基于多傳感器信息融合的機電一體化系統(tǒng)設計

鐘 嵐

（1.四川大學，四川 成都 610051；2.成都廣播電視大學，四川 成都 610051）

0 引言

機電一體化系統(tǒng)結合自動化與機械化，可替代許多簡單的重復性工作，有效解決機械工業(yè)中的制造、安裝、組裝等環(huán)節(jié)問題。目前，在計算機技術與微電子技術融合的條件下，機電一體化系統(tǒng)已經(jīng)深入應用到機械工程的技術結構中，促進機械工程的改革，推動機械工程的發(fā)展，使機械工程在產(chǎn)品、生產(chǎn)、管理等多個環(huán)節(jié)內(nèi)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變。機電一體化系統(tǒng)不僅為機械工業(yè)提供更好的技術優(yōu)勢，同時在機械制造領域中，也發(fā)揮著至關重要的作用。當前與機械工業(yè)相關的企業(yè)，或者使用機械設備的企業(yè)中，大多數(shù)企業(yè)將機電一體化作為生產(chǎn)主要工具，憑借機電一體化技術的優(yōu)勢，快速打開市場。當前在機電一體化系統(tǒng)控制下，產(chǎn)生許多微控制器產(chǎn)品，經(jīng)過技術創(chuàng)新與變革，逐漸出現(xiàn)了數(shù)控機床和數(shù)控機器人，為機械工業(yè)發(fā)展提供了更加強勁的技術手段[1]。

為進一步提升系統(tǒng)控制的準確性，有學者提出兩種方法（傳統(tǒng)方法一和傳統(tǒng)方法二），即通過應用智能控制技術引入單一信息融合方法，優(yōu)化現(xiàn)有的機電一體化系統(tǒng)[2?3]。但實驗測試結果顯示優(yōu)化后的系統(tǒng)在目標追蹤結果上并沒有顯著提高準確性，因此以單一信息融合方法設計的系統(tǒng)為研究依據(jù)，設計一個基于多傳感器信息融合的機電一體化系統(tǒng)。其多傳感器信息融合技術是利用多個傳感器感知數(shù)據(jù)，再以一定規(guī)則使用和支配這些感知數(shù)據(jù)，消除信息之間的隱含矛盾，得到對感知對象的描述，以此加強系統(tǒng)的遠程控制能力[4]。

1 設計機電一體化系統(tǒng)硬件

1.1 傳感器節(jié)點供電電源

由于此次設計的系統(tǒng)要融合多傳感器信息融合技術，為保證數(shù)據(jù)的準確性，重新設計傳感器節(jié)點供電電源，保證傳感器工作狀態(tài)不會影響信息融合結果。

對于多個傳感器節(jié)點來說，傳感器芯片以及CC2431 芯片，都需要供電，且要求的供電電壓不一定一致，所以設計多種供電方式，用來滿足不同的供電需求。對于CC2431 芯片和傳感器芯片，選擇使用2 個電源提供電力，串聯(lián)后提供6 V 電壓，以該電壓值為基準變換電路，獲得芯片需要的電壓值。已知CC2431 芯片的工作電壓為3.3 V，采用MAX687 線性集成穩(wěn)壓器，對電壓進行變換，提供更加穩(wěn)定電壓的同時，可為電源電量下降狀態(tài)下的不穩(wěn)定電壓提供穩(wěn)壓保護。此次設計選擇的MAX687 具有8 級DIP 封裝和SO 封裝，其壓差較低，輸出電壓穩(wěn)定，具有穩(wěn)壓保護功能。當電壓低于正常電壓，且超過一定值后，該穩(wěn)壓器會在上述情況下自動切斷電源，提供斷電保護功能；當電源恢復后，該穩(wěn)壓器會恢復電壓輸出，這樣就保證芯片避免受到不穩(wěn)定電壓的影響。圖1 為設計后的電源電路圖，通過電路連接和對各個元器件的調(diào)整，為CC2431 芯片提供3.3 V 的工作電壓[5]。

圖1 射頻芯片電源電路圖

根據(jù)傳統(tǒng)方法設計的傳感器節(jié)點可知，傳感器芯片也需要不同電壓供電，但芯片的供電電壓需要小于6 V，所以將CC2431 芯片供電設計方案復用到傳感器芯片供電方案中，只調(diào)整其中穩(wěn)壓器周邊電路元件的參數(shù)，就可以變換基準電壓，得到傳感器芯片需要的供電電壓值。傳感器芯片電源電路圖[6]如圖2 所示。

