（机械电子工程专业论文）清扫车清扫机构的控制研究.pdf

重庆大学硕士学位论文摘要 智能技术在清扫车等工程机械中的应用 清扫车清扫机构的控常l l 研究 摘要 厂 ( 当前我国生产的清扫车的水平不高，尤其表现在控制方面，如何提高 其机电体化水平，使之具有更好的综合作业效率和对不同工作环境的适 应能力，已是当前国产清扫车的一大课题。本文以四川省重点科研项目智 能技术在清扫车等工程机械中的应用为背景应用智能技术对清扫车的控 制作了较为深入的研究，对于提高国产清扫车的智能技术水平，增加其产 品竞争力，推动清扫车新产品的研制是有重要意义的。土 本文具体从以下几个方面对国产清扫车作了较为全面、深入、的探索 和研究。 i 对国内外的清扫车发展水平作了较为深入的对比研究；( 指出国产 清扫车在其持续发展中将面临国外清扫车的巨大冲击，我们的出路就是提 高国产清扫车的智能技术水平。土 i i 利用智能技术中的人工种经元网络对于清扫车清扫机构的盘刷速 度控制问题进行了分析和探讨；( 并且给出了相应的解决办法，从而可以使 的清扫车的盘刷随路面情况调节转速，提高了清扫效率。文 对清扫车清扫机构的盘刷避障问题进行了分析，采用超声波的方 法对障碍物进行探测及分析以及采用相应的避障措施，从而提高了清扫车 盘剧的自适应能力，实现自动避障。 夺文的思想方法和研究成果对于提高和改善国产清扫车的智能技术 水平，提高清扫车工作的自适应及清扫效率是具有指导意义和借鉴价值的心 关键词：清扫车；智能技术；人工神经网络；速度控制；避民 孽庆大学硕士学位论文 摘要 a p p f i c a t i o no f i n t e l l i g e n t t e c h n o l o g y t o s w e e p e r o t h e r c m 眶一 s t u d y i nc o n t r o lo f s w e e p e r ss w e e p i n g d e v i c e a b s t r a c t t o d a yo u rd o m e s t i cr o a ds w e e p e r sl e v e l i sn o to nah i g hd e g r e e , e s p e c i a l l yi nt h e c o n t r 0 1 i th a sb e c o m eac u r r e n ti m p o r t a n tp r o b l e mf o rs u s t a i n e dd e v e l o p m e n to f d o m e s t i c r o a ds w e e p e r st h a th o wt or a i s em e e h a w o n i c sl e v e lo f s w e e p e rm a d ei nc i i n am a k ei th a v e b e t t e rs y n t h e t i c a l l yw o r k i n g e f f i c i e n c ya n da d a p t a b i l i t yt oo p e r a , h ec i f u u m s t a n o g s , a n dm a k e i tm e e tm o r ct h en e e d so f i n t e l f i g e n ts w e e p e r si nt h em a r k e t so f c h i n a o nt h eb a s i so f t h e k c yp 啊e c 【“a p p l i c 蚯o uo f 姗蛳t e c h o k , g y t os w e e p e r o t h e rc m e i ns i c h u a n p r o v i n c e , as u b j e c ta b o u ti n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yt ot h ed o m e s t i cr o a d 翱暇悼h a sb e e n r e s e a r c h e dd e e p e ra n di 硼e x t e m i v e l yi n 岫d i 黛砌饼ln 地d i $ $ c l 恤l o nw i l lh a v e i m p o r t a n ts i g n i 触t o a i l 坷n d o m e s t i cr o a ds w p e r si n t e l l i g e n tt e c h n o l o g yl e v e la n d i n c r e a s ei t sc o m p e t i t i o ni nt h em a r k e t s a n d 蛐嘲_ i g 由d e v e l o p m e n to f n e wp r o d u c t n 世d i 豁酣嘶o nh a sp r o b e da n d 陀鲫c i 同f r o mf o u