移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)中異常參數(shù)識(shí)別方法

楊雁瑩

（南京森林警察學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 引言

移動(dòng)機(jī)器人是一種執(zhí)行自動(dòng)化工作程序的復(fù)雜機(jī)器裝置，接受人工指揮和預(yù)先編排程序的雙重控制，完全遵照人工智能技術(shù)的應(yīng)用需求，能夠代替或協(xié)助人類執(zhí)行危險(xiǎn)系數(shù)較高的工作，如建筑業(yè)、生產(chǎn)業(yè)等。隨著常規(guī)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，移動(dòng)機(jī)器人逐漸融合了動(dòng)態(tài)決策、環(huán)境感知、行為規(guī)劃等多項(xiàng)理論，成為了一個(gè)及多功能于一體的綜合型控制系統(tǒng)[1]。這種新型機(jī)器控制元件在自動(dòng)化工程、電子計(jì)算機(jī)、機(jī)電一體化等多個(gè)方面都具有極為廣闊的發(fā)展前景，是整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向。

隨著移動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)路程總量的提升和工作環(huán)境的日趨復(fù)雜，機(jī)器人的控制通信會(huì)出現(xiàn)非平穩(wěn)輸出信號(hào)明顯異常振動(dòng)行為。對(duì)這些行為及時(shí)快速的識(shí)別是至關(guān)重要的。當(dāng)前針對(duì)這種移動(dòng)機(jī)器人異常信號(hào)識(shí)別的方法主要依靠局部均值分解方法：借助智能信號(hào)處理器，實(shí)時(shí)監(jiān)控集中控制網(wǎng)絡(luò)的信息吞吐量水平，再利用射頻芯片匯聚處于分散狀態(tài)的路徑控制節(jié)點(diǎn)，最后聯(lián)合包狀數(shù)據(jù)組織，固定異常信號(hào)的具體所屬位置。在這種方法下，相關(guān)學(xué)者對(duì)這一問題的研究取得了一定的進(jìn)展。文獻(xiàn)[2]表明，這種傳統(tǒng)性的識(shí)別方法更適應(yīng)于廣義障礙環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人，能夠根據(jù)初始節(jié)點(diǎn)、終止節(jié)點(diǎn)間的直線距離，判斷已規(guī)劃路徑中異常信號(hào)的有效性。但與這種手段所匹配的調(diào)幅周期及調(diào)頻波長(zhǎng)始終難以到達(dá)預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)水平。文獻(xiàn)[3]利用一種電耦合多能域系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)方法，識(shí)別異常參數(shù)，但是識(shí)別過程必須依靠可識(shí)別的震動(dòng)參數(shù)特征，這種方法也很難擺脫外部約束.文獻(xiàn)[4]提出基于卡爾曼濾波和遞推最小二乘的異常參數(shù)識(shí)別法，雖然能進(jìn)一步提升模糊特征下識(shí)別準(zhǔn)確率，但是，因?yàn)樾枰柚布O(shè)備，提升了方法的成本。

為了解決以上問題，提出移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)中的異常參數(shù)識(shí)別方法。在電路異常量、射頻識(shí)別量等數(shù)據(jù)條件的支持下，針對(duì)單分量控制信號(hào)、多分量控制信號(hào)分別實(shí)施模態(tài)分解處理，再根據(jù)模態(tài)頻率的具體數(shù)值水平，計(jì)算阻尼比的平均匹配條件。整合所有可利用資源，設(shè)計(jì)研究性參照實(shí)驗(yàn)，通過物理數(shù)值對(duì)比的方式，突出說明新型異常參數(shù)識(shí)別方法的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)異?？勺R(shí)別特征分析

移動(dòng)機(jī)器人的路徑控制網(wǎng)絡(luò)異常參數(shù)識(shí)別是控制過程的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)。路徑控制中的異常主要來自于電路異常量、機(jī)器人射頻識(shí)別量異常、單片機(jī)控制異常三個(gè)過程。

2.1 電路異常中的參數(shù)可識(shí)別特征

節(jié)點(diǎn)接口電路負(fù)責(zé)移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)的電量傳輸，直接與繼電器的入口端與出口端相連，在負(fù)載高壓端電子傳輸任務(wù)的同時(shí)，統(tǒng)籌整個(gè)傳輸路徑內(nèi)的電量消耗總需求，并借助各級(jí)輸出信道，將物理電壓值平均分配至其它機(jī)器人連接元件內(nèi)部。

