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年月日现代电子技术

第卷第期
6
.1004⁃
:
.[J].202144126⁃10.
引用格式:钟岚基于多传感器信息融合的机电一体化系统设计现代电子技术,,():
基于多传感器信息融合的机电一体化系统设计
12
钟岚,

(四川大学,四川成都;成都广播电视大学,四川成都)
摘要:为加强机械工程与自动化技术的匹配,在机电一体化系统中引入一个信息融合方法,但该方法的降噪能力不
足,导致系统目标追踪效果不佳。因此,设计基于多传感器信息融合的机电一体化系统。在硬件设计上,重新设计传感器节
点供电电源,辅助多传感器的测量任务不受电压影响;设计启动电路和复位电路,控制系统的远程操作功能。在软件设计
上,根据多传感器信息融合技术,设计信息融合模型,利用滑动窗口剔除重复信息,实现对传感器实际测量数据的融合。仿
真结果表明,此次设计的机电一体化系统,降噪能力增强,误差序列的取值减小,目标追踪结果更接近实际值。
关键词:多传感器信息融合;机电一体化系统;供电电源;启动电路;复位电路;信息融合模型;仿真实验
TN98⁃34TH39A1004⁃373X202112⁃0006⁃05
中图分类号:;文献标识码:文章编号:()
Designofmechatronicssystembasedonmulti⁃sensorinformationfusion
ZHONGLan12
,
&TVUniversityChengdu610051China
(,,;,,)
Inordertostrengthenthematchingofmechanicalengineeringandautomationtechnologyaninformationfusion
Abstract:,

,,
⁃sensorinformationfusionis
,
⁃
,
sensorisnotaffectedbyvoltageandthestart⁃upcircuitandresetcircuitaredesignedtocontroltheremoteoperationfunction
,
⁃sensorinformationfusiontechnologytheinformationfusionmodel
,,
isdesignedandtherepeatedinformationiseliminatedbyusingtheslidingwindowtorealizetheintegrationofthedataactually
,

reductionabilityandreducethevalueoferrorsequenceandthetargettrackingresultisclosertotheactualvalue.
,
multi⁃sensorinformationfusionmechatronicssystempowersupplystartingcircuitresetcircuit
Keywords:;;;;;
informationfusionmodelsimulationexperiment
;
机械设备的企业中,大多数企业将机电一体化作为生产
0引言
主要工具,凭借机电一体化技术的优势,快速打开市场。
机电一体化系统结合自动化与机械化,可替代许多当前在机电一体化系统控制下,产生许多微控制器产
简单的重复性工作,有效解决***中的制造、安装、品,经过技术创新与变革,逐渐出现了数控机床和数
组装等环节问题。目前,在计算机技术与微电子技术融控机器人,为***发展提供了更加强劲的技术
合的条件下,机电一体化系统已经深入应用到机械工程手段[1]。
的技术结构中,促进机械工程的改革,推动机械工程的为进一步提升系统控制的准确性,有学者提出两种
发展,使机械工程在产品、生产、管理等多个环节内发生方法(传统方法一和传统方法二),即通过应用智能控制
了巨大的转变。机电一体化系统不仅为***提供
技术引入单一信息融合方法,优化现有的机电一体化系
更好的技术优势,同时在机械制造领域中,也发挥着至[2⁃3]
统。但实验测试结果显示优化后的系统在目标追踪
关重要的作用。当前与***相关的企业,或者使用
结果上并没有显著提高准确性,因此以单一信息融合方
2020⁃11⁃132020⁃12⁃28法设计的系统为研究依据,设计一个基于多传感器信息
收稿日期:修回日期:
51907131
基金项目:国家自然科学基金项目()融合的机电一体化系统。其多传感器信息融合技术是
127
第期钟岚:基于多传感器信息融合的机电一体化系统设计
利用多个传感器感知数据,再以一定规则使用和支配这
些感知数据,消除信息之间的隐含矛盾,得到对感知对
象的描述,以此加强系统的远程控制能力[4]。
1设计机电一体化系统硬件

传感器节点供电电源
由于此次设计的系统要融合多传感器信息融合技
术,为保证数据的准确性,重新设计传感器节点供电电
源,保证传感器工作状态不会影响信息融合结果。
对于多个传感器节点来说,传感器芯片以及
CC2431图2传感器芯片电源电路图
芯片,都需要供电,且要求的供电电压不一定一
CC2431
致,所以设计多种供电方式,用来满足不同的供电需求。通过上述内容,重新设计射频芯片、传感器
CC24312
对于芯片和传感器芯片,选择使用个电源提芯片的供电电源,为多传感器信息融合技术提供硬件服
6V
供电力,串联后提供电压,以该电压值为基准变换务支持。

