提高自動(dòng)烹飪機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力設(shè)計(jì)

趙興

摘 要：自動(dòng)烹飪機(jī)器人是近幾年興起的借助機(jī)電、軟件、烹飪等相關(guān)技術(shù)的嵌入式自動(dòng)化設(shè)備。其中，火力的精準(zhǔn)控制是保證菜肴出品穩(wěn)定的核心環(huán)節(jié)，也是烹飪機(jī)器人研發(fā)重點(diǎn)和難點(diǎn)。影響火力效果的因素較多，包括海拔高度、環(huán)境溫度、燃?xì)忸愋?、火控系統(tǒng)儲(chǔ)熱等。通過(guò)布置多個(gè)傳感器采集環(huán)境信號(hào)，研究這些因素及其關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)火力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制，使得火力精確、穩(wěn)定，最終提升烹飪機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)烹飪機(jī)器人；傳感器融合；火力控制；海拔高度

中圖分類號(hào)：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.007

中餐烹飪歷史悠久，烹飪方式多種多樣。長(zhǎng)期以來(lái)，烹飪工藝的傳承和提高依靠的是師傅的傳授和徒工的領(lǐng)悟。因此，“中國(guó)烹飪?cè)诤艽蟪潭壬线€停留在手工的、個(gè)體的、小生產(chǎn)者的狀態(tài)”，烹飪技藝的實(shí)現(xiàn)使烹飪工藝操作技術(shù)蒙上了一層神秘的色彩。隨著我國(guó)勞動(dòng)力減少，且廚師是一個(gè)相對(duì)臟、累的職業(yè)，市場(chǎng)迫切需要對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化改造，自動(dòng)烹飪機(jī)器人正好迎合了這種需求。

自動(dòng)烹飪機(jī)器人是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電控制技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展及烹飪產(chǎn)業(yè)化的行業(yè)需求而順勢(shì)而生，近幾年，技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)推廣快速進(jìn)行。市場(chǎng)的推廣也帶來(lái)了一些問(wèn)題——不同的海拔高度導(dǎo)致燃燒狀況不一樣，不同的環(huán)境溫度也間接影響菜肴出品，不同的燃?xì)鉄嶂狄矔?huì)對(duì)燃燒效果產(chǎn)生影響，自動(dòng)烹飪機(jī)器人本身結(jié)構(gòu)蓄熱也會(huì)對(duì)火力效果產(chǎn)生直接影響。因此，為了達(dá)到菜肴出品穩(wěn)定、一致的目的，我們需要綜合研究這些外在、內(nèi)在因素的特性和其關(guān)聯(lián)關(guān)系，找出有效的辦法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)火力的精準(zhǔn)控制。

1 自動(dòng)烹飪機(jī)器人及火控系統(tǒng)概述

1.1 總體介紹

我們要研究的自動(dòng)烹飪機(jī)器人如圖1所示。該機(jī)器人可以使用天然氣和液化石油氣，具有自動(dòng)加熱與火力精確控制、自動(dòng)攪拌、自動(dòng)精確注油及注水、勾芡等功能，能存儲(chǔ)多達(dá)1 000個(gè)菜肴程序，菜肴出品穩(wěn)定，品質(zhì)達(dá)到廚師級(jí)水平，在黑龍江、新疆、云南、深圳、新加坡、香港等地都有應(yīng)用，市場(chǎng)反饋很好。

該自動(dòng)烹飪機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)研究與火控有關(guān)的部分，包括圖1中的火控系統(tǒng)、保溫桶、鍋等。其中，保溫桶是包圍在鍋具外周的帶保溫材料的結(jié)構(gòu)，它同時(shí)具有安全防護(hù)和提高熱效率的作用，是自動(dòng)烹飪機(jī)器人的重要部分。

