱机动运动行为进行三维空间定位和运动轨迹实时跟踪，我们提出了一种改进的CAUKF(Current statistical model based Adaptive Unscented Kalman Filter，基于“当前”统计模型的自适应不敏卡尔曼滤波)算法，其可用于封闭环境并能够对机动目标进行精确定位和实时跟踪。为了引入卡尔曼滤波器，先将RSSI(Received Signal Strength Indication，接收信号强度指示)值带入测量方程，即可获得状态空间模型。根据一种基于路径损耗模型的可用于机动目标跟踪的“当前”统计模型，提出了改进的自适应UKF算法。通过引入一种改进的Sage-Husa估计器的新颖思想，使过程噪声协方差Q(k)具有了较好的自适应性。通过模糊控制思想的引入，提出了改进的模糊自适应 UKF算法用于估计观测噪声协方差 R(k)。通过与其他算法的仿真对比实验，研究了该算法的定位精度和运动轨迹实时跟踪能力。
　　根据巡检系统应用现场的环境特点和使用需求，设计了一套能够在高温、强辐照环境下使用的视频采集和传输系统。通过与市场上成熟商业产品的对比实验，研究了所设计系统的环境适应能力。通过图像增强对比实验，研究了辅助一定的图像增强手段来提高视频图像清晰度的必要性并验证了图像增强功能的有效性。
　　最后，本论文提出了要害区域高精度巡检系统的总体架构，阐述了系统的工作原理。根据系统设计要求，完成了其他硬件模块的设计。随后介绍了巡检系统的软件结构，详细阐述了前端模块所用的核心算法。在介绍了模拟场地实验方案后，分别进行了压力传感器非线性误差校正实验、封闭环境中目标定位和运动轨迹实时跟踪实验，温度采集实验以及无线视频采集与显示实验，并给出了相应的实验结果。实验结果很好地验证了实验方案的合理性以及本论文所提出的算法的有效性和可靠性。

目录

声明

缩写与中英文对照表

1 绪论

1.1 引言

1.2 目的和意义

1.3 巡检系统的研究现状

1.4 要害区域高精度巡检系统的特定应用需求

1.5 要害区域高精度巡检系统中关键技术的研究现状

1.6 课题来源与背景

1.7 论文的主要内容与结构

2 高精度压力传感器标校算法研究

2.1 压力传感器高精度标校原理

2.2 拟合方法比较研究

2.3 算法仿真与测试

2.4 实际应用结果

2.5 本章小结

3 机动目标精确定位及运动轨迹实时跟踪算法研究

3.1 机动目标运动模型比较研究

3.2 状态估计滤波算法比较研究

3.3 基于“当前”统计模型的UKF算法

3.4 最终改进的CAUKF算法

3.5 算法仿真实验研究

3.6 本章小结

4 基于图像增强的无线视频采集装置研究与设计

4.1 无线视频采集装置硬件设计

4.2 无线视频采集装置软件设计

4.3 视频采集模块耐辐照和耐高温实验研究

4.4 基于图像增强的无线视频传输实验研究

4.5 本章小结

5 巡检系统设计及模拟场地实验研究

5.1 巡检系统总体架构

5.2 巡检系统设计要求

5.3 巡检系统其他硬件设计

5.4 巡检系统软件结构

5.5 模拟场地实验研究

5.6 本章小结

6 全文总结与研究展望

6.1 本论文的主要工作及创新点

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的论文

附录2 攻读博士学位期间取得的其他成果

附录3 发表的学术论文、专利与论文的对应关系

附录4 攻读博士学位期间参加的科研项目