智能傳感器自補(bǔ)償多傳感信息融合量程增益

1、智能傳感器智能傳感器（intelligent sensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機(jī)，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機(jī)相結(jié)合的產(chǎn)物。一般智能機(jī)器人的感覺(jué)系統(tǒng)由多個(gè)傳感器集合而成，采集的信息需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，而使用智能傳感器就可將信息分散處理，從而降低成本。與一般傳感器相比，智能傳感器具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：通過(guò)軟件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化。智能傳感器系統(tǒng)是一門現(xiàn)代綜合技術(shù)，是當(dāng)今世界正在迅速發(fā)展的高新技術(shù)，至今還沒(méi)有形成規(guī)范化的定義。智能傳感器具有的功能：(1) 具有自校零、 自標(biāo)定、 自校正功能

2、；(2) 具有自動(dòng)補(bǔ)償功能；(3) 能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù)， 并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；(4) 能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、 自選量程、 自尋故障；(5) 具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、記憶與信息處理功能；(6) 具有雙向通訊、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者符號(hào)輸出功能；(7) 具有判斷、決策處理功能。智能傳感器的特點(diǎn)：(1) 提高了傳感器的精度；(2) 提高了傳感器的可靠性；(3) 提高了傳感器的性能價(jià)格比；(4) 促成了傳感器多功能化1。智能傳感器的應(yīng)用方向：智能傳感器已廣泛應(yīng)用于航天、航空、國(guó)防、科技和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域中。例如，它在機(jī)器人領(lǐng)域中有著廣闊應(yīng)用前景，智能傳感器使機(jī)器人具有類人的五官和大腦功能，可感知各種現(xiàn)象，完成各種動(dòng)作

3、。在工業(yè)生產(chǎn)中，利用傳統(tǒng)的傳感器無(wú)法對(duì)某些產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)（例如，黏度、硬度、表面光潔度、成分、顏色及味道等）進(jìn)行快速直接測(cè)量并在線控制。而利用智能傳感器可直接測(cè)量與產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)有函數(shù)關(guān)系的生產(chǎn)過(guò)程中的某些量（如溫度、壓力、流量等），利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或?qū)＜蚁到y(tǒng)技術(shù)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，可推斷出產(chǎn)品的質(zhì)量。本文主要針對(duì)傳感器的自增益、多傳感信息融合技術(shù)、和自選量程與增益調(diào)整的技術(shù)及其應(yīng)用等方面進(jìn)行論述。分別位于第一二三章。第一章自補(bǔ)償1.1自補(bǔ)償技術(shù)簡(jiǎn)介帶有自補(bǔ)償技術(shù)的傳感器是智能傳感器中的一種，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為，智能傳感器是由傳統(tǒng)的傳感器和微處理器（或微計(jì)算機(jī)）相結(jié)合而構(gòu)成的，它充分利用微處理

4、器的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并能對(duì)它的內(nèi)部行為進(jìn)行調(diào)節(jié)，使采集的數(shù)據(jù)最佳。本章主要討論的是自補(bǔ)償技術(shù)，傳感器的自補(bǔ)償技術(shù)主要是為了消除因工作條件、環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如溫度變化引起的零點(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等。另外一個(gè)重要目的是改善傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，使其頻率響應(yīng)特性向更高或更低頻段擴(kuò)展。通過(guò)自補(bǔ)償技術(shù)可改善傳感器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，使其頻率響應(yīng)向更高或更低頻段擴(kuò)展。在不能進(jìn)行完善的實(shí)時(shí)自校準(zhǔn)的情況下，可采用補(bǔ)償法消除因工作條件、環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化后引起系統(tǒng)特性的漂移，如零點(diǎn)漂移、靈敏度溫度漂移等。自補(bǔ)償與信息融合技術(shù)有一定程度的交疊，信息融合有更深更廣的內(nèi)涵。1