o w m gs e v e r a la s p e c t st od o m e s t i c r o a d s w e e p e r in 砖d i s s e r t a t i o nh a sm a d ea d e f p f ro d l l u a s tr e s e a r c ha b o u td e v e l o p m e n tl e v e lo f r o a ds w e e p e rm a d ei nc h i n a i do 峙c a 3 u 1 r r i e s i tp o i n t e do u tt h a td o m e s 6 cr o a ds w e e p e r d u r i n g i t ss u s t a i n e d d e v e l o p m e n t w o u l d m e e t g r o a t s h o c k h g f i x a n f b 他i 鄹s w e e l 3 c r t ko n l y w a y i s t o e l t h a n c e d o m e s t i c r o a d s w e e p e r s i n t e l l i g e n t t e c h n o l o g y l e v e l i i u t i l i 五n ga r t i f i c i a ln e 咐ln e t w o r k s ( a n n ) o f i n t e m g e n tt e c h n o l o g y , t h ep m b l e mo f b r o o mr o t a t e 铽b e dh a sb e e nd i s c m s e da n dr a r c a z d , a n d 懿雠m e t h o d sh a sb e e n s u g g e s t e d s o t h eb r o o mr o t a t es p e e dc a nb ea d j u s t e dw i t ht h ec o n d i t i o no f r o a d imd i s s e r t a t i o nh a sr e s e a r c h e dt h eo b s t a c l e sa v o i d e dp r o b l e mo f s w e e p e r sb r o o m 1 1 m 翻h o do fu l w a s o n i ch a sb e e n 墨1 0 呻e d t h e nt h es w ( z p e rc a r ld e t e c ta n da n a l y z et h e o b s t a c l e s ，s oi tc 锄a p p l yc o me s 】p o f l d i i l ga c t i o n s , a c h i e v i n gb l o o m sa u t o m a t i ca v o i d i n g o b s t a c t e s t h ed i s s e r t a t i o nw i l lh a v ea ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oe n h a n c ed o m e s t i cr o a ds w e e p e r s i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y l e v e l k e y w o r d ss w e e p e r , i n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，s p e e d c o n t r o l ，o b s t a c l e sa v o i d e d 重庆大学硕士学位论文 引言 引言 随着我国经济建设的迅猛发展，基础设施建设己被提到政府的重要议 事日程，人们对生活质量的要求越来越高，更加注意周围的环境卫生、城 市的美化，同时，交通、城市、公共场所的清扫任务不断加重。然而，我 们看到的大多却仍是环卫工人手工清扫方式，即便是在一些比较繁华的城 市，也只是有为数不多的功能简单的清扫车参与清扫工作。如何装备精良 的清扫机械，更加有效迅速地完成清扫作业，维持交通道路的文明有序、 整洁流畅，已是摆在公路交通、市政管理部门面前的重要课题。 因此，研制开发技术先进、可靠性好的新产品，提高国产清扫车的作 业性能，以满足我国交通事业迅速发展和城市现代化建设的迫切需要，则 是当务之急。由于清扫车是一种技术性很强的专用机械，使其结构更加复 杂，需要作业系统匹配、协调工作，因而增加了研制开发的难度。国外清 扫车经过几十年的发展，技术相当成熟，如美国的e l g i n 、英国的 j o h n s t o n 清扫车出色地将液压气动、电控、真空与气动输送、计算机控 制技术、传感器及信号检测技术等先进技术应用于清扫车，是清扫车具备 相当高的水平和实用性。 