圖2 傳感器芯片電源電路圖

通過上述內(nèi)容，重新設計射頻CC2431 芯片、傳感器芯片的供電電源，為多傳感器信息融合技術提供硬件服務支持。

1.2 啟動電路和復位電路

機電一體化系統(tǒng)作為控制類系統(tǒng)，其對精確度的要求十分嚴格，因此重新設計啟動電路和復位電路，加強遠程控制的硬件條件。

在系統(tǒng)的微處理器中，芯片內(nèi)寄存器BOOT[1：0]引腳會決定處理器的啟動模式，這些決策將每個啟動模式中物理存儲區(qū)域映射到存儲塊“0”中。而BOOT引腳的取值，被鎖定在SYSCLK 復位后的第4 個上升沿。本次設計用戶自行設置引腳BOOT1和引腳BOOT0，以確定系統(tǒng)復位后的啟動模式。設計的啟動電路如圖3a）所示[7]。

圖3 啟動與復位電路

當啟動模式選擇引腳BOOT1 的值為空時，BOOT0為0，主閃存存儲器被選擇為啟動模式的啟動區(qū)；當啟動模式選擇引腳BOOT1 的值為0 時，BOOT0 為1，系統(tǒng)存儲器被選擇為啟動模式的啟動區(qū)；當啟動模式選擇引腳BOOT1 的值為1 時，BOOT0 為1，內(nèi)嵌存儲器SRAMSRAM 被選擇為啟動模式的啟動區(qū)。

復位電路在系統(tǒng)遠程控制中更是不可缺少的。STM32集成上電復位和掉電復位，當供電電壓低于2.0 V時，系統(tǒng)控制器對自身進行自動復位。當時為避免部分突發(fā)性故障的負面影響，設計手動復位電路，當此類電路被觸發(fā)時，無論系統(tǒng)處于何種工作狀態(tài)，都將被強行恢復到初始值[8]。

至此，基于多傳感器信息融合的機電一體化系統(tǒng)硬件部分設計完畢。

2 設計機電一體化系統(tǒng)軟件

在硬件設計的基礎上，構建一個信息融合模型，實現(xiàn)多傳感器信息融合。信息融合模型的本質(zhì)就是一個信息處理模型實現(xiàn)多方面、多級別以及多層次數(shù)據(jù)的處理。已知系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包括機械工作數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)屬性和來源均不同，且有時會出現(xiàn)信息互補與信息冗余現(xiàn)象，建立的融合模型就是對采集的傳感器數(shù)據(jù)按照規(guī)定的限制進行組合處理，實現(xiàn)對多源信息的融合。

根據(jù)機電一體化系統(tǒng)的功能特點，建立信息融合的過程：首先利用滑動窗口，對多傳感器數(shù)據(jù)集合按數(shù)據(jù)時間劃分，生成不同時間域的數(shù)據(jù)序列；然后采用時間信息冗余融合手段，提取頻域特征，通過最優(yōu)估計得到對屬性變化的規(guī)律；結合規(guī)律二次處理數(shù)據(jù)序列，得到融合后的數(shù)據(jù)，此階段是在系統(tǒng)測量空間中操作。在屬性空間中，根據(jù)數(shù)據(jù)序列的特征向量，找出數(shù)據(jù)之間的外在與內(nèi)在關聯(lián)。最后在屬性空間中，將具有關聯(lián)特征的向量，利用多傳感器信息融合技術，進行空間信息融合，根據(jù)融合后的數(shù)據(jù)，設置決策指令[9?10]。

按照上述描述的過程，假設滑動窗口[ti,ti+1] 包含N個數(shù)據(jù)，多個傳感器中，傳感器A的測量數(shù)據(jù)構成的數(shù)據(jù)序列為{si|i=0,1,2,…,N-1}。此時該傳感器的數(shù)據(jù)，按照當前的滑動窗口，被劃分為不同的數(shù)據(jù)序列，將這些數(shù)據(jù)序列默認為系統(tǒng)處理基本單元。保證數(shù)據(jù)內(nèi)部關聯(lián)的同時，也反映當前時間窗口下，傳感器A測量數(shù)據(jù)的特征。

傳感器在實際環(huán)境中采集的數(shù)據(jù)包含真實數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)。已知噪聲Si(t) 無法預測且不可知，因此假設噪聲Si(t) 滿足高斯分布，且根據(jù)實際工作環(huán)境，確定其方差和均值。已知屬性度量時間窗口中的特征變化，存在一定規(guī)律，此次研究利用函數(shù)g(s) 表示該規(guī)律，但規(guī)律具有復雜性和客觀性，函數(shù)g(s) 的數(shù)學公式很難直接確定。假設環(huán)境噪聲是加性噪聲j，真實數(shù)據(jù)混合噪聲后，以數(shù)據(jù)流{…,si,si+1,…,sj,…}的形式發(fā)送到接收端，服務器接收到的數(shù)據(jù)也以數(shù)據(jù)流的形式出現(xiàn)，此時的物理環(huán)境可以簡化為如圖4 所示的模型[11?13]。