5、.2自補(bǔ)償技術(shù)的原理常用的補(bǔ)償技術(shù)有溫度補(bǔ)償，頻率補(bǔ)償，本論文主要討論溫度補(bǔ)償。溫度是傳感器系統(tǒng)最主要的干擾量，在經(jīng)典傳感器種主要采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱（機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)稱、電路結(jié)構(gòu)對(duì)稱）來(lái)消除其影響，在智能傳感器的初級(jí)形式中，也有采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)?，但補(bǔ)償效果不能滿足實(shí)際測(cè)量的要求。在傳感器與微處理器/微計(jì)算機(jī)相結(jié)合的智能傳感器系統(tǒng)中，則是采用監(jiān)測(cè)補(bǔ)償法，它是通過(guò)對(duì)干擾量的監(jiān)測(cè)再由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?shù)?。一般情況下，對(duì)應(yīng)不同的工作溫度，傳感器有不同的輸入（Y）輸出（U）特性。如果能夠確定工作溫度為T時(shí)相應(yīng)的YU特性，并按其反非線性特性讀取被測(cè)量，Y就從原理上就能消除溫度引入的誤差。但通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)只能在有限

6、數(shù)量的幾個(gè)溫度值條件下標(biāo)定輸入輸出特性，而在前面可知輸入Y與輸出U之間通常存在非線性，可以利用分段插值線性插值法確定在工作溫度范圍內(nèi)非標(biāo)定條件下任一溫度T狀態(tài)的輸入（Y）輸出（U）特性。具體步驟如下：一、進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲得不同溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)在不同溫度Ti(i=1,2,3k)下測(cè)得下列數(shù)值：T1, T2, T= TkY10, Y11, Y1m, Yk0 Yk1Ykmu10, u11, u1m, uk0uk1ukm式中 yij溫度Ti時(shí)第j次輸入傳感器的被測(cè)物理量；uij溫度Ti時(shí)第j次測(cè)得的傳感器輸出電壓。二、確定不同溫度下的輸入輸出擬合多項(xiàng)式系數(shù)，獲得擬合曲線將不同工作溫度T下獲得的輸入輸

7、出特性用一維多項(xiàng)式方程表示為：通常，n1=n2=nk=n利用標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)即可得到各溫度下傳感器靜態(tài)輸入輸出特性的擬合多項(xiàng)式的系數(shù)ai。值得注意的是，這些系數(shù)ai是隨溫度T而變化的，且變化的規(guī)律通常不是線性的，此時(shí)可以用曲線擬合的方法，也可以用分段插值的方法確定。三、分段插值，求取非標(biāo)定溫度下的輸出值將a0、a1ak和以上多項(xiàng)式的計(jì)算程序?qū)懭雰?nèi)存，按照?qǐng)D2-1所示流程進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即由輸入的T和u查找和計(jì)算y值，采用的是分段線性插值法，只要K足夠大，其誤差就足夠小。圖1-1溫度補(bǔ)償流程圖1.3、自補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)的應(yīng)用 現(xiàn)以壓力傳感器的溫度補(bǔ)償為例來(lái)說(shuō)明溫度補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟砗蛯?shí)現(xiàn)。壓力傳感器是工程中常用

8、的測(cè)量器件，由于溫度的影響，其零點(diǎn)經(jīng)常會(huì)發(fā)生漂移，因此需要對(duì)它進(jìn)行溫度補(bǔ)償。利用單片機(jī)控制的具有溫度補(bǔ)償功能的壓力傳感器可以直接數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果，具有良好的應(yīng)用前景。一、 壓力傳感器的溫度補(bǔ)償原理由于溫度的影響，壓力傳感器經(jīng)常會(huì)發(fā)生零漂移，造成測(cè)量上的誤差。傳統(tǒng)的解決方法是盡可能保持溫度的恒定，并采用熱敏電阻給予溫度補(bǔ)償。但從實(shí)際工況出發(fā)，保持恒溫不易做到，而電阻補(bǔ)償方法操作過(guò)于繁復(fù)，給調(diào)試工作帶來(lái)諸多困難。此外，由于壓力傳感器的四個(gè)橋臂的應(yīng)力變化不盡相同，零點(diǎn)調(diào)節(jié)難以實(shí)現(xiàn)。由單片機(jī)控制的具有溫度補(bǔ)償功能的壓力傳感器，具有操作簡(jiǎn)便，誤差小，精度高等特點(diǎn)，并可直接數(shù)字顯示測(cè)量結(jié)果。壓力傳感器的測(cè)

