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目标检测算法在嵌入式系统中的设计与实现

目标检测算法在嵌入式系统中的设计与实现

作者：杨天鹏北京邮电大学

学位级别：硕士

深度学习目标检测算法近年来在自动驾驶、工业质检和智能安防等领域得到了广泛的应用。但是,相关算法存在神经网络层数较多、网络参数量与计算量很大等问题,造成其在硬件资源受限的嵌入式系统中要完成实时地对目标进行检测具有很大的挑... 详细信息

深度学习目标检测算法近年来在自动驾驶、工业质检和智能安防等领域得到了广泛的应用。但是,相关算法存在神经网络层数较多、网络参数量与计算量很大等问题,造成其在硬件资源受限的嵌入式系统中要完成实时地对目标进行检测具有很大的挑战性,无法很好地适应时间敏感类业务的需求。因此,本文面向嵌入式系统,基于MobileNetV2-SSD实时目标检测算法对算法进行优化设计与实现。首先,为了从网络结构对目标检测算法进行加速与轻量化,本文分析了 MobileNetV2-SSD目标检测算法的网络结构,并提出采用深度可分离卷积完全替换MobileNetV2-SSD目标检测算法中标准卷积的结构优化方案,对该方案压缩的计算量与参数量进行定量分析。其次,为了在推理过程中加速模型计算,本文对训练后的模型结构进行调整,对卷积层与批归一化(Batch Normalization,BN)层进行融合设计,将需要两个步骤进行的卷积计算和BN层计算融合为只需一个步骤的矩阵乘法。然后,本文从网络参数方面入手,来压缩模型大小,加速模型推理。首先,对模型参数进行优化设计,在模型推理阶段采用无符号整型8位量化方案缓解嵌入式系统计算资源与存储资源不足的问题,分别对卷积层与激活层进行矩阵乘法的量化设计。其次,为进一步加速目标检测,本文提出了卡尔曼滤波预测与目标检测算法融合的优化方案,即采用卡尔曼滤波算法直接预测物体检测框,从而降低目标检测算法模型推理的频次,获得了更低的物体检测平均时延和功耗。同时,通过仿真验证了该算法能够在良好的检测准确率下完成目标检测。最后,为验证本文设计的嵌入式目标检测优化算法,本文设计并实现了实时目标检测嵌入式系统。该系统的硬件基于迅为iMX6处理器和Google张量计算单元,软件依赖GStreamer流媒体框架和嵌入式模型推理APITensorFlow Lite。在该系统中,本文分别对优化算法进行了性能测试。测试结果表明,本文提出的算法优化设计能够在该嵌入式系统中实现低功耗、低时延和高性能的实时目标检测。

关键词：深度学习目标检测嵌入式系统 MobileNetV2-SSD

雷达/光学遥感数据在麦田土壤水分监测中的应用研究

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雷达/光学遥感数据在麦田土壤水分监测中的应用研究

作者：杨天鹏华东师范大学

学位级别：硕士

土壤水分直接影响着地表和大气之间的水分以及能量交换,是水文模型、气候模型、生态模型以及陆面过程模型的重要输入参数,在全球水循环、能量平衡及气候变化研究中扮演着重要角色。在农业应用研究中,土壤水分是农作物生长发育的基本条件... 详细信息