针对国内外清扫车的现状，为了研制出适合我国国情的清扫机械，四 川省科委于1 9 9 6 年委托我们进行清扫车智能技术研究，下达了智能技术 在清扫车等工程机械中的应用的课题。据于此，本文作者尝试将智能技 术应用到国产清扫车上，以提高现有国产清扫车的技术水平，提高清扫质 量，并通过以单片机为核心的控制系统代替原有的手工操作，提高了系统 的自动化水平。 在清扫车中，清扫机构是其主要的工作机构，清扫机构即是盘刷或圆 柱刷。目前国产的清扫车的盘刷往往不能随路面情况及清扫车的清扫速度 进行自动调节，这样清扫效率就大大受到了限制，往往要求驾驶员手动来 进行各项操作，加重了驾驶员的负担。并且，目前的国产清扫车的盘刷不 具备自动躲避障碍物的功能，致使在清扫过程中驾驶员要高度集中注意力， 当盘刷前方有硬性的障碍物时，需要手动来采取避障措施；稍不留心，便 容易造成盘刷扫丝的折断，损坏盘刷。所以，针对以上两点，我们拟将智 能技术应用过来，实现盘刷的自动调节转速及自动避障功能。 重庆人学硕士学位论文 绪论 1 。1 清扫车概述 1 1 1 清扫车概况 1 绪论 随着人们对生活环境要求的不断提高，清扫机械越来越受重视，路面 清扫车就是其中之一，当代大量的高、新技术被用于清扫车的设计和制造。 路面清扫车在国外已有几十年的使用历史，根据其工作形式可分为真空吸 扫式与刷式两大类型。真空吸扫式是利用负压收集垃圾；刷式使用圆柱刷 盘刷将垃圾集中到皮带机上，然后送到垃圾箱中，或直接抛入垃圾料斗里。 根据垃圾排出的方法，清扫车还可分为料斗前翻式、料斗后翻式和举斗后 翻式等圆。 使用清扫车，不仅在于提高作业效率，更重要的是避免了人工清扫作 业时造成的尘土飞扬，环境污染等问题。对于高速公路、码头、机场等场 地更是必须使用清扫车。据有关资料统计，辆清扫车，随其吨位大小的 不同，可相应代替1 0 弓0 人的作业进度，在经费开支方面也可节省约 2 0 - - 4 0 0 o 。下图1 1 是清扫车工作原理简图。 田1 侣辞车工忭葺曩靖圈 l - t r , 1 l ，2 只i i ；j - _ 把囊；- 蠢拍i l ；j 一覃；木曩。t 膏扫囊；l 柚1 1 1 ；q 嚷t ； 10 - 囔盘；l i 一壕耗；iz - 木簟il j 置鼍；1 4 附蠢 图1 1 清扫车工作原理简图p i j f i g u r e1 1s k e t c ho f s w e e p e r sw o r kp r i n c i p l e 真空吸扫式清扫车是当今路面清扫车的发展方向。真空吸扫式较刷式 清扫车具有工作速度高、环境污染小等优点，目前在欧美等国普遍使用。 重庆人学硕士学位论文绪论 根据需要不同，国外不少厂家研制了许多不同的类型、规格的清扫车。比 较有名的如日本的“k a t o ”、“东急”、“车岗”、“富士”，英国的j o h n s t o n 公司、s c h m i d t 公司，美国的e l g n 呵公司，德国的f a i 小| _ - k u k a 公司， 瑞士的r o l b a 公司，奥地利的m u t 公司等。 由图1 1 可以看到，该型清扫车利用四只安装在扫帚前面的喷嘴将路 面喷湿，四个盘式扫刷将路面垃圾扫至规定位置，吸尘系统的高压风机产 生高速运动的气流，在吸嘴处形成较强的负压，将垃圾吸入料箱，由于料 箱空间突然加大，经过吸嘴吸管的气流速度突然降低，经过再次与喷洒水 分粘合的尘土、垃圾、密度较大的颗粒在重力作用下沉至料箱底部，树叶、 纸张等被钢丝网挡住，再经过料箱隔板使空气进一步进化，最后经风机、 排风罩排出1 2 ”。 1 1 2 清扫车工作机构及布置形式 工作机构指的是圆柱刷( 或称宽刷) 、盘刷( 或称边刷) 及吸口，清 扫机构则指圆柱刷或盘刷。无论何种类型的清扫车，圆柱刷和盘刷在结构 特点和驱动方式上都是类似的。它们都是由刷、刷架、四杆机构、提升液 ( 气) 压缸、液压驱动马达构成；刷毛的材料一般有聚丙烯、钢丝、尼龙 等：圆柱刷直径一般是4 0 0 5 0 0 m m ，盘刷锥形角一般为6 0 度，直径 5 0 0 1 0 1 0 ) o 左右。但吸口因用途不同，有多种形状，入口的风速变化范 围也很大，从每秒十几米到近百米。这三种工作机构在布置中有多种形式， 常见的有下面几种p j 。 双盘刷，单圆柱刷，单吸口 美国的e l g i n 公司的g 系列，“东急”s w v - 7 b 、s w v - 7 l 、k o - 3 0 9 型采用了这种布置。两个前清扫位于车前端两侧，吸口位于盘刷中央。指 示该清扫车由两个后清扫代替了圆柱刷，以便使结构简单统一。如图1 2 。 朗中嘲 重庆大学硕士学位论文 绪论 图1 2 口5 】 f i g u r e1 2 图1 3 p - 5 l f i g u r e1 3 两个后清扫紧靠吸口，其作用是将路面上难以被吸口收集的垃圾，在 沿车辆前进的方向上与路面分开，同时将垃：t h 抛n - - 定的高度，使它能被 吸口里的空气流抽走。这种结构有效地提升了清扫效率，并使清扫的工作 速度增加。 双盘刷，单吸口 这是较常见的种布置形式，这种布置形式是将两个盘剥放在车身两 侧，吸口位于盘刷中央，吸口和盘刷之间有一定的重叠，发动机、风机、 垃圾箱、水箱等放置在驾驶室后。