9、量原理如圖所示，四個(gè)橋臂電阻值R均隨壓力變化而改變3。圖3-1 壓力傳感器測(cè)量原理圖正常情況下，壓力為零時(shí)，傳感器輸出電壓U。應(yīng)為零；當(dāng)溫度發(fā)生變化，由于四個(gè)橋臂上的電阻變化值有可能不同，使壓力傳感器的零點(diǎn)發(fā)生漂移（即在壓力為零時(shí)，傳感器輸出電壓U。不為零）。傳統(tǒng)的解決方法是在其中一個(gè)或兩個(gè)臂上并聯(lián)熱敏電阻。但由于熱敏電阻的特性所致，不可能做到完全補(bǔ)償，使測(cè)量結(jié)果存在較大的測(cè)量誤差。此外，器件固有的不穩(wěn)定性，常導(dǎo)致已經(jīng)調(diào)整平衡的系統(tǒng)由于稍微的一點(diǎn)變化，不得不重新調(diào)整測(cè)量，費(fèi)力費(fèi)時(shí)，達(dá)不到預(yù)期效果。這里介紹的單片機(jī)智能控制系統(tǒng)，摒棄了傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式，轉(zhuǎn)而尋求一種以軟件取代熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)男?/p>

10、途徑。系統(tǒng)中沒(méi)有對(duì)因溫度變化而改變的電阻進(jìn)行補(bǔ)償，而是將傳感器的輸出電壓U。"減去其零點(diǎn)溫漂電壓Ut，以此作為輸出結(jié)果：U。=Us-Ut。本過(guò)程完全由軟件控制完成，中間無(wú)需人工干預(yù)，并且可對(duì)壓力傳感器進(jìn)行即時(shí)零點(diǎn)校準(zhǔn)，以消除時(shí)間或環(huán)境對(duì)壓力傳感器參數(shù)變化的影響。二、壓力傳感器溫度補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，系統(tǒng)硬件主要包括四大部分，即壓力傳感器及其放大部分、溫度傳感器及其放大部分、A/D轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)計(jì)算及顯示小系統(tǒng)，具體原理框圖如圖1-2 所示。1-2壓力傳感器溫度補(bǔ)償原理框圖（1）壓力傳感器、溫度傳感器及其放大部分在實(shí)際應(yīng)用中，需將壓力傳感器和溫度傳感器近距離放置以

11、保持溫度一致。兩個(gè)傳感器通過(guò)兩路放大電路并經(jīng)過(guò)開關(guān)轉(zhuǎn)換連接到A/D 轉(zhuǎn)換電路上，放大器采用集成運(yùn)放，用放大環(huán)節(jié)保持良好線性。適當(dāng)選擇兩個(gè)放大器倍數(shù)K=R2/R1*，使其輸出電壓Uo 滿足A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入要求并保持在量程范圍之內(nèi)。具體電路如圖1-3所示。1-3壓力傳感器、溫度傳感器及其放大電路(2) A/D轉(zhuǎn)換和顯示部分采用AD574芯片（12位），轉(zhuǎn)換精度高，轉(zhuǎn)換速度快，完全能夠滿足要求，單片機(jī)選用STC89C52RC主處理芯片，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算后送到上位機(jī)顯示，最后得出準(zhǔn)確的測(cè)量值。（3）溫度補(bǔ)償?shù)能浖?shí)現(xiàn)本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是用軟件來(lái)代替硬件實(shí)現(xiàn)壓力傳感器的溫度補(bǔ)償。以往的硬件補(bǔ)償方

