秦郡酉，李衛(wèi)國，王利利

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

1 引言

為了深入貫徹習(xí)近平總書記關(guān)于垃圾分類工作的重要指示精神，推動國家公共機構(gòu)更好地開展生活垃圾分類工作，發(fā)揮帶頭示范作用，國家發(fā)改委印發(fā)了《關(guān)于公共機構(gòu)生活垃圾分類工作評估參考標準》，并就進一步推進相關(guān)工作提出了要求。垃圾分類，一般是指按照一定的規(guī)則或標準，對垃圾進行分類貯存、分類投放、分類搬運，從而轉(zhuǎn)化為公共資源的一系列活動的統(tǒng)稱。分類法旨在提高垃圾的資源價值和經(jīng)濟價值，力求物盡其用。針對垃圾分類工作，設(shè)計和研制了垃圾分類機器人[1]。垃圾分類機器人的基本組成部分包括：執(zhí)行設(shè)備、控制裝置、驅(qū)動設(shè)備、檢測裝置等，其中步進電機是垃圾分類機器人的重要組成部分。

步進電機是一種開環(huán)控制元件，它能將電脈沖信號進行轉(zhuǎn)換。當運轉(zhuǎn)過程中沒有過載狀況產(chǎn)生時，垃圾分類機器人接收的脈沖信號以及脈沖數(shù)額單一決定機器人電機的轉(zhuǎn)速以及運動軌跡停止位置。若步進電機的驅(qū)動裝置接收到脈沖信號時，在驅(qū)動裝置的作用下步進電機按照設(shè)定的參數(shù)和方向旋轉(zhuǎn)，即所謂的“步距角”，步距角越大越好，步距角越小越好。步進電機是一種特殊電機，它不能直接接通直流或交流電源進行控制，必須采用專用的驅(qū)動電源[2]。步進電動機控制可分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，

目前，國內(nèi)外對步進電機的閉環(huán)控制方法存在諸多不足之處，如不夠靈活、低頻振蕩等，造成了比較嚴重的控制效果不佳，為此，針對垃圾分類機器人設(shè)備，采用人工智能(Artificial Intelligence，AI)技術(shù)，對步進電機進行閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計。

2 機器人步進電機AI閉環(huán)控制方法設(shè)計

其中，閉環(huán)控制以受控輸出的形式返回到控制的輸入端，主要起到對輸入端的控制作用，與其形成控制關(guān)系。操作員啟動垃圾分類機器人的控制模塊后，將控制信息丟失給被控對象，并將其狀態(tài)信息反饋給輸入端，對操作過程進行修正，保證步進電機的輸出達到預(yù)期的要求。相比于開環(huán)控制，閉環(huán)控制方式更加靈活、工作性能也更好。此次設(shè)計的垃圾機器人步進電機控制方法在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，利用閉環(huán)控制原理，通過AI技術(shù)實現(xiàn)步進電機控制方法的優(yōu)化設(shè)計。閉環(huán)控制方法的基本原理如圖1所示。

圖1 閉環(huán)控制原理

圖1中，其控制命令信號由動態(tài)和靜態(tài)信號疊加而成。指令信號發(fā)出后，進入控制閉環(huán)程序。計算電機的實際狀態(tài)信息，并將FPGA反饋給STM32模糊PID(Packet Identifier，數(shù)字電視)控制器[3]。FPGA將脈沖信號輸入到步進電機驅(qū)動電機，實現(xiàn)了單通道步進電機的閉環(huán)控制。

2.1 分析垃圾分類機器人工作程序

垃圾分類機器人的運行程序包括：圖像提取、圖像預(yù)處理、圖像識別、信息反饋、機器操作、垃圾分類等幾個步驟，主要是通過識別垃圾來實現(xiàn)分類。垃圾圖像的采集首先通過相機記錄圖像，將所提取的體圖像信息存儲進存儲器，再通過中央處理器進行進一步處理[4]。在接收到數(shù)字圖像信息后，中央處理機對垃圾圖像進行預(yù)處理和判斷，并根據(jù)預(yù)處理結(jié)果將目標進行實時定位識別，對目標垃圾進行類型分析，將分析結(jié)果以指令的形式發(fā)送給垃圾機器人，用于垃圾分類作業(yè)。圖2為垃圾分類機器人工作程序中圖像的提取過程。

圖2 圖像提取流程圖

分析目標物體特點信息是進行圖像的識別的重要手段，它可以識別垃圾分類機器人視覺系統(tǒng)中垃圾分類目標的大致形狀描述和尺寸大小，可以作為分類識別不同目標的依據(jù)[5]。實現(xiàn)瓶罐類垃圾的輪廓特征識別和正確分類。主要識別步驟為：首先確定目標垃圾的形狀樣態(tài)，構(gòu)建目標垃圾的形狀模型，根據(jù)所得模型識別出目標垃圾的定位坐標和物體角度信息。最后，根據(jù)上述目標信息完成對目標邊緣輪廓的模擬構(gòu)成，構(gòu)建出目標垃圾的模型。其中，針對目標形狀信息的計算方法為利用識別出的圖像垂直和水平相差度來接近物體的梯度算子，將圖像離散化處理。f(x，y)設(shè)為離散圖像信息，即

