提高自动烹饪机器人环境适应能力设计

赵兴

摘 要：自动烹饪机器人是近几年兴起的借助机电、软件、烹饪等相关技术的嵌入式自动化设备。其中，火力的精准控制是保证菜肴出品稳定的核心环节，也是烹饪机器人研发重点和难点。影响火力效果的因素较多，包括海拔高度、环境温度、燃气类型、火控系统储热等。通过布置多个传感器采集环境信号，研究这些因素及其关联关系，从而实现对火力的动态调节控制，使得火力精确、稳定，最终提升烹饪机器人的环境适应能力。

关键词：自动烹饪机器人；传感器融合；火力控制；海拔高度

中图分类号：TP242.3 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.14.007

中餐烹饪历史悠久，烹饪方式多种多样。长期以来，烹饪工艺的传承和提高依靠的是师傅的传授和徒工的领悟。因此，“中国烹饪在很大程度上还停留在手工的、个体的、小生产者的状态”，烹饪技艺的实现使烹饪工艺操作技术蒙上了一层神秘的色彩。随着我国劳动力减少，且厨师是一个相对脏、累的职业，市场迫切需要对传统产业的现代化改造，自动烹饪机器人正好迎合了这种需求。

自动烹饪机器人是随着计算机技术、机电控制技术、传感器技术的发展及烹饪产业化的行业需求而顺势而生，近几年，技术发展和市场推广快速进行。市场的推广也带来了一些问题——不同的海拔高度导致燃烧状况不一样，不同的环境温度也间接影响菜肴出品，不同的燃气热值也会对燃烧效果产生影响，自动烹饪机器人本身结构蓄热也会对火力效果产生直接影响。因此，为了达到菜肴出品稳定、一致的目的，我们需要综合研究这些外在、内在因素的特性和其关联关系，找出有效的办法进行动态调节，实现火力的精准控制。

1 自动烹饪机器人及火控系统概述

1.1 总体介绍

我们要研究的自动烹饪机器人如图1所示。该机器人可以使用天然气和液化石油气，具有自动加热与火力精确控制、自动搅拌、自动精确注油及注水、勾芡等功能，能存储多达1 000个菜肴程序，菜肴出品稳定，品质达到厨师级水平，在黑龙江、新疆、云南、深圳、新加坡、香港等地都有应用，市场反馈很好。

该自动烹饪机器人采用模块化设计。本文重点研究与火控有关的部分，包括图1中的火控系统、保温桶、锅等。其中，保温桶是包围在锅具外周的带保温材料的结构，它同时具有安全防护和提高热效率的作用，是自动烹饪机器人的重要部分。

1.2 火控系统介绍

自动烹饪机器人火控系统是整机中的关键部件，它的稳定性决定了烹饪菜肴出品的稳定性。图2为火控系统。

图1 自动烹饪机器人外形 图2 火控系统简图

图2描述了火控系统的核心模块，主要包括炉头、鼓风机、燃气调节阀、控制器及风机、阀驱动模块。其中，风机采用了无刷直流风机，具有调速范围宽、动态响应快等特点。燃气调节阀则是通过恒流源进行比例调节。电流越大，开度越大。系统通过控制风机转速及比例阀的开度实现火力的调节及保证燃烧的充分。因与本文重点关系不大，图2中省略了点火、火焰检测、安全防护等模块。

控制器采用了STM32F103，采用Cortex-M3内核，具有成本低、速度快、接口丰富，适合于自动控制领域，正好满足自动烹饪机器人的需求。

2 环境因素对火力效果影响的分析

我们要保证燃气充分燃烧。燃料的燃烧是可燃成分与空气中的氧进行的化合反应，燃烧必须充分。不完全燃烧时，一部分碳生成有毒一氧化碳，同时还降低了热效率。因此，燃气的特性和空气的比例关系很重要。另外，还要研究燃烧产生的热是如何影响菜肴的。烹饪机器人最终的目的是通过锅具传热加热里面的菜肴原料，因此，影响到菜肴热量吸收的因素都是影响菜肴出品品质的因素。

经过分析，主要有以下4个因素对加热效果影响比较大：①海拔高度。它主要影响空气中氧气的含量，从而直接影响燃烧的充分性。②环境温度。环境温度的高低会影响原材料的起始温度，也会影响火控系统初始温度及对外散热状况，是一个复合的影响因素。③保温桶的储热。保温桶本身的蓄热较大，温度较高时，会作为热源辐射热量影响锅具的吸热。实践证明，这部分热量对菜肴出品影响很大。④燃气成分。不同燃气的成本不同，其热值差异也很大，比如我们常用的天然气和液化石油气。液化石油气的主要成分是丙烷或丁烷，天然气的主要成分是甲烷，它们燃烧时产生的热值不同——优质的液化气的热值是92 110 kJ，天然气的热值是35 588 kJ，相差近3倍，燃烧所需的氧气量相差也很大。

3 提高烹饪机器人环境适应性

3.1 模型概述

正因为有上述多种因素会影响火力效果，自动烹饪机器人作为一款高科技智能化设备，需具备较强的环境适应能力，能自适应调节这些环境因素的影响。我们通过增加多个温度、海拔高度等传感器，利用32位Cortex-M3作为核心处理器的硬件控制系统，结合软件算法，实现自动烹饪机器人的自适应环境能力的提高。

因为受多个因素的影响，所以需要布置多个传感器检测。又因为各因素间相互影响，比如温度本身又会与海拔高度综合作用影响海拔高度的测定，所以需要综合对各传感器进行融合处理。在保温桶测温上，我们甚至采用了多路温度传感器进行数据采集。研究表明，经融合处理得到的结果比单个传感器得

