基于蟻群算法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在沖量式谷物流量傳感器中的應(yīng)用

劉暢 李志剛 偉利國(guó) 王吉中 李陽

摘要：針對(duì)壓力傳感器存在溫度漂移的問題，提出了一種基于蟻群算法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法。首先根據(jù)壓力傳感器測(cè)量電路得到電壓Ub與電流I的關(guān)系，因其存在很大的溫度誤差，須要采用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償方法對(duì)外界溫度造成的誤差加以修正。然后通過壓力傳感器輸出電壓U與溫度T、壓強(qiáng)P、電源波動(dòng)γ的關(guān)系建立壓力傳感器溫度補(bǔ)償模型，分別在18.4、32.5、41.8、65.6 ℃共4個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。最后利用蟻群算法進(jìn)行尋優(yōu)和自適應(yīng)調(diào)整發(fā)揮系數(shù)的特點(diǎn)作為聚類算法確定RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基函數(shù)中心，選取BP算法、RBF算法、基于蟻群的RBF算法3種方法對(duì)壓力傳感器進(jìn)行非線性溫度補(bǔ)償仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明：基于蟻群算法的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型補(bǔ)償精度最高，收斂速度最快。將此研究應(yīng)用于沖量式谷物流量傳感器中，可大大提高傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器;蟻群算法;RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);非線性溫度補(bǔ)償;沖量式谷物流量傳感器

中圖分類號(hào)： TP212.6;S126

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）15-0259-04

沖量式谷物流量傳感器是谷物聯(lián)合收割機(jī)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)的核心部件，因其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制作成本低、田間試驗(yàn)便于安裝、適用于大多數(shù)谷物種類等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但是，由于機(jī)器自身振動(dòng)、谷物的含水率、田間的坡度等因素對(duì)測(cè)量精度影響很大，其中聯(lián)合收割機(jī)的振動(dòng)影響最為明顯。聯(lián)合收割機(jī)自身振動(dòng)產(chǎn)生的寬帶噪聲信號(hào)夾雜在沖量式流量傳感器的輸出信號(hào)中，影響測(cè)產(chǎn)精度。目前，國(guó)外已經(jīng)有商品化的谷物流量傳感器，國(guó)內(nèi)還沒有相對(duì)成熟化的產(chǎn)品。為了提高傳感器的測(cè)量精度、減少機(jī)身振動(dòng)對(duì)傳感器的影響，胡均萬等設(shè)計(jì)了一種雙板沖量式谷物流量傳感器以及信號(hào)采集電路，其中信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)為差分消振式，可檢測(cè)前后2個(gè)板的振動(dòng)信號(hào)并利用差分法消除振動(dòng)噪聲信號(hào)，提高信噪比，田間試驗(yàn)測(cè)產(chǎn)誤差小于5%[1]。叢秉華等設(shè)計(jì)了一種雙平行梁結(jié)構(gòu)的沖量式流量傳感器，對(duì)測(cè)量平行梁和參考平行梁進(jìn)行諧波信號(hào)提取處理，并采用LMS算法進(jìn)行自適應(yīng)干擾對(duì)消去除參考平行梁的噪聲信號(hào)。試驗(yàn)表明，在試驗(yàn)臺(tái)處于最大振動(dòng)條件下，經(jīng)過處理后的傳感器最大相對(duì)誤差小于1.9%，提高了測(cè)量的穩(wěn)定性[2]。以上方法能較好地減弱由于機(jī)身振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)，但由于測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)受到環(huán)境因素的影響，難以保證測(cè)量同步性，傳感器的精度受到了制約。

本研究自主設(shè)計(jì)的谷物流量傳感器選型中國(guó)臺(tái)灣Mavin足立5 kg壓阻式壓力傳感器，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。但由于傳感器由半導(dǎo)體硅材料制成，易受到環(huán)境溫度變化的影響產(chǎn)生溫度漂移現(xiàn)象，從而對(duì)測(cè)量精度具有一定的影響。為了降低溫度變化對(duì)傳感器精度的影響，提出了一種基于蟻群算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法。首先建立壓力傳感器溫度補(bǔ)償模型，通過蟻群算法確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基函數(shù)中心;然后利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)壓力傳感器進(jìn)行非線性溫度補(bǔ)償;最后在算法補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)基礎(chǔ)上分析驗(yàn)證，從而減小溫度對(duì)壓力傳感器的輸出所造成的影響，達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康摹⒋搜芯炕A(chǔ)應(yīng)用到?jīng)_量式谷物流量傳感器中，從而進(jìn)一步提高傳感器的測(cè)量精度。

