控制系統(tǒng)中傳感器的適應(yīng)性調(diào)試方法探究

王曉東

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐州機(jī)電工程分院，徐州221011）

王曉東（助理講師），研究方向?yàn)樽詣?dòng)控制及機(jī)械技術(shù)。

引 言

許多設(shè)備在開發(fā)、設(shè)計(jì)和安裝的時(shí)候，都需要進(jìn)行調(diào)試，尤其是基于傳感器外部信息采集的設(shè)備。由于使用環(huán)境的變化性，使得設(shè)備所采集到的環(huán)境信息是一個(gè)不恒定的值，這種不恒定的外部信息往往會(huì)影響控制系統(tǒng)整體的運(yùn)行情況。設(shè)備如何在一個(gè)變化的環(huán)境當(dāng)中不受影響地穩(wěn)定工作而且達(dá)到最高效率，是值得研究的一個(gè)課題。

1 建立模型

機(jī)器人是典型的基于傳感器的控制系統(tǒng)。以下將以XJ－JY1型循跡機(jī)器人為例，來說明傳感器適應(yīng)性調(diào)試的過程。

1.1 機(jī)器人簡(jiǎn)介

XJ－JY1型循跡機(jī)器人基于PIC16F877A 單片機(jī)的機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括PIC16F877A 微控制器部分、傳感器檢測(cè)部分（位于機(jī)器人正前方）、行走控制部分。其中PIC16F877A 微控制器部分集成了模擬量采樣模塊，負(fù)責(zé)通過傳感器檢測(cè)腳下的軌跡路線，并進(jìn)行決策，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)；傳感器檢測(cè)部分采用的是光電傳感器，通過接收發(fā)射出去的紅外線信號(hào)來判斷地面引導(dǎo)線路；行走控制部分是通過直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)橡膠履帶來實(shí)現(xiàn)的，可以跨越模擬的坡度和障礙，保證機(jī)器人的爬坡性能和行走穩(wěn)定性；機(jī)器人采用可充電的鎳氫電池供電，電壓為9.6V，該機(jī)器人的主要功能是按照特定的軌跡自主運(yùn)行巡檢?？刂葡到y(tǒng)框圖如圖1所示，機(jī)器人工作圖如圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

1.2 工作過程

機(jī)器人初始放置在場(chǎng)地（綠色吸光地毯為背景，白色反光即時(shí)貼為軌跡標(biāo)記）上，將其前方的傳感器對(duì)準(zhǔn)背景與軌跡的交接處。機(jī)器人通過檢測(cè)腳下路面反射的光線強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換為環(huán)境的灰度值。然后對(duì)環(huán)境進(jìn)行初始化識(shí)別，測(cè)定并求出最佳工作值以及有效靈敏度范圍，進(jìn)入檢測(cè)運(yùn)行階段。運(yùn)行過程中通過當(dāng)前值與最佳值以及有效靈敏度范圍的比較和分析，區(qū)分出軌跡與場(chǎng)地背景，并控制機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而按照規(guī)定軌跡巡檢。

圖2 機(jī)器人工作圖

1.3 適應(yīng)性介紹

建立這樣一個(gè)控制模型并不難，難的是如何在變化的環(huán)境中讓機(jī)器人做到自主適應(yīng)，從而平穩(wěn)地工作。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化的時(shí)候，機(jī)器人傳感器采回的灰度值會(huì)發(fā)生變化，但是其有效靈敏度范圍也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，所以不能單純地通過改變上下限定值來進(jìn)行調(diào)整，而是需要通過大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)，尋找出傳感器工作值以及有效靈敏度范圍隨環(huán)境變化的規(guī)律，然后進(jìn)行相應(yīng)的控制。

1.4 傳感器簡(jiǎn)介

該機(jī)器人使用的傳感器是基于光電效應(yīng)的自制的灰度傳感器，對(duì)其腳下路面的反光情況進(jìn)行采集，并進(jìn)行運(yùn)算處理。其核心感光元件感光特性如圖3所示。

圖3 傳感器感光特性曲線

2 系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的核心決定因素

在各個(gè)部分的協(xié)調(diào)和配合下，機(jī)器人能夠得以平穩(wěn)的運(yùn)行，唯一不確定因素便是場(chǎng)地環(huán)境。當(dāng)機(jī)器人處于光照強(qiáng)度不同的環(huán)境中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同的運(yùn)行效果。如何能在變化的環(huán)境中讓其發(fā)揮最佳性能，即傳感器的適應(yīng)性，是值得研究的一個(gè)問題。