1.2 火控系統(tǒng)介紹

自動(dòng)烹飪機(jī)器人火控系統(tǒng)是整機(jī)中的關(guān)鍵部件，它的穩(wěn)定性決定了烹飪菜肴出品的穩(wěn)定性。圖2為火控系統(tǒng)。

圖1 自動(dòng)烹飪機(jī)器人外形 圖2 火控系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2描述了火控系統(tǒng)的核心模塊，主要包括爐頭、鼓風(fēng)機(jī)、燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥、控制器及風(fēng)機(jī)、閥驅(qū)動(dòng)模塊。其中，風(fēng)機(jī)采用了無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)，具有調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥則是通過(guò)恒流源進(jìn)行比例調(diào)節(jié)。電流越大，開(kāi)度越大。系統(tǒng)通過(guò)控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速及比例閥的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)火力的調(diào)節(jié)及保證燃燒的充分。因與本文重點(diǎn)關(guān)系不大，圖2中省略了點(diǎn)火、火焰檢測(cè)、安全防護(hù)等模塊。

控制器采用了STM32F103，采用Cortex-M3內(nèi)核，具有成本低、速度快、接口豐富，適合于自動(dòng)控制領(lǐng)域，正好滿足自動(dòng)烹飪機(jī)器人的需求。

2 環(huán)境因素對(duì)火力效果影響的分析

我們要保證燃?xì)獬浞秩紵?。燃料的燃燒是可燃成分與空氣中的氧進(jìn)行的化合反應(yīng)，燃燒必須充分。不完全燃燒時(shí)，一部分碳生成有毒一氧化碳，同時(shí)還降低了熱效率。因此，燃?xì)獾奶匦院涂諝獾谋壤P(guān)系很重要。另外，還要研究燃燒產(chǎn)生的熱是如何影響菜肴的。烹飪機(jī)器人最終的目的是通過(guò)鍋具傳熱加熱里面的菜肴原料，因此，影響到菜肴熱量吸收的因素都是影響菜肴出品品質(zhì)的因素。

經(jīng)過(guò)分析，主要有以下4個(gè)因素對(duì)加熱效果影響比較大：①海拔高度。它主要影響空氣中氧氣的含量，從而直接影響燃燒的充分性。②環(huán)境溫度。環(huán)境溫度的高低會(huì)影響原材料的起始溫度，也會(huì)影響火控系統(tǒng)初始溫度及對(duì)外散熱狀況，是一個(gè)復(fù)合的影響因素。③保溫桶的儲(chǔ)熱。保溫桶本身的蓄熱較大，溫度較高時(shí)，會(huì)作為熱源輻射熱量影響鍋具的吸熱。實(shí)踐證明，這部分熱量對(duì)菜肴出品影響很大。④燃?xì)獬煞帧２煌細(xì)獾某杀静煌?，其熱值差異也很大，比如我們常用的天然氣和液化石油氣。液化石油氣的主要成分是丙烷或丁烷，天然氣的主要成分是甲烷，它們?nèi)紵龝r(shí)產(chǎn)生的熱值不同——優(yōu)質(zhì)的液化氣的熱值是92 110 kJ，天然氣的熱值是35 588 kJ，相差近3倍，燃燒所需的氧氣量相差也很大。

3 提高烹飪機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)性

3.1 模型概述

正因?yàn)橛猩鲜龆喾N因素會(huì)影響火力效果，自動(dòng)烹飪機(jī)器人作為一款高科技智能化設(shè)備，需具備較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，能自適應(yīng)調(diào)節(jié)這些環(huán)境因素的影響。我們通過(guò)增加多個(gè)溫度、海拔高度等傳感器，利用32位Cortex-M3作為核心處理器的硬件控制系統(tǒng)，結(jié)合軟件算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)烹飪機(jī)器人的自適應(yīng)環(huán)境能力的提高。