(1)

2.2 構(gòu)建步進電機數(shù)學(xué)模型

在忽略線圈自感的諧波分量和庫倫摩擦影響的情況下，得出步進電機的單相等效電路如圖3所示。

圖3 步進電機的單相等效電路

圖3中，E為反電動勢。用電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和動力學(xué)方程來描述步進電機的動態(tài)數(shù)學(xué)模型[7]。由單相電機等值電路直接求得電壓方程為

(2)

式中ia表示a相電流、ib表示b相電流、va表示a相電壓、vb表示b相電壓，R表示每相繞線電阻，Ea和Eb為電機A和B的反相電動勢，Km表示電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)[8]。L為每相的電感，θ和ω分別表示電機的機械角度和角速度，參數(shù)Nr為轉(zhuǎn)子齒數(shù)。另外垃圾分類機器人步進電機的轉(zhuǎn)矩方程可以表示為

Tem=-Km[iasin(Nrθ)-ibcos(Nrθ)]-Tdmsin(Nrθ)

(3)

其中Tem和Tdm分別為電機的電磁轉(zhuǎn)矩和定位轉(zhuǎn)矩。綜合上述原理，可以得出步進電機的機械動力學(xué)方程為

(4)

式中J為電機的總轉(zhuǎn)動慣量，B為摩擦阻尼系數(shù)，TL為負載轉(zhuǎn)矩[9]。上述方程完整的描述了垃圾分類機器人步進電機的數(shù)學(xué)模型。

2.3 安裝閉環(huán)控制器

圖5表示步進電機閉環(huán)控制器原理。

從圖4中可以看出，在閉環(huán)控制器的運行過程中通過參考值(r(t))與實際值(y(t))的比較可以得出運行偏差(e(t))，結(jié)合偏差的的求解結(jié)果，通過比例P放大調(diào)節(jié)和積分I控制兩個步驟，實現(xiàn)對控制器運行偏差的控制，最后通過對整個PI的調(diào)節(jié)量u(t)的調(diào)節(jié)實現(xiàn)被控對象的有效控制[10]。在連續(xù)時間域中，垃圾分類機器人步進電機閉環(huán)控制器的基本運行公式為

圖4 閉環(huán)控制器原理框圖

(5)

式中Kp和Ti分別表示比例系數(shù)和積分時間常數(shù)。

2.4 AI檢測步進電動機位置

當單相定子繞組的電流通過時，轉(zhuǎn)子運動到磁鏈的最大位置，定子電感隨轉(zhuǎn)子繞組的運動由最小變?yōu)樽畲?。利用對?yīng)關(guān)系和人工智能技術(shù)，測量定子電感，獲取轉(zhuǎn)子位置信息[11]。根據(jù)繞組的通電狀態(tài)，可分為通電相繞組檢測和通電相繞組檢測，由于混合步進電動機中不存在不通電相，因此僅檢測不通電的繞組。其中一個方法是在定子繞組外加一個高頻電壓脈沖，測量繞組內(nèi)電流的變化，電感量可由式(6)計算出來

(6)

由已知的外加信號，抗干擾能力強。該方法需要增加產(chǎn)生高頻脈沖的電路，使電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，產(chǎn)生的電流也可能產(chǎn)生負轉(zhuǎn)矩輸出[12]。當電感法用于檢測電機位置時，電流的變化情況可以通過檢測其變化時間來計算，并與電感的計算結(jié)果進行比較，從而確定當前步進電機位置的檢測結(jié)果。

2.5 實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制

在垃圾分類機器人步進電機位置檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，對步進電動機的電流矢量進行分解，并分別從速度、啟動/停止、細分換向等多個方面實現(xiàn)步進電機的閉環(huán)控制。

2.5.1 速度控制

步進電機的速度轉(zhuǎn)矩特性包括牽引轉(zhuǎn)矩和牽引轉(zhuǎn)矩兩個部分，且存在如下關(guān)系式

(7)

式中TL表示負載轉(zhuǎn)矩，在加速控制過程中，步進電機轉(zhuǎn)矩的變化情況如圖5所示。

圖5 加速-轉(zhuǎn)矩特性

在實際的步進電機控制過程中，要求電機能對控制器發(fā)出的位置和速度指令迅速做出響應(yīng)，所以加減速過程時間盡可能短，使給定的速度能在最短的時間內(nèi)加減速，同時避免電機失步和卡轉(zhuǎn)。該速度控制在初始速度為0時，即垃圾分類機器人步進電機的起動控制，而在目標速度為0時，實現(xiàn)步進電機的停止控制。

