基于多傳感器信息融合的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為增強(qiáng)機(jī)械工程與自動(dòng)化技術(shù)間的相互配合，本文提出利用多個(gè)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行測量的新方法。在硬件方面，為多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)提供新的電源，使其能在不受電壓干擾的情況下完成檢測工作；對啟動(dòng)電路和復(fù)位電路進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。在軟件方面，采用多個(gè)傳感器信息融合的方法，利用一個(gè)滑動(dòng)窗來消除多個(gè)傳感器間的冗余，從而實(shí)現(xiàn)真實(shí)數(shù)據(jù)的融合。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法能有效提高系統(tǒng)的噪聲抑制性能，降低系統(tǒng)的誤差序列，使其與真實(shí)情況更吻合。

關(guān)鍵詞：多傳感器信息融合；機(jī)電一體化系統(tǒng)；供電電源

中圖分類號：TN 98" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

自動(dòng)化和機(jī)械化的一體化系統(tǒng)通過取代一系列重復(fù)性的簡單工作，有效解決了機(jī)械制造、安裝和組裝等諸多問題。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)緊密整合，該一體化技術(shù)已深入滲透至機(jī)械工程的各方面，是推動(dòng)該領(lǐng)域革新與發(fā)展的關(guān)鍵力量。機(jī)電一體化技術(shù)不僅在技術(shù)層面推動(dòng)機(jī)械行業(yè)大步前進(jìn)，在生產(chǎn)實(shí)踐中也起到至關(guān)重要的作用。目前，我國絕大部分機(jī)械行業(yè)和采用機(jī)械設(shè)備的企業(yè)均將機(jī)電一體化視作其核心生產(chǎn)技術(shù)，并依賴其技術(shù)優(yōu)勢迅速開拓市場。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的背景下，市場上涌現(xiàn)了眾多微控制器產(chǎn)品。隨著持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和改革，出現(xiàn)了如數(shù)控機(jī)床和數(shù)控機(jī)器人等新一代產(chǎn)品，這些產(chǎn)品為機(jī)械工業(yè)提供了更強(qiáng)大和先進(jìn)的技術(shù)支持。

1 設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)硬件

1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)供電電源

本文采用的是多個(gè)傳感信號進(jìn)行融合的方法，為了確保信號的精確度，需要對各傳感信號的工作情況進(jìn)行優(yōu)化，以確保信號的可靠性。無論是傳感器芯片，還是CC2431芯片，多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都需要進(jìn)行供電，所需供電電壓也必然不同，因此，設(shè)計(jì)含有CC2431芯片和傳感器的芯片時(shí)，應(yīng)考慮雙電源系統(tǒng)。通過串聯(lián)2個(gè)電源，生成6V電壓，可用作參考電壓并在轉(zhuǎn)換電路中獲取所需工作電壓。需要注意的是，CC2431芯片要求的工作電壓為3.3V。為確保此目標(biāo)，本文選用MAX687型線性集成穩(wěn)壓器，其具有將輸入電壓有效降至要求操作電壓的能力。該MAX687穩(wěn)壓器不僅能確保電源穩(wěn)定性，還能在輸入電源電量衰減過程中，為輸出電壓的不穩(wěn)定波動(dòng)提供穩(wěn)定處理[1]。此外，所選MAX687芯片提供8腳DIP（Dual In-line Package）和SO封裝（Small Outline Package），確保在低電壓條件下保持芯片性能穩(wěn)定，并提供額外的過壓保護(hù)功能。這對維護(hù)系統(tǒng)在各種電源條件下的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。在其所受壓力小于正常電壓并超出某一數(shù)值后，調(diào)整設(shè)備就會(huì)根據(jù)這種狀況自動(dòng)關(guān)閉電力供應(yīng)。重新起動(dòng)時(shí)，該穩(wěn)壓器會(huì)恢復(fù)電壓輸出，以確保芯片不會(huì)受不穩(wěn)定電壓的沖擊。

從常規(guī)方法設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)可以看出，所述傳感器芯片同樣也需要各種電源，而所述電源電壓必須在6V以下。相應(yīng)地，CC2431芯片電源設(shè)計(jì)方案被多路復(fù)用至所述傳感器芯片電源方案，該基準(zhǔn)電壓可通過調(diào)整其調(diào)整器外圍電路元件的參數(shù)來轉(zhuǎn)換，由此得出該傳感器芯片對電源電壓的要求。