因?yàn)槭芏鄠€(gè)因素的影響，所以需要布置多個(gè)傳感器檢測(cè)。又因?yàn)楦饕蛩亻g相互影響，比如溫度本身又會(huì)與海拔高度綜合作用影響海拔高度的測(cè)定，所以需要綜合對(duì)各傳感器進(jìn)行融合處理。在保溫桶測(cè)溫上，我們甚至采用了多路溫度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。研究表明，經(jīng)融合處理得到的結(jié)果比單個(gè)傳感器得

到的結(jié)果更準(zhǔn)確，同時(shí)信息的冗余還可以提高整個(gè)系統(tǒng)自身的魯棒性。我們基于多傳感器融合構(gòu)建了圖3所示的系統(tǒng)模型。

圖3中，驗(yàn)前信息是根據(jù)系統(tǒng)以往行為得到的一種經(jīng)驗(yàn)信息，可以是實(shí)驗(yàn)得到，也可以由系統(tǒng)自身產(chǎn)生。我們通過(guò)對(duì)3類傳感器融合及通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取的驗(yàn)前信息得到最終需要的控制量，由控制器發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)和比例閥進(jìn)行火力控制和調(diào)節(jié)工作。我們采用的無(wú)刷直流風(fēng)機(jī)本身具有霍爾位置傳感器，能檢測(cè)風(fēng)機(jī)的速度，從而構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)的反饋，比例閥本身在硬件電路上也是一個(gè)恒流源閉環(huán)設(shè)計(jì)，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定的功能。

上述提到的燃?xì)夥N類不一致的影響，主要是不同燃?xì)庑枰目諝?燃?xì)馀浔炔灰粯?，?guó)內(nèi)主要使用天然氣及液化石油氣兩種，我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以提前獲取這兩種典型氣體的控制參數(shù)，提前寫入到控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，在用戶切換氣源時(shí)，配置一下氣源參數(shù)即可，不需要額外增加傳感器。

3.2 傳感器的選擇和布置

我們根據(jù)檢測(cè)需要，結(jié)合硬件成本，增加了以下傳感器：①大氣壓強(qiáng)傳感器。該傳感器布置在控制板卡上，我們選用了TP015P，它是由APM公司生產(chǎn)，具有精度高、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量范圍為0～100 kPa，輸出信號(hào)為模擬量，主控板卡通過(guò)對(duì)模擬量的采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理即可。②環(huán)境溫度傳感器。該傳感器也布置在板卡上，我們采用AD公司的ADT7302，通過(guò)SPI接口與主控芯片通信。該傳感器具有±2 ℃的精度，分辨率達(dá)0.031 25 ℃，完全能滿足系統(tǒng)的需求。③熱電偶溫度傳感器。我們?cè)诒赝吧习惭b了2個(gè)熱電偶溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)桶的溫度狀況。采用了鎧裝的熱電偶，外接溫度變送器，對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)處理，轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)，板卡對(duì)此信號(hào)采集濾波，即可得到保溫桶的溫度狀況。

3.3 參數(shù)獲取和數(shù)據(jù)處理

在上述多傳感器系統(tǒng)模型中，參數(shù)獲取和數(shù)據(jù)軟件處理是提升自動(dòng)烹飪機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力的核心部分，也是其難點(diǎn)所在。因?yàn)閹讉€(gè)參數(shù)會(huì)交織產(chǎn)生影響，最終控制的參數(shù)要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)，獲取驗(yàn)前信息。這些信息均存儲(chǔ)在系統(tǒng)存儲(chǔ)器中，以便程序讀取調(diào)用。

為了得到驗(yàn)前信息數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)是必不可少的。有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能大大提高實(shí)驗(yàn)效率和節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們先進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)，再進(jìn)行雙因素組合實(shí)驗(yàn)，最后進(jìn)行綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。分析海拔高度，它主要是影響空氣中氧的含量，查閱相關(guān)資料可得到海拔高度和含氧量關(guān)系及補(bǔ)償系統(tǒng)如表1所示。

