（机械设计及理论专业论文）液下机器人控制系统的研究.pdf

摘要 摘要 水煤浆是一种可以代替石油的新型燃料，在世界石油短缺的今天，水煤浆 生产发展迅猛，有着广阔的发展应用前景。水煤浆在储藏和运输过程中会产生 沉淀，据此本课题组研究出搅拌移动机器人，能够自主在储罐底部按照拟定路 径行走，同时进行搅拌，防止水煤浆沉淀。本文论述的主要是该机器人的控制 系统。 机器人在行走过程中，实时地获取其自身的位置和姿态信息，当发现偏离 规划的轨迹时，应能够及时地自主纠正偏差，返回规划的轨迹。为实现该功能， 本文在以前研究的基础上，考虑到降低控制系统复杂程度，提高性价比，使结 构简单而小型化等方面因素，提出了整个控制系统的新方案，采用p l c 作为主控 制器，单片机、电子罗盘作下位机，采用m o d b u s 协议完成上下位机间的通信， 通过r s - 4 8 5 搭建分布式控制网络。考虑到该机器人工作现场环境比较恶劣，本 文还对p l c 控制系统提出了抗干扰措施，提高了系统的可靠性。 移动机器人的姿态识别是移动机器人导航控制中的一个最基本的问题。本 论文采用电子罗盘h m r 3 0 0 0 将姿态信息实时发送给主控制器，作为液下搅拌机 器人的导航。此外，根据两轮差速驱动机器人的微运动方程，推导了一种简洁 实用的航位推算公式。 针对本机器人系统很难建立精确的数学模型，前人经过研究提出采用模糊 控制技术对其进行控制。本文在此研究的基础之上，将模糊控制引入以p l c 为 主控制器的液下搅拌机器入控制系统。首先将制订好的模糊控制表输入到p l c 中，然后根据输入变量查询模糊控制表得到输出变量，控制机器人的行走。经 实验验证了该方法的正确性，并在实验中修正优化了控制表，此方法在机器人的 偏差纠正中得到了较好的效果。 机器人控制的最终目的是控制电机，以使机器人按照规划的轨迹行走。本 文在分析了差动轮式移动机器人运动数学模型的基础上，利用s 7 2 0 0 p l c 的p t o 输出功能对伺服电动机实现位置控制。进行了机器人直线、旋转和圆弧运动控 制的试验，取得了较好的效果，实现了对移动机器人的运动控制。 关键词：机器人；p l c ；电子罗盘；模糊控制；运动控制 a b s t r a c t a b s t r a c t w a t t - c o a ls l u r r yi san e wf u e lw h i c hi sak i n do fo i ls u b s t i t u t i o n i np r e s e n t t i m e , f o rt h es h o r t a g eo fo i la l lo v e rt h ew o r l d ，w a t e r - c o a ls l u r r yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y a n dh a saw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d b e c a u s ei tp r o n et os e d i m e n tw h e ns t o r e da n d t r a n s p o r t e d , o n ek i n do fm o v i n ga n ds t i r r i n gr o b o ti ss t u d i e db yo u rr e s e a r c ht e a m , t h e r o b o tw o r k su n d e rt h ew a t e r - c o a l s l u r r ya c c o r d i n gt ot h ep l a n n i n go r b i tb y s e l f - d e t e r m i n a t i o n , i tc a np r e v e n td e p o s i t i n go fw a t e r - c o a ls l u r r y i nt h ep a p e r , t h e c o n t r o ls y s t e mo ft h er o b o tw o r k i n gu n d e rt h ew a t e r - c o a ls l u r r yi ss h o w e dm a i n l y t h er o b o tm u s tc a p t u r et h er e a l - t i m ep o s i t i o na n dh e a d i n gi n f o r m a t i o ni nt h e p r o c e s s w h e ni td e t e c t si t s e l fl e a v i n gt h ep l a n n i n go r b i t , i ts h o u l dc o r r e c tt h ew a r p a n dc o m eb a c ki nt i m eb ys e l f - d e t e r m i n a t i o n f o rr e a l i z i n gt h i sf u n c t i