圖4 數(shù)據(jù)流和滑動窗口模型

依據(jù)圖4 中的模型，將含有多個傳感器的系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)抽象成下列形式，為了便于直觀觀察，默認系統(tǒng)傳感器的數(shù)量為3 個：

式中：A(t)，B(t)，C(t)分別表示三個傳感器的測量值；a(t)，b(t)，c(t)表示傳感器的真實值測量值；za(t)，zb(t)，zc(t)表示傳感器在所處實際工作環(huán)境中的測試噪聲[14]。服務器根據(jù)時間窗口劃分數(shù)據(jù)得到函數(shù)：

式中gi(t-ti)表示窗口時間為[ti,ti+1]時的屬性真實值。

在整個時間軸上，按照滑動窗口劃分數(shù)據(jù)序列，每段數(shù)據(jù)序列用gi(t-ti)表示。但因為gi(t)只是連續(xù)變化的物理屬性，不能表示為在時間上抽樣后的離散序列。因此將抽樣頻率作為傳感器采集數(shù)據(jù)的頻率，則gi(t)公式為：

因此，要獲得傳感器中的屬性真實值，可以先估計gi(s)。由于g(s)在時間上連續(xù)，因此近似模擬值gi(s)的頻域特征可作為時間窗口的特征。

上述過程就是構建信息融合模型對機電一體化系統(tǒng)進行的數(shù)據(jù)處理程序軟件設計[15]。至此在多傳感器信息融合技術的應用下，機電一體化系統(tǒng)完成全部設計。

3 仿真實驗

通過仿真實驗分析，驗證此次設計的機電一體化系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力。實驗將此次設計的系統(tǒng)作為實驗組，將根據(jù)文獻設計的系統(tǒng)作為對照組。利用仿真測試軟件，模擬一個機械工作任務，并在仿真環(huán)境中添加噪聲。已知傳感器測量得到的信號為：

向其中加入8 dB 的高斯白噪聲，已知該噪聲的協(xié)方差分別為U=0.2，V=0.1，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為：

測量轉(zhuǎn)移矩陣為Y=[1 0.1 0.1] 。假設系統(tǒng)共設置了3 個傳感器，則對3 個系統(tǒng)進行測試后，得到的信號波形如圖5 所示。

圖5 數(shù)據(jù)融合后的信號波形

對不同系統(tǒng)的信息融合技術進行比較，計算3 個測試組的誤差，表1 為3 個系統(tǒng)中誤差序列均值與方差統(tǒng)計結果。表1 中的偏差是系統(tǒng)定量計算后，得到的結果與真實機械作業(yè)數(shù)據(jù)之間的偏離程度。該值的計算公式為：

式中：β表示系統(tǒng)所獲的測量數(shù)據(jù)；x表示離散度分析法。由圖5 可以看出，此次設計的機電一體化系統(tǒng)利用多傳感器信息融合技術后，其波幅比2 個傳統(tǒng)系統(tǒng)更小，即降噪能力增強。表1 中，此次設計系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比均值分別小了0.002 9 和0.003 3；方差小了0.131 6 和0.136 3；偏差則小了0.247 6 和0.249 8?？梢姸鄠鞲衅餍畔⑷诤霞夹g誤差有所減小，可以相對準確地處理系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)。圖6 為3 個系統(tǒng)遠程控制機電一體化時，系統(tǒng)的目標跟蹤效果。

表1 誤差序列均值與方差統(tǒng)計結果

圖6 目標跟蹤效果

由圖6 的2 組測試結果中可以看出，隨著時間的增加，此次設計系統(tǒng)在2 個坐標軸上，對目標的跟蹤誤差遠遠小于2 個傳統(tǒng)方法。可見此次設計的系統(tǒng)，在多傳感器信息融合技術的輔助下，加強了對噪聲信息的抗干擾能力。

4 結語

此次設計的基于多傳感器信息融合技術的機電一體化系統(tǒng)在硬件上重新設計供電電源和電路，避免傳感器芯片受到不穩(wěn)定電壓的影響；在軟件上重新設計一個信息融合模型，降低噪聲部分的影響，實現(xiàn)多傳感器信息融合。仿真實驗結果顯示，此次設計的機電一體化系統(tǒng)，降噪能力增強，誤差序列的取值減小，目標追蹤結果更接近實際值，取得了一定的成果。但此次研究受個人能力以及研究經(jīng)驗的限制，還需要在多次實際生產(chǎn)中進行實踐，在今后的研究工作中，可以進一步優(yōu)化或改進多傳感器信息融合技術中最核心的數(shù)據(jù)關聯(lián)技術，進一步加強信息融合技術的能力，為機電一體化系統(tǒng)發(fā)展提供更加完善的技術支持。