隨著機(jī)器人移動(dòng)距離的延長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)接口電路會(huì)出現(xiàn)明顯的負(fù)載異常行為，進(jìn)而引發(fā)路徑控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息大量堆積。造成電路將調(diào)度級(jí)別較高的電壓值，直接轉(zhuǎn)化成調(diào)度級(jí)別較低的電壓值，并借助物理信道組織，將定向化電子傳輸?shù)降蛪憾舜鎯?chǔ)元件之中。在網(wǎng)絡(luò)繼電器的配合下，機(jī)器人控制路徑內(nèi)的電子負(fù)載水平逐漸趨于異常，接地端的輸出電子量也無限向零靠近[5]。

在常規(guī)電路異常量處理的過程中，機(jī)器人識(shí)別元件的阻值始終保持不變，這就可以通過異常闕值D，判斷是否出現(xiàn)異常。設(shè)U0代表入口端電壓，U1代表出口端電壓，利用U0、U1可將電路異常量闕值表達(dá)式定義為：

式中：?—電路異常量的最短累積周期；μ—必要的冪次項(xiàng)系數(shù)；I—移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)中的固定電量傳輸系數(shù)；R—機(jī)器人識(shí)別元件的物理阻值。

2.2 機(jī)器人射頻異常中的可識(shí)別特征

機(jī)器人射頻識(shí)別量受到移動(dòng)路徑控制網(wǎng)絡(luò)的直接控制，可根據(jù)節(jié)點(diǎn)接口電路中傳輸電子的數(shù)量級(jí)水平，確定束狀連通電流中異常識(shí)別參數(shù)的具體量化等級(jí)。從結(jié)構(gòu)性角度來看，機(jī)器人射頻識(shí)別行為受到SINK芯片、SPI芯片、控制電阻等多個(gè)電子結(jié)構(gòu)的共同影響。在電路異常處理量保持散亂分布的情況下，移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)單片機(jī)能夠?yàn)樯漕l模塊供應(yīng)足量的電壓及電流參量，且隨著SPI芯片與小型射頻調(diào)節(jié)裝置物理連接的建立，待識(shí)別的射頻數(shù)據(jù)總量也會(huì)不斷提升，直至達(dá)到節(jié)點(diǎn)接口電路對(duì)于異常參數(shù)值的存儲(chǔ)上限。在出現(xiàn)異常的時(shí)候，機(jī)器人射頻識(shí)別量不能夠阻止不當(dāng)?shù)碾娮觽鬏斝袨?，進(jìn)而無法平衡移動(dòng)路徑控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的電流消耗壓力。這一特征可作為異常參數(shù)的可識(shí)別特征，相較于其它異常參數(shù)來說，機(jī)器人射頻識(shí)別量異常特征對(duì)控制電阻平均阻值水平的要求更低，且能夠聯(lián)合核心供電裝置中的電子傳輸量，確定可識(shí)別參數(shù)特征。

設(shè)Rˉ代表機(jī)器人控制電阻的平均阻值水平，β代表移動(dòng)路徑控制網(wǎng)絡(luò)異常參數(shù)的識(shí)別量化等級(jí)，聯(lián)立公式（1），可將機(jī)器人射頻異常參數(shù)特征闕值表示為：

式中：α0—定向識(shí)別積分的下限數(shù)值；α1—定向識(shí)別積分的上限數(shù)值；β′—識(shí)別量化處理的補(bǔ)充說明條件；Ε—機(jī)器人射頻模塊中的電流供應(yīng)參量。