o n , c o n s i d e r i n g r e d u c i n gc o m p l e x o ft h ec o n t r o ls y s t e m , i m p r o v i n gt h er a t i oo ft h ep e r f o r m a n c ea n d p r i c e m a k i n gt h ec o n s t r u c ts i m p l ea n ds m a l l ，an e wp r e c e p to ft h ec o n t r o ls y s t e mi s p u tf o r w a r d ，w h i c ha d o p t sp l ca sh o t - c o m p u t e r , a d o p t ss i n g l e c h i pa n dc o m p a s sa s t a r g e t - c o m p u t e r , m o d b u si su s e db e t w e e nh o t c o m p u t e ra n dt a r g e t c o m p u t e rt oc a r r y o u tc o m m u n i c a t i o n ，t h e nt h ed i s t r i b u t i n gc o n t r o ls y s t e mi sb u i l tb yr s 4 8 5 t h i n k i n g o ft h eb a ds u r r o u n d i n gt h a t t h i sr o b o tw o r k s ，s e v e r a la n t i - j a m m i n gm e a s u r ea r e a d o p t e d , w h i c hi m p r o v et h es e c u r i t yo f t h es y s t e m t h ei d e n t i t yo fl o c a t i o na n dp o s i t i o ni saf t m d a m e n t a lp r o b l e mo ft h en a v i g a t i o n o fm o b i l er o b o t i nt h i sp a p e r ，d i g i t a lc o m p a s sh m r 3 0 0 0i su s e da san a v i g a t i o n , w h i c hs e n dr e a l - t i m ep o s ei n f o r m a t i o nt oh o t - c o m p u t e r m o r e o v e r , b a s e do nt h e r e s e a r c ho ft h em o t i v ee q u a t i o no ft w o - w h e e ld i f f e r e n t i a ld r i v i n gm o b i l e ，as i m p l e ， t e r s ep r a c t i c a le q u a t i o nw a si n d u c e d b e c a u s et h ee x a c tm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h i sr o b o ti sd i 伍c u l tt ob u i l t , t h e f u z z yt e c h n o l o g yi sa d o p t e dt oc o n t r 0 1 f u z z yt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e dt ot h er o b o t c o n t r o ls y s t e mt h a ta d o p t sp l ca sh o t - c o m p u t e r f i r s t , f u z z yc o n t r o lt a b l ei si n p u tt o p l c ，s e c o n d , t h et a b l ei si n q u i r e dt of i n do u t p u tb yi n p u t , t h e n , t h er o b o tw o r k s a c c o r d i n gt ot h eo u t p u t t h i sm e t h o di sv a l i d a t e dc o r r e c ti ne x p e r i m e n t sa n dc o n t r o l t a b l ei so p t i m i z e d ag o o de f f e c ti sg o t t e ni nr e c t i f y i n gt h er o b o td e v i a t i o n t h ep u r p o s eo fc o n t r