土壤水分直接影响着地表和大气之间的水分以及能量交换,是水文模型、气候模型、生态模型以及陆面过程模型的重要输入参数,在全球水循环、能量平衡及气候变化研究中扮演着重要角色。在农业应用研究中,土壤水分是农作物生长发育的基本条件,同时也是进行农作物长势监测、估产和旱情监测研究中的一个重要参数。基于地面实测站点的传统测量方式,既耗时又费力,很难实现区域尺度上土壤水分的高频率监测。光学卫星遥感受云、雨、霾等天气条件影响,以及地表植被覆盖的限制,很难对水分进行有效监测。雷达遥感可以弥补光学遥感的不足,因其具有全天时、全天候成像的能力,以及对土壤水分敏感、对稀疏植被和地表具有一定的穿透性等特点,因此是植被覆盖区域土壤水分估算中的一种有效手段。本研究以华北平原冬小麦主产区——河北省石家庄市无极县的麦田为研究区,在2017年1-6月间对研究区实验样地内的冬小麦长势和土壤情况进行了高频率实地观测,并综合利用多时期Sentinel-1雷达数据和Sentinel-2光学数据,进行了小麦不同生长期麦田土壤水分的反演研究。首先,基于高级积分方程模型（Advanced Integrated Equation Model,AIEM）建立土壤后向散射系数与土壤水分和地表组合粗糙度间的关系;其次,利用VV与VH极化差与组合粗糙度的关系,计算地表组合粗糙度,并求得低植被覆盖时期土壤水分;然后,利用光学影像计算植被含水量,应用水云模型（Water-Cloud Model,WCM）计算冠层后向散射贡献;最后,从雷达总体后向散射中去除小麦冠层后向散射贡献,得到土壤的后向散射信息,通过土壤水分和土壤后向散射及组合粗糙度的经验关系,求得高植被覆盖时期土壤水分。通过对比分析多时期土壤水分模拟结果与实测值得出:（1）对于低植被覆盖时期,对研究区大多数样点进行水分反演能够获得较好结果（R=0.84,RMSE=2.27%）;（2）对于高植被覆盖时期,植被冠层对后向散射的影响难以全部消除,相对于低植被覆盖时期其反演精度略有降低（R=0.58,RMSE=3.36%）。对于冬小麦生长的多个关键时期,总体上都具有较高的反演精度（R=0.73,RMSE=2.95%）。这表明本研究提出的土壤水分反演方法具有应用上的可行性,同时证实了利用同极化和交叉极化差值数据来计算组合粗糙度是可行的。

关键词：雷达遥感土壤水分水云模型(WCM) 高级积分方程模型(AIEM) 组合粗糙度

基于FPGA的两相混合式步进电动机驱动控制系统的设计

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基于FPGA的两相混合式步进电动机驱动控制系统的设计

作者：杨天鹏贵州大学

学位级别：硕士

本论文来源于航天林泉有限公司某雷达天线驱动控制系统的研究。该系统采用绕组电流细分控制技术,使得该系统在高速跟踪、低速扫描过程中步进电机细分切换自适应,速度不突变,系统运行稳定。论文以两相混合式步进电动机为研究对象,分析了... 详细信息

本论文来源于航天林泉有限公司某雷达天线驱动控制系统的研究。该系统采用绕组电流细分控制技术,使得该系统在高速跟踪、低速扫描过程中步进电机细分切换自适应,速度不突变,系统运行稳定。论文以两相混合式步进电动机为研究对象,分析了两相混合式步进电动机的结构和工作原理,重点研究了步进电动机的驱动控制技术。基于雷达天线要求具有高速跟踪、低速扫描的特点,本文在传统的细分控制技术基础上,提出了自适应细分步进电机控制方法。该控制方法能使步进电机低频振荡和噪声有所减轻、高频不失步。在此基础上,阐述了FPGA的设计原理以及所涉及到的相关芯片,然后对系统设计中所用的硬件描述语言VHDL及Quartus ii 6.0仿真软件等方面的知识进行了详细地介绍,这些为系统的具体设计提供了理论基础。该控制系统以Altera公司Cyclone系列芯片为控制核心,选用具有7位分辨率的L6217A步进电动机微步距驱动芯片,以及L6203 DMOS全桥驱动器等构成驱动电路。论文从系统设计方案、硬件电路、控制软件设计方面进行了详细地论述,并且完成了系统PCB板的制作及VHDL语言程序的编写与仿真。在器件选型和软、硬件设计方面兼顾了性能与成本等因素,性价比较高且通用性强。该驱动控制系统已完成制作并进行了联合调试,测试结果表明该驱动控制系统达到了系统设计前所提出的各项设计指标,系统运行安全、可靠、稳定。