到的结果更准确，同时信息的冗余还可以提高整个系统自身的鲁棒性。我们基于多传感器融合构建了图3所示的系统模型。

图3中，验前信息是根据系统以往行为得到的一种经验信息，可以是实验得到，也可以由系统自身产生。我们通过对3类传感器融合及通过实验获取的验前信息得到最终需要的控制量，由控制器发出控制信号，驱动器驱动风机和比例阀进行火力控制和调节工作。我们采用的无刷直流风机本身具有霍尔位置传感器，能检测风机的速度，从而构成一个闭环的反馈，比例阀本身在硬件电路上也是一个恒流源闭环设计，具有自动调节稳定的功能。

上述提到的燃气种类不一致的影响，主要是不同燃气需要的空气/燃气配比不一样，国内主要使用天然气及液化石油气两种，我们通过实验可以提前获取这两种典型气体的控制参数，提前写入到控制系统的存储器中，在用户切换气源时，配置一下气源参数即可，不需要额外增加传感器。

3.2 传感器的选择和布置

我们根据检测需要，结合硬件成本，增加了以下传感器：①大气压强传感器。该传感器布置在控制板卡上，我们选用了TP015P，它是由APM公司生产，具有精度高、价格便宜等优点，测量范围为0～100 kPa，输出信号为模拟量，主控板卡通过对模拟量的采集，并进行数据采集和处理即可。②环境温度传感器。该传感器也布置在板卡上，我们采用AD公司的ADT7302，通过SPI接口与主控芯片通信。该传感器具有±2 ℃的精度，分辨率达0.031 25 ℃，完全能满足系统的需求。③热电偶温度传感器。我们在保温桶上安装了2个热电偶温度传感器，可以实时动态检测桶的温度状况。采用了铠装的热电偶，外接温度变送器，对信号进行调节处理，转换成4～20 mA的电流信号，板卡对此信号采集滤波，即可得到保温桶的温度状况。

3.3 参数获取和数据处理

在上述多传感器系统模型中，参数获取和数据软件处理是提升自动烹饪机器人环境适应能力的核心部分，也是其难点所在。因为几个参数会交织产生影响，最终控制的参数要进行大量实验，获取验前信息。这些信息均存储在系统存储器中，以便程序读取调用。

为了得到验前信息数据，实验是必不可少的。有效的实验设计能大大提高实验效率和节约实验成本。在实验时，我们先进行单因素实验，再进行双因素组合实验，最后进行综合实验验证。分析海拔高度，它主要是影响空气中氧的含量，查阅相关资料可得到海拔高度和含氧量关系及补偿系统如表1所示。

因此，根据燃烧公式确定燃气和氧气的比例，从而计算出所需的空气量，再控制风机转速和配合燃气阀开度，即可得到合适的控制参数。

保温桶本质上是一个热源，会辐射热量给锅具，因此在固定火力、环境温度等其他因素的影响下，通过测量保温桶温度和锅具中物料吸收热量的状况，可以得到保温桶温度和火力的关系。我们用“等效火力”的概念来描述，它可以较方便地建立保温桶温度和火力的关系。通过实验，我们获取了如表2所示的保温桶温度和等效火力关系，为单因素控制提供了基础数据。例如当保温桶温度测得为400 ℃时，此时等效火力比标准火力少9%，减少的火力由高温保温桶提供。

环境温度的影响跟保温桶效果相似，只是其影响因子更小而已，在此不再单独论述。

双因素的影响主要是环境温度同时也会对海拔高度的检测产生影响，因此需要对这两个信息进行融合处理，并进一步得到修订参数。这些参数主要是在单因素基础上做细微的调整，并将这些调整规律总结成参数存储到系统中。

3.4 软件流程

火控程序只是自动烹饪机器人程序中的一部分，因此，我们只讨论与此相关的部分。程序主要分为以下2部分：①前台程序。该部分程序主要对已经采集并进行滤波处理的数据进行查表计算，得到实际控制值，然后驱动风机和比例阀进行火力调整。值得注意的是，因燃气参数在一个地方是确定的，不会动态变化，燃气参数只在程序第一次启动时读取机器配置，然后再读取相应的气源控制参数。②后台中断程序。此部分程序主要负责不间断地周期性采集各传感器的数据，因不同传感器变动快慢不一致，采集的间隔也有区别，例如环境温度和海拔高度采集间隔较长，保温桶温度较低。

在计算风机和比例阀控制参数的过程中，因所获取的环境参数是连续数值，所以在应用这些火力关系式时，要对照上述参数表格进行插值处理，从而得到更为准确的参数，为了提高精度，我们采用了抛物线插值的方法。

4 实验及结论

为了验证以上方法的有效性，我们选用回锅肉进行验证。这道菜是比较容易受火力影响的，火力过大会煸太干，火力不足则出现煸不透的情况。我们分步测试了不同的气源、不同气源在不同地域（海拔高度不同）及不同环境温度下的情况，保持原材料等其他外部条件一致。实验及实践证明，该技术对环境温度、保温桶温度、海拔高度及燃气种类的自适应调节控制大大增强了自动烹饪机器人的环境适应能力，使之能在不同区域、不同季节、不同气源的情况下稳定工作。目前，该技术已经在市场上得到了应用和推广，取得了较好的经济效益。

参考文献

[1]袁金广.烹饪工艺操作规范化的思考[J].中国食品，2004，21（4）.

[2]赖武刚，郭勇，詹鹏.大气压强传感器TP015P在海拔高度测量中的应用[J].电子元器件应用，2010（8）.

[3]张坤东.海拔高度对燃烧性影响及设计补偿方法探讨[G]//中国土木工程学会2010年年会论文集，2010.

〔编辑：刘晓芳〕