12、法需要對(duì)電路反復(fù)進(jìn)行調(diào)試，但仍然無(wú)法做到溫度發(fā)生變化時(shí)不產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。本系統(tǒng)采用軟件補(bǔ)償方法，測(cè)量出該壓力傳感器在壓力為零時(shí)的輸出值Uo，并用該值減去Ut，得到補(bǔ)償后的輸出電壓。該電壓僅與壓力有關(guān)，經(jīng)標(biāo)度變換，送到上位加以顯示。其軟件流程如圖1-4所示。1-4 軟件流程圖第二章 多傳感信息融合息融合技術(shù)2.1信息融合技術(shù)的概念 傳感器信息融合又稱數(shù)據(jù)融合，是對(duì)多種信息的獲取、表示及其內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行綜合處理和優(yōu)化的技術(shù)。傳感器信息融合技術(shù)從多信息的視角進(jìn)行處理及綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，從而剔除無(wú)用的和錯(cuò)誤的信息，保留正確的和有用的成分，最終實(shí)現(xiàn)信息的優(yōu)化。它也為智能信息處理技術(shù)的研究提

13、供了新的觀念4。 多傳感信息信息融合技術(shù)將經(jīng)過(guò)集成處理的多傳感器信息進(jìn)行合成，形成一種對(duì)外部環(huán)境或被測(cè)對(duì)象某一特征的表達(dá)方式。單一傳感器只能獲得環(huán)境或被測(cè)對(duì)象的部分信息段，而多傳感器信息經(jīng)過(guò)融合后能夠完善地、準(zhǔn)確地反映環(huán)境的特征。經(jīng)過(guò)融合后的傳感器信息具有以下特征：信息冗余性、信息互補(bǔ)性、信息實(shí)時(shí)性、信息獲取的低成本性。2.2信息融合技術(shù)技術(shù)的結(jié)構(gòu)信息融合的結(jié)構(gòu)分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種 如下圖所示 圖2-1串聯(lián)結(jié)構(gòu)（左）并聯(lián)結(jié)構(gòu)（右）圖中，C1，C2，Cn表示n個(gè)傳感器；S1,S2,，Sn表示來(lái)自各個(gè)傳感器信息融合中心的數(shù)據(jù)；y1，y2，yn表示融合中心。 2.3信息融合技術(shù)的一般方法嵌入約束法 傳

14、感器所獲得的客觀環(huán)境(即被測(cè)對(duì)象)的多組數(shù)據(jù)就是客觀環(huán)境按照某種映射關(guān)系形成的像，信息融合就是通過(guò)像求解原像，即對(duì)客觀環(huán)境加以了解。用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述就是，所有傳感器的全部信息，也只能描述環(huán)境的某些方面的特征，而具有這些特征的環(huán)境卻有很多，要使一組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)惟一的環(huán)境(即上述映射為一一映射)，就必須對(duì)映射的原像和映射本身加約束條件，使問(wèn)題能有惟一的解4。嵌入約束法最基本的方法：Bayes估計(jì)和卡爾曼濾波。一.Bayes估計(jì)Bayes估計(jì)是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器低層數(shù)據(jù)的一種常用方法。其信息描述為概率分布，適用于具有可加高斯噪聲的不確定性信息。假定完成任務(wù)所需的有關(guān)環(huán)境的特征物用向量f表示，通過(guò)傳感器

15、獲得的數(shù)據(jù)信息用向量d來(lái)表示，d和f都可看作是隨機(jī)向量。信息融合的任務(wù)就是由數(shù)據(jù)d推導(dǎo)和估計(jì)環(huán)境f。假設(shè)p(f，d)為隨機(jī)向量f和d的聯(lián)合概率分布密度函數(shù)，則 （2-1）式中，p(f|d)表示在已知d的條件下，f關(guān)于d的條件概率密度函數(shù)；p(f|d)表示在已知f 的條件下，d關(guān)于f的條件概率密度函數(shù)；p(d)和p(f)分別表示d和f的邊緣分布密度函數(shù)。已知d時(shí)，要推斷f，只須掌握p(f|d)即可，即 （2-2）上式為概率論中的Bayes公式，是嵌入約束法的核心。信息融合通過(guò)數(shù)據(jù)信息d做出對(duì)環(huán)境f的推斷，即求解p(f|d)。由Bayes公式知，只須知道p(f|d)和p(f)即可。因?yàn)閜(d)可看

