提高自動烹飪機器人環境適應能力設計

趙興

摘 要：自動烹飪機器人是近幾年興起的借助機電、軟件、烹飪等相關技術的嵌入式自動化設備。其中，火力的精準控制是保證菜肴出品穩定的核心環節，也是烹飪機器人研發重點和難點。影響火力效果的因素較多，包括海拔高度、環境溫度、燃氣類型、火控系統儲熱等。通過布置多個傳感器采集環境信號，研究這些因素及其關聯關系，從而實現對火力的動態調節控制，使得火力精確、穩定，最終提升烹飪機器人的環境適應能力。

關鍵詞：自動烹飪機器人；傳感器融合；火力控制；海拔高度

中圖分類號：TP242.3 文獻標識碼：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。長期以來，烹飪工藝的傳承和提高依靠的是師傅的傳授和徒工的領悟。因此，“中國烹飪在很大程度上還停留在手工的、個體的、小生產者的狀態”，烹飪技藝的實現使烹飪工藝操作技術蒙上了一層神秘的色彩。隨著我國勞動力減少，且廚師是一個相對臟、累的職業，市場迫切需要對傳統產業的現代化改造，自動烹飪機器人正好迎合了這種需求。

自動烹飪機器人是隨著計算機技術、機電控制技術、傳感器技術的發展及烹飪產業化的行業需求而順勢而生，近幾年，技術發展和市場推廣快速進行。市場的推廣也帶來了一些問題——不同的海拔高度導致燃燒狀況不一樣，不同的環境溫度也間接影響菜肴出品，不同的燃氣熱值也會對燃燒效果產生影響，自動烹飪機器人本身結構蓄熱也會對火力效果產生直接影響。因此，為了達到菜肴出品穩定、一致的目的，我們需要綜合研究這些外在、內在因素的特性和其關聯關系，找出有效的辦法進行動態調節，實現火力的精準控制。

1 自動烹飪機器人及火控系統概述

1.1 總體介紹

我們要研究的自動烹飪機器人如圖1所示。該機器人可以使用天然氣和液化石油氣，具有自動加熱與火力精確控制、自動攪拌、自動精確注油及注水、勾芡等功能，能存儲多達1 000個菜肴程序，菜肴出品穩定，品質達到廚師級水平，在黑龍江、新疆、云南、深圳、新加坡、香港等地都有應用，市場反饋很好。

該自動烹飪機器人采用模塊化設計。本文重點研究與火控有關的部分，包括圖1中的火控系統、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構，它同時具有安全防護和提高熱效率的作用，是自動烹飪機器人的重要部分。

1.2 火控系統介紹

自動烹飪機器人火控系統是整機中的關鍵部件，它的穩定性決定了烹飪菜肴出品的穩定性。圖2為火控系統。

圖1 自動烹飪機器人外形 圖2 火控系統簡圖

圖2描述了火控系統的核心模塊，主要包括爐頭、鼓風機、燃氣調節閥、控制器及風機、閥驅動模塊。其中，風機采用了無刷直流風機，具有調速范圍寬、動態響應快等特點。燃氣調節閥則是通過恒流源進行比例調節。電流越大，開度越大。系統通過控制風機轉速及比例閥的開度實現火力的調節及保證燃燒的充分。因與本文重點關系不大，圖2中省略了點火、火焰檢測、安全防護等模塊。

控制器采用了STM32F103，采用Cortex-M3內核，具有成本低、速度快、接口豐富，適合于自動控制領域，正好滿足自動烹飪機器人的需求。

2 環境因素對火力效果影響的分析

我們要保證燃氣充分燃燒。燃料的燃燒是可燃成分與空氣中的氧進行的化合反應，燃燒必須充分。不完全燃燒時，一部分碳生成有毒一氧化碳，同時還降低了熱效率。因此，燃氣的特性和空氣的比例關系很重要。另外，還要研究燃燒產生的熱是如何影響菜肴的。烹飪機器人最終的目的是通過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的因素。

經過分析，主要有以下4個因素對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環境溫度。環境溫度的高低會影響原材料的起始溫度，也會影響火控系統初始溫度及對外散熱狀況，是一個復合的影響因素。③保溫桶的儲熱。保溫桶本身的蓄熱較大，溫度較高時，會作為熱源輻射熱量影響鍋具的吸熱。實踐證明，這部分熱量對菜肴出品影響很大。④燃氣成分。不同燃氣的成本不同，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，它們燃燒時產生的熱值不同——優質的液化氣的熱值是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 提高烹飪機器人環境適應性

3.1 模型概述

正因為有上述多種因素會影響火力效果，自動烹飪機器人作為一款高科技智能化設備，需具備較強的環境適應能力，能自適應調節這些環境因素的影響。我們通過增加多個溫度、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，結合軟件算法，實現自動烹飪機器人的自適應環境能力的提高。

因為受多個因素的影響，所以需要布置多個傳感器檢測。又因為各因素間相互影響，比如溫度本身又會與海拔高度綜合作用影響海拔高度的測定，所以需要綜合對各傳感器進行融合處理。在保溫桶測溫上，我們甚至采用了多路溫度傳感器進行數據采集。研究表明，經融合處理得到的結果比單個傳感器得