因此，根據(jù)燃燒公式確定燃?xì)夂脱鯕獾谋壤瑥亩?jì)算出所需的空氣量，再控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和配合燃?xì)忾y開(kāi)度，即可得到合適的控制參數(shù)。

保溫桶本質(zhì)上是一個(gè)熱源，會(huì)輻射熱量給鍋具，因此在固定火力、環(huán)境溫度等其他因素的影響下，通過(guò)測(cè)量保溫桶溫度和鍋具中物料吸收熱量的狀況，可以得到保溫桶溫度和火力的關(guān)系。我們用“等效火力”的概念來(lái)描述，它可以較方便地建立保溫桶溫度和火力的關(guān)系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，我們獲取了如表2所示的保溫桶溫度和等效火力關(guān)系，為單因素控制提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。例如當(dāng)保溫桶溫度測(cè)得為400 ℃時(shí)，此時(shí)等效火力比標(biāo)準(zhǔn)火力少9%，減少的火力由高溫保溫桶提供。

環(huán)境溫度的影響跟保溫桶效果相似，只是其影響因子更小而已，在此不再單獨(dú)論述。

雙因素的影響主要是環(huán)境溫度同時(shí)也會(huì)對(duì)海拔高度的檢測(cè)產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)這兩個(gè)信息進(jìn)行融合處理，并進(jìn)一步得到修訂參數(shù)。這些參數(shù)主要是在單因素基礎(chǔ)上做細(xì)微的調(diào)整，并將這些調(diào)整規(guī)律總結(jié)成參數(shù)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。

3.4 軟件流程

火控程序只是自動(dòng)烹飪機(jī)器人程序中的一部分，因此，我們只討論與此相關(guān)的部分。程序主要分為以下2部分：①前臺(tái)程序。該部分程序主要對(duì)已經(jīng)采集并進(jìn)行濾波處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行查表計(jì)算，得到實(shí)際控制值，然后驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)和比例閥進(jìn)行火力調(diào)整。值得注意的是，因燃?xì)鈪?shù)在一個(gè)地方是確定的，不會(huì)動(dòng)態(tài)變化，燃?xì)鈪?shù)只在程序第一次啟動(dòng)時(shí)讀取機(jī)器配置，然后再讀取相應(yīng)的氣源控制參數(shù)。②后臺(tái)中斷程序。此部分程序主要負(fù)責(zé)不間斷地周期性采集各傳感器的數(shù)據(jù)，因不同傳感器變動(dòng)快慢不一致，采集的間隔也有區(qū)別，例如環(huán)境溫度和海拔高度采集間隔較長(zhǎng)，保溫桶溫度較低。

在計(jì)算風(fēng)機(jī)和比例閥控制參數(shù)的過(guò)程中，因所獲取的環(huán)境參數(shù)是連續(xù)數(shù)值，所以在應(yīng)用這些火力關(guān)系式時(shí)，要對(duì)照上述參數(shù)表格進(jìn)行插值處理，從而得到更為準(zhǔn)確的參數(shù)，為了提高精度，我們采用了拋物線插值的方法。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

為了驗(yàn)證以上方法的有效性，我們選用回鍋肉進(jìn)行驗(yàn)證。這道菜是比較容易受火力影響的，火力過(guò)大會(huì)煸太干，火力不足則出現(xiàn)煸不透的情況。我們分步測(cè)試了不同的氣源、不同氣源在不同地域（海拔高度不同）及不同環(huán)境溫度下的情況，保持原材料等其他外部條件一致。實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐證明，該技術(shù)對(duì)環(huán)境溫度、保溫桶溫度、海拔高度及燃?xì)夥N類的自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制大大增強(qiáng)了自動(dòng)烹飪機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，使之能在不同區(qū)域、不同季節(jié)、不同氣源的情況下穩(wěn)定工作。目前，該技術(shù)已經(jīng)在市場(chǎng)上得到了應(yīng)用和推廣，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

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〔編輯：劉曉芳〕