o li st oc o n t r o lm o t o r sa n dm a k et h er o b o tw o r ka c c o r d i n gt o a b s t r a c t t h ep l a n n i n go r b i t b a s e do nt h er e s e a r c ho fm o t i o nm a t h e m a t i c sm o d e lo fm o b i l e r o b o t sw i t hd i f f e r e n t i a lw h e e l s ，p t of u n c t i o no ft h es 7 2 0 0 p l ci sm a d eu s eo fa n d p o s i t i o nc o n t r o lo fs e r v o m o t o ri sr e a l i z e d t h ee x p e r i m e n tt h a tm o b i l er o b o tm o v ei n s t r a i g h tl i n e , r o t a t i o n , c i r c u l a r8 2 0c o m p l e t e d ab e t t e r e f f e c ta n dr e a l i z em o t i o n c o n t r o lt om o b i l ei sg o t t e n k e yw o r d s ：r o b o t ；p l c ；d i g i t a lc o m p a s s ；f u z z yc o n t r o l ；m o t i o nc o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解北京机械工业学院关于收集、保存、使用学位论文 的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、 缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以 及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向 国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：击p 渺宁 口p 孑年1 月2 z - e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月 日 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：击p 犯宁 了d d 占年 f 月力砂日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题背景 1 1 1 移动机器人国内外研究现状 移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种 功能于一体的综合系统。由于机器人与人类生活联系得越来越紧密，具有很强 实用性的移动机器人已成为现代机器人研究中一个相当活跃的领域。特别在近 期，移动机器人在空间探测、军事侦察以及民用中的物料搬运、家政服务等领 域表现出的广阔应用前景，对移动机器人的研究，提出了许多新的挑战性的理 论与工程技术课题，引起了越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣。 当今机器人技术的发展趋势主要有两个突出的特点：一个是在横向上，机器 人的应用领域在不断扩大，机器人的种类日趋增多；另一个是在纵向上，机器 人的性能不断提高，并逐步向智能化方向发展乜1 。下面以移动机器人的应用空间 为主线，以其在各个领域里的应用为辅线，介绍移动机器人研究和应用现状： 1 行星探测机器人 随着人类科学技术水平的提高，人类可以触及的领域变的越来越宽广，空 间探测这个在人类仅仅能够遥望的时候就己经开始的活动，在各种新技术的推 动下以更为紧密的步伐前进着，现在日益成为科学探索中的一个热点，欧洲航 天局和美国宇航局相继实施的登陆火星计划更将它推向了极致。在这一集结人 类智慧的高科技探索活动中扮演重要角色的正是行星探测机器人，行星探测机 器人的主要功能就是用来代替人类对行星上可能的着陆点、行星的气候和地质 条件、水和生命痕迹进行探测。 目前，随着空间技术的进步，空间资源勘测日益成为各国必争的战略要地， 美国、欧洲、俄罗斯、日本都在空间机器人的研究上投入了大量的人力物力， 并且己经在应用上取得了很好的效果，我国是在近几年才开始研制行星探测机 器人，先后有北京航空航天大学机器人研究所、中国科学技术大学、上海交通 大学等大学研制了自己的行星探测机器人，但总的来说国内在行星探测机器人 方面的研究刚刚起步，有待于奋起直追。 第1 章引言 2 室内移动机器人 室内移动机器人的应用空间一般限制在室内，环境具有相对结构化的特 点。从功能上室内机器人可以分为核工业机器人、可移动工业装配机器入、服 务机器人等。在核工业中，远距离操作技术是不可缺少的工具，是核工业的生 命线，而机器人，特别是智能移动机器人则是核工业梦寐以求实现的目标。