关键词：两相混合式步进电动机现场可编程门阵列 VHDL硬件描述语言细分驱动

丁香酚通过嗅觉通路改善昆明鼠学习记忆的机制研究

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丁香酚通过嗅觉通路改善昆明鼠学习记忆的机制研究

作者：杨天鹏安徽医科大学

学位级别：硕士

研究背景及研究目的嗅觉是外界与大脑直接联系的惟一感觉,嗅觉神经系统与动物的觅食、求偶、辨析安全与危险、情感交流等生存本能直接相关,也是目前人们了解得最少的感觉。近年来有研究表明嗅觉神经系统的机理与大脑学习记忆的机理有着... 详细信息

研究背景及研究目的嗅觉是外界与大脑直接联系的惟一感觉,嗅觉神经系统与动物的觅食、求偶、辨析安全与危险、情感交流等生存本能直接相关,也是目前人们了解得最少的感觉。近年来有研究表明嗅觉神经系统的机理与大脑学习记忆的机理有着十分密切的关系,如嗅质在慢波睡眠期间能诱导陈述性记忆功能的巩固或整合,嗅觉记忆可影响神经元突触的重塑而改变动物的神经行为表现,嗅觉中枢本身也参与了学习记忆过程。本实验室以往的研究发现丁香酚能通过嗅觉吸入途径改善小鼠空间学习记忆的功能,本研究继续以丁香酚及嗅觉与学习记忆关系出发,通过嗅觉吸入药物丁香酚,结合小鼠嗅球摘除模型,采用多组神经行为学方法进一步观察丁香酚改善小鼠学习记忆的效果,并用神经电生理记录丁香酚、甲醛、醋酸、甲苯等不同嗅质吸入时嗅球诱发电位的不同改变,以及免疫组织化学检测海马、皮层等脑区的神经递质变化,探讨丁香酚通过嗅觉通路改善小鼠学习记忆的机制,试图把丁香酚开发成改善学习记忆,防治老年性痴呆等神经精神疾病的药物。方法通过神经行为学筛选及制作嗅球摘除模型,把昆明鼠分为空白组、假手术组、模型组(或嗅球摘除组)、药物组(或丁香酚吸入组)、模型+药物组,通过嗅觉六臂迷宫实验、嗅觉辨识记忆实验、自主活动等行为学方法测定丁香酚对小鼠的空间学习记忆、嗅觉辨识记忆、中枢神经兴奋性的影响;吸入不同浓度的丁香酚后嗅球诱发电位改变,及正常情况下嗅球自发放电和吸入丁香酚、甲醛、醋酸、甲苯等4种不同嗅质后嗅球诱发电位的比较;通过免疫组织化学方法检测各组小鼠海马、皮层等脑区的HE染色、尼氏染色以及ChAT、GABA、Glu等神经递质变化。结果1.神经行为学结果发现丁香酚组嗅觉六臂迷宫实验及嗅觉辨识记忆实验潜伏期低于其它组,吸入丁香酚后的假手术组、模型组的自主活动高于空白组;2.神经电生理结果显示通过比较小鼠正常情况下嗅球自发放电及吸入丁香酚、甲醛、醋酸、甲苯等4种不同嗅质,嗅球诱发电位具有不同的特征性;吸入不同浓度的丁香酚,嗅球诱发电位随着丁香酚浓度增加,嗅球放电的频率、振幅无明显变化;3.免疫组织化学结果显示吸入丁香酚的小鼠的皮层、海马的ChAT、Glu等神经递质在有明显增加,而GABA无明显改变。结论1.丁香酚通过嗅觉吸入能明显增强昆明鼠学习记忆能力;2.嗅球诱发电位显示丁香酚吸入可引起特征性电位变化;3.丁香酚通过嗅觉通路可引起小鼠皮层、海马的ChAT、Glu等神经递质的改变;4.丁香酚改善学习记忆的机制与嗅觉通路存在直接联系。