如图1 3 。如s e h m i d t 公司的s k - 1 5 0 型、 s k - 1 0 0 型、j o h n s l i n 公司的3 0 0 0 型等均采用这一形式。 图1 4 嘲 f i g u r e1 4 圈1 5 嘲 f i g u r e1 5 双盘刷，双吸口，单圆柱刷 在大中型清扫车中经常可以看到这种布置，比较典型的有英国的 j o h n s t o n 6 0 0 系列。如图1 4 。该盘刷由液压马达驱动，无级调速，盘刷 直径5 0 0 m m ，转速0 - - 1 8 0 r p m ，盘刷操作时向外伸出，可防止车轮在转弯 时触及路沿。用液压缸控制盘的收放，设有j o h n n s t o n 专利的盘刷锁紧 装置和一个可调节张紧度的弹簧复位装置以j 两个盘刷不能同时双边工作。 单盘刷，单吸口，单圆柱刷 s c h m i d t 公司的s k - 4 5 0 型，k u k a 公司的a k - 4 2 5 l 型，k a t o 公司 的t z - 4 0 s 型，m u t 公司等采用这种布置方式。如图1 5 。这种布置只能 单边清扫，它适用于城市街道的清扫，但在高速公路上，由于行车道不能 逆向行驶，因此只能清扫道路一侧，另侧则无法清扫。为了解决这个问 重庆火学硕士学位论文 绪论 题，s c h m i d t 公司设计出快速更换工作装置的s k _ 4 5 0 型清扫车。它在垃 圾箱上开有2 个进气孔，工作时将其中一个孑l 用盖板盖上，以防漏气。当 一边工作完，需要清扫另一边时，打开盖板，通过液压操纵，迅速地将工 作装置从一边移动到另一边。 1 1 3 清扫车清扫机构的功能要求 清扫车的清扫机构担负着清扫和集尘的任务，应具有以下功能口1 】： 在清扫作业，盘刷应能伸出车外需要的距离，同时降落在地上；停止作 业时，盘刷能收回到车宽的范围以内，并且和地面有1 0 0 m m 以上的离地 间隙，自动锁紧，便于清扫车高速安全行驶。 盘刷能旋转且可无级调速。 盘刷对地面应有一定的接地压力且压力可调。 盘扫系统应具有把灰尘导入吸口的系统功能，防止盘刷在清扫中扬起的 灰尘对环境造成污染。 盘扫系统具有喷雾降尘功能。 盘刷倾角可调，且操纵方便。 具有缓冲保护功能，提高该系统的可靠性。 1 2 国内外清扫车发展概述 清扫车是一个典型的机电一体化产品。随着汽车工业的发展，各种技 术如计算机技术、机械技术、液压气动技术及其他技术在清扫车上的应用， 清扫车的机电一体化程度越来越高，相应的智能控制水平也越来越高，性 能越来越好，驾驶员的操作环境也越来越舒适。 1 2 1 国外清扫车机电一体化概述 以美国e l g i n 公司的清扫车为例，其智能化的控制、优越的性能、 简单的控制操作、可靠的使用，对采用传统机械式操作方式的清扫车来说 无疑是一次技术上的革命1 2 7 j 。 e l g i n 清扫车功能动作设计有5 7 项，设计如此复杂的动作功能，如 不采用先进的微机及自动化控制技术是很难实现同时工作的。通过微机和 传感技术把诸多的功能动作由分离变成组合，把个别无规则的变成有秩序 的程序工艺，进而成为一个智能型机械。 传感器的使用 传感器及测量系统在机电一体化中，是获取和处理信息的重要环节， 只有在获得既准确又可靠的信息基础上，才能使清扫车实现机电一体化。 基于这点，e l g i n 清扫车在许多方面使用了传感器技术，具体分布如下： 重庆大学硕士学位论文 润滑油一一压力传感器； 副发动机一温度传感器、转速传感器； 垃圾箱一荷重传感器、物位传感器、倾角传感器； 清扫用水一一液位传感器； 重车用电一一电量传感器； 发动机转速显示一计数式数字传感器。 从以上传感器使用种类和部位可以看出传感器是实现自动控制或智 能化必不可少的基本元件。通过这些元件，在控制中心可以获得不同工况、 不同介质、不同部位、不同环境、不同功能的各类信息，控制中心再根据 获得的各种信息进行处理。 可编程控制器 e l g i n 清扫车功能控制设计有针对性地选用单片机用于测控温度、 压力和各功能运行状态的组合，具备定量计数、数据存贮、程序存贮功能， 其容量大、控制点多，它包括微处理器、系统存贮器、控制逻辑等，可实 现较远距离的连接 清扫过程的微机控制，及对清扫过程中任意组合的清扫状况的控制为 “过程控制”，同时设计者还考虑了对被控制的对象和各部分机具及外部环 境进行不断监控的基础上，做出及时且恰当地反映。e l g i n 清扫车系统的 过程运行发生的报警，如垃圾箱超重，发动机机油压力、转速、行走与起 箱的互锁等项相应的“测控系统”。“过程控制”+ “测控系统”构成了一 个主辅类型的“控制系统”。 在控制过程中，微机在可编程控制器中起着主要作用，是控制系统的 中心。它通过发动机水温、油压、后轴荷重等各部分的传感器，从内、外 部接收有关过程的信息，对这些信息进行处理，然后对执行机构发出控制 指令。这说明清扫车可编程控制器设计已由非智能系统进入智能系统。 实用性 高科技产品运用先进技术首先是提高产品性能，同时设计者还要考虑 其实用性。