服 务机器人可以说是应用最为广泛的一类移动机器人，其主要的应用范围包括室 内传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面，在这类机器 人的研究中，日本和美国处于遥遥领先的地位。美国p r o b o t i c s 公司1 9 9 9 年生产 的c y e 小型家用移动式服务机器人，它可牵引一辆小型拖车在室内运送饮料、 信件等生活用品，或牵引吸尘器进行室内清扫工作，该机器人采用双轮差动驱 动方式，环境信息的获取采用地图输入方式，可跟踪声音信号，任务完成后能 自动返回总站待命口1 。国内目前也已开始了有关的室内移动机器人的研究开发工 作，在移动机器人的运动规划与控制方面也取得了一定的成就。 3 室外移动机器人 室外移动机器人又称为自主陆地车，它的主要功能是在室外环境下实现车 辆的无人驾驶，并根据需要完成一定的任务。根据室外智能机器人应用领域和 道路环境的不同，目前室外移动机器人研究的侧重点可分为两方面：一是结构 化道路( 高速公路、高等级公路) 上的车辆自主驾驶或辅助驾驶，其目标应用领 域为民用运输部门或公路安全部门，二是移动机器人在非结构化道路( 一般道 路、土路) 上的机动性、灵活性与自然环境下的越野性，其应用领域主要是军事 和农业。 1 1 2 移动机器人几个关键技术 1 传感器信息融合技术 环境感知能力是移动机器人除了移动之外最为基本的一种能力，感知能力 的高低直接决定了一个机器人的智能性。近年来，各种新型传感器的出现，在 极大的扩展了机器人的感知空间和提高了感知精度的同时，也带来了多传感器 的容错、效率和协调等一系列问题，为了解决以上问题，并更为充分高效的利 用这些传感器信息，一个新的技术应运而生，那就是多传感器集成和融合技术。 多传感器集成和融合技术可以有效的降低信息获取成本，提高系统的测量精度 和容错能力，并有助于提高信息处理的速度，提高完整描述环境的能力，有着 2 第1 章引言 很高的应用价值和广泛的应用空间，因此发展非常迅速h 1 。 2 定位、导航技术 智能式移动机器人是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合于 在复杂的非结构化环境中工作的机器人。导航技术是智能式移动机器人的研究 核心，同时也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。 移动机器人的导航( n a v i g a t i o n ) 问题按照所提供的环境信息，可分为在已知 环境下的导航和在未知环境下的导航嘲。在环境己知的情况下，移动机器人的导 航又称为路径规划，它是首先给出移动机器人和作业环境的描述，然后规划出 联结两个指定位置之间的移动路径，该路径满足移动机器人和作业环境的几何 学和运动学要求，特别是回避与环境中障碍物的冲突，最后根据所规划的路径 给出控制输出。在环境未知的情况下，移动机器人的导航是指移动机器人按照 预先给出的任务命令在行进过程中不断感知周围的局部环境信息，自主地做出 各种决策，并随时调整自身位姿，引导自身安全行驶，并执行相应的动作与操 作。 智能移动机器人的“智能特征在于它具有与外部世界相协调的工作机能， 这种协调在具体的实现上首先要求机器人确定自身与周围环境的位置关系，以 便根据任务目标做出正确决策和路径选择。目前，用于移动机器人定位定向的 感知设备主要有里程计、方向计等内部传感器，超声、激光测距仪等主动传感 器以及摄像机等视觉传感器等。 3 机器人控制技术 机器人控制系统通常包括两方面的内容，即完成控制功能和算法的定义和 这些功能在硬件、软件上的实现。机器人控制器也就是完成机器人控制功能的 具体结构实现。相对于机器人的总体技术进步来说，其相应的控制部分的发展 则显得比较缓慢。时至今日，大部分投入实际应用的移动机器人控制系统仍然 以p i d 加前馈的控制方案为主流控制方案。尽管从2 0 世纪6 0 年代发展起来的 多输入多输出线性多变量系统的研究工作和近十几年来逐步开展的非线性系统 的研究工作取得了很大成就，但由于移动机器人的控制从本质上讲是一个非线 性系统，而非线性系统的控制远比线性系统的控制复杂得多，因此目前一种比 较通常和有效的做法是：绕过理论分析而直接深入到控制综合的中心问题。如： 变结构控制和各种智能控制方法，包括人工神经网络控制、模糊控制、学习控 第1 章引言 制等1 。 机器人应用领域和范围的不断扩展，使机器人技术面临的新需求和新问题 层出不穷。上面只是对移动机器人中的几个关键而基本的技术做了讨论，其它 还有像用来实现远程控制的遥控操作技术、用来实现复杂任务的多机器人协调 和合作技术、用来构建微机器人的微机械技术等等许许多多的方向，碍于篇幅， 在此不再一一赘述。 1 2 选题的意义 本项目拟研发的搅拌机器人可代替大型储浆罐中传统笨重的机械式搅拌装 置，在占地、安装、维修、智能化等方面都有显著优势，若以水煤浆为载体推 广此项机器人，则会产生巨大的社会效益。当移动机器人在水煤浆中移动时， 把机器人的智能化引入到工程中，让他自主的寻找路径并且完成搅拌功能。因 此具有更大的使用灵活性，能更快更好的完成搅拌任务。 本项目的研究对北京市和我国能源工业和环保都具有较大社会经济价值和 意义。