1.2 啟動(dòng)電路和復(fù)位電路

在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行對整體性能至關(guān)重要，因此重置電路成為系統(tǒng)中一個(gè)不可或缺的組成部分。該電路受系統(tǒng)控制器的控制，必須確保在傳感器遇到突發(fā)內(nèi)部故障過程中能通過人工干預(yù)立即觸發(fā)復(fù)位過程。及時(shí)的系統(tǒng)重啟對避免生產(chǎn)流程中的潛在負(fù)面影響尤為關(guān)鍵。該傳感設(shè)備的初始化和重置機(jī)制需要進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，以滿足多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)硬件的高精度要求。尤其是在遠(yuǎn)程控制方面，對電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性和響應(yīng)精度要求額外嚴(yán)格。在微處理設(shè)備中，控制中心的激活模式和規(guī)則是由內(nèi)部芯片設(shè)定的，并通過存儲(chǔ)模塊間的映射關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。這種互聯(lián)映射確保了啟動(dòng)和復(fù)位機(jī)制的協(xié)調(diào)性。因此，設(shè)計(jì)傳感器的啟動(dòng)與復(fù)位方案時(shí)，必須仔細(xì)考量其引腳配置和模塊化設(shè)計(jì)，以便準(zhǔn)確控制機(jī)電系統(tǒng)和傳感器模塊的激活模式。

考慮機(jī)電一體化系統(tǒng)對精確度的高需求，本文對初始化電路和復(fù)位電路重新進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了遠(yuǎn)程控制功能的硬件基礎(chǔ)，確保了遠(yuǎn)程操作條件下系統(tǒng)的可靠性和響應(yīng)能力。在該系統(tǒng)的單片機(jī)中，由芯片上的引腳來確定該處理器的起動(dòng)方式，并把各啟動(dòng)方式下的物理內(nèi)存區(qū)映射為“0”。而BOOT引出的1號引出數(shù)值則是在SYSCLK重置之后被鎖在了第4條上升邊緣。在該方案中，使用者可自行設(shè)定管腳BOOT1和BOOTO，以便在重新設(shè)定后確定啟動(dòng)方式。

在啟動(dòng)方式選擇管腳BOOT1為空白且BOOTO為0的情況下，選取主快閃存儲(chǔ)器。如果開始方式選擇管腳BOOT1是0、BOOTO是1，所述系統(tǒng)存儲(chǔ)裝置就作為開始方式的啟動(dòng)區(qū)；如果開始方式選擇管腳BOOT1是1，就需要在開始方式的啟動(dòng)區(qū)中選取BOOTO是1的內(nèi)置內(nèi)存SRAM。

對遠(yuǎn)程控制來說，重置電路必不可少。STM32是整合了電源重置的裝置，當(dāng)電源電壓＜2V時(shí)，該裝置的控制裝置會(huì)自行重置。為了防止突發(fā)故障帶來的不良后果，人工復(fù)位電路必不可少，一旦這種電路被觸發(fā)，不管系統(tǒng)在做什么工作，都會(huì)被強(qiáng)制還原。

最后，本文提出了一種新的多傳感數(shù)據(jù)融合方法，并對該方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 機(jī)電一體化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)電一體化系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)需要密切結(jié)合機(jī)械和電氣工程領(lǐng)域的知識，包括機(jī)械部件（如傳感器、執(zhí)行器和運(yùn)動(dòng)部件等）、電氣部件（如電機(jī)、開關(guān)和控制器等）的設(shè)計(jì)要求和性能參數(shù)。軟件必須能準(zhǔn)確建模并描述這些部件，以便進(jìn)行系統(tǒng)的整合和優(yōu)化。機(jī)電一體化系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)的整體性能和功能，包括系統(tǒng)的運(yùn)行效率、能耗和響應(yīng)時(shí)間等因素。軟件需要提供仿真和分析工具，以評估不同設(shè)計(jì)方案的性能，并幫助用戶做出優(yōu)化決策。此外，機(jī)電一體化系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)還需要具備協(xié)同設(shè)計(jì)的能力。不同團(tuán)隊(duì)的成員，如機(jī)械工程師、電氣工程師和軟件開發(fā)人員，需要同時(shí)參與設(shè)計(jì)過程。軟件應(yīng)提供協(xié)同設(shè)計(jì)的功能，使各團(tuán)隊(duì)間能實(shí)時(shí)共享信息并協(xié)同工作，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。因此，本文根據(jù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)建立了多個(gè)傳感器間的數(shù)據(jù)融合模型，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)多方面、多層面的信息處理模式。眾所周知，由機(jī)械作業(yè)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)等收集到的數(shù)據(jù)在性質(zhì)和來源上各不相同，并且存在信息互補(bǔ)性和冗余性問題，而所構(gòu)建的數(shù)據(jù)融合模型則是根據(jù)一定的約束條件，對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行合成和處理，從而實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的有效融合[2]。

