一種用于中國烹飪機(jī)器人的火候模糊控制系統(tǒng)

馬文濤，閆維新，付 莊，趙言正

(1.機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，200240上海;2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，200240上海，yzh-zhao@sjtu.edu.cn)

《辭海》中“火候”的釋義是:烹飪時(shí)火力的強(qiáng)弱和時(shí)間的長短.中國烹飪最重要的就是掌握火候，因此，中國烹飪機(jī)器人必須具備掌控火候的能力.對(duì)于一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的廚師來說掌握火候是駕輕就熟的，然而對(duì)于烹飪機(jī)器人來說卻是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn).Yan等[1]介紹了第一臺(tái)中國烹飪機(jī)器人，該機(jī)器人用示教再現(xiàn)的方式進(jìn)行火候控制，做出了有益的探索.

中國烹飪的傳承一直沿用師徒相授的傳統(tǒng)，師傅傳授時(shí)往往采用模糊的詞語和說法，即便在與烹飪相關(guān)的文獻(xiàn)中也頻繁地使用“中火”、“猛火”、“文火”等模糊詞句表示火力的大小，用“片刻”、“少頃”等模糊詞句表示時(shí)間的長短，而對(duì)菜肴烹飪效果的評(píng)價(jià)更是難以精確.由于中國烹飪具有明顯的模糊性，因此用模糊數(shù)學(xué)和模糊控制進(jìn)行處理就成為自然而然的選擇.自Zadeh[2]提出模糊集以后，模糊集合、模糊數(shù)學(xué)和模糊控制就得到了廣泛的應(yīng)用.Davidson[3－4]闡述了應(yīng)用模糊邏輯和推理技術(shù)控制食品加工的方法，指出模糊表示適用于那些天生可變的量(例如，原料由于供應(yīng)商或者生長季節(jié)的易變性)或不均勻性(例如，物理尺寸和形狀、大范圍內(nèi)的溫度)，模糊規(guī)則能夠表示那些派生于數(shù)字仿真、實(shí)驗(yàn)觀察或二者的結(jié)合的控制知識(shí)，并將模糊控制應(yīng)用于花生的烤制.文獻(xiàn)[5]提出了一種用于烤面包的模糊控制器.文獻(xiàn)[6]提出了一種煮的模糊控制系統(tǒng)，并指出在煮的過程中，人的頭腦中要考慮的是如何正確地控制輸出到加熱面板上的火力的時(shí)序.雖然煮、烤等烹飪工藝相對(duì)中國烹飪工藝而言比較單一，但這些研究對(duì)于中國烹飪中火候控制的自動(dòng)化和智能化有重要的參考價(jià)值.

本文提出了一種火候模糊控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠監(jiān)控原料加熱時(shí)的顏色變化、鍋具內(nèi)原料的溫度變化以及燃?xì)夂蛧娚淇諝獾膲毫ΓY(jié)合當(dāng)前的烹飪階段和烹飪工序，調(diào)整火力大小和當(dāng)前烹飪工序時(shí)間，實(shí)現(xiàn)火候的智能控制.

1 中國烹飪機(jī)器人及其火力系統(tǒng)

Yan等[1]第一次提出了中國烹飪機(jī)器人，該機(jī)器人能夠較完整地實(shí)現(xiàn)各種中國烹飪工藝，能夠自主地、完整地完成菜肴的烹飪.在此基礎(chǔ)上本文提出了一種用于助老助殘的烹飪機(jī)器人(如圖1)，其中火力系統(tǒng)在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上做了改進(jìn).

圖1 助老助殘中國烹飪機(jī)器人結(jié)構(gòu)

火力系統(tǒng)所用的燃燒器采用了一種雙引射源方式[7]，由火蓋、引射管和噴嘴等幾個(gè)部分組成.燃燒必須具備的關(guān)鍵條件是燃?xì)庵械目扇汲煞趾涂諝庵械难鯕庑璋匆欢ū壤煞肿訝顟B(tài)混合[8].空氣和燃?xì)獬浞只旌鲜且粋€(gè)燃燒器的基本要求，它是燃燒器燃燒過程中一氧化碳濃度達(dá)標(biāo)的關(guān)鍵，是提高燃燒熱效率的關(guān)鍵，也是提高燃燒穩(wěn)定性的關(guān)鍵.