本项目的成果可以水煤浆为载体进行工业推广，在近些年将有良好的应 用前景。因此本项目研制的国产液下搅拌机器人在我国煤炭部的水煤浆相关生 产厂家有着重大的应用价值，同时可以推广到其他相关行业进行实际应用。 1 3 本论文研究的内容 本课题所研究的液下搅拌机器人，采用超声波传感器测量距离进行定位， 以电子罗盘测量姿态进行导航，将位姿信息输入给主控制器，然后得到纠偏信 息，控制机器人按照规划的轨迹行走。针对本课题的研究特点和借鉴以往研究 的经验，本论文作为整体课题的一个部分，确立研究的主要内容如下： ( 1 ) 采用德国西门子公司s 7 2 0 0 p l c 系列中的s 7 2 2 6 作为系统主控制器， 单片机( 8 9 c 5 2 ) ，电子罗盘( h m r 3 0 0 0 ) 作下位机，遵循m o d b u s 协议，通过 r s - 4 8 5 搭建分布式控制网络，利用建立地址轮询表的形式实现上下位机之间的 通信。对p l c 控制系统提出抗干扰措旌，提高系统的可靠性。 ( 2 ) 采用电子罗盘h m r 3 0 0 0 对液下搅拌机器人进行导航，将姿态信息实 时发送给主控制器。根据两轮差速驱动机器人的微运动方程，推导航位推算公 式。 4 第1 章引言 ( 3 ) 实现模糊控制技术在以p l c 为主控制器的液下搅拌机器人控制中的 具体应用。需要实验验证该方法的正确性，并在实验中优化控制表，观察它在 机器人的路径偏差纠正中的效果。 ( 4 ) 分析差动轮式移动机器人运动数学模型，利用s 7 2 0 0 p l c 的p t o 输 出功能，对伺服电动机实现位置控制。进行机器人的直线、旋转和圆弧运动控 制的试验，实现对机器人的运动控制。 ( 5 ) 对获得的实验数据进行比较与分析，得出系统的相关规律，为今后 工作的改进提供借鉴意义。 5 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 2 1 选用p l c 作控制器的原因 机器人在行走过程中，实时地获取其自身的位置和姿态信息，当发现偏离 规划的轨迹时，应能够及时地自主纠正偏差，返回规划的轨迹。为实现该功能， 本文在以前研究的基础上，考虑到降低控制系统复杂程度，提高性价比，使结 构简单而小型化等方面因素，提出了整个控制系统的新方案，采用p l c 作为主 控制器，通过超声波测距系统检测距离信息进行定位，通过电子罗盘导航系统 检测姿态信息进行导航，结合两者算出机器人的位姿信息，然后进行模糊控制 算法推导得到控制结果，将控制结果发送给伺服驱动器控制伺服电机，即分配 两轮转速比达到控制功能，使机器人按照规划的轨迹行走。 西门子s 7 2 0 0 p l c 系列属于小型可编程序控制器，可用于简单的控制场合， 也可用于复杂的自动化控制系统。由于它具有极强的通信功能，即使在大型的 网络控制系统中也能充分发挥作用。在特定的范围内，高性能价格比已成为新 型p l c 的最突出的特点。p l c 以其高可靠性、适应性强和使用方便等突出优点 在自动化控制领域应用广泛口1 。 2 2s 7 - 2 0 0 p l c 的工作原理嘲 s 7 2 0 0 p l c 通电后，需要对硬件和 软件做一些初始化的工作。初始化后， s 7 2 0 0 c p u 按照循环扫描的方式，完成 包括执行用户程序在内的各项不同的任 务。s 7 2 0 0 c p u 周而复始地分阶段执行 一系列任务。任务执行依次称为一个扫 描周期。在一个扫描周期内，c p u 执行 工作扫描过程如图2 1 所示。 1 读输入：在p l c 存储器中，设 置了一片区域来存放输入信号和输出信 号的状态，它们分别称为输入映像寄存 器和输出寄存器。 6 图2 1 工作扫描过程示意图 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 2 执行用户程序：用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按顺序排 列，来实现控制逻辑。一般情况下，用户程序从输入映像寄存器获得外部控制 和状态信号，把运算结果写入输出映像寄存器，或者存入到不同的数据保存区。 3 处理通讯任务：在处理通讯任务阶段，s 7 2 0 0 c p u 处理通信口接收到的 信息，在适当的时候将信息传递给通信请求方。 4 执行自诊断：s 7 2 0 0 c p u 检查整个系统是否工作正常。自诊断测试包括 定期检查e e p r o m ，用户程序存储器、i o 模块状态以及i o 扩展总线的一致性， 将监控定时器复位，以及完成一些别的内部工作。 5 写输出：复制输出过程映像寄存器中的数据状态到物理输出点。过程映 像寄存器是s 7 2 0 0 c p u 中的特殊存储区，专门用于存放从物理输入输出点读取 或写到物理输入输出点的状态。 6 中断程序的处理：如果在程序中使用了中断，中断事件发生时立即执行 中断，中断程序可能在扫描周期在任意点上被执行。 2 3 液下搅拌机器人控制系统的总体设计 2 3 1 控制系统的总体结构 在移动机器人的应用中，精确的位姿是跟踪控制首要解决的问题。机器人位 姿分为位置和姿态两个部分。