1 沖量式谷物流量傳感器

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究的沖量式谷物流量傳感器主要有沖擊板、承重板、傳感器支架、儀表盒、壓力傳感器組成，通過多次試驗(yàn)分析，最終確定選用5 kg的壓力稱重模塊。其中儀表盒、沖擊板為白色塑料材質(zhì)，承重板和傳感器支架為鋼材料。儀表盒保護(hù)壓力傳感器不會(huì)受到外部沖擊，支架與承重板可以有效減少收割機(jī)對(duì)傳感器振動(dòng)的影響。其流量傳感器結(jié)構(gòu)裝置如圖1所示。

1.2 測(cè)量原理

沖量式谷物流量傳感器安裝在糧食輸送裝置末端，當(dāng)谷物流打擊沖擊板時(shí)，會(huì)引起谷物流量傳感器內(nèi)部壓力稱重模塊的形變，此形變表現(xiàn)形式為壓力稱重模塊電阻應(yīng)變片的形變，通過阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化測(cè)得沖擊力。傳感器將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，可通過電壓標(biāo)定的方式進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為谷物的流量[3]。

根據(jù)沖量定理有：

式中：F（t）是谷物在m時(shí)刻作用在沖擊板的沖擊力;Δt是谷物沖擊時(shí)間;Δm（t）是t時(shí)刻內(nèi)打擊沖擊板的谷物質(zhì)量;Δv是打擊沖擊板前后谷物速度變化量;q（t）是t時(shí)刻的谷物質(zhì)量流量，取Δt為極小值，則q（t）為瞬時(shí)質(zhì)量流量。

1.3 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種3層前向網(wǎng)絡(luò)，由輸入到輸出的映射都是非線性的，而隱含層空間到輸出層空間的映射是線性的。因此，當(dāng)徑向基函數(shù)的中心確定時(shí)，映射關(guān)系也就確定了[4]。

具有3個(gè)隱含層的RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。RBF網(wǎng)絡(luò)中，x=[xi]T為網(wǎng)絡(luò)的輸入，網(wǎng)絡(luò)的隱含層輸出為h=[hj]T，hj為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的輸出：

與RBF網(wǎng)絡(luò)相比，BP網(wǎng)絡(luò)是一種全局逼近網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)過程中收斂速度慢，易于陷入局部最小，難以滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求，因而選擇RBF網(wǎng)絡(luò)對(duì)壓力傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2 壓力傳感器溫度補(bǔ)償方法

2.1 問題分析

本研究自主設(shè)計(jì)的谷物流量傳感器選型臺(tái)灣Mavin足立壓阻式壓力傳感器，具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)[5]。壓力傳感器由半導(dǎo)體硅材料制成，該材料容易受到環(huán)境溫度變化影響使傳感器輸出信號(hào)不穩(wěn)定，從而對(duì)測(cè)量精度具有一定的影響，其測(cè)量電路如圖3所示。當(dāng)施加壓力時(shí)，四臂電橋電路中阻值會(huì)產(chǎn)生變化，同時(shí)還會(huì)受到溫度的影響。

式中：R0為溫度為T0、壓強(qiáng)為0時(shí)的電阻值;ΔRT為溫度變化ΔT引起的阻值變化;ΔRP為輸入壓強(qiáng)引起的電阻變化;RT為溫度為T、壓強(qiáng)為0時(shí)的電阻值;α為材料的電阻溫度系數(shù)。

式中：電橋電壓Ub與輸入壓強(qiáng)產(chǎn)生的應(yīng)變沒有關(guān)系，僅與溫度變化引起的應(yīng)變有關(guān)。因此，可以利用壓力傳感器自身溫度變化的特點(diǎn)對(duì)傳感器進(jìn)行非線性溫度補(bǔ)償。