e l g i n 清扫车控制系统i n t e l l a - - t o u c h 电子控制的设计 重视实用性，所以体现了高技术与简单操作相结合。 n t e i i a 砌圮h 控制系统将全车控制集中在一块控制盘上，是机 电一体化功能实现指令输入中心。它体积小、灵活、使用方便，有许多显 著优点。 我们总的认为，美国e l g i n 清扫车机电一体化设计功能的选择与改 装生产是成功的，也是完善的，具有可靠性强、操作简单、直观，是达到 一定设计水准的智能型机械。 重庆大学硕士学位论文 绪论 1 2 2 国内清扫车机电一体化概述 我国清扫车现状1 3 驯 目前国内使用的清扫车有从美国、英国、德国、瑞士等国进口的，但 主要是国内各生产厂家生产的国产车。国产清扫车在品种规格上、使用性 能上已能基本满足国内各种需求。产品规格从2 t 到8 t 有7 、8 个规格，采 用的底盘主要是庆铃五十铃和东风底盘，作业方式为湿式吸扫结合，动力 为主、副双发动机形式，扫刷布置形式为前置和中置两种，吸嘴形式有中 置长吸嘴、后置短吸嘴和侧置小吸嘴三种形式，风机形式有通用和专用风 机两种形式。 国内清扫车的机电一体化概述脚j 我国的清扫车研制起步比国外晚，清扫车的机电一体化程度与国外相 比是落后的。下面以已经通过鉴定的泸州机器厂的s h z 型的清扫车为例介 绍我国的清扫车机电一体化概况。 该系列清扫车采用了先进的真空技术、液压传动、电液操纵的先进技 术。倾倒垃圾时能举升料箱，开闭仓门均有油缸承担。清扫盘刷、吸嘴提 升下降也有油缸来执行，而且它们还能随着不同路面自动伸缩，实现浮动。 这些操纵大部分安装在驾驶室内，由操作人员实现电控操作。 应该说s h z 系列清扫车在国内清扫车中处于较高水平，然而作为智 能控制的中心一计算机技术以及直接制约和影响自动化技术发展的传感 器技术在该系列清扫车中却几乎没有应用。这大大制约和影响了国内清扫 车机电一体化的发展水平。 1 3 国内清扫车的发展趋势 虽然国内扫路车的技术有了长足的进步，性能价格比大大优于进1 ：3 产 品，但还有待于改进提高，开发新产品，特别是提高国内清扫车的机电一 体化水平和加强智能控制的应用以满足市场的各种需求【3 5 1 。 可靠性需不断提高 产品开发方向 随着社会的发展、进步，不再满足于单纯意义上的清扫车，将从多功 能、环保、经济等方面提出更多的要求，市场呼唤能满足各种需求的清扫 车。 提高产品的机电一体化和智能控制水平 随着微电子技术和计算机技术的迅猛发展，清扫车的机电体化水平 必将越来越高，并朝着智能化的方向不断发展，提高产品的市场竞争率。 重庆大学硕士学位论文绪论 1 4 本文主要工作 本文主要的研究对象是吸扫式清扫车中，吸扫式清扫车的清扫机构多 是盘刷。针对我国清扫车发展现状及机电一体化和智能技术等在清扫车上 的应用，考虑到目前国内对清扫车清扫机构盘刷的控制问题研究不够深入， 往往对盘刷只是进行简单的控制，完成一些最基本的功能，不具备智能化。 对于清扫过程中遇到的一些问题，比如躲避障碍物等，盘刷系统不能自己 来检测障碍物的存在及采用相应的措施，往往靠司机手动完成，这就必然 加重了司机的工作强度，提高了盘刷损坏的可能性。本文作者考虑到将智 能技术应用到清扫车清扫机构中，拟主要从以下两个方面来对清扫车的清 扫机构进行改进： 由于清扫车的盘刷在工作中起到非常重要的作用，且盘刷转速应随清 扫车清扫速度进行自动调节，故利用人工智能中的人工神经元网络来参与 盘刷的速度控制。 由于清扫车在工作过程中盘刷可能会遇到障碍物，容易对盘刷造成损 害，所以盘刷应具各自动避障功能。在此拟利用超声波的方法对盘刷的自 动避障进行研究。 重庆大学硕士学位论文2 智能技术的理论筚础 2 智能技术的理论基础 2 1 智能技术概述 目前，智能技术主要指人工智能技术。人工智能是计算机科学中涉及 研究、设计和应用智能机器等的一个分支。它是智能机器所执行的通常与 人类智能有关的功能，如判断、推理、证明、识别、感知、理解、设计、 思考、规划、学习和问题求解等思维活动【l 】。 人工智能主要涉及以下一些职能领域：1 ) 问题求解：2 ) 逻辑推理与 定理证明；3 ) 自然语言理解；4 ) 自动程序设计；5 ) 专家系统；6 ) 机器 学习；7 ) 人工神经网络：8 ) 机器人学；9 ) 模式识别；1 0 ) 机器视觉；1 1 ) 智能控制；1 2 ) 智能检测；1 3 ) 智能调度与指挥：1 4 ) 系统与语言工具。 在人工智能诸多领域之中，目前应用最广泛的要算是智能控制、机器 人学、人工神经网络及模式识别等。 智自肇控制是控制理论发展的高级阶段。它主要用来解决那些用传统方 法难以解决的复杂系统的控制问题。智能控制系统是实现某种控制任务的 一种智能系统。所谓智能系统是指具备一定智能行为的系统。具体地说， 若对于一个问题的激励输入，系统具备一定的智能行为，它能够产生合适 的求解问题的响应，这样的系统便称为智能系统。例如，对于智能控制系 统，激励输入时任务要求及反馈的传感信息等，产生的响应则是合适的决 策和控制作用。 机器人学是人工智能的又一个重要分支，其中包括对操作机器人装置 程序的研究。