16、作是使p(f|d)p(f)成為概率密度函數(shù)的歸一化常數(shù)，p(d|f)是在已知客觀環(huán)境變量f的情況下，傳感器得到的d關(guān)于f的條件密度。當(dāng)環(huán)境情況和傳感器性能已知時(shí)，p(f|d)由決定環(huán)境和傳感器原理的物理規(guī)律完全確定。而p(f)可通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)的獲取和積累，逐步漸近準(zhǔn)確地得到，因此，一般總能對(duì)p(f)有較好的近似描述5。在嵌入約束法中，反映客觀環(huán)境和傳感器性能與原理的各種約束條件主要體現(xiàn)在p(f|d) 中，而反映主觀經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的各種約束條件主要體現(xiàn)在p(f)中。二.卡爾曼濾波(KF)用于實(shí)時(shí)融合動(dòng)態(tài)的低層次冗余傳感器數(shù)據(jù)，該方法用測(cè)量模型的統(tǒng)計(jì)特性，遞推決定統(tǒng)計(jì)意義下最優(yōu)融合數(shù)據(jù)合計(jì)。如果系統(tǒng)具有線

17、性動(dòng)力學(xué)模型，且系統(tǒng)噪聲和傳感器噪聲可用高斯分布的白噪聲模型來(lái)表示，KF為融合數(shù)據(jù)提供惟一的統(tǒng)計(jì)意義下的最優(yōu)估計(jì)，KF的遞推特性使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理不需大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算。KF分為分散卡爾曼濾波(DKF)和擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)。DKF可實(shí)現(xiàn)多傳感器數(shù)據(jù)融合完全分散化，其優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)失效不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效。而EKF的優(yōu)點(diǎn)：可有效克服數(shù)據(jù)處理不穩(wěn)定性或系統(tǒng)模型線性程度的誤差對(duì)融合過(guò)程產(chǎn)生的影響。嵌入約束法傳感器信息融合的最基本方法之一，其缺點(diǎn)：需要對(duì)多源數(shù)據(jù)的整體物理規(guī)律有較好的了解，才能準(zhǔn)確地獲得p(d|f)，但需要預(yù)知先驗(yàn)分布p(f)。、證據(jù)組合法證據(jù)組合法認(rèn)為完成某項(xiàng)智能任務(wù)是依據(jù)

18、有關(guān)環(huán)境某方面的信息做出幾種可能的決策，而多傳感器數(shù)據(jù)信息在一定程度上反映環(huán)境這方面的情況。因此，分析每一數(shù)據(jù)作為支持某種決策證據(jù)的支持程度，并將不同傳感器數(shù)據(jù)的支持程度進(jìn)行組合，即證據(jù)組合，分析得出現(xiàn)有組合證據(jù)支持程度最大的決策作為信息融合的結(jié)果6。證據(jù)組合法是對(duì)完成某一任務(wù)的需要而處理多種傳感器的數(shù)據(jù)信息，完成某項(xiàng)智能任務(wù)，實(shí)際是做出某項(xiàng)行動(dòng)決策。它先對(duì)單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)信息每種可能決策的支持程度給出度量(即數(shù)據(jù)信息作為證據(jù)對(duì)決策的支持程度)，再尋找一種證據(jù)組合方法或規(guī)則，在已知兩個(gè)不同傳感器數(shù)據(jù)(即證據(jù))對(duì)決策的分別支持程度時(shí)，通過(guò)反復(fù)運(yùn)用組合規(guī)則，最終得出全體數(shù)據(jù)信息的聯(lián)合體對(duì)某決策總的支

19、持程度。得到最大證據(jù)支持決策，即信息融合的結(jié)果。利用證據(jù)組合進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的關(guān)鍵在于：選擇合適的數(shù)學(xué)方法描述證據(jù)、決策和支持程度等概念。建立快速、可靠并且便于實(shí)現(xiàn)的通用證據(jù)組合算法結(jié)構(gòu)。、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過(guò)模仿人腦的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)和建立相應(yīng)的機(jī)器和模型并完成一定的智能任務(wù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)所接收到的樣本的相似性，確定分類標(biāo)準(zhǔn)。這種確定方法主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)權(quán)值分布上，同時(shí)可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特定的學(xué)習(xí)算法來(lái)獲取知識(shí)，得到不確定性推理機(jī)制7。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多傳感器信息融合的實(shí)現(xiàn)，分三個(gè)重要步驟：（1）根據(jù)智能系統(tǒng)要求及傳感器信息融合的形式，選擇其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；（2）各傳感器的輸入信息綜合處理為一總體輸入函數(shù)