关键词：丁香酚嗅觉通路学习记忆神经行为学神经电生理免疫组织化学

商业综合体火灾应急疏散双目标路径优化与仿真研究

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商业综合体火灾应急疏散双目标路径优化与仿真研究

作者：杨天鹏西安建筑科技大学

学位级别：硕士

组合牵伸对场地自行车短距离项目女运动员肌肉疲劳恢复的影响

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组合牵伸对场地自行车短距离项目女运动员肌肉疲劳恢复的影响

作者：杨天鹏北京体育大学

学位级别：硕士

当今竞技体育运动的发展给运动训练提出了更高的要求,面向更快、更高、更强的奥林匹克宗旨,不仅需要有科学的训练方法,而且还要有科学有效的恢复手段。现行针对场地自行车缓解肌肉疲劳的研究以基本研究居多。大多都是恢复骑行和按摩放... 详细信息

当今竞技体育运动的发展给运动训练提出了更高的要求,面向更快、更高、更强的奥林匹克宗旨,不仅需要有科学的训练方法,而且还要有科学有效的恢复手段。现行针对场地自行车缓解肌肉疲劳的研究以基本研究居多。大多都是恢复骑行和按摩放松等传统恢复手段,有个别关于牵伸的研究不够系统和科学。牵伸作为一种有效手段用于缓解因运动导致的运动性疲劳,以往的研究只重视某一牵伸技术的单一效应,而且牵伸动作与专项运动方式不完全贴合,往往导致没有发挥牵伸的最佳效应。本研究运用文献资料法、访谈法、实验法与数理统计法对场地自行车短距离项目女子运动员进行组合牵伸,采取自身对照的方式,通过对比实验干预前后运动能力和生理生化指标的途径,探究组合牵伸对场地自行车短距离女子运动员肌肉疲劳恢复的影响。研究结果:组合牵伸干预后在运动能力方面运动员8s加速骑行最大功率与干预前具有显著性差异(P<0.05),最大功率值上升1.56%;在生理生化指标方面运动员的血乳酸、肌酸激酶、主观感觉疼痛阈与干预前均具有显著性差异(P<0.05),干预后血乳酸和肌酸激酶浓度恢复较干预前快,主观感觉疼痛阈较干预前有所升高。研究结论:1.场地自行车短距离项目从属体能主导类速度性项群,运动负荷较大,大强度的运动训练易发生肌肉疲劳等现象。2.在本研究探讨的6种不同组合顺序牵伸中,相比较能够达到最佳牵伸效果的是C组;相对较差的是F组。将静态牵伸与PNF牵伸紧密结合编排,尤其是先进行静态牵伸紧接着进行PNF牵伸,其牵伸效果较好。3.通过实验证明组合牵伸在缓解场地自行车短距离项目女子运动员运动后肌肉疲劳恢复具有积极的作用。

关键词：组合牵伸场地自行车肌肉疲劳恢复

柔性炭纤维双金属磷化物的制备及电化学性能研究

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柔性炭纤维双金属磷化物的制备及电化学性能研究

作者：杨天鹏浙江理工大学

学位级别：硕士

超级电容器(SCs)被认为是21世纪最有应用前景的高性能电源之一。电极作为超级电容器的核心部分,可直接影响其性能表现。因此,开发出性能优异的新型电极材料成为当前的研究重点。使用活性炭纤维与氧化还原性材料相结合,构建具有高能量密... 详细信息