到的結果更準確，同時信息的冗余還可以提高整個系統自身的魯棒性。我們基于多傳感器融合構建了圖3所示的系統模型。

圖3中，驗前信息是根據系統以往行為得到的一種經驗信息，可以是實驗得到，也可以由系統自身產生。我們通過對3類傳感器融合及通過實驗獲取的驗前信息得到最終需要的控制量，由控制器發出控制信號，驅動器驅動風機和比例閥進行火力控制和調節工作。我們采用的無刷直流風機本身具有霍爾位置傳感器，能檢測風機的速度，從而構成一個閉環的反饋，比例閥本身在硬件電路上也是一個恒流源閉環設計，具有自動調節穩定的功能。

上述提到的燃氣種類不一致的影響，主要是不同燃氣需要的空氣/燃氣配比不一樣，國內主要使用天然氣及液化石油氣兩種，我們通過實驗可以提前獲取這兩種典型氣體的控制參數，提前寫入到控制系統的存儲器中，在用戶切換氣源時，配置一下氣源參數即可，不需要額外增加傳感器。

3.2 傳感器的選擇和布置

我們根據檢測需要，結合硬件成本，增加了以下傳感器：①大氣壓強傳感器。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，具有精度高、價格便宜等優點，測量范圍為0～100 kPa，輸出信號為模擬量，主控板卡通過對模擬量的采集，并進行數據采集和處理即可。②環境溫度傳感器。該傳感器也布置在板卡上，我們采用AD公司的ADT7302，通過SPI接口與主控芯片通信。該傳感器具有±2 ℃的精度，分辨率達0.031 25 ℃，完全能滿足系統的需求。③熱電偶溫度傳感器。我們在保溫桶上安裝了2個熱電偶溫度傳感器，可以實時動態檢測桶的溫度狀況。采用了鎧裝的熱電偶，外接溫度變送器，對信號進行調節處理，轉換成4～20 mA的電流信號，板卡對此信號采集濾波，即可得到保溫桶的溫度狀況。

3.3 參數獲取和數據處理

在上述多傳感器系統模型中，參數獲取和數據軟件處理是提升自動烹飪機器人環境適應能力的核心部分，也是其難點所在。因為幾個參數會交織產生影響，最終控制的參數要進行大量實驗，獲取驗前信息。這些信息均存儲在系統存儲器中，以便程序讀取調用。

為了得到驗前信息數據，實驗是必不可少的。有效的實驗設計能大大提高實驗效率和節約實驗成本。在實驗時，我們先進行單因素實驗，再進行雙因素組合實驗，最后進行綜合實驗驗證。分析海拔高度，它主要是影響空氣中氧的含量，查閱相關資料可得到海拔高度和含氧量關系及補償系統如表1所示。

因此，根據燃燒公式確定燃氣和氧氣的比例，從而計算出所需的空氣量，再控制風機轉速和配合燃氣閥開度，即可得到合適的控制參數。

保溫桶本質上是一個熱源，會輻射熱量給鍋具，因此在固定火力、環境溫度等其他因素的影響下，通過測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系。我們用“等效火力”的概念來描述，它可以較方便地建立保溫桶溫度和火力的關系。通過實驗，我們獲取了如表2所示的保溫桶溫度和等效火力關系，為單因素控制提供了基礎數據。例如當保溫桶溫度測得為400 ℃時，此時等效火力比標準火力少9%，減少的火力由高溫保溫桶提供。

環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，在此不再單獨論述。

雙因素的影響主要是環境溫度同時也會對海拔高度的檢測產生影響，因此需要對這兩個信息進行融合處理，并進一步得到修訂參數。這些參數主要是在單因素基礎上做細微的調整，并將這些調整規律總結成參數存儲到系統中。

3.4 軟件流程

火控程序只是自動烹飪機器人程序中的一部分，因此，我們只討論與此相關的部分。程序主要分為以下2部分：①前臺程序。該部分程序主要對已經采集并進行濾波處理的數據進行查表計算，得到實際控制值，然后驅動風機和比例閥進行火力調整。值得注意的是，因燃氣參數在一個地方是確定的，不會動態變化，燃氣參數只在程序第一次啟動時讀取機器配置，然后再讀取相應的氣源控制參數。②后臺中斷程序。此部分程序主要負責不間斷地周期性采集各傳感器的數據，因不同傳感器變動快慢不一致，采集的間隔也有區別，例如環境溫度和海拔高度采集間隔較長，保溫桶溫度較低。

在計算風機和比例閥控制參數的過程中，因所獲取的環境參數是連續數值，所以在應用這些火力關系式時，要對照上述參數表格進行插值處理，從而得到更為準確的參數，為了提高精度，我們采用了拋物線插值的方法。

4 實驗及結論

為了驗證以上方法的有效性，我們選用回鍋肉進行驗證。這道菜是比較容易受火力影響的，火力過大會煸太干，火力不足則出現煸不透的情況。我們分步測試了不同的氣源、不同氣源在不同地域（海拔高度不同）及不同環境溫度下的情況，保持原材料等其他外部條件一致。實驗及實踐證明，該技術對環境溫度、保溫桶溫度、海拔高度及燃氣種類的自適應調節控制大大增強了自動烹飪機器人的環境適應能力，使之能在不同區域、不同季節、不同氣源的情況下穩定工作。目前，該技術已經在市場上得到了應用和推廣，取得了較好的經濟效益。

參考文獻

[1]袁金廣.烹飪工藝操作規范化的思考[J].中國食品，2004，21（4）.

[2]賴武剛，郭勇，詹鵬.大氣壓強傳感器TP015P在海拔高度測量中的應用[J].電子元器件應用，2010（8）.

[3]張坤東.海拔高度對燃燒性影響及設計補償方法探討[G]//中國土木工程學會2010年年會論文集，2010.

〔編輯：劉曉芳〕