中國人工煤氣的主要成分為丙烷和丁烷，GB 13611—2006[9]中給出的液化石油氣20Y的基準(zhǔn)氣為75%的丙烷和25%的丁烷，其分子式可寫為C3.25H8.5.然而在實(shí)際應(yīng)用中，液化石油氣中丙烷和丁烷的比例往往會(huì)有所變化，一般丁烷的比例比標(biāo)準(zhǔn)略大.按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)燃?xì)饬靠捎?jì)算理論上需要的空氣量，

若空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)按20.942%計(jì)，則1 mol的液化石油氣20Y需要的空氣量為7.5/0.209 42=35.813 mol.實(shí)際空氣供給量與理論空氣需要量之比為過剩空氣系數(shù)aV，通常aV＞1，民用燃燒器一般控制在1.3～1.8.在實(shí)際燃燒過程中正確的aV值十分重要:aV過小則燃?xì)獾幕瘜W(xué)能不能充分轉(zhuǎn)換;aV過大，煙氣體積增大，增加排煙熱損失，降低燃燒器的熱效率[10].

烹飪機(jī)器人通過控制燃燒器的燃?xì)馊肟诤涂諝馊肟谔幍娜細(xì)夂涂諝獾膲毫砜刂迫紵鞯妮敵鰺嶝?fù)荷，仿真和實(shí)驗(yàn)表明，高壓空氣(入射空氣)的壓力和燃?xì)鈮毫Ρ仨氃谝欢ǚ秶鷥?nèi)進(jìn)行匹配才能達(dá)到良好的燃燒效果.由于燃燒器內(nèi)流體的動(dòng)力學(xué)情況復(fù)雜，計(jì)算量很大，對(duì)實(shí)際需要的空氣量和燃?xì)饬康木_控制不但很難實(shí)現(xiàn)，而且沒有必要，而模糊控制恰能滿足要求.

2 原料成熟度的視覺識(shí)別

由于炒鍋的顏色為黑色，而用于烹飪的動(dòng)物性原料和植物性原料中幾乎沒有呈黑色的，因而易于將原料和背景區(qū)分開來.據(jù)此提出了一種提取烹飪典型對(duì)象，計(jì)算鍋具內(nèi)目標(biāo)原料的平均飽和度、色品和亮度的方法.表1的數(shù)據(jù)是在9次烹飪豬肉片的過程中分別在0(烹飪前)到24 s(肉片成熟)的時(shí)間里每隔6 s拍照的照片進(jìn)行圖像處理，去除反光和背景等干擾后，求得的原料的色品(H)、飽和度(S)和亮度(B)的平均值.

表1 在烹飪過程中豬肉的HSB變化情況

由表1可見，烹飪前后色品的變化很小，而亮度的變化也不顯著，但飽和度的變化不但顯著，而且具有明顯的規(guī)律性——逐漸減少.在對(duì)多種原料烹飪前后的顏色變化進(jìn)行分析后也發(fā)現(xiàn)，多數(shù)動(dòng)物性原料的平均色品幾乎不變或者變化較小，而亮度的變化也并不顯著或者無明顯規(guī)律.但部分原料，尤其是動(dòng)物性原料的飽和度發(fā)生了明顯的規(guī)律性變化，因此可以作為烹飪階段劃分的標(biāo)志.

3 火候的模糊控制

3.1 火候模糊控制的總體結(jié)構(gòu)

火候的控制系統(tǒng)主要完成兩項(xiàng)功能，一是根據(jù)需要調(diào)整火力的大小;二是根據(jù)當(dāng)前的顏色、溫度等信息決定是否應(yīng)該延長當(dāng)前工序的時(shí)間，如果需要延長那么估計(jì)延長多長時(shí)間.火候模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，在火候模糊控制系統(tǒng)中，存在兩個(gè)模糊推理機(jī)，一個(gè)是火力隨動(dòng)模糊推理機(jī)，用作火力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié);另一個(gè)是火候設(shè)定模糊推理機(jī)，用作調(diào)整火力和烹飪時(shí)間.燃?xì)鈮毫涂諝獗玫妮敵鰵怏w壓力分別由西門子公司的QBE64－DP01和QBE64－DP05測量;鍋具內(nèi)部溫度，則通過DTA LT－05S紅外溫度傳感器(廣州圣高測控科技)進(jìn)行非接觸測量.系統(tǒng)采用德國映美精公司的DFK21BG04.H型CCD工業(yè)相機(jī)作為視覺輸入.各輸入、輸出變量采用模糊三角函數(shù)表達(dá)，使用Mamdani類型的模糊推理和中心解模糊算法.

