垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)AI閉環(huán)控制方法

秦郡酉，李衛(wèi)國(guó)，王利利

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)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(dòng)國(guó)家公共機(jī)構(gòu)更好地開(kāi)展生活垃圾分類工作，發(fā)揮帶頭示范作用，國(guó)家發(fā)改委印發(fā)了《關(guān)于公共機(jī)構(gòu)生活垃圾分類工作評(píng)估參考標(biāo)準(zhǔn)》，并就進(jìn)一步推進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，對(duì)垃圾進(jìn)行分類貯存、分類投放、分類搬運(yùn)，從而轉(zhuǎn)化為公共資源的一系列活動(dòng)的統(tǒng)稱。分類法旨在提高垃圾的資源價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，力求物盡其用。針對(duì)垃圾分類工作，設(shè)計(jì)和研制了垃圾分類機(jī)器人[1]。垃圾分類機(jī)器人的基本組成部分包括：執(zhí)行設(shè)備、控制裝置、驅(qū)動(dòng)設(shè)備、檢測(cè)裝置等，其中步進(jìn)電機(jī)是垃圾分類機(jī)器人的重要組成部分。

步進(jìn)電機(jī)是一種開(kāi)環(huán)控制元件，它能將電脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中沒(méi)有過(guò)載狀況產(chǎn)生時(shí)，垃圾分類機(jī)器人接收的脈沖信號(hào)以及脈沖數(shù)額單一決定機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及運(yùn)動(dòng)軌跡停止位置。若步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置接收到脈沖信號(hào)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)是一種特殊電機(jī)，它不能直接接通直流或交流電源進(jìn)行控制，必須采用專用的驅(qū)動(dòng)電源[2]。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制可分為開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制，

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)步進(jìn)電機(jī)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(yán)重的控制效果不佳，為此，針對(duì)垃圾分類機(jī)器人設(shè)備，采用人工智能(Artificial Intelligence，AI)技術(shù)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)AI閉環(huán)控制方法設(shè)計(jì)

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(duì)輸入端的控制作用，與其形成控制關(guān)系。操作員啟動(dòng)垃圾分類機(jī)器人的控制模塊后，將控制信息丟失給被控對(duì)象，并將其狀態(tài)信息反饋給輸入端，對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行修正，保證步進(jìn)電機(jī)的輸出達(dá)到預(yù)期的要求。相比于開(kāi)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(jì)的垃圾機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)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(guò)AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)控制方法的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(hào)由動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信號(hào)疊加而成。指令信號(hào)發(fā)出后，進(jìn)入控制閉環(huán)程序。計(jì)算電機(jī)的實(shí)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(hào)輸入到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了單通道步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制。

2.1 分析垃圾分類機(jī)器人工作程序

垃圾分類機(jī)器人的運(yùn)行程序包括：圖像提取、圖像預(yù)處理、圖像識(shí)別、信息反饋、機(jī)器操作、垃圾分類等幾個(gè)步驟，主要是通過(guò)識(shí)別垃圾來(lái)實(shí)現(xiàn)分類。垃圾圖像的采集首先通過(guò)相機(jī)記錄圖像，將所提取的體圖像信息存儲(chǔ)進(jìn)存儲(chǔ)器，再通過(guò)中央處理器進(jìn)行進(jìn)一步處理[4]。在接收到數(shù)字圖像信息后，中央處理機(jī)對(duì)垃圾圖像進(jìn)行預(yù)處理和判斷，并根據(jù)預(yù)處理結(jié)果將目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位識(shí)別，對(duì)目標(biāo)垃圾進(jìn)行類型分析，將分析結(jié)果以指令的形式發(fā)送給垃圾機(jī)器人，用于垃圾分類作業(yè)。圖2為垃圾分類機(jī)器人工作程序中圖像的提取過(guò)程。

