基于傳感器采集信息的機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)

周蘊花，杜治虎，許 清，翟 璐

（上海昱章電氣股份有限公司，上海 201612）

機電一體化設(shè)備在微電子信息產(chǎn)業(yè)、納米技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，其主要特征為具有明顯的機電化屬性，改變了以往純機械的屬性，給高新技術(shù)帶來了嶄新的生命力，自主化、智能化的技術(shù)發(fā)展是機電一體化設(shè)備的發(fā)展方向[1-3]。機械技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，使得機電一體化設(shè)備十分復(fù)雜，在長期的運行過程中，設(shè)備的老化程度增加使得設(shè)備的安全風(fēng)險增加，需要及時檢測設(shè)備的狀態(tài)，以防意外發(fā)生，一般的檢測技術(shù)很難滿足機電一體化設(shè)備的檢測需要，考慮到機電一體化設(shè)備的復(fù)雜性，實現(xiàn)機電一體化設(shè)備的實時檢測有一定困難[4-6]。

近些年，國外的專家學(xué)者對于機電一體化設(shè)備的研究提出很多有價值的內(nèi)容，獲得很多成果，在研究上有很多了值得借鑒的經(jīng)驗，如利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的檢測技術(shù)[7-9]。在國內(nèi)研究中，隨著對機電一體化設(shè)備需求的提高，也逐漸提高對檢測技術(shù)的要求，導(dǎo)致一些常見的檢測技術(shù)在應(yīng)用上存在一些缺陷[10-12]。如文獻[13]提到的基于RFID 的檢測系統(tǒng)，利用RFID 技術(shù)傳輸狀態(tài)信息，無需配置外線，實現(xiàn)便攜式的設(shè)備狀態(tài)檢測，檢測速度比較快，但是容易受到環(huán)境磁場影響，對設(shè)備狀態(tài)的判斷存在一些不足。文獻[14]提到的基于機器學(xué)習(xí)的檢測技術(shù)存在類似的問題，利用機器學(xué)習(xí)中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)挖掘出歷史狀態(tài)信息中的潛在特征，并采用無監(jiān)督聚類方法簡化狀態(tài)參數(shù)，但是在應(yīng)用上并沒有克服外界干擾的問題。因此，提出基于傳感器采集信息的機電一體化設(shè)備狀態(tài)機檢測系統(tǒng)，解決上述常見的檢測系統(tǒng)中存在的問題。

1 機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

從機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測的實際需求出發(fā)，設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，具體內(nèi)容如圖1 所示。

圖1 檢測系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of the detection system

針對其中的檢測模塊和通信模塊展開后續(xù)研究與設(shè)計。

1.1 基于傳感器采集信息的檢測模塊設(shè)計

檢測模塊設(shè)計中，采用運動傳感器、智能傳感器和電流、電壓傳感器采集機電一體化設(shè)備的狀態(tài)信息，其中運動傳感器和電流、電壓傳感器為主，智能傳感器為輔，采集機電一體化設(shè)備的電流變化特征、工作時間等信息。

將各個傳感器的引腳與控制模塊中的主芯片引腳相連接，將檢測到的狀態(tài)信息傳遞給控制模塊，根據(jù)需求進行測試。為了達到理想的采集效果，采用嵌入式上下位機體系結(jié)構(gòu)，其中上位機以ARM為主，下位機以DSP 為主，主要負責(zé)檢測系統(tǒng)的硬件采集，將傳感器的數(shù)字信號上傳到目標位置。具體設(shè)計如圖2 所示。

圖2 檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of detection module structure

上位機中具有無線接口和人機交互設(shè)備，提供標準通信接口后，可以采集設(shè)備的狀態(tài)信息；上位機主要負責(zé)整合各個傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號和模擬信號；兩者之間通過USB 接口實現(xiàn)通信連接。

1.2 通信模塊設(shè)計

在通信模塊的設(shè)計中，以CC2420 射頻收發(fā)器作為核心。構(gòu)建通信模塊，實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。具體設(shè)計如圖3 所示。

圖3 CC2420 通信模塊設(shè)計Fig.3 Design of CC2420 communication module

在通信過程中，CC2420 采用O-QPSK 調(diào)制方式調(diào)制信號，在抽樣判決時注意保證支路交錯抽樣，克服180°的相位跳變，改善信號性能。在以上硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計檢測系統(tǒng)的軟件部分。

