控制系統中傳感器的適應性調試方法探究

王曉東

（江蘇聯合職業技術學院 徐州機電工程分院，徐州221011）

王曉東（助理講師），研究方向為自動控制及機械技術。

引 言

許多設備在開發、設計和安裝的時候，都需要進行調試，尤其是基于傳感器外部信息采集的設備。由于使用環境的變化性，使得設備所采集到的環境信息是一個不恒定的值，這種不恒定的外部信息往往會影響控制系統整體的運行情況。設備如何在一個變化的環境當中不受影響地穩定工作而且達到最高效率，是值得研究的一個課題。

1 建立模型

機器人是典型的基于傳感器的控制系統。以下將以XJ－JY1型循跡機器人為例，來說明傳感器適應性調試的過程。

1.1 機器人簡介

XJ－JY1型循跡機器人基于PIC16F877A 單片機的機器人控制系統，包括PIC16F877A 微控制器部分、傳感器檢測部分（位于機器人正前方）、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，負責通過傳感器檢測腳下的軌跡路線，并進行決策，控制機器人的運動；傳感器檢測部分采用的是光電傳感器，通過接收發射出去的紅外線信號來判斷地面引導線路；行走控制部分是通過直流減速電機驅動橡膠履帶來實現的，可以跨越模擬的坡度和障礙，保證機器人的爬坡性能和行走穩定性；機器人采用可充電的鎳氫電池供電，電壓為9.6V，該機器人的主要功能是按照特定的軌跡自主運行巡檢。控制系統框圖如圖1所示，機器人工作圖如圖2所示。

圖1 控制系統框圖

1.2 工作過程

機器人初始放置在場地（綠色吸光地毯為背景，白色反光即時貼為軌跡標記）上，將其前方的傳感器對準背景與軌跡的交接處。機器人通過檢測腳下路面反射的光線強度，轉換為環境的灰度值。然后對環境進行初始化識別，測定并求出最佳工作值以及有效靈敏度范圍，進入檢測運行階段。運行過程中通過當前值與最佳值以及有效靈敏度范圍的比較和分析，區分出軌跡與場地背景，并控制機器人的執行機構進行調整，從而按照規定軌跡巡檢。

圖2 機器人工作圖

1.3 適應性介紹

建立這樣一個控制模型并不難，難的是如何在變化的環境中讓機器人做到自主適應，從而平穩地工作。當環境發生變化的時候，機器人傳感器采回的灰度值會發生變化，但是其有效靈敏度范圍也會發生相應的變化，所以不能單純地通過改變上下限定值來進行調整，而是需要通過大量的實驗總結，尋找出傳感器工作值以及有效靈敏度范圍隨環境變化的規律，然后進行相應的控制。

1.4 傳感器簡介

該機器人使用的傳感器是基于光電效應的自制的灰度傳感器，對其腳下路面的反光情況進行采集，并進行運算處理。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 系統平穩運行的核心決定因素

在各個部分的協調和配合下，機器人能夠得以平穩的運行，唯一不確定因素便是場地環境。當機器人處于光照強度不同的環境中時，會產生不同的運行效果。如何能在變化的環境中讓其發揮最佳性能，即傳感器的適應性，是值得研究的一個問題。

如果不考慮環境的影響，可以設定一個固定的灰度值，比如晚上的243，讓傳感器采集值限制在與它對應著的范圍內，機器人就可以按照軌跡進行巡檢。

當機器人到達新的環境，或者所處環境光照強度發生變化時，腳下路面反射給傳感器的光強值發生了變化，就會超出預先設定的范圍，這樣機器人的運行也會受到影響。

3 傳感器適應性分析

由于環境光照強度隨著時間的變化而變化，傳感器采集到的值以及有效靈敏度范圍也會發生變化，為此分別在不同的時間段內對機器人進行了不同程度的調試工作，總結出了在各個不同時間段內機器人工作值的最佳狀態，如表1所列。

表1 不同時間傳感器采回灰度值匯總表

根據采回的數據值，繪制時間分布曲線，如圖4所示。

圖4 灰度值曲線

經上述時間和分布曲線的分析和擬合，可得出時間與灰度值的分布規律，在上午7點到晚上19點的時間段內，傳感器接收到的灰度值與時間成一個曲線關系：

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代表當前的24小時制時刻值。通過這個曲線關系，可以根據當前具體的時刻求出在此時間段內傳感器采集值的工作范圍。

同樣根據表1所述最佳工作值以及靈敏度工作范圍的實驗值，繪制分布曲線圖，如圖5所示。

經分析，最佳工作值與有效靈敏度范圍在誤差允許的范圍內大致成線性關系，其比例關系為：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，在目標識別的時候，將其特征值界限設定在最佳工作灰度值上下偏差一個靈敏度工作范圍，就能夠達到環境適應的目的。

經過上百次的試驗，驗證了這種傳感器適應性調試方法的正確性。

圖5 靈敏度曲線

4 算法處理

機器人對環境適應性的實現，主要靠傳感器的當前值以及有效靈敏度范圍來動態控制。根據具體系統建立控制模型，并按照流程求出各個中間量以達到控制目的，有以下4步。

（1）采 樣

當機器人首次來到一個全新的環境當中時，需要對當前的環境進行檢測和分析，具體實現方法就是采樣，通過多次采樣求平均值的方法得到一個穩定的參考量。本系統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

當采樣程序完成之后，會得出一個穩定的環境灰度值，根據這個灰度值和上面歸納出的線性關系，確定有效靈敏度范圍。部分參考程序如下：

（3）確定當前值的上下限范圍

根據已求解出的范圍和當前的工作值，即可確定上下限范圍。部分參考程序如下：

（4）進入循環工作程序

當設定好上下限初始值以及有效靈敏度范圍之后，系統就可以運行工作了。

結 語

在此次研究中，控制系統中傳感器適應性的調試方法得到了應用和論證，取得了良好的效果，并且在實際的生產實踐當中得到了很好的應用。

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