2.3 單片機(jī)異常參數(shù)可識(shí)別特征

單片機(jī)異常參數(shù)特征以機(jī)器人射頻識(shí)別量作為基礎(chǔ)，針對(duì)路徑控制指令中的特征性節(jié)點(diǎn)，調(diào)度接口電路中的傳輸電流。從功能性執(zhí)行的角度來看，單片機(jī)屬于聯(lián)合型的消耗元件設(shè)備，包含外部晶振體、調(diào)控轉(zhuǎn)頭、示數(shù)模板、調(diào)試變阻器、機(jī)器人控制管腳等多個(gè)物理組成結(jié)構(gòu)。而隨著機(jī)器人移動(dòng)路徑的延長(zhǎng)，各項(xiàng)理論元件間產(chǎn)生了明顯的交流互通關(guān)系，在不考慮其它干擾影響的前提下，異常性參數(shù)可直接影響單片機(jī)結(jié)構(gòu)的執(zhí)行狀態(tài)。單片機(jī)具備較強(qiáng)的電子感應(yīng)能力，故隨著物理電流的不斷累積，異常參數(shù)所指示的數(shù)值水平也會(huì)逐漸增大[6]。機(jī)器人射頻模塊、節(jié)點(diǎn)接口電路借助單片機(jī)元件與移動(dòng)路徑控制網(wǎng)絡(luò)相連，而隨著接入裝置數(shù)量的提升，單片機(jī)定值電阻的阻值水平開始不斷下降，但異常示數(shù)模板中的數(shù)值水平卻持續(xù)增大，因此最終的參數(shù)整合結(jié)果同時(shí)受到多個(gè)附屬參量的同時(shí)限制[7-8]。設(shè)f代表機(jī)器人移動(dòng)路徑的長(zhǎng)度數(shù)值，g代表單片機(jī)異?；袨閳?zhí)行向量，聯(lián)立式（2），可將單片機(jī)異常參數(shù)闕值整合公式定義為：

式中：α—移動(dòng)機(jī)器人在路徑控制網(wǎng)絡(luò)中的行進(jìn)系數(shù)；o—異常參數(shù)的下限累積指標(biāo)；b—異?；瘏?shù)的基礎(chǔ)整合向量。

3 移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)的異常參數(shù)識(shí)別方法設(shè)計(jì)

在路徑控制網(wǎng)絡(luò)異常參數(shù)計(jì)算處理結(jié)果的支持下，按照單分量控制信號(hào)模態(tài)分解、多分量控制信號(hào)模態(tài)分解、模態(tài)頻率阻尼比計(jì)算的處置流程，完成異常參數(shù)識(shí)別方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

3.1 單分量控制信號(hào)的模態(tài)分解

單分量控制信號(hào)是以時(shí)間作為考慮標(biāo)準(zhǔn)的單一值函數(shù)，在不考慮其它干擾影響的前提下，每一個(gè)波動(dòng)周期內(nèi)信號(hào)頻度的變化規(guī)律只與機(jī)器人移動(dòng)路徑長(zhǎng)度及控制網(wǎng)絡(luò)覆蓋參量保持關(guān)聯(lián)性影響。機(jī)器人移動(dòng)路徑長(zhǎng)度是一個(gè)相對(duì)性物理量，在波動(dòng)周期時(shí)間不斷延長(zhǎng)的情況下，路徑長(zhǎng)度的具體實(shí)值也會(huì)隨之不斷增大，但該項(xiàng)物理量的平均波動(dòng)行為始終受到模態(tài)累積系數(shù)上、下邊界值的限制影響[9]。控制網(wǎng)絡(luò)覆蓋參量則是一個(gè)絕對(duì)性物理量，不隨其它物理量的改變而發(fā)生變化，在既定移動(dòng)時(shí)間內(nèi)，機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)始終具備較高的協(xié)調(diào)應(yīng)用性，即在移動(dòng)機(jī)器人受控時(shí)間發(fā)生改變的情況下，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部相關(guān)覆蓋權(quán)限系數(shù)的物理實(shí)值也會(huì)隨之改變；在移動(dòng)機(jī)器人受控時(shí)間保持不變的情況下，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部相關(guān)覆蓋權(quán)限系數(shù)的物理實(shí)值也始終保持穩(wěn)定。設(shè)q0代表模態(tài)累積系數(shù)的下邊界數(shù)值，q1代表模態(tài)累積系數(shù)的上邊界數(shù)值，T代表波動(dòng)周期時(shí)間，χ代表控制網(wǎng)絡(luò)中的平均覆蓋參量，聯(lián)合上述物理系數(shù)，可將單分量控制信號(hào)的模態(tài)分解結(jié)果表示為：