尽管现在已经建立了一些比较复杂的机器人系统，但大多数 机器人都只是按预先编好的程序执行某些重复作业的简单装置，不具备智 能化。我们将人工智能加入机器人学中，目的就是使机器具备人的一些思 维能力，真正达到智能化。 模式识别本意是指识别出给定物体所模仿的标本。人工智能所研究的 模式识别是指用计算机代替人类或帮助人类感知模式，是对人类感知外界 功能的模拟，研究的是计算机模式识别系统，也就是使一个计算机系统具 有模拟人类通过感官接受外界信息、识别和理解周围环境的感知能力。 神经网络理论在很多领域得到了广泛的应用，我们将在下一节比较详 细的论述，本文作者也拟将神经网络理论应用到清扫车的控制中。 2 2 人工神经元网络简介 9 重庆人学硕士学位论义 2 智能技术的理论基础 2 2 1 生物神经元模型 神经元是脑组织的基本单元，其结构如图2 1 所示，神经元由三部分 构成：细胞体、树突和轴突；每一部分虽有各自的功能，但相互之间是互 补的。 图2 1 神经元结构示意图吲 f i g t a e2 1s k e t c ho f n e r v ec e l l ss t n l e t u r e 树突是细胞的输入端，通过细胞体间连接的节点“突触”接收四周细 胞传出的神经冲动；轴突相当于细胞的输出端，其端部的众多神经末梢为 信号的输出端子，用于传出神经冲动。 神经元具有兴奋和抑制的两种工作状态。当传入的神经冲动，使细胞 膜电位升高到阈值( 约为4 0 m v ) 时，细胞进入兴奋状态，产生神经冲动， 由轴突输出。相反，若传入的神经冲动，使细胞膜电位下降到低于阈值时， 细胞进入抑制状态，没有神经冲动输出。 2 2 2 人工神经元模型 人工神经元是对生物神经元的简化和模拟，它是神经网络的基本处理 单元。图2 2 显示了一种简化的神经元结构。 它是一多输入、单输出的非线性元件，其输入输出关系可描述为1 3 1 ，= w ，x ，一目 y ，= f ( 1 ，) o ( 2 1 ) 重庆夫学硕士学位论文 2 智能技术的理论基础 = i j 图2 2 神经元的结构模型翻 f i g u r e2 2m o d e l o f n e r v ec e l l ss t r u c t u r e 其中x ，( ，= 1 ，2 ，n ) 是从其它细胞传来的输入信号，只为阈值，u ， 表示从细胞，到细胞f 的连接权值，厂( ) 称为传递函数。 有时为方便起见，常把一只也看成是对应恒等于1 的输入量的权值， 这时( 2 1 ) 式中的和式记为 i i = w i i x i 其中w o = - g , 。x 0 = l ，传递函数厂( 力可为线性函数，但通常为阶跃函数 或s 状曲线那样的非线性函数。 2 2 3 人工神经元网络的基本特征 由大量神经元相互连接组成人工神经元网络具有如下基本特征：1 ) 分 布存储和容错性；2 ) 大规模并行处理；3 ) 自学习、自组织和自适应性； 4 ) 神经元网络是大量神经元的集体行为，并不是各单元行为的简单的相 加，而表现出一般复杂非线性动态系统的特性。如不可预测性、不可逆性 等等；5 ) 神经元可以处理一些环境信息十分复杂、知识背景不清楚和推理 规则不明确的问题1 2 j 。 2 3 人工神经元网络的分类 目前神经网络模型已有4 0 多种，为了便于研究，从不同角度将其分 重庆大学硕士学位论文 2 智能技术的理论基础 类。按网络的结构可分为前馈型和反馈型；按网络的性能分为连续性和离 散型、确定性和随机性网络：按照学习方式可分为有导师( 指导) 和无导 师( 自组织学习包括在内) 学习：按照突触连接的性质分为一阶线性关联 与高阶线性关联网络。 这里仅简要介绍一下常用的前馈型网络。 2 3 1 前馈型网络 先考察一个接收n 个输入的m 个神经元构成的基本的前馈型网络结 构，见图2 3 。 图2 3 基本的前馈型网络嘲 f i g m e 2 3b a s i cf o r w a r dn e t w o r k 它的输入和输出向量分别表示如下口】 x = i x 。，x ，矗】 y = 【y y ，y 。r ( 2 2 ) k 权值是把第f 个神经元和第_ ，个输入连接起来。权的第1 ，第2 个 下标分别表示目标和源节点的标记，t 表示转置。对第i 个神经元的激活值， 则能够写成为 n e t ，= w ( 2 3 ) 包含有激活函数厂( 胆p ) ( i = 1 ，2 ，m ) 的非线性变换完成对z 的处 理，对网络中m 个神经元的每一个逐个进行变换，这种变换用式( 24 ) 表 示了强非线性映射 1 2 重庆人学硕士学位论文 2 智能技术的理论筚础 y = 厂( 彤7 x ) ( 2 4 ) 其中权向量肜( i = l ，2 ，m ) 包含引向第i 个输出节点的所有权并把 它定义为 彬= 卜，。w ：w 。r ( 2 5 ) 引入非线性矩阵算子r ，由网络实现的输入空间映射到输出空间y 能够 表达成为以下形式 y = r 噼刎 ( 2 6 ) 其中矽是权矩阵亦称为联结矩阵 = w i lw 1 2w 1 w 2 ，w w 2 月 lk 2 k r ( ) = 八) 0 0 f ( e ) oo 0 0 ： 厂( ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 在矩阵算子r 的对角线上的非线性激活函数厂( ) 对每个神经元的激活值 n e t ，按分量逐个进行操作，每个激活值j 顿序地是输入和各自权向量的标 量积。 