2 機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 通信信號濾波處理

實際通信過程中干擾因素比較多，采用防脈沖滑動濾波處理信號，濾除信號干擾。在N 個數(shù)據(jù)中去除最大值和最小值，計算出剩下數(shù)據(jù)的平均值。計算公式為

式中：Y 表示平均值；X（k）表示數(shù)據(jù)序列；k 表示數(shù)據(jù)序列號。

通過式（1）的處理，獲得平滑處理的數(shù)據(jù)，利用處理后的數(shù)據(jù)定義一個長度為N 的隊列，將這一隊列作為滑動平均值采樣數(shù)據(jù)流窗口，用采樣的新數(shù)據(jù)覆蓋住原有的舊數(shù)據(jù)，使隊列時刻保持最新狀態(tài)，在獲得新的數(shù)據(jù)后，將其按順序排列，去掉最大值和最小值，計算出平均值，此時，計算結(jié)果就是有效的信號輸出，通信信號的濾波處理完成。

2.2 檢測設(shè)備狀態(tài)

在通信信號穩(wěn)定的情況下，以傳感器采集的特征作為依據(jù)，構(gòu)建反映設(shè)備狀態(tài)的組合特征矢量，將多個不同性質(zhì)但反映設(shè)備狀態(tài)的特征信息串聯(lián)起來。特征矢量如下：

式中：ai表示第i 個特征量。

假設(shè)存在M 個特征矢量樣本，共有P 個目標狀態(tài)，第p 類目標狀態(tài)的樣本個數(shù)為vm，則構(gòu)建的狀態(tài)模板矩陣表示為

式中：Z 表示狀態(tài)模板矩陣。

以待檢測目標狀態(tài)的特征矢量和對應(yīng)的狀態(tài)模板矩陣作為變量，構(gòu)建特征差矩陣：

式中：ci表示待檢測目標狀態(tài)的特征矢量；dgij表示特征差。

通過式（5）可以看出，特征差越小，待檢測目標狀態(tài)的特征樣本與狀態(tài)模板特征樣本相似度越高。為了降低特征提取誤差的影響，將描述兩個特征樣本之間的相似度設(shè)定為隸屬度，通過隸屬度的計算確定特征樣本間的相似程度。計算公式如下：

在隸屬度的計算基礎(chǔ)上，按照最大隸屬度原則，檢測出目標狀態(tài)屬于狀態(tài)模板樣本的第p 種狀態(tài)，完成機電一體化設(shè)備狀態(tài)的檢測。

3 仿真實驗

3.1 數(shù)據(jù)樣本采集

根據(jù)上述對機電一體機設(shè)備狀態(tài)的分析，選擇設(shè)備的驅(qū)動電流、功率傳感器、電流傳感器等特征參數(shù)進行實驗樣本的采集。對機電一體化設(shè)備檢測的實時要求設(shè)定為100 ms 更新一次，理論上樣本庫中數(shù)據(jù)越多，檢測效果越好，但是過大的樣本庫存在較高的時間成本，因此，為了保證實驗效果能夠達到最理想的狀態(tài)，在樣本采集上將樣本數(shù)量控制在一定范圍內(nèi)。以CPU 的運行效果作為依據(jù)，計算出樣本庫的總數(shù)。計算公式如下：

式中：T 表示樣本數(shù)據(jù)采集時間；N 表示樣本數(shù)；5%表示CPU 的利用時間；161.5 是由機電一體化設(shè)備確定的修正參數(shù)。利用采集器對機電一體化設(shè)備進行狀態(tài)信息采集，速率設(shè)置為2 Hz，總的采集時間為48 h。對初步采集的樣本數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，經(jīng)過篩選后，得到總量為3000 的樣本數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)的分布情況和特征權(quán)重如表1 所示。