圖2 火候模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 火候模糊控制系統(tǒng)的模糊語言

火候模糊控制系統(tǒng)的輸入輸出變量及其模糊語言見表2.模糊語言值的隸屬度可由三角函數(shù)給出，設(shè) A=A(aL，aC，aR)，其中 aL、aC和 aR分別表示下限、中心和上限.A的隸屬度可由下式確定[11]:

經(jīng)過反復(fù)讓廚師對(duì)不同火力、不同原料數(shù)量、不同烹飪時(shí)間、不同溫度等進(jìn)行評(píng)級(jí)并給出不同級(jí)別的隸屬度，經(jīng)一致性檢驗(yàn)等處理后可得出各輸入輸出變量模糊語言值的aL、aC和aR，相應(yīng)的模糊函數(shù)的圖形見圖3.

表2 輸入/輸出變量的模糊語言

圖3 各輸入、輸出參數(shù)的模糊函數(shù)圖

3.3 火候控制規(guī)則

一個(gè)完整的烹飪過程可以分為多個(gè)階段，每個(gè)階段由一個(gè)或幾個(gè)烹飪工序動(dòng)作組成.烹飪工序動(dòng)作可分為主干工序、火力工序(僅調(diào)節(jié)火的大小)和火候工序(僅控制烹飪時(shí)長)等.主干工序往往涉及原料的轉(zhuǎn)移，能夠標(biāo)示當(dāng)前的烹飪階段，主要有加油、回鍋、投主料、投輔料、投調(diào)味汁、投香辛料和加淀粉等.火力工序僅控制火力大小，不控制烹飪時(shí)間，如點(diǎn)火、調(diào)火和關(guān)火等.火候工序僅控制烹飪時(shí)間和原料的運(yùn)動(dòng)，不調(diào)節(jié)火力的大小，主要有晃鍋、攪拌、翻鍋和加熱等.火力和時(shí)間需要進(jìn)行匹配才能達(dá)到好的烹飪效果.因此，火候控制過程是對(duì)火候工序過程中使用的火力大小和火候工序的時(shí)間進(jìn)行控制.在進(jìn)入某一烹飪階段時(shí)，首先需要確定當(dāng)前采用的火力大小，而在火候工序持續(xù)過程中還要根據(jù)當(dāng)前原料的顏色變化或溫度情況對(duì)火力和時(shí)長及時(shí)予以調(diào)整.

進(jìn)入某一烹飪階段時(shí)，首先根據(jù)各階段預(yù)設(shè)火力規(guī)則，產(chǎn)生預(yù)設(shè)的空氣泵控制電壓和燃?xì)獗壤y控制電流的目標(biāo)值.預(yù)設(shè)完成后，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)調(diào)節(jié)燃?xì)馀c空氣配比的狀態(tài)，此時(shí)使用表3的空氣壓力隨動(dòng)模糊規(guī)則.

表3 火力隨動(dòng)模糊規(guī)則

在烹飪的某一階段，根據(jù)當(dāng)前氣體壓力，按照表4中的模糊規(guī)則，估計(jì)當(dāng)前的實(shí)際火力，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際火力大小、原料質(zhì)地和形狀、色品值、鍋內(nèi)溫度、當(dāng)前烹飪工序，確定烹飪是否繼續(xù)延續(xù)以及延續(xù)時(shí)間長短，其模糊規(guī)則見表5、6.火候模糊規(guī)則庫中的多數(shù)規(guī)則都是直接來源于數(shù)位高級(jí)廚師的經(jīng)驗(yàn).