电路,获得芯片需要的电压值。已知芯片的工启动电路和复位电路

作电压为,采用线性集成稳压器,对电压机电一体化系统作为控制类系统,其对精确度的要
进行变换,提供更加稳定电压的同时,可为电源电量下求十分严格,因此重新设计启动电路和复位电路,加强
降状态下的不稳定电压提供稳压保护。此次设计选择远程控制的硬件条件。
MAX6878DIPSOBOOT[10]
的具有级封装和封装,其压差较低,在系统的微处理器中,芯片内寄存器:
引脚会决定处理器的启动模式,这些决策将每个启动
输出电压稳定,具有稳压保护功能。当电压低于正常电0BOOT
模式中物理存储区域映射到存储块“”中。而
压,且超过一定值后,该稳压器会在上述情况下自动切SYSCLK4
引脚的取值,被锁定在复位后的第个上升沿。
断电源,提供断电保护功能;当电源恢复后,该稳压器会BOOT1BOOT0
本次设计用户自行设置引脚和引脚,以确
恢复电压输出,这样就保证芯片避免受到不稳定电压的3a
1定系统复位后的启动模式。设计的启动电路如图)
影响。图为设计后的电源电路图,通过电路连接和对
[7]。
各个元器件的调整,为芯片提供的工作电
压[5]。
图1射频芯片电源电路图
根据传统方法设计的传感器节点可知,传感器芯片
6V
也需要不同电压供电,但芯片的供电电压需要小于,图3启动与复位电路
CC2431BOOT1BOOT0
所以将芯片供电设计方案复用到传感器芯片供当启动模式选择引脚的值为空时,
0
电方案中,只调整其中稳压器周边电路元件的参数,就为,主闪存存储器被选择为启动模式的启动区;当启
BOOT10BOOT01
可以变换基准电压,得到传感器芯片需要的供电电压动模式选择引脚的值为时,为,系统
2
值。传感器芯片电源电路图[6]如图所示。存储器被选择为启动模式的启动区;当启动模式选择引
8202144
现代电子技术年第卷
BOOT11BOOT01,,,,,
脚的值为时,为,内嵌存储器噪声后,以数据流{…ss+1…s…}的形式发送到接
SRAMSRAMiij
被选择为启动模式的启动区。收端,服务器接收到的数据也以数据流的形式出现,此
4
复位电路在系统远程控制中更是不可缺少的。时的物理环境可以简化为如图所示的模型[11⁃13]。

集成上电复位和掉电复位,当供电电压低于
时,系统控制器对自身进行自动复位。当时为避免部分
突发性故障的负面影响,设计手动复位电路,当此类电
路被触发时,无论系统处于何种工作状态,都将被强行
恢复到初始值[8]。
至此,基于多传感器信息融合的机电一体化系统硬
件部分设计完毕。
4
2设计机电一体化系统软件图数据流和滑动窗口模型
4
依据图中的模型,将含有多个传感器的系统监测
在硬件设计的基础上,构建一个信息融合模型,实
数据抽象成下列形式,为了便于直观观察,默认系统传
现多传感器信息融合。信息融合模型的本质就是一个3
感器的数量为个:
信息处理模型实现多方面、多级别以及多层次数据的处=+
ìA(t)a(t)z(t)
理。已知系统采集的数据包括机械工作数据、产品数据ï=+a1
íB(t)b(t)zb(t)()
等,这些数据属性和来源均不同,且有时会出现信息互ï=+
îC(t)c(t)zc(t)
补与信息冗余现象,建立的融合模型就是对采集的传感
式中:A(t),B(t),C(t)分别表示三个传感器的测量值;
器数据按照规定的限制进行组合处理,实现对多源信息
a(t),b(t),c(t)表示传感器的真实值测量值;za(t),
的融合。
zb(t),zc(t)表示传感器在所处实际工作环境中的测试
根据机电一体化系统的功能特点,建立信息融合的
噪声[14]。服务器根据时间窗口划分数据得到函数:
过程:首先利用滑动窗口,对多传感器数据集合按数据
=∑∞-2
()()
时间划分,生成不同时间域的数据序列;然后采用时间gtgitti()
=0
i
信息冗余融合手段,提取频域特征,通过最优估计得到-,
+1
式中gi(tti)表示窗口时间为[titi]时的属性真
对属性变化的规律;结合规律二次处理数据序列,得到
实值。
融合后的数据,此阶段是在系统测量空间中操作。在属
在整个时间轴上,按照滑动窗口划分数据序列,每
性空间中,根据数据序列的特征向量,找出数据之间的-
段数据序列用gi(tti)表示。但因为gi(t)只是连续变
外在与内在关联。最后在属性空间中,将具有关联特征
化的物理属性,不能表示为在时间上抽样后的离散序
的向量,利用多传感器信息融合技术,进行空间信息融
列。因此将抽样频率作为传感器采集数据的频率,则
合,根据融合后的数据,设置决策指令[9⁃10]。
,gi(t)公式为:
+1
按照上述描述的过程,假设滑动窗口[titi]包含-1
=∑N⋅-3
()()()
N个数据,多个传感器中,传感器A的测量数据构成的gitgissitn()
=0
=0,1,2,,-1n
数据序列为{s|i…N}。此时该传感器的数
i因此,要获得传感器中的属性真实值,可以先估计
据,按照当前的滑动窗口,被划分为不同的数据序列,将
gi(s)。由于g(s)在时间上连续,因此近似模拟值gi(s)
这些数据序列默认为系统处理基本单元。保证数据内的频域特征可作为时间窗口的特征。
部关联的同时,也反映当前时间窗口下,传感器A测量上述过程就是构建信息融合模型对机电一体化系
数据的特征。统进行的数据处理程序软件设计[15]。至此在多传感器
传感器在实际环境中采集的数据包含真实数据和信息融合技术的应用下,机电一体化系统完成全部
噪声数据。已知噪声S(t)无法预测且不可知,因此假
i设计。
设噪声Si(t)满足高斯分布,且根据实际工作环境,确定
3仿真实验
其方差和均值。已知属性度量时间窗口中的特征变化,
存在一定规律,此次研究利用函数g(s)表示该规律,但通过仿真实验分析,验证此次设计的机电一体化系
规律具有复杂性和客观性,函数g(s)的数学公式很难统处理数据的能力。实验将此次设计的系统作为实验
直接确定。假设环境噪声是加性噪声j,真实数据混合组,将根据文献设计的系统作为对照组。利用仿真测试
129
第期钟岚:基于多传感器信息融合的机电一体化系统设计
软件,模拟一个机械工作任务,并在仿真环境中添加噪式中:β表示系统所获的测量数据;x表示离散度分析
5
声。已知传感器测量得到的信号为:法。由图可以看出,此次设计的机电一体化系统利用
=3sin42
h(x)t()多传感器信息融合技术后,其波幅比个传统系统更
8dB1
向其中加入的高斯白噪声,已知该噪声的协小,即降噪能力增强。表中,此次设计系统与传统系
==
方差分别为U,V,状态转移矩阵为:统相比均值分别小了和;方差小了