式中：y′—單分量控制信號(hào)的平均波動(dòng)常量；u、w—兩個(gè)不同的單分量信號(hào)傳輸控制系數(shù)。

3.2 多分量控制信號(hào)的模態(tài)分解

多分量控制信號(hào)是以機(jī)器人移動(dòng)步長(zhǎng)值作為考慮標(biāo)準(zhǔn)的單一值函數(shù)，在不考慮其它干擾影響的前提下，每一個(gè)行進(jìn)周期內(nèi)信號(hào)頻度的變化規(guī)律只與移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)異常節(jié)點(diǎn)數(shù)量及主體識(shí)別權(quán)限保持關(guān)聯(lián)性影響[10-11]。移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)異常節(jié)點(diǎn)數(shù)量是一個(gè)慣常性的物理行為系數(shù)，具備較強(qiáng)的應(yīng)用穩(wěn)定性，在規(guī)定行為周期內(nèi)，常表示為d，不隨網(wǎng)絡(luò)控制周期等參數(shù)值的改變而發(fā)生變化。主體識(shí)別權(quán)限是一項(xiàng)標(biāo)量反應(yīng)系數(shù)，具備明顯的線性趨近能力，隨控制信號(hào)總量的增加，會(huì)產(chǎn)生不斷累積的變化趨勢(shì)，直至無限接近真實(shí)物理數(shù)值100。設(shè)p代表主體識(shí)別權(quán)限，聯(lián)立上述物理量，可將多分量控制信號(hào)的模態(tài)分解結(jié)果表示為：

式中：f—多分量控制信號(hào)的實(shí)際應(yīng)用條件；h—機(jī)器人的平均移動(dòng)步長(zhǎng)值；j—模態(tài)穩(wěn)定系數(shù)；ε—冪次項(xiàng)分解系數(shù)。

3.3 模態(tài)頻率的阻尼比計(jì)算

模態(tài)頻率指的是在既定識(shí)別時(shí)間內(nèi)，單分量控制信號(hào)、多分量控制信號(hào)回歸曲線的具體變化行為，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定抗壓能力，通常情況下，在移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)對(duì)異?；瘏?shù)起綜合性控制影響。假設(shè)機(jī)器人設(shè)備每次移動(dòng)的步長(zhǎng)值均相等，則模態(tài)頻率的具體數(shù)值水平僅受異常參數(shù)總量、網(wǎng)絡(luò)識(shí)別節(jié)點(diǎn)位置權(quán)限的直接影響[12-13]。在移動(dòng)路徑控制網(wǎng)絡(luò)中，異常參數(shù)總量為一個(gè)限定性數(shù)值，常表示為λ，不受除同化識(shí)別系數(shù)μ以外，其它物理量的影響。網(wǎng)絡(luò)識(shí)別節(jié)點(diǎn)位置權(quán)限常表示為m′，對(duì)單分量控制信號(hào)模態(tài)分解結(jié)果、多分量控制信號(hào)模態(tài)分解結(jié)果產(chǎn)生固定性控制作用。如果將異常參數(shù)識(shí)別看做一種分級(jí)處理行為，則在每個(gè)階段性區(qū)間內(nèi)，模態(tài)頻率指標(biāo)都會(huì)出現(xiàn)明顯的趨近變化狀態(tài)，而相鄰區(qū)間組織所具備的數(shù)值對(duì)抗關(guān)系即為模態(tài)頻率的阻尼比。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（4）、式（5），可將模態(tài)頻率的阻尼比計(jì)算結(jié)果表示為：

式中：i—模態(tài)頻率指標(biāo)的下限累積權(quán)限；x—模態(tài)頻率指標(biāo)的上限累積權(quán)限；k—頻率信號(hào)的累積參數(shù)；β—網(wǎng)絡(luò)識(shí)別節(jié)點(diǎn)的相對(duì)性數(shù)值指標(biāo)。在節(jié)點(diǎn)接口電路、無線射頻模塊等設(shè)備元件的支持下，分別計(jì)算模態(tài)頻率阻尼比及各項(xiàng)應(yīng)用系數(shù)，完成移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)中異常參數(shù)識(shí)別方法的順利應(yīng)用。

4 實(shí)效性檢驗(yàn)

為驗(yàn)證移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)中異常參數(shù)識(shí)別方法的實(shí)際應(yīng)用能力，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以兩臺(tái)內(nèi)在配置相同、外在形象不同的移動(dòng)型機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，如圖1所示。其中實(shí)驗(yàn)組機(jī)器人搭載異常參數(shù)識(shí)別方法，對(duì)照組機(jī)器人搭載局部均值分解方法，在既定檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，利用輸入導(dǎo)線連接機(jī)器人與記錄主機(jī)，借助相關(guān)分析軟件，研究各類實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的具體變化趨勢(shì)。