表4 當(dāng)前火力估計(jì)模糊規(guī)則

表5 幾種常見主料劃散階段的飽和度變化規(guī)律

表6 上漿處理的瘦豬肉片在劃散階段的火候模糊規(guī)則

原料質(zhì)地不同，烹飪過程中H、S、B的變化不同，例如對(duì)于豬肉(瘦豬肉片)來說，H值和B值的變化不大，但S值變化顯著.表5給出了幾種常見原料在烹飪前后飽和度的變化規(guī)律.對(duì)于植物性原料，例如土豆絲，在烹飪前后，H、S、B的值幾乎沒有變化，因此對(duì)于該類原料視覺信息將失去價(jià)值，而原料的溫度則成了重要的參照信息.不同烹飪階段，不同原料，預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)溫度不同，其模糊規(guī)則與飽和度變化規(guī)則類似，這里不再贅述.

根據(jù)烹飪工序、原料和當(dāng)前傳感器信息，按照火候模糊規(guī)則預(yù)估烹飪還需持續(xù)的時(shí)間和后繼使用的火力.表6給出了經(jīng)上漿處理后的瘦豬肉片在劃散階段的火候模糊規(guī)則，其他原料和烹飪階段的模糊規(guī)則并未一一列出.

在實(shí)際烹飪中，預(yù)估時(shí)間將作為烹飪中劃散時(shí)所用工序的持續(xù)時(shí)間，如果估計(jì)時(shí)間為“Very long”那么，在30 s后將重新評(píng)估預(yù)期的時(shí)間.雖然各火候工序的時(shí)間使用相同的模糊函數(shù)，但由于不同火候工序下，原料受熱的效率不同，在解模糊后，不同的火候動(dòng)作還要再乘以各自的調(diào)整因子.這些因子都是在大量的烹飪實(shí)踐中總結(jié)出來的經(jīng)驗(yàn)值.加熱、晃鍋、攪拌和翻鍋的調(diào)整因子分別為0.80、0.90、1.00 和 0.85.

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證火候模糊控制系統(tǒng)的性能，在助老助殘烹飪機(jī)器人上完成了下面兩方面的實(shí)驗(yàn).一方面的實(shí)驗(yàn)用于檢驗(yàn)燃?xì)夂涂諝獾碾S動(dòng)調(diào)節(jié)的效果和燃燒效果，主要通過測試一氧化碳的濃度、過剩空氣系數(shù)來確定其性能，實(shí)驗(yàn)裝置中各測試點(diǎn)的示意如圖4所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)用燃燒器及其傳感器的安裝示意圖

實(shí)驗(yàn)使用的燃料為液化石油氣20Y(深圳深南燃?xì)夤?.入射空氣的氣壓(壓力傳感器1)和入射燃?xì)鈿鈮?壓力傳感器2)由集成在機(jī)器人上的壓力傳感器記錄.流量計(jì)1(用于測量高壓空氣流量)、流量計(jì)2(用于測量燃?xì)饬髁?、氣體腰輪流量計(jì)(用于測量總的氣體流量)的測量結(jié)果用于計(jì)算過剩空氣系數(shù).CO濃度用于檢測燃燒器的燃燒情況.另一方面的實(shí)驗(yàn)則是通過評(píng)價(jià)機(jī)器人的實(shí)際烹飪的菜肴，綜合評(píng)估火候模糊控制系統(tǒng)的優(yōu)劣.

體現(xiàn)燃燒器燃燒效果的一個(gè)重要指標(biāo)就是燃燒時(shí)干煙氣中的CO含量.文獻(xiàn)[12]給出了干煙氣CO含量檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法，設(shè)計(jì)如圖5(b)中的取樣罩和取樣器，然后使用煙氣分析儀(如圖5(a)，煙氣分析儀采用德圖的Testo327)實(shí)時(shí)測量燃燒過程中的CO含量.通過對(duì)Testo327錄像，可以獲得較連續(xù)的CO含量變化情況.根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，CO的體積分?jǐn)?shù)要求低于0.1%[12].

圖6給出了10次調(diào)火實(shí)驗(yàn)中，燃?xì)馊肷鋲毫涂諝馊肷鋲毫Φ膶?shí)測曲線.在5、10、15、20、25 s時(shí)，火力被分別設(shè)為1檔(微火)、2檔(文火)、3檔(中火)、4檔(大火)和5檔(猛火).