=éù5和;偏差则小了和。可见
Wê001ú()
ëû多传感器信息融合技术误差有所减小,可以相对准确地
=
测量转移矩阵为Y[]。假设系统共设置了处理系统测量数据。图为个系统远程控制机电一体
33
个传感器,则对个系统进行测试后,得到的信号波形化时,系统的目标跟踪效果。
5
如图所示。表1误差序列均值与方差统计结果
测试组均值方差偏差

文中系统

传统系统

图6目标跟踪效果
62
由图的组测试结果中可以看出,随着时间的增
2
图5数据融合后的信号波形加,此次设计系统在个坐标轴上,对目标的跟踪误差
32
对不同系统的信息融合技术进行比较,计算个测远远小于个传统方法。可见此次设计的系统,在多传
13
试组的误差,表为个系统中误差序列均值与方差统感器信息融合技术的辅助下,加强了对噪声信息的抗干
1
计结果。表中的偏差是系统定量计算后,得到的结果扰能力。
与真实机械作业数据之间的偏离程度。该值的计算公4结语
式为:
此次设计的基于多传感器信息融合技术的机电一
∑N-
0
xi(β)x(β)
==16体化系统在硬件上重新设计供电电源和电路,避免传感
p(i)β-1()
N器芯片受到不稳定电压的影响;在软件上重新设计一个
10202144
现代电子技术年第卷
[6].
信息融合模型,降低噪声部分的影响,实现多传感器信徐强菊,葛丽莉,宗昌灏,等面向压电能量收集的传感器自供
[J].2019412213⁃216.
息融合。仿真实验结果显示,此次设计的机电一体化系电电源设计压电与声光,,():
[7].DC⁃DC
统,降噪能力增强,误差序列的取值减小,目标追踪结果杨骁,李靖坤,徐锦里,等转换器高集成度片上软启动
[J].201847130⁃36.
电路电子科技大学学报,,():
更接近实际值,取得了一定的成果。但此次研究受个人[8].
徐海鹏,杨兰均,张志远,等脉冲变压器磁芯重复频率复位电
能力以及研究经验的限制,还需要在多次实际生产中进[J].2018301123⁃127.
路的研究强激光与粒子束,,():
行实践,在今后的研究工作中,可以进一步优化或改进[9].
欧阳旭朗,何文忠,鹿玮,等立体边防监视系统与多传感器信
多传感器信息融合技术中最核心的数据关联技术,进一[J].2018392298⁃304.
息融合技术研究半导体光电,,():
[10].
步加强信息融合技术的能力,为机电一体化系统发展提王正家,夏正乔,孙楚杰,等基于多传感器信息融合的自主
[J].2019325723⁃
供更加完善的技术支持。跟随定位及避障方法传感技术学报,,():
727.
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程军基于数据融合分析的网络监控系统框架构建与关键技程学院学报(自然科学版),,():
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崔硕,姜洪亮,戎辉,等多传感器信息融合技术综述汽车控制计算机测量与控制,,():
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[5].UC3844[J].2018
邓永红,张杨基于控制芯片的煤矿电气设备辅助电械手机电一体化概念设计与控制仿真机床与液压,,
[J].201916237⁃⁃104.
源的设计华北科技学院学报,,():():
1981
作者简介:钟岚(—),女,重庆荣昌人,硕士,讲师,研究方向为机电一体化。