超级电容器(SCs)被认为是21世纪最有应用前景的高性能电源之一。电极作为超级电容器的核心部分,可直接影响其性能表现。因此,开发出性能优异的新型电极材料成为当前的研究重点。使用活性炭纤维与氧化还原性材料相结合,构建具有高能量密度和良好柔韧性的复合电极是一种较好思路。常见方式是将粘合剂与活性物质混合,采用直接涂覆的方法制备复合电极。该方法较为复杂,制备的复合电极电容性能低,稳定性较差,并且机械性能一般。若通过原位生长的方式,将活性物质直接负载于柔性基底,可得到同时具备优异电化学性能和机械性能的柔性复合电极材料。本论文通过对市售棉织物进行高温碳化处理,得到的活性炭纤维网状体(CNW),表现出较好的机械性能和导电性。将其作为基底,在其表面原位生长活性物质制备得到柔性复合电极材料,并对其电化学性能进行表征。采用水热法制备一维纳米线阵列形貌的CNW/NiCo2O4复合材料作为前驱体,再以次磷酸钠(SHP)为磷源,通过控制程序升温至300℃,磷化得到CNW/NiCoP复合材料,保留了前驱体的纳米线形貌特征,纳米线直径约70～90 nm,长约1.0μm。CNW/NiCoP复合电极倍率特性较好,在CV测试中,当扫描速率从2 mV·s-1增加至20 mV·s-1时,电容保持率为60.8%。CNW/NiCoP复合电极达到最大比电容1167.2 F·g-1(电流密度2 mA·cm-2),经1000次连续充放电后(电流密度10 ***-2),比电容保持率83.3%。首次通过一步溶剂热法制备CNW/M11(HPO3)8(OH)6,M=(Ni+Co)(CNW/MHP)复合材料。研究了反应时间、反应温度以及溶液中SHP浓度等参数,对复合材料的包覆程度、晶体大小,形貌特征的影响。在反应时间16 h,反应温度160℃条件下,能得到包覆均匀致密的CNW/MHP复合材料。溶液中SHP浓度为0.1 mol·L-1时,得到纳米棒状形貌,直径约400 nm,长度约2.0 μm,棒的顶端呈花苞状,相互交错生长;SHP浓度为0.2 moI·L-1时,得到纳米片状形貌,纳米片厚约50 nm,片宽约1.0～2.0 μm,纳米片呈木耳状。在棒状和片状CNW/MHP复合电极的电化学性能测试中,两种形貌均表现出良好的倍率特性。在2 ***-2电流密度下,棒状CNW/MHP复合电极最大比电容为1357.5 F.g-1,而片状可高达1513.6 F.g-1;在10 ***-2的电流密度下,经过1000次循环充放电,棒状和片状复合电极的电容保持率分别为82.4%、84.3%,具有较好电容稳定性。片状CNW/MHP复合材料具有较好柔性特质,可进行拉伸、卷曲、扭曲等,经测试其拉伸后电化学性能无明显变化。本文重点研究以CNW为基底,探究制备复合材料过程中实验参数的影响,以期得到电化学性能表现优异的柔性复合电极。首次成功制备双金属羟基盐磷酸盐复合材料,并研究了最佳合成条件,为该复合材料以后更深入的研究打下基础。

关键词：复合电极活性炭纤维网状体 NiCoP MHP 电化学性能

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非均匀数据的聚类算法研究及应用

非均匀数据的聚类算法研究及应用

作者：杨天鹏福建师范大学

学位级别：硕士

聚类分析作为数据挖掘的一项重要技术,其核心思想是将一个给定数据集划分成多个子集,每个子集为一个簇,使得簇内对象彼此相似,与其他簇中对象不相似。传统的聚类算法可分为基于划分聚类、层次聚类、基于密度和网格聚类、基于模型的聚类... 详细信息

