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多技藝整合的車用感應裝置和執行裝置實用體系研發

2016/4/21 8:59:22
多技術在車用傳感器與執行器實訓系統中的應用
無線傳輸技術在車用傳感器與執行器實訓系統中的應用
傳統傳感器與執行器實驗室內都有多套相同的傳感器開發箱,一般采用教師在課堂上演示學生重復完成的教學模式。這種教學方法需要大量的設備,且教學效果不明顯。教學更側重于原理的驗證,而忽略了其應用。學生在課堂上無法根據自身的學習情況,有針對性的了解傳感器的原理及應用。
采用無線傳輸技術的傳感器與執行器實訓系統將能有效的避免這種情況的發生,如所示。
實訓系統上有著不同的車用傳感器與執行器模塊,這些模塊可以開展“遠程學習”(即中的“遠程協助”) ,“電路連接”,“傳感器(或執行器)檢測”以及“能力拓展”等多項任務。
學生在學習《車用傳感器與執行器》課程時,教師按照“行動導向”教學法,在進行學生分組后,布置當次課的工作任務。由于車用傳感器與執行器實訓系統上的傳感器與執行器元件均不相同,因此每個小組所拿到的工作任務也不同:如某一小組進行“節氣門位置傳感器的結構認識與檢測”,某一小組進行“熱線式空氣流量計的結構認識與檢測”等。
各小組根據各自拿到的工作任務進行分析。實訓系統中的“遠程協助”功能采用無線收發模塊NT - T01A ,各小組學生在討論后仍不理解傳感器原理或執行器原理的情況下,可以按動傳感器或執行器模塊上的“遠程協助”按鈕,此時無線收發模塊將通過天線將求助信號發送至教師機端的數據采集卡PCI - 6014 ,采集卡在采集到求助信號后,通過串口向虛擬儀器La bVIEW815軟件發送信號。此時教師機端將通過投影儀,顯示求助小組所拿到的對應傳感器或執行器的工作原理、應用以及檢修方法。
各小組學生在理解了傳感器或執行器原理之后,需要完成教師布置的工作任務,即完成所拿到的模塊中的“自學習”部分內容。所謂“自學習”是指,學生在理解了傳感器或執行器原理的基礎上,根據所示的模塊面板電路圖,正確完成“電路連接”以及“元件檢測”工作任務,并自行選擇相應的執行器模塊,正確連接傳感器模塊與執行器模塊,達到“能力拓展”的教學目標。
12機器人技術在車用傳感器與執行器實訓系統中的應用
目前,在國內外機器人作為輔助教學的手段都還不多見。然而,作為輔助教學的一種特殊工具,機器人有著無法比擬的優勢。理實一體化教學中,教師為了講明白某個傳感器的結構原理,常常需要在教室中來回走動,這不僅浪費了大量課堂教學時間,同時由于大部分傳感器或執行器過小,一些學生不能看清的現象也時有發生。
基于機器人技術的車用傳感器與執行器實訓系統可解決這些問題。所示為機器人應用于車用傳感器與執行器實訓系統的原理圖。機器人的機械本體為鋁型材制成的箱體,底盤處有兩個大功率電機,電機上安裝的無線收發模塊與數據采集卡進行無線通訊。如所示,教師可通過用Lab2 VIEW編寫好的“機器人遠程操控軟件”在2 km內,遠程操控電機的運動以實現機器人前進、后退、轉向、停止等動作。
機器人上方安裝有******像頭,該攝像頭與機器人底盤電機一樣,通過無線收發模塊與數據采集卡通訊,教師通過機器人遠程操控軟件可以操控攝像頭實現三維六自由度運動。同時,可通過機器人遠程操控軟件上的“聚焦”按鈕,實現視頻、圖像的放大。
教師機將接收到的視頻信號,經過LabVIEW軟件的濾波處理后,清晰地投放于大屏幕上,很好的解決了教師上課頻繁走動和學生看不清的教學難題。
13虛擬儀器技術在車用傳感器與執行器實訓系統中的應用
虛擬儀器技術是近年來工控領域廣泛采用的技術,由于軟件功能強大、編程界面友好,深受編程人員歡迎。車用傳感器與執行器實訓系統將虛擬儀器技術運用其上,運用其中的高速磁盤流技術、動態鏈接庫技術等處理數據采集卡傳送來的、復雜的視頻信號,使投影出來的視頻效果清晰,柔和。
所設計的《車用傳感器與執行器實訓系統軟件》功能強大,簡單易學。
14信號調理技術在車用傳感器與執行器實訓系統中的應用
在******像機信號傳輸過程中,由于數據采集現場環境的復雜性,各種干擾因素可能對數據的采集造成非常大的干擾,為了減少高頻信號對視頻采集數據的影響,需要低通濾波處理。巴特沃茲濾波處理和切貝雪夫濾波處理是不錯的選擇,巴特沃茲濾波從幅頻特性提出逼近要求,不考慮相頻特性,具有最大平坦幅度特性,其幅頻響應表達式為:
| H(ω) | = 1 1 + (ω/ωn)2 n(1)切貝雪夫濾波也是從幅頻特性方面提出逼近要求,其幅頻響表達式為:| H(ω) | = 1 1 +θ2 T 2 n(ω/ωn)(2)其中,ω―――濾波器頻率;ωn―――截止頻率;θ―――通帶波紋系數;Tn―――切比雪夫多項式。
切貝雪夫濾波與巴特沃茲濾波處理相比較,雖然在通帶內有起伏,但對同樣的n值在進入阻帶以后衰減更明顯,更接近理想情況。因此,為使視頻效果更融合,選擇切貝雪夫低通濾波處理。
2試驗分析
在完成車用傳感器與執行器實訓系統的研制后,為驗證實訓系統的控制功能,進行了正交回歸旋轉試驗分析。實訓系統控制效果以百分制形式進行衡量。
選取機器人底盤電機距教師機距離L 1、實訓臺架距教師機距離L 2、教師機距屏幕距離L 3、******像頭距教師機距離L 4、******像頭所處環境L 5等5個因素進行試驗。
1試驗因素水平及編碼表
電磁干擾小考慮到5個因素對實訓系統的控制功能影響并非完全是線性的,故試驗選取五因素二次正交回歸旋轉設計試驗方法,其回歸方程一般形式為:Y= b 0 +∑p j = 1 b j +∑p j < j b ij L i L j +∑p j = 1 b jj L 2 j(3)式中:b 0―――常數項;b j―――線性項系數;b ij―――交互項系數;b jj―――平方項系數;P―――因素個數。
試驗中,采用降維分析,固定4個因素水平,得到另一個因素與控制功能的關系。試驗后得到的控制效果隨各因素的變化關系如5所示。
5控制效果隨各因素的變化關系圖從可知,無論各因素如何變化,控制效果均能保持在60分以上。環境因素對控制效果的影響最大,其影響曲線近似于線性。因此,在使用實訓系統時,盡量避免干擾過大的場合。此外,機器人底盤電機距教師機距離也是影響控制效果的因素之一,為確?刂品定可靠,應保證實訓系統在使用過程中,機器人底盤與教師機的距離在1 000 m范圍以內。
3結語
車用傳感器與執行器實訓系統設計過程始終圍繞“行動導向教學”的先進教學理念,將培養學生對傳感器與執行器檢測、應用的實踐能力和創新能力作為設計目標。通過將無線傳輸技術、機器人技術、虛擬儀器技術、信號調理技術等多種先進技術融合于一體,使實訓系統功能齊全、性能穩定。通過試驗驗證,該實訓系統控制效果良好。

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