2.5.2 細分換相控制

步進電機的電細分驅(qū)動是通過控制電機勵磁線圈電流，將步進電機定子的合成磁場按細步進電機定子角旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。在兩相相鄰的線圈同時通過不同尺寸的電流時，各相產(chǎn)生的力矩之和為零的位置就成了新的平衡位置，實現(xiàn)了對線圈的細分。

3 仿真分析

以測試設(shè)計的垃圾分類機器人步進電機AI閉環(huán)控制方法的控制效果為目的，設(shè)計仿真，實驗中使用的垃圾分類機器人的步進電機樣本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 垃圾分類機器人步進電機樣本機械結(jié)構(gòu)圖

在此基礎(chǔ)上分別對步進電機樣本的基本參數(shù)進行設(shè)置，具體包括相繞組電阻為0.7Ω，額定電流為5.8A，旋轉(zhuǎn)電壓系數(shù)為1.24V*s/rad，轉(zhuǎn)子慣量為480kg*cm2，步距角為1.2°，而轉(zhuǎn)子齒數(shù)為50。由于選擇的實驗樣本的工作原理是通過對垃圾圖像的處理得出分類結(jié)果，因此為了保證機器人的正常運行，需要將機器人的基本運行程序?qū)氲椒抡姝h(huán)境中，視覺識別的基本后臺運行界面如圖7所示。

由于設(shè)計的控制方法應(yīng)用了AI技術(shù)，因此需要將人工智能技術(shù)的相關(guān)參數(shù)和運行程序以代碼的方式導(dǎo)入到仿真環(huán)境中。為了形成實驗對比，除了設(shè)計的步進電機AI閉環(huán)控制方法外，還設(shè)置了傳統(tǒng)的電機開環(huán)控制方法和文獻[8]中提出的基于模糊PID控制的步進電機控制方法作為實驗的兩種對比方法，在實驗的運行過程中三種控制方法以并行的方式運行，保證相互之間互不影響。

硬件外設(shè)主要由步進電機樣本信息采集器和通信裝置組成。由于相關(guān)的步進電機樣本信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)容復(fù)雜，規(guī)模龐大，且步進電機樣本信息來源多樣，因此需要通過信息采集器對數(shù)據(jù)庫進行填充豐富與整理，采集器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 采集器結(jié)構(gòu)

本文多功能采集儀如圖8所示。

圖8 多功能采集儀結(jié)構(gòu)

此外，為了保障數(shù)據(jù)信息采集與儲存的正常運行，另配置大容量數(shù)據(jù)采集記錄儀，可脫機離線獨立采集存儲，亦可實時采集傳輸，內(nèi)部存儲量高達512GB。

設(shè)置仿真的測試指標為控制精度，并分別從電機轉(zhuǎn)速和方波位置響應(yīng)兩個方面，實現(xiàn)對控制精度的量化測試。設(shè)定轉(zhuǎn)速目標值，并通過三種控制方法的運行得出轉(zhuǎn)速控制誤差的測試結(jié)果，如表1所示。

表1 步進電機轉(zhuǎn)速控制精度測試結(jié)果

從表1中可以看出，三種控制方法對垃圾分類機器人步進電機轉(zhuǎn)速的平均控制誤差分別為7.71rad、5.00rad和1.29rad。同理可以得出三種不同控制方法下電機方波位置響應(yīng)的測試結(jié)果，如圖9所示。

圖9 步進電機方波位置響應(yīng)對比曲線

從圖9中可以看出，在設(shè)計的垃圾分類機器人步進電機AI閉環(huán)控制方法下，電機樣本的方波位置響應(yīng)更加接近理想情況。綜合轉(zhuǎn)速和方波位置響應(yīng)的測試結(jié)果，可以得出結(jié)論：相比于兩個對比控制方法，設(shè)計的AI閉環(huán)控制方法控制效果更明顯，應(yīng)用價值更高。

4 結(jié)束語

1)通過對垃圾分類機器人位置的分析，以步進電機為執(zhí)行單元，以 AI閉環(huán)控制器為核心，設(shè)計并建立了垃圾分類機器人的閉環(huán)控制方法。

2)垃圾分類機器人步進電機轉(zhuǎn)速的平均控制誤差為1.29rad，步進電機方波位置響應(yīng)程度較高，與原始位置的擬合程度得到保證。

3)驗證了步進電機閉環(huán)控制方案的合理性和可行性，實現(xiàn)了垃圾分類機器人運動軌跡的高精度控制，對城市規(guī)劃和環(huán)保具有重要意義。