多层的前馈型网络，它的结构见图2 4 。 输入、输出节点可与外界相联，可直接受外界环境的影响，所以可称 为可见层，而其中层间与外界无直接联系，所以称为隐含层。节点由输入、 计算单元和输出三类。每一计算单元可以有任意个输入但只有一个输出， 其输出可以耦合到任意多个其它节点的输入。前馈型网络常常可分为不同 的层，第i 层的输入仅和第f 1 层输出相连。一般把输入结点记为第一层， 因此，所谓具有单层计算单元的网络，实际上就是一个两层网络，这是网 络的最简单的形式。 重庆人学硕士学位论文 2 智能技术的理论碡础 输 人 节 点 计算单元 图2 4 多层前馈网络的结构闭 f i g u r e2 4m u l t i l a y e rr 删n e m o r k ss u u c t l u e 输出 2 4 误差反传( 印) 网络及其改进 误差反传( b p ) 网络是应用得最多的一种神经元网络，在工业控制领 域得到了广泛的应用，解决了很多传统控制方法所不能解决或是不好解决 的问题，具有广阔的应用前景。 b p 算法的主要思想是把学习过程分为两个阶段：第一阶段( 正向传 播过程) ，给出输入信息通过输入层经隐含层处理并计算每个单元的实际输 出值：第二阶段( 反向过程) ，若在输出层未能得到期望的输出值，则逐层 递归的计算实际输出与期望输出之差值( 即误差) ，以便根据此差调节权值， 具体些说，就是可对每一个权重计算出接收单元的误差值与发送单元的激 活值的积。因为这个积和误差对权重的( 负) 微商成正比( 又称梯度下降 算法) ，把它称作权重误差微商。 2 4 1 b p 算法的数学描述 基于b p 算法的多层前馈网络的结构见图2 5 。 1lf， ri-、1，0ll 重庆夫学硕士学位论文2 智能技术的理论幕础 图2 5 基丁二b p 算法的神经元网络的结构 2 - 1 f i g u r e 2 5s t r u c t u r eo f n e u r a ln e t w o r k b a s e do i lb pa r i t h m e t i c 这种网络不仅有输入层节点，输出层节点，而且有一层或多层隐含节 点。对于输入信息，先要向前传播到隐含层的节点上，经过各单元的特性 为s i g m o i d 型的激活函数运算后，把隐含节点的输出信息传播到输出节点， 最后给出输出结果。网络的学习过程由正向和反向传播两部分组成。在正 向传播过程中，每一层神经元的状态只影响下一层神经元网络。如果输出 层不能得到期望输出，就是实际输出值与期望输出值之间有误差，那么转 入反向传播过程，将误差信号沿原来的连接通路返回，通过修改各层神经 元的权值，逐次地向输入层传播去进行计算，再经过正向传播过程，这西 个过程的反复运算，使得误差信号最小。实际上，误差达到人们所希望的 要求时，网络的学习过程就结束。 设含有共l 层和n 个节点的一个任意网络，每层单元直接受前一层的 输出信息并输出给下一层各单元，各节点( 有时称单元) 的特性为s i g m o i d 型( - g 是连续可微的) 。为简单起见，认为网络只有一个输出y 。设给定n 个样本( x k ，y ) ( k = l ，2 ，n ) ，任一个节点f 的输出为d j ，对某 一个输入为以，网络的输出为儿，节点f 的输出为d 。，现在研究第，层的 第，个单元，当输入第k 个样本时，节点，的输入为 n e t ：, = 以敛1 啡表示，一1 层，输入第个样本时，第个单元节点的输出。 = f ( n e t 盖) 使用误差函数为平方型 邑= 三( y 止一乳) 2 儿是单元- ，的实际输出。总误差为 1n 三= 二e 2 n智 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 重庆人学硕士学位论文2 智能技术的理论撼础 定义耻惫 于是熹：熹百o y l e ! l ：熹o i - 叫! 。p i - 一 ( 1 3 ) 。“a 嵋锄8 f ：加0锄甜： “业。p 下面分两种情况来讨论： 1 ) 若节点，为输出单元，则以= 甄 颤= 惫= 薏毒( y k 觥槲：， 眨 2 ) 若，不是输出单元，则 欧= 最专+ 器= 嚣伽 旺渤 式中。盖是送到下一层“+ 1 ) 层的输入，计算嚣要从“+ 1 ) 层算回 来。 在( f + 1 ) 层第m 个单元时 一0 e k ：嘉簪；嘉蟛：础t + l (216)aol , 锄e ，裂a d ：锄p f 篡”州智、” 将式( 2 1 6 ) 代入式( 2 1 5 ) ，则得 懿2 莓础吲厂( 噼) ( 2 1 7 ) 蘸结p 诛结罢有 = i + 1 w 删i + 1 厂( 删盖) 雾= 靠掣 q 1 8 现在，反向传播算法的步骤可概括如下： 1 ) 选定权系数初值： 6 重庆人学硕士学位论文 2 智能技术的理论基础 2 ) 重复下述过程直到收敛： 乱对k = 1 到n 正向过程计算：计算每层各单元的叫_ l 胆p ，二和豇，k = 2 ，n 反向过程：对各层( ，= l 广l 到2 ) ，对每层各单元计算双。 