表1 機電一體化設(shè)備狀態(tài)樣本屬性Tab.1 Mechatronics device state sample attributes

以表1 中顯示的數(shù)據(jù)作為依據(jù)，用于后續(xù)實驗，實驗中使用不同的檢測系統(tǒng)檢測設(shè)備的狀態(tài)信息，增加干擾條件，統(tǒng)計出檢測率和誤判率，分析檢測系統(tǒng)的檢測性能，同時計算出檢測系統(tǒng)的性能開動性，驗證檢測系統(tǒng)的抗干擾性能。為了更直觀地分析檢測系統(tǒng)的應(yīng)用性能，在設(shè)計實驗方案時，以對比實驗為主，實驗中引入2 種常見的檢測系統(tǒng)作為參考，在相同的實驗條件下展開實驗研究。

3.2 檢測系統(tǒng)檢測率及誤判率實驗結(jié)果及分析

實驗過程中，機電一體化設(shè)備以每秒10 次的速度刷新自身的工作狀態(tài)，以表1 中顯示的狀態(tài)樣本作為依據(jù)，分別在3 臺配置相同的計算機上部署3 種不同的檢測系統(tǒng)，使用不同的檢測系統(tǒng)實時檢測目標，在檢測過程中，使用計算機內(nèi)部插件監(jiān)測整個實驗過程，在實驗截止后輸出監(jiān)測結(jié)果。具體內(nèi)容如表2 所示。通過表2 中顯示的數(shù)據(jù)可知，本文提出的機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的系統(tǒng)檢測率均在98%以上，說明該系統(tǒng)更能反映機電一體化設(shè)備的狀態(tài)； 其他2 種檢測系統(tǒng)實驗結(jié)果中，系統(tǒng)檢測率比較低，在70%～90%之間，大部分檢測率在80%以下，說明這2 種檢測系統(tǒng)在檢測機電一體化設(shè)備狀態(tài)時存在一定的偏差，并且其誤判率也明顯高于提出的檢測系統(tǒng)。綜上所述，本文提出的基于傳感器采集信息的檢測系統(tǒng)檢測水平更高。

表2 不同檢測系統(tǒng)的機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測結(jié)果Tab.2 State test results of mechatronics equipment with different test systems

3.3 檢測系統(tǒng)開動性實驗結(jié)果及分析

在檢測系統(tǒng)開動性實驗中，主要為了驗證系統(tǒng)的執(zhí)行力，實驗中模擬真實的檢測環(huán)境，增加環(huán)境干擾變量，在此實驗條件下，設(shè)置機電一體機設(shè)備狀態(tài)檢測任務(wù)，使用計算機統(tǒng)計檢測時長和開動時長，根據(jù)系統(tǒng)開動率與這兩者的函數(shù)關(guān)系，分析各個檢測系統(tǒng)的開動性。公式如下：

式中：η 表示檢測系統(tǒng)性能開動率；Tact表示實際檢測時長；t0表示開動時長。

由式（10）可知，檢測系統(tǒng)開動性能與實際檢測時長成正比關(guān)系，與開動時長成反比關(guān)系。以此作為依據(jù)，使用計算機運行檢測系統(tǒng)，繪制出檢測系統(tǒng)的開動曲線，分析各個檢測系統(tǒng)的開動性。實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)開動性實驗結(jié)果Fig.4 Experimental results of system actuation

對比觀察圖4 中顯示的實驗結(jié)果可知，本文提出的檢測系統(tǒng)在有效實驗時間內(nèi)，檢測時間長，開動時間短，實際檢測時長和開動時長差距較大，由上述的開動性計算公式可知，檢測系統(tǒng)開動性好。

4 結(jié)語

本文以機電一體化設(shè)備狀態(tài)檢測作為研究重點，在傳感器采集信息的支持下，提出檢測系統(tǒng)的設(shè)計，從軟件和硬件兩方面實現(xiàn)機電一體化設(shè)備檢測需要的各項功能。在系統(tǒng)設(shè)計完成后，為了驗證系統(tǒng)在實際工作中的應(yīng)用性能，設(shè)計大量對比實驗，實驗結(jié)果證明了提出的檢測系統(tǒng)能夠有效抵抗外界干擾，保持穩(wěn)定的檢測性能。本文雖然取得了不錯的研究成果，解決了一些問題，但是還有一些需要完善的地方，如不同干擾因素對檢測系統(tǒng)的不同影響，在后續(xù)研究中，將從外部和內(nèi)部兩方面研究檢測系統(tǒng)的應(yīng)用價值。