圖1 移動(dòng)型機(jī)器人Fig.1 Mobile Robot

4.1 應(yīng)用型實(shí)驗(yàn)環(huán)境搭建

移動(dòng)型機(jī)器人以非平穩(wěn)信號(hào)作為行進(jìn)驅(qū)動(dòng)條件，在不出現(xiàn)明顯外力干擾的情況下，該類元件的前進(jìn)路徑始終具有較強(qiáng)的可控性。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)主機(jī)，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)主機(jī)Fig.2 Experimental Detection Host

將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組移動(dòng)機(jī)器人放置在同一路徑環(huán)境中，借助各類導(dǎo)線設(shè)備連接機(jī)器人與檢測(cè)主機(jī)平臺(tái)，其中，輸出導(dǎo)線負(fù)責(zé)傳輸機(jī)器人所需的電子流量，輸入導(dǎo)線負(fù)責(zé)將機(jī)器人元件內(nèi)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)反饋回檢測(cè)平臺(tái)。

4.2 非平穩(wěn)信號(hào)調(diào)幅周期異常參數(shù)識(shí)別

以90min作為檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)，分別記錄在該段時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組非平穩(wěn)信號(hào)調(diào)幅周期異常參數(shù)識(shí)別的具體變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)詳情，如圖3所示。

圖3 非平穩(wěn)信號(hào)調(diào)幅周期對(duì)比圖Fig.3 Comparison Diagram of Amplitude Modulation Period of Non-Stationary Signal

分析圖3可知，第（0～20）min的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組非平穩(wěn)信號(hào)調(diào)幅周期始終不斷下降，第（20～50）min內(nèi)，保持上升、下降交替出現(xiàn)的變化趨勢(shì)，50min后，繼續(xù)維持下降狀態(tài)，全局最大值水平僅能達(dá)到0.90s左右；實(shí)驗(yàn)前期，對(duì)照組非平穩(wěn)信號(hào)調(diào)幅周期基本與實(shí)驗(yàn)組曲線保持相同的變化趨勢(shì)，第50min開始，出現(xiàn)異?；仙淖兓厔?shì)，全局最大值超過1.00s，符合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)識(shí)別要求，高于實(shí)驗(yàn)組數(shù)值水平。

4.3 調(diào)頻波長(zhǎng)度異常參數(shù)識(shí)別

反應(yīng)了90min的檢測(cè)時(shí)間內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組調(diào)頻波長(zhǎng)度異常參數(shù)識(shí)別的具體變化情況，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為異常上升過程，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)組調(diào)頻波長(zhǎng)度數(shù)值Tab.1 Numerical Value of Frequency Modulation Wave Length in Experimental Group

分析表1可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組調(diào)頻波長(zhǎng)度異常始終保持先上升、再下降的變化趨勢(shì)，全局最大值水平僅達(dá)到11.4mm，無法準(zhǔn)確識(shí)別后期異常上升行為。分析表2可知，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)照組調(diào)頻波長(zhǎng)度異常參數(shù)始終保持不斷上升的變化趨勢(shì)，雖然后期變化幅度有所減小，但整體行為趨勢(shì)并不發(fā)生變化，全局最大值達(dá)到13.6mm，高于實(shí)驗(yàn)組數(shù)值水平。綜上可知，識(shí)別過程較為準(zhǔn)確。

表2 對(duì)照組調(diào)頻波長(zhǎng)度數(shù)值Tab.2 Value of Fm Wave Length in Control Group

5 結(jié)束語

在局部均值分解手段的基礎(chǔ)上，移動(dòng)機(jī)器人路徑控制網(wǎng)絡(luò)中異常參數(shù)識(shí)別方法聯(lián)合電路異常量處理行為，根據(jù)射頻識(shí)別量的計(jì)算需求，整合一切單片機(jī)異常參數(shù)，在實(shí)施模態(tài)分解單分量控制信號(hào)與多分量控制信號(hào)的同時(shí)，計(jì)算模態(tài)頻率阻尼比的具體數(shù)值。從實(shí)用性角度來看，非平穩(wěn)信號(hào)調(diào)幅周期異常、調(diào)頻波長(zhǎng)度的異?，F(xiàn)狀識(shí)別均出現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn)，機(jī)器人元件的振動(dòng)響應(yīng)屬性得到有效保障。