b 修正权值 ：一_ a e ( z o ) w g 叫u 一9 瓦 砘 为步长，其中罢= 娑1 。 龇q 弱“q 总括起来，b p 网络的主要优点是：1 ) 只要有足够多的隐层和隐节点， b p 网络可以逼近任意的非线性映射关系；2 ) b p 网络的学习算法属于全局 逼近的方法，因而具有较好的泛化能力。 b p 网络的主要缺点：1 ) 收敛速度慢；2 ) 局部极值；3 ) 难以确定隐 层和隐节点的个数。 b p 网络由于其很好地逼近非线性映射的能力，因而它可应用于信息 处理、图像识别、模型辨识、系统控制等多个方面。对于控制方面的应用， 其很好地逼近特性和泛化能力是一个很好的性质。丽收敛速度慢却是一个 很大的缺点，这一点难以满足具有适应功能的实时控制的要求圆。 2 4 2b p 学习算法的改进 b p 网络的一个严重的缺点是收敛太慢，它影响了该网络在许多方面 的实际利用。为此，人们对b p 网络的学习算法进行了广泛的研究，提出 了一些改进的算法q 引入动量项 上述标准的b p 算法实质上是一种简单的最速下降静态寻优算法，在 修正w ( 七) 时，只是按k 时刻的负梯度方式进行修正，而没有考虑以前积累 的经验，即以前时刻的梯度方向，从而经常使学习过程发生振荡，收敛缓 慢。为此，有人提出了如下的改进算法： w ( k + 1 ) = w ( k ) + 口 ( 1 一r 1 ) d ( k ) + 珂d ( t 一1 ) 其中w ( k ) 即可表示单个的连接权系数，也可以表示连接权向量( 其元素为 重庆大学硕士学位论文 2 智能技术的理论基础 连接权系数) 。d ( 女) = 一o e 加，( ) 为k 时刻的负梯度。d ( k 一1 ) 是女一1 时 刻的负梯度。a 为学习率，a 0 。r 为动量因子，0 7 0 即v v 。 比较式( 3 4 ) 与( 3 4 ) ，也可得到 。目，一。口：； 丝三丝! ! ! 竺 一。 ! i 三竺! ! ! 竺 0 。 所以，在清扫车清扫速度不变的情况下，提高盘刷的转速不仅可以提 高扫丝接地点的绝对速度的大小，而且可以改变其方向，使绝对速度的内 倾角增大，二者的变化趋势一致。 重庆大学硕士学位论文 3 清扫车清扫机构的速度控制研究 3 2 3 清扫车清扫速度对盘刷接地点速度的影响 上述的是在假定清扫速度不变的前提下，分析了盘刷转速对其接地点 速度的影响。采用类似的方法，我们也可得出，若盘刷的转速及接地方位 不变，而当清扫速度发生变化时，也必然影响扫丝接地点的绝对速度的大 小和方向【3 2 1 。 在图3 3 中，设盘刷的转速保持为c o 不变。 ( a )( b ) 图3 3 清扫速度对接地点速度的影响嘲 f i g u r e3 3e f f e c to f s w e e p i i l gs p e e d t oe a r t hp o i n t ss p e e d 如图3 3 ( a ) 所示，当清扫速度为v o 时，扫丝接地点的绝对速度由式 ( 3 1 ) 有 矿= 曙+ c 0 2 r 2 2 v o l t c o s g , ( 3 5 ) 细os一1l丽萧1o-蒜cotcos妒2vocorcosqj e ， l 曙+ 2 ，2 一j 如图3 3 ( b ) 所示，当清扫速度为2 时，则有 v = 4 4 v 0 2 + 国2 r 2 4 v o a r c o s p ( 3 57 肚。一i 弩竿竺垒一| ( 3 6 ，) 1 、4 v 0 2 + 2 r2 4 v o c o r c o s oj 。 2 4 麓叠蚤玎量j一 重庆大学硕士学位论文 3 清扫车清扫帆构的速度控制州究 比较式( 3 5 ) 与( 3 5 ) ，可以得到 v v 比较式( 3 6 ) 与( 3 6 ) ，可以得到 口 ( 3 1 h ) ，则c e 2 x 叫a 。3 1 h ：( 3 0 h ) 与( 3 1 h ) 交换 x c ha ，3 0 h c t p 2 ：m o va ，3 1 l - i ；( 3 1 h ) 送a c j i 、i ea ，3 2 h ，c m p 3：若( 3 1 h ) ( 3 2 h ) ，则c m p 3 m o v3 a h ，a：否则，( 3 1 h ) 送3 a h p e t ：返回 c m p 3 ： r ec m p 4：若( 3 1 h ) ( 3 2 h ) ，则c m p 4 m o v3 a h ，a ；否则，( 3 1 h ) 送3 a i r e t c m p 4 ：m o v a ，3 2 h；( 3 2 h ) 送a 删删删删唧酬州口帆删眦哪唧 一 重庆人学硕士学位论文3 清扫车清扫机构的速度控制研究 c 肝5 0 毋6 c 3 n e m o v r e 7 j c x c h 帅0 v r e t a 3 0 h o i p 5 3 a h ，a o 巾6 a ，3 0 h 3 _ l ，a ：若( 3 2 h ) ( 3 0 h ) ，则c m p 5 ：否则( 3 2 h ) 送3 a