圖2 圖像提取流程圖

分析目標(biāo)物體特點(diǎn)信息是進(jìn)行圖像的識(shí)別的重要手段，它可以識(shí)別垃圾分類機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中垃圾分類目標(biāo)的大致形狀描述和尺寸大小，可以作為分類識(shí)別不同目標(biāo)的依據(jù)[5]。實(shí)現(xiàn)瓶罐類垃圾的輪廓特征識(shí)別和正確分類。主要識(shí)別步驟為：首先確定目標(biāo)垃圾的形狀樣態(tài)，構(gòu)建目標(biāo)垃圾的形狀模型，根據(jù)所得模型識(shí)別出目標(biāo)垃圾的定位坐標(biāo)和物體角度信息。最后，根據(jù)上述目標(biāo)信息完成對(duì)目標(biāo)邊緣輪廓的模擬構(gòu)成，構(gòu)建出目標(biāo)垃圾的模型。其中，針對(duì)目標(biāo)形狀信息的計(jì)算方法為利用識(shí)別出的圖像垂直和水平相差度來(lái)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(jìn)電機(jī)數(shù)學(xué)模型

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

圖3 步進(jìn)電機(jī)的單相等效電路

圖3中，E為反電動(dòng)勢(shì)。用電壓方程、轉(zhuǎn)矩方程和動(dòng)力學(xué)方程來(lái)描述步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[7]。由單相電機(jī)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(jī)A和B的反相電動(dòng)勢(shì)，Km表示電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)[8]。L為每相的電感，θ和ω分別表示電機(jī)的機(jī)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(jī)器人步進(jìn)電機(jī)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和定位轉(zhuǎn)矩。綜合上述原理，可以得出步進(jìn)電機(jī)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)方程為

(4)

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

2.3 安裝閉環(huán)控制器

圖5表示步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行過(guò)程中通過(guò)參考值(r(t))與實(shí)際值(y(t))的比較可以得出運(yùn)行偏差(e(t))，結(jié)合偏差的的求解結(jié)果，通過(guò)比例P放大調(diào)節(jié)和積分I控制兩個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器運(yùn)行偏差的控制，最后通過(guò)對(duì)整個(gè)PI的調(diào)節(jié)量u(t)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的有效控制[10]。在連續(xù)時(shí)間域中，垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制器的基本運(yùn)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(shí)間常數(shù)。

2.4 AI檢測(cè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置

當(dāng)單相定子繞組的電流通過(guò)時(shí)，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)到磁鏈的最大位置，定子電感隨轉(zhuǎn)子繞組的運(yùn)動(dòng)由最小變?yōu)樽畲?。利用?duì)應(yīng)關(guān)系和人工智能技術(shù)，測(cè)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(cè)和通電相繞組檢測(cè)，由于混合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中不存在不通電相，因此僅檢測(cè)不通電的繞組。其中一個(gè)方法是在定子繞組外加一個(gè)高頻電壓脈沖，測(cè)量繞組內(nèi)電流的變化，電感量可由式(6)計(jì)算出來(lái)

(6)

由已知的外加信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。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(fù)轉(zhuǎn)矩輸出[12]。當(dāng)電感法用于檢測(cè)電機(jī)位置時(shí)，電流的變化情況可以通過(guò)檢測(cè)其變化時(shí)間來(lái)計(jì)算，并與電感的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，從而確定當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)位置的檢測(cè)結(jié)果。

2.5 實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制

在垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)位置檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電流矢量進(jìn)行分解，并分別從速度、啟動(dòng)/停止、細(xì)分換向等多個(gè)方面實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制。

2.5.1 速度控制

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

(7)

式中TL表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在加速控制過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化情況如圖5所示。

圖5 加速-轉(zhuǎn)矩特性

在實(shí)際的步進(jìn)電機(jī)控制過(guò)程中，要求電機(jī)能對(duì)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(guò)程時(shí)間盡可能短，使給定的速度能在最短的時(shí)間內(nèi)加減速，同時(shí)避免電機(jī)失步和卡轉(zhuǎn)。該速度控制在初始速度為0時(shí)，即垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)控制，而在目標(biāo)速度為0時(shí)，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的停止控制。