圖5 一氧化碳含量測試照片與測試裝置

對(duì)應(yīng)圖6，圖7中分別給出了10次調(diào)火實(shí)驗(yàn)中測得的CO含量.從圖7中可以看出，各個(gè)檔位下CO的體積分?jǐn)?shù)都比較低，最高的不到0.045%，遠(yuǎn)低于0.1%的要求.

根據(jù)燃?xì)饬髁坑?jì)算理論空氣需要量，根據(jù)總流量減去燃?xì)饬髁坑?jì)算實(shí)際空氣供給量，進(jìn)而可以計(jì)算出過剩空氣系數(shù).5組流量測試實(shí)驗(yàn)中計(jì)算的過剩空氣系數(shù)如圖8所示，每組實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)一根曲線.由圖8可見過剩空氣系數(shù)為1.17～1.23，優(yōu)于一般的民用燃燒器.綜合CO含量(圖7)和過剩空氣系數(shù)(圖8)可知，采用模糊控制的火力系統(tǒng)既能夠充分燃燒，又能有效減少能量損失.

圖6 不同檔位下入射空氣、燃?xì)鈮毫Φ膶?shí)測曲線

圖7 調(diào)火過程中干煙氣的CO體積分?jǐn)?shù)

圖8 五組實(shí)驗(yàn)測得的過剩空氣系數(shù)

菜肴烹飪實(shí)驗(yàn)中，選擇了幾種對(duì)火候比較敏感的菜肴，分別是小炒肉、水晶蝦仁和銀牙雞絲.7位評(píng)委分別對(duì)機(jī)器人自主烹飪的菜肴進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表7所示.可見，烹飪機(jī)器人能夠出色地完成這些敏感菜肴的烹飪.

表7 評(píng)委對(duì)敏感菜肴的最后評(píng)價(jià)

5 結(jié)論

1)本文提出了一種包含火候設(shè)定模糊推理機(jī)與火力隨動(dòng)模糊推理機(jī)的火候模糊控制系統(tǒng)，其參數(shù)與控制規(guī)則均來源于廚師的主觀感覺與經(jīng)驗(yàn).

2)燃燒實(shí)驗(yàn)表明，該火候模糊控制系統(tǒng)能夠很好地完成火力的隨動(dòng)控制，燃燒充分且過剩空氣系數(shù)小.

3)烹飪實(shí)驗(yàn)表明，采用火候模糊控制系統(tǒng)的烹飪機(jī)器人，也能夠較好地完成對(duì)火候要求敏感的菜肴.

[1]YAN Weixin，F(xiàn)U Zhuang，LIU Y H.A novel automatic cooking robot for Chinese dishes[J].Robotica，2007，25(4):445－450.

[2]ZADEH L.Fuzzy sets[J].Information Control，1965(8):338－353.

[3]DAVIDSON V J.Fuzzy control for food processes[C]//Computerized control systems in the food industry.New York:Marcel Dekker，1996:179 －206.

[4]DAVIDSON V J.Fuzzy control system for peanut roasting[J].Journal of Food Engineering，1999，41(3/4):141－146.

[5]DAVIDSON V J，SMITH K D.A fuzzy controller for a batch cooking process[J].Journal of Food Engineering，1995，24:15－24.

[6]JAZBEC A，MRAZ M，BAJEC I L，et al.Towards automated cooking process[J].Food Research International，2007，40:733 －741.

[7]王偉森，閆維新.鼓風(fēng)引射式燃?xì)馊紵?中國，200920135754.2[P].[2010-08-29].

[8]同濟(jì)大學(xué).燃?xì)馊紵c應(yīng)用[M].第2版.北京:中式建筑工業(yè)出版社，2005:3－5，138，175－176.

[9]中華人民共和國建設(shè)部.GB/T 13611—2006城市燃?xì)夥诸惡突咎匦訹S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007:4.

[10]劉蓉，劉文斌.燃?xì)馊紵c燃燒裝置[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:9－12.

[11]KAHRAMANLI H，ALLAHVERDI N.Design of a hybrid system for the diabetes and heart diseases[J].Expert Systems with Applications，2008，35(1－2):82－89.

[12]中華人民共和國建設(shè)部.CJ/T28-2003中餐燃?xì)獬床嗽頪S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005:8－11.