20、，并將此函數(shù)映射定義為相關(guān)單元的映射函數(shù),通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與環(huán)境的交互作用把環(huán)境的統(tǒng)計(jì)規(guī)律反映網(wǎng)絡(luò)本身結(jié)構(gòu)；（3）對(duì)傳感器輸出信息進(jìn)行學(xué)習(xí)、理解，確定權(quán)值的分配，完成知識(shí)獲取信息融合，進(jìn)而對(duì)輸入模式做出解釋，將輸入數(shù)據(jù)向量轉(zhuǎn)換成高層邏輯(符號(hào))概念。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的傳感器信息融合特點(diǎn)：具有統(tǒng)一的內(nèi)部知識(shí)表示形式，通過(guò)學(xué)習(xí)算法可將網(wǎng)絡(luò)獲得的傳感器信息進(jìn)行融合，獲得相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，并且可將知識(shí)規(guī)則轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，便于建立知識(shí)庫(kù)；利用外部環(huán)境的信息，便于實(shí)現(xiàn)知識(shí)自動(dòng)獲取及并行聯(lián)想推理；能夠?qū)⒉淮_定環(huán)境的復(fù)雜關(guān)系，經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)推理，融合為系統(tǒng)能理解的準(zhǔn)確信號(hào)；由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模并行處理信息能力，使得系統(tǒng)信息

21、處理速度很快。2.4、多傳感器信息融合的實(shí)例多傳感器信息融合技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：工業(yè)過(guò)程監(jiān)視及工業(yè)機(jī)器人；遙感與金融系統(tǒng)；空中交通管制與病人照顧系統(tǒng)；船舶避碰與交通管制系統(tǒng)；生物特征的身份識(shí)別；采用多傳感器的自主式武器系統(tǒng)和自備式運(yùn)載器；采用多傳感器進(jìn)行截獲、跟蹤和指揮制導(dǎo)的火控系統(tǒng)等方面可以說(shuō)有及其廣泛的應(yīng)用。以工業(yè)機(jī)器人為例簡(jiǎn)介信息融合技術(shù)的應(yīng)用圖2-2自主裝配機(jī)器人在這套系統(tǒng)中機(jī)器人系統(tǒng)融合了視覺(jué)信號(hào)信息、距離信息、力學(xué)信息、觸覺(jué)信息等信息完成了只能機(jī)器人裝配系統(tǒng)。信息融合技術(shù)有效的去協(xié)調(diào)這些信息中的有用信息，提高了空間的分辨力，增加了系統(tǒng)的測(cè)量維數(shù)，降低了信息的模糊度、增加了系統(tǒng)的可

22、信度。目前的控制技術(shù)，已從程序控制進(jìn)入了建立在信息融合基礎(chǔ)上的智能控制。智能控制系統(tǒng)不僅用于軍事，還應(yīng)用于工廠企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程控制和產(chǎn)供銷管理、城市建設(shè)規(guī)劃、道路交通管理、商業(yè)管理、金融管理與預(yù)測(cè)、地質(zhì)礦產(chǎn)資源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)與保護(hù)、糧食作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)及防治等涉及宏觀、微觀和社會(huì)的各行各業(yè)7。第三章 自選量程與增益調(diào)整人們?cè)趹?yīng)用傳感器的時(shí)候總是喜歡將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行處理。在測(cè)量時(shí)存在被測(cè)信號(hào)的范圍比較大，為了提高測(cè)量精度總是希望測(cè)量?jī)x器即傳感器系統(tǒng)能夠具有自動(dòng)切換量程的能力。在進(jìn)行非電信號(hào)到電信號(hào)和電信號(hào)的放大轉(zhuǎn)換過(guò)程中總是希望信號(hào)的增益能自動(dòng)調(diào)整，以獲得理想的結(jié)果便于后續(xù)的