在此基礎(chǔ)上，本文針對多個(gè)傳感器的工作特性，構(gòu)建多個(gè)傳感器的信息融合流程，即基于滑動(dòng)窗技術(shù)，將多個(gè)傳感的數(shù)據(jù)集按照時(shí)間進(jìn)行分割，形成多個(gè)時(shí)域的數(shù)據(jù)序列，并在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用時(shí)態(tài)信息的冗余度融合方法，對頻率域進(jìn)行特征提取和優(yōu)化。利用該方法對一系列的資料進(jìn)行二次分析，以獲得最終結(jié)果。然后利用時(shí)域上的特征矢量，尋找各變量間的外部關(guān)系和內(nèi)部關(guān)系。最后在屬性空間中，通過采用多傳感器信息融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)具有關(guān)聯(lián)特征向量的空間信息融合。該過程將來自不同傳感器的數(shù)據(jù)集合到一起，根據(jù)特定的特征將它們整合為一個(gè)統(tǒng)一的表示形式，以提高整個(gè)系統(tǒng)的決策能力和準(zhǔn)確性。在多傳感器融合的過程中，可能會(huì)應(yīng)用滑動(dòng)窗口機(jī)制以處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流。給定一個(gè)滑動(dòng)窗口[ti，ti+i]，其中包括N個(gè)時(shí)序數(shù)據(jù)，可以從各傳感器中提取相應(yīng)信息。例如，對于傳感器A，其在這個(gè)窗口期間記錄的數(shù)據(jù)可以按時(shí)間序列排列為{Si|i=0，1，2...，N-1}。此時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有的滑動(dòng)窗，將傳感器獲得的資料分成多個(gè)系列，并以其作為系統(tǒng)的主要處理單位。這樣既能確保各參數(shù)間的內(nèi)在相關(guān)性，又能體現(xiàn)出各參數(shù)在當(dāng)前時(shí)刻的特性。

在真實(shí)的環(huán)境下，由傳感器獲得的測量結(jié)果既有真的，也有假的。已知噪聲Si（t）不可預(yù)報(bào)，因此假設(shè)噪聲Si（t）符合Gaussian，并需要從現(xiàn)實(shí)的工作情況出發(fā)，求出其變化量和平均量。在屬性測量的時(shí)間窗內(nèi)，特性的改變是有一定的規(guī)律性的，本文使用函數(shù)g（s）來表達(dá)這個(gè)規(guī)律性。但是，該規(guī)律性非常復(fù)雜且客觀，因此本文很難用一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)來直接決定該規(guī)律性。數(shù)據(jù)流和滑動(dòng)窗口模型如圖1所示。

根據(jù)圖1所示的模式，含有多個(gè)傳感器的系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)被抽取為公式（1），其系統(tǒng)傳感器數(shù)目是3，以方便直觀地觀察。

（1）

式中：A（t）、B（t）、C（t）分別為由3個(gè)換能器測得的數(shù)值；a（t）、b（t）、c（t）分別為該傳感器的實(shí)際測定；Za（t）、Zb（t）、Zc（t）分別為傳感器所處的真實(shí)工作環(huán)境中的測試噪聲。

