微地形实时探测与重构的高速DSP数据处理系统研究

摘要

实现对采矿车前方微地形的实时探测与重构是深海富钴结壳优化采集关键。结合摆动式单探头单波束超声测距装置，本文提出了一种基于TMS320C6416通用高速DSP的微地形实时探测与重构解决方案，并建立了相应的软、硬件平台。硬件平台由水下超声探测装置、高速采集卡、DSP核心处理模块、单片机控制模块、电子罗盘模块和上位机PC六部分组成。PC发送工作指令到单片机后，单片机同步触发超声波发射和采集卡工作，采集卡将采集到的超声波信号送入DSP中进行相应处理，最后将处理好的DEM网格数据通过异步串行通讯接口上传到PC机上，对微地形进行三维显示。 基于DSP中断机制，本文在CCS3.1环境下编写了DSP端处理软件及自主加载程序，实现了同步信号接收、数据采集、数据处理、数据上传、代码固化、DSP上电自动运行等功能；同时在上位机PC的VC++6.0环境下，利用MSComm ActiveX控件及动态链接库编写了数据接收及地形显示软件，实现微地形三维图的实时显示。 微地形高程值利用互相关算法获取，精确的规则网格DEM数据通过对高程值进行异常值剔除、支持向量机预测、整体坡度修正、内插等处理得到；在接入电子罗盘姿态角度数据和已知行走速度的基础上，提出了结合航迹推算法和采矿头姿态角框定待切削区域的方案，并根据最优切削深度模型计算出框定区域最优切削深度。 最后，在实验室条件下进行微地形探测模拟实验，分析微地形探测与重构系统的误差，验证其探测精度、实时性、可行性和工作连续性，结果表明该系统的性能达到了设计要求。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1背景及目的意义

1.1.1选题背景

1.1.2研究的目的和意义

1.2数字信号处理的硬件方案比较

1.3 DSP在国内外类似数据处理系统中的应用

1.3.1 DSP在导航定位中的应用

1.3.2 DSP在超声波测距方面的应用

1.3.3微地形探测与重构数据处理系统用于深海采矿需解决的问题

1.4研究内容及技术路线

1.5本章小结

第二章微地形探测与重构数据处理系统硬件平台设计

2.1系统设计要求及硬件解决方案

2.1.1设计要求

2.1.2系统硬件设计解决方案

2.1.3接口设计

2.2硬件平台

2.2.1硬件模块结构

2.2.2系统工作流程

2.3本章小结

第三章微地形探测与重构数据处理系统软件平台设计

3.1 DSP中断处理

3.1.1中断类型和中断信号

3.1.2中断服务表(IST)

3.1.3中断控制寄存器

3.1.4中断源及中断选择

3.1.5系统中断应用及编程

3.2信号输入

3.2.1 AD940M采样卡配置

3.2.2 EDMA通道配置及数据传输实现

3.3串口通信

3.4系统自主加载(BOOT-LOADER)

3.4.1 BOOT概述

3.4.2 BOOT加载方式

3.4.3 ROM加载分析

3.4.4本系统ROM加载实现

3.5 PC端数据通信和地形显示软件编写

3.5.1程序功能及编程思想

3.5.2软件实现

3.6本章小结

第四章精确网格DEM高程数据形成

4.1坐标系建立

4.2基于互相关算法的高程值计算

4.2.1互相关理论

4.2.2基于互相关的高程值计算

4.2.3高程值计算在DSP中编程实现

4.2.4应用与验证

4.3基于数据加窗法的高程异常值剔除

4.3.1改进的数据加窗法

4.3.2数据加窗法在DSP中编程实现

4.3.3应用与验证

4.4中值滤波

4.4.1改进的中值滤波方法

4.4.2应用与验证

4.5基于支持向量机的高程值预测

4.5.1支持向量机回归模型

4.5.2基于序贯最小优化(SMO)算法的支持向量机编程

4.5.3支持向量机预测在DSP中的编程实现

4.5.4应用与验证

4.6基于坡度信息修正及线性内插的微地形规则网格DEM建立

4.6.1基于坡度信息的整体地形修正

4.6.2基于线性内插的微地形规则网格DEM建立

4.6.3坡度信息修正及线性内插在DSP中编程实现

4.6.4应用与验证

4.7本章小结

第五章待切削区域最优切削深度计算

5.1待切削区域框定

5.1.1基于航迹推算的采矿车定位

5.1.2超声探头摆动中心定位

5.1.3待切削区域的框定

5.2最优切削深度计算

5.2.1微地形粗糙度的计算

5.2.2相对平均高程的计算

5.2.3高程均方差的计算

5.3待切区域框定及最优切削深度计算在DSP中编程实现

5.4应用与验证

5.5本章小结

第六章实验与验证

6.1实验目的及内容

6.2实验系统组成及其工作原理

6.2.1实验系统组成

6.2.2实验系统工作原理

6.3实验验证

6.3.1实验器材

6.3.2实验1超声波发射信号采集和截取

6.3.3实验2微地形探测与重构实验

6.3.4实验3待切区域框定及最优切削深度计算

6.4本章小结

第七章总结与展望

7.1全文总结

7.2今后工作展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间主要的研究成果