23、信號(hào)處理。本章主要針對(duì)自選量程和增益調(diào)整進(jìn)行說(shuō)明。3.1自選量程自選量程在傳感器的信號(hào)處理過(guò)程中有重要的作用。自選量程能夠提大大高信號(hào)提取和處理的精度?，F(xiàn)在很少有傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)自選量程這個(gè)目標(biāo)。自選量程的實(shí)現(xiàn)一般都是通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的。下面以能夠?qū)崿F(xiàn)自選量程的數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)進(jìn)行說(shuō)明。這種設(shè)計(jì)方法是通過(guò)對(duì)單片機(jī)軟件編程實(shí)現(xiàn)的8。 在使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量時(shí)，這時(shí)外部的待測(cè)信號(hào)通過(guò)頻率計(jì)的予處理電路變成寬度等于待測(cè)信號(hào)周期的方波，該方波同樣加定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳。這時(shí)頻率計(jì)的工作過(guò)程為：首先定時(shí)/計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)寄存器清0，然后檢查方波高電平 是否加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳；當(dāng)

24、判定高電平加至定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入腳，運(yùn)行控制為TR置1，啟動(dòng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)單片機(jī)的及其周期的計(jì)數(shù)，同時(shí)檢測(cè)方波高電平是否結(jié)束；當(dāng)判定高電平結(jié)束時(shí)TR置0，停止計(jì)數(shù)，然后從計(jì)數(shù)寄存器讀出測(cè)量數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)處理后，由顯示電路顯示測(cè)量結(jié)果。測(cè)量結(jié)果的顯示格式采用科學(xué)計(jì)數(shù)法，即有效數(shù)字乘以10為底的冪。這里設(shè)計(jì)的頻率計(jì)用5位數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果：前3位為測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字；第4位為指數(shù)的符號(hào)；第5位為指數(shù)的值。采用這種顯示格式既保證了測(cè)量結(jié)果的顯示精度，由保證了測(cè)量結(jié)果的顯示范圍（0.100Hz9.99MHz）。量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換的過(guò)程由頻率計(jì)測(cè)量量程的高端開始。由于只顯示3位有效數(shù)字，在測(cè)量量程的高端計(jì)數(shù)

25、閘門不需要太寬，例如在頻率范圍，計(jì)數(shù)閘門寬度為10mS即可。頻率計(jì)每個(gè)工作循環(huán)開始時(shí)使用計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，并是計(jì)數(shù)閘門寬度為最窄，完成測(cè)量后判斷測(cè)量結(jié)果是否具有3位有效數(shù)字，如果成立，將結(jié)果送去顯示，本工作循環(huán)結(jié)束；否則將計(jì)數(shù)閘門寬度擴(kuò)大10倍，繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量判斷，直到計(jì)數(shù)閘門寬度達(dá)到1s，這時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率測(cè)量范圍為100Hz-999Hz。如果測(cè)量結(jié)果仍不具有3位有效數(shù)字，頻率計(jì)則使用定時(shí)方法實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。定時(shí)方法測(cè)量的是待測(cè)信號(hào)的周期，這種方法只設(shè)一種量程，測(cè)量結(jié)果通過(guò)浮點(diǎn)運(yùn)算模塊將信號(hào)周期轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的頻率值，再將結(jié)果送去顯示，這樣無(wú)論采用何種方式，只要完成一次測(cè)量即可，頻率計(jì)自動(dòng)開始下一個(gè)

26、測(cè)量循環(huán)。因此該頻率計(jì)具有連續(xù)測(cè)量的功能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)轉(zhuǎn)換9。3.2增益調(diào)整在目前的傳感器信號(hào)處理的過(guò)程中主要針對(duì)電信號(hào)進(jìn)行增益調(diào)整。由于電信號(hào)存在幅值和頻率信息的變化范圍大的特點(diǎn)，因此總希望能夠設(shè)計(jì)一種自動(dòng)調(diào)節(jié)增益的放大器。下面以自動(dòng)增益控制電路為例對(duì)增益調(diào)整進(jìn)行進(jìn)行說(shuō)明。自動(dòng)增益控制電路已廣泛用于各種接收機(jī)、錄音機(jī)和信號(hào)采集系統(tǒng)中，另外在光纖通信、微波通信、衛(wèi)星通信等通信系統(tǒng)以及雷達(dá)、廣播電視系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用10。在接收機(jī)中，為了防止強(qiáng)信號(hào)引起的過(guò)載，需要增大接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，這就要有增益控制電路。能夠使放大電路的增益自動(dòng)地隨信號(hào)強(qiáng)度而調(diào)整的控制電路，簡(jiǎn)稱自動(dòng)增益控制AGC