聚类分析作为数据挖掘的一项重要技术,其核心思想是将一个给定数据集划分成多个子集,每个子集为一个簇,使得簇内对象彼此相似,与其他簇中对象不相似。传统的聚类算法可分为基于划分聚类、层次聚类、基于密度和网格聚类、基于模型的聚类、其他聚类算法等。目前,聚类分析已广泛应用在Web搜索、文本处理、医疗数据分析等众多场景中。非均匀数据(non-uniform data)是现实生活中一类常见的数据集,例如医疗诊断数据、森林灾害监测数据等。这类数据典型特点是在一个数据集中不同簇之间的样本数量和样本密度有较大差异,相较于不平衡数据(Imbalanced data),非均匀数据能更准确地表述此类数据。对这类数据进行聚类分析是当前数据挖掘领域的一个难点的问题。针对这一难点问题研究者做了相关研究,但目前仍存在一定的问题,其中较为突出的有:(1)K-means型算法对非均匀数据进行聚类分析时存在“均匀效应”问题;(2)当前的非均匀数据聚类算法大多定义在全空间中,并没有考虑子空间情形;(3)大规模非均匀数据的处理效率问题。针对以上问题,本文分别做了相关研究。以下对本文研究工作和创新之处进行简要介绍:(1)提出一种基于变异系数的非均匀聚类算法,以解决“均匀效应”问题。本文以变异系数度量非均匀数据的分布散度,同时定义了一种非均匀数据的相异度公式;基于新的相异度度量方法定义了聚类目标优化函数,并根据局部优化方法给出聚类算法过程;最后,在医疗诊断数据集上进行应用分析,实验结果表明,该算法在非均匀数据上提高了聚类精度。(2)提出了一种非均匀数据的软子空间聚类算法。首先介绍了子空间聚类,然后提出一个描述非均匀数据簇的软子空间高斯混合分布模型,该模型允许数据集中同时包含密度和大小存在差异的簇;其次,推导了非均匀数据聚类的目标优化函数,并定义了优化该函数的EM型聚类算法。在医疗诊断和其他真实数据上进行应用分析,实验结果表明新算法有较高的聚类精度。(3)将非均匀数据聚类算法与Spark平台结合,利用并行计算对大规模非均匀数据进行聚类分析。本文以一种非均匀数据聚类算法为基础对算法进行了相关改进设计以适应分布式平台并行计算所需要的条件,然后在Spark平台中实现了算法并进行了实验测试。

关键词：非均匀数据均匀效应聚类分析变异系数软子空间聚类

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高超声速飞行器前缘流-热-固一体化计算

国防科技大学学报 2018年第6期40卷 9-16页

作者：李佳伟王江峰杨天鹏季卫栋南京航空航天大学航空宇航学院江苏南京210016

针对高超声速流动气动加热与结构传热的复杂耦合问题,探索和研究基于有限体积法的高超声速流-热-固一体化求解方法,将流场与结构温度场进行统一建模与数值模拟。该方法避开了传统气动加热和结构传热耦合求解方法在时间域内进行流场与结... 详细信息

针对高超声速流动气动加热与结构传热的复杂耦合问题,探索和研究基于有限体积法的高超声速流-热-固一体化求解方法,将流场与结构温度场进行统一建模与数值模拟。该方法避开了传统气动加热和结构传热耦合求解方法在时间域内进行流场与结构温度场耦合交替迭代计算所带来的大量数据交换与计算,将流场与结构温度场作为一个物理场,采用统一的控制方程进行求解。采用典型高超声速绕流二维圆管稳态或非稳态流-热-固耦合算例对该一体化方法进行验证,稳态时圆管驻点温度最高达到648 K,非稳态时的热流密度和结构温度与参考文献和实验值吻合较好,由此证明了该方法的可靠性和正确性。与耦合计算方法的对比分析结果表明:该一体化求解方法所得计算结果更接近实验值,并且计算量和网格依赖性都相对较小,具有更好的稳定性和计算精度,能为高超声速飞行器一体化热防护设计提供有效的理论和技术支撑。

关键词：流-热-固一体化求解结构传热高超声速数值模拟