2.5.2 細(xì)分換相控制

步進(jìn)電機(jī)的電細(xì)分驅(qū)動(dòng)是通過(guò)控制電機(jī)勵(lì)磁線圈電流，將步進(jìn)電機(jī)定子的合成磁場(chǎng)按細(xì)步進(jìn)電機(jī)定子角旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。在兩相相鄰的線圈同時(shí)通過(guò)不同尺寸的電流時(shí)，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(shí)現(xiàn)了對(duì)線圈的細(xì)分。

3 仿真分析

以測(cè)試設(shè)計(jì)的垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)AI閉環(huán)控制方法的控制效果為目的，設(shè)計(jì)仿真，實(shí)驗(yàn)中使用的垃圾分類機(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)樣本結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)樣本機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

在此基礎(chǔ)上分別對(duì)步進(jìn)電機(jī)樣本的基本參數(shù)進(jìn)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(shí)驗(yàn)樣本的工作原理是通過(guò)對(duì)垃圾圖像的處理得出分類結(jié)果，因此為了保證機(jī)器人的正常運(yùn)行，需要將機(jī)器人的基本運(yùn)行程序?qū)氲椒抡姝h(huán)境中，視覺(jué)識(shí)別的基本后臺(tái)運(yùn)行界面如圖7所示。

由于設(shè)計(jì)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(yùn)行程序以代碼的方式導(dǎo)入到仿真環(huán)境中。為了形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，除了設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)AI閉環(huán)控制方法外，還設(shè)置了傳統(tǒng)的電機(jī)開(kāi)環(huán)控制方法和文獻(xiàn)[8]中提出的基于模糊PID控制的步進(jìn)電機(jī)控制方法作為實(shí)驗(yàn)的兩種對(duì)比方法，在實(shí)驗(yàn)的運(yùn)行過(guò)程中三種控制方法以并行的方式運(yùn)行，保證相互之間互不影響。

硬件外設(shè)主要由步進(jìn)電機(jī)樣本信息采集器和通信裝置組成。由于相關(guān)的步進(jìn)電機(jī)樣本信息數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容復(fù)雜，規(guī)模龐大，且步進(jìn)電機(jī)樣本信息來(lái)源多樣，因此需要通過(guò)信息采集器對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)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(chǔ)存的正常運(yùn)行，另配置大容量數(shù)據(jù)采集記錄儀，可脫機(jī)離線獨(dú)立采集存儲(chǔ)，亦可實(shí)時(shí)采集傳輸，內(nèi)部存儲(chǔ)量高達(dá)512GB。

設(shè)置仿真的測(cè)試指標(biāo)為控制精度，并分別從電機(jī)轉(zhuǎn)速和方波位置響應(yīng)兩個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制精度的量化測(cè)試。設(shè)定轉(zhuǎn)速目標(biāo)值，并通過(guò)三種控制方法的運(yùn)行得出轉(zhuǎn)速控制誤差的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度測(cè)試結(jié)果

從表1中可以看出，三種控制方法對(duì)垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)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(jī)方波位置響應(yīng)的測(cè)試結(jié)果，如圖9所示。

圖9 步進(jìn)電機(jī)方波位置響應(yīng)對(duì)比曲線

從圖9中可以看出，在設(shè)計(jì)的垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)AI閉環(huán)控制方法下，電機(jī)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(cè)試結(jié)果，可以得出結(jié)論：相比于兩個(gè)對(duì)比控制方法，設(shè)計(jì)的AI閉環(huán)控制方法控制效果更明顯，應(yīng)用價(jià)值更高。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)垃圾分類機(jī)器人位置的分析，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行單元，以 AI閉環(huán)控制器為核心，設(shè)計(jì)并建立了垃圾分類機(jī)器人的閉環(huán)控制方法。

2)垃圾分類機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的平均控制誤差為1.29rad，步進(jìn)電機(jī)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(yàn)證了步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制方案的合理性和可行性，實(shí)現(xiàn)了垃圾分類機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的高精度控制，對(duì)城市規(guī)劃和環(huán)保具有重要意義。