27、(Automatic Gain Control)電路，它能夠在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下，使輸出信號(hào)幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化，不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)太小而無(wú)法正常工作，也不至于因?yàn)檩斎胄盘?hào)太大而使接收機(jī)發(fā)生飽和或堵塞。常用來(lái)使系統(tǒng)的輸出電平保持在一定范圍之內(nèi)，因而也可以稱為自動(dòng)電平控制。自動(dòng)增益控制的原理：自動(dòng)增益控制電路的作用是：當(dāng)輸入信號(hào)電壓變化很大時(shí)，保持接收機(jī)輸出電壓恒定或基本不變。具體地說(shuō)，當(dāng)輸入信號(hào)很弱時(shí)，接收機(jī)的增益大，自動(dòng)增益控制電路不起作用；當(dāng)輸入信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行控制，使接收機(jī)的增益減小。這樣，當(dāng)接收信號(hào)強(qiáng)度變化時(shí)，接收機(jī)的輸出端的電壓或功率基本不變或保

28、持恒定。因此對(duì)AGC電路的要求是：在輸入信號(hào)較小時(shí)，AGC電路不起作用，只有當(dāng)輸入信號(hào)增大到一定程度后，AGC電路才起控制作用，使增益隨輸入信號(hào)的增大而減少。     為實(shí)現(xiàn)上述要求，必須有一個(gè)能隨外來(lái)信號(hào)強(qiáng)弱而變化的控制電壓或電流信號(hào)，利用這個(gè)信號(hào)對(duì)放大器的增益自動(dòng)進(jìn)行控制。由上述分析可知，調(diào)幅中頻信號(hào)經(jīng)幅度檢波后，在它的輸出中除音頻信號(hào)外，還含有直流分量。直流分量大小與中頻載波的振幅成正比，也即與外來(lái)高頻信號(hào)成正比。因此，可將檢波器輸出的直流分量作為AGC控制信號(hào)。AGC電路工作原理：可以分為增益受控放大電路和控制電壓形成電路。增益受控放大電路位于正

29、向放大通路，其增益隨控制電壓U0而改變。控制電壓形成電路的基本部件是AGC整流器和低通平滑濾波器，有時(shí)也包含門電路和直流放大器等部件。目前,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制的手段很多,典型的有壓控放大器,也就是本文所要研究的自動(dòng)增益控制放大器。它是通過(guò)調(diào)整放大器一個(gè)控制端的電壓,就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)這個(gè)放大器的增益。因此,我們就可以通過(guò)反饋電路采集輸出端的電壓,通過(guò)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)后(調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的功能就是規(guī)定的調(diào)整策略)加到放大器的控制端.就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。自動(dòng)增益控制放大器的設(shè)計(jì)如果設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于音頻放大的前級(jí)放大器。因此設(shè)計(jì)的電路需容納的頻帶范圍應(yīng)較寬，以至于使語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)。由于語(yǔ)音信號(hào)的頻帶范圍為300hz-3400hz,所以該電路所應(yīng)設(shè)計(jì)的頻帶范圍應(yīng)在300hz-3400hz之間，并且電路應(yīng)該實(shí)現(xiàn)增益的閉環(huán)調(diào)節(jié)，通過(guò)此電路可以實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)調(diào)整，以至于使音頻信號(hào)強(qiáng)時(shí)自動(dòng)減小放大器的倍數(shù)，信號(hào)弱時(shí)自動(dòng)增大放大器的倍數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)音量的自動(dòng)調(diào)節(jié)11。相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)電路如下圖所示：圖3-1自動(dòng)增益控制放大器電路設(shè)計(jì)圖從圖中可以看出，此方案是通過(guò)兩級(jí)放大器的級(jí)聯(lián)來(lái)控制自動(dòng)增益調(diào)節(jié)的。此圖采用了AD603來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增