如果不考慮環(huán)境的影響，可以設(shè)定一個(gè)固定的灰度值，比如晚上的243，讓傳感器采集值限制在與它對(duì)應(yīng)著的范圍內(nèi)，機(jī)器人就可以按照軌跡進(jìn)行巡檢。

當(dāng)機(jī)器人到達(dá)新的環(huán)境，或者所處環(huán)境光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，腳下路面反射給傳感器的光強(qiáng)值發(fā)生了變化，就會(huì)超出預(yù)先設(shè)定的范圍，這樣機(jī)器人的運(yùn)行也會(huì)受到影響。

3 傳感器適應(yīng)性分析

由于環(huán)境光照強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化而變化，傳感器采集到的值以及有效靈敏度范圍也會(huì)發(fā)生變化，為此分別在不同的時(shí)間段內(nèi)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了不同程度的調(diào)試工作，總結(jié)出了在各個(gè)不同時(shí)間段內(nèi)機(jī)器人工作值的最佳狀態(tài)，如表1所列。

表1 不同時(shí)間傳感器采回灰度值匯總表

根據(jù)采回的數(shù)據(jù)值，繪制時(shí)間分布曲線，如圖4所示。

圖4 灰度值曲線

經(jīng)上述時(shí)間和分布曲線的分析和擬合，可得出時(shí)間與灰度值的分布規(guī)律，在上午7點(diǎn)到晚上19點(diǎn)的時(shí)間段內(nèi)，傳感器接收到的灰度值與時(shí)間成一個(gè)曲線關(guān)系：

y＝－0.1551x＾4＋8.0424x＾3－145.79x＾2＋1079＾x－2580.8

其中，y代表傳感器采集到的灰度值，x代表當(dāng)前的24小時(shí)制時(shí)刻值。通過這個(gè)曲線關(guān)系，可以根據(jù)當(dāng)前具體的時(shí)刻求出在此時(shí)間段內(nèi)傳感器采集值的工作范圍。

同樣根據(jù)表1所述最佳工作值以及靈敏度工作范圍的實(shí)驗(yàn)值，繪制分布曲線圖，如圖5所示。

經(jīng)分析，最佳工作值與有效靈敏度范圍在誤差允許的范圍內(nèi)大致成線性關(guān)系，其比例關(guān)系為：y＝0.1203x＋4.2345。其中y代表有效靈敏度范圍，x代表最佳工作灰度值即如果得到最佳工作值，就可以確定靈敏度工作范圍。這樣，在目標(biāo)識(shí)別的時(shí)候，將其特征值界限設(shè)定在最佳工作灰度值上下偏差一個(gè)靈敏度工作范圍，就能夠達(dá)到環(huán)境適應(yīng)的目的。

經(jīng)過上百次的試驗(yàn)，驗(yàn)證了這種傳感器適應(yīng)性調(diào)試方法的正確性。

圖5 靈敏度曲線

4 算法處理

機(jī)器人對(duì)環(huán)境適應(yīng)性的實(shí)現(xiàn)，主要靠傳感器的當(dāng)前值以及有效靈敏度范圍來動(dòng)態(tài)控制。根據(jù)具體系統(tǒng)建立控制模型，并按照流程求出各個(gè)中間量以達(dá)到控制目的，有以下4步。

（1）采 樣

當(dāng)機(jī)器人首次來到一個(gè)全新的環(huán)境當(dāng)中時(shí)，需要對(duì)當(dāng)前的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和分析，具體實(shí)現(xiàn)方法就是采樣，通過多次采樣求平均值的方法得到一個(gè)穩(wěn)定的參考量。本系統(tǒng)中采樣部分參考程序如下：

最終變量Num 的值即為傳感器的最佳工作值。

（2）有效靈敏度工作范圍求解

當(dāng)采樣程序完成之后，會(huì)得出一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境灰度值，根據(jù)這個(gè)灰度值和上面歸納出的線性關(guān)系，確定有效靈敏度范圍。部分參考程序如下：

（3）確定當(dāng)前值的上下限范圍

根據(jù)已求解出的范圍和當(dāng)前的工作值，即可確定上下限范圍。部分參考程序如下：

（4）進(jìn)入循環(huán)工作程序

當(dāng)設(shè)定好上下限初始值以及有效靈敏度范圍之后，系統(tǒng)就可以運(yùn)行工作了。

結(jié) 語

在此次研究中，控制系統(tǒng)中傳感器適應(yīng)性的調(diào)試方法得到了應(yīng)用和論證，取得了良好的效果，并且在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中得到了很好的應(yīng)用。

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