服務(wù)器將數(shù)據(jù)分割成不同的時(shí)間窗，從而獲得一個(gè)函數(shù)，如公式（2）所示。

（2）

式中：gi（t-ti）代表窗口時(shí)間為[ti，ti+]時(shí)的屬性真實(shí)值。

在整個(gè)時(shí)間軸上，根據(jù)滑動(dòng)窗口劃分?jǐn)?shù)據(jù)序列。然而，由于gi（t-t1）只是一個(gè)不斷改變的物態(tài)，無法通過采樣獲得的離散數(shù)據(jù)來表達(dá)，因此把采樣頻率當(dāng)作傳感器獲取數(shù)據(jù)的次數(shù)，則gi（t-t1）如公式（3）所示。

（3）

為此需要對gi（s）進(jìn)行估算，才能得到該傳感器的特性真值。因?yàn)間（s）在時(shí)間上是連續(xù)性的，所以對仿真數(shù)值g進(jìn)行逼近，可以將頻率域特性（s）用作時(shí)窗特性。

3 仿真試驗(yàn)

本文對所提出的控制方案進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并對其進(jìn)行性能測試。以本文方法為試驗(yàn)組，以參考資料所提出方法為控制組，使用仿真試驗(yàn)軟件對機(jī)器的工作過程進(jìn)行模擬和噪聲干擾。通過該傳感器獲得的數(shù)據(jù)如公式（4）所示。

H（x）=3sint" " " " " （4）

將具有U=0.2和V=0.1的各協(xié)方差8dB的高斯白噪聲添加至其上，因此狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣如公式（5）所示。

（5）

測量轉(zhuǎn)移矩陣為Y=[10.1" 0.1]。在此基礎(chǔ)上比較3種測量方式的測量結(jié)果，結(jié)果如圖2所示。

比較各系統(tǒng)的信息融合技術(shù)，并計(jì)算3個(gè)試驗(yàn)組的誤差、3個(gè)系統(tǒng)中誤差序列的平均值和方差的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。經(jīng)量化分析后得出的結(jié)論與實(shí)際生產(chǎn)情況的差異值[3]如公式（6）所示。

（6）

式中：β為由該體系獲得的實(shí)測值；x為分散系數(shù)計(jì)算方法。

目標(biāo)x軸的均方根誤差如圖3所示。通過觀察圖3可知，經(jīng)過多傳感器信息融合技術(shù)的處理，本文設(shè)計(jì)的機(jī)電集成系統(tǒng)的振幅明顯小于2個(gè)傳統(tǒng)系統(tǒng)。該結(jié)果表明，本文系統(tǒng)的降噪能力有了顯著提升。與常規(guī)的體系比較，試驗(yàn)體系的平均尺寸降低了0.0029和0.003，方差降低了0.1316和0.1363，偏離值降低了0.2476和0.2498。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效降低數(shù)據(jù)偏差并對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確處理。

通過對2組測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以明顯觀察到，隨著時(shí)間推移，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在2個(gè)軸向?qū)δ繕?biāo)的追蹤精度明顯優(yōu)于2種傳統(tǒng)追蹤方法。由此可見，該系統(tǒng)所應(yīng)用的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)顯著提升了對噪聲信號的濾除能力，表明融合技術(shù)在增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和提高追蹤性能方面具有關(guān)鍵作用。

4 結(jié)語

本文基于多傳感器信息融合技術(shù)改進(jìn)了機(jī)電集成系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)層面，對電源及其電路進(jìn)行了精心重構(gòu)，目的在于抵御電壓不穩(wěn)定性對傳感器芯片的損害。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步精煉了多源數(shù)據(jù)處理流程，旨在降低噪聲對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合優(yōu)化。通過模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的控制策略對控制噪聲、降低誤差以及提升追蹤精準(zhǔn)度的有效性，證明了其在逼近實(shí)際操作效果方面的顯著成效。然而，鑒于研究者個(gè)人能力和科研經(jīng)驗(yàn)的限制，這項(xiàng)工作需要在實(shí)際生產(chǎn)過程中進(jìn)行廣泛檢驗(yàn)和迭代。未來的研究，需要優(yōu)先考慮對多傳感器信息融合技術(shù)中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)核心技術(shù)進(jìn)行深入優(yōu)化與提升。此舉預(yù)計(jì)可進(jìn)一步增強(qiáng)信息融合技術(shù)的性能，為機(jī)電一體化系統(tǒng)的洗煉和成熟提供更堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

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