根据以往的课题研究经验，考虑到液下搅拌机器 人的工作环境以及实用性、经济性等方面，本课题采用超声波传感器来测量距 离信息进行定位，利用电子罗盘来采集姿态信息进行导航。整个控制系统总体 结构如图2 2 所示： 该系统采用了分布式控制系统，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集 中。这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使 整个系统失去控制。当管理级发生故障时，过程控制级( 控制回路) 仍具有独 立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。与计算机多级控制系 统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低嘲。 s 7 2 0 0 p l c 为控制系统的主控制器，做主站管理各从站，起到总的控制作用， 通过r s - 4 8 5 总线同各个从站进行数据传递。p l c 把各个从站得到的信息经过加 工处理后，得到最终的控制命令传给电机，控制机器人按规划的轨迹行走。t d 2 0 0 可对p l c 的参数进行实时的修改，达到实时控制的需要。 7 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 电子罗盘 7 议站 j t d 2 0 0 刮s 7 - 2 0 0 p l c 主站乍= 爿控制电机 刮浆液下移动机器人 i r r s - 4 8 5 总线( m o d b u s 协议) p 站驴驴 p 1 号单片机2 号单片机3 号单片机温度传感器 一r1 丁可了 信号处理信号处理信号处理 f1 fi f 超声波传感器超声波传感器超声波传感器 图2 2 机器人控制系统总体结构 1 号单片机、2 号单片机、3 号单片机记录发射超声波信号在介质中的传播 时间，乘以超声波的传播速度，可以计算出相应的距离，通过定位算法便可对 机器人进行定位。超声波在介质中的传播速度随温度变化，有着特定函数关系， 因此可以借助温度传感器对超声波的速度进行修正。电子罗盘可获得机器人的 姿态，实现机器人的导航。由于超声波传感器测量的是模拟信号，如果直接主 控制器来完成这一功能，必然会增加运算负担以及使系统的可靠性下降，而且 还会使控制结构更加复杂，因此我们采用了单片机记录超声波的传播时间，并 经信号处理电路转换为数字信号再传递给主控制器，这样减少了主控制器的负 担，并且使结构更加灵活，增加了系统的可靠性。 2 3 2 控制网络之间的相互通信 1 通信协议的选择 本课题控制网络之间的通信协议我们采用m o d b u s 协议。m o d b u s 协议是美 国可编程控制器供应商m o d i e o n 公司制定的一种工业通讯协议，现在已经被许 多工控厂商所支持，广泛应用于智能仪表、总线控制等领域。其物理层遵循 r s - 4 8 5 标准，r s - 4 8 5 总线具有信号传输速率快、传输距离更远、抗干扰能力强 8 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 等优点，其接口可以有多个驱动器和接收器，很容易实现一台p l c 与多台智能 设备之间的通信。而且r s 4 8 5 接口在总线上是允许连接多达1 2 8 个收发器，即 具有多站能力，这样用户可以利用单一的r s - 4 8 5 接口方便地建立起设备网络。 当在m o d b u s 网络上通信时，每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按 地址发来的信息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将产生反馈信 息并用m o d b u s 协议发出。控制器通信使用主从技术，即仅一个设备( 主设备) 能初始化传输( 查询) 。其它设备( 从设备) 根据主设备查询提供的数据做出相 应的反应。m o d b u s 协议建立了主设备查询的格式：设备地址、功能代码、所有 要发送的数据、错误检测域。从设备回应的信息包括确认要行动的域、任何要 返回的数据、错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执 行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。 s 7 2 0 0 p l c 支持多种通信息协议，如点多点接口( p p i ) 、多点接口( m p i ) 、 p r o f i b u s 及用户自定义协议等【1 0 1 。通过使用接收中断、发送中断、字符中断、 发送指令( 订t ) 和接收指令( r c v ) ，自由端口通信可以控制s 7 2 0 0 c p u 通 信口的操作模式【1 1 1 。利用自由端1 2 模式，可以实现用户定义的通信协议，连接 多种智能设备。因此，本课题采用了p l c 的自由端口模式。 2 轮询表的建立 在本课题机器人的控制网络中，采用s 7 2 0 0p l c 作为上位机( 主站) ，l 号 单片机、2 号单片机、3 号单片机、温度传感器、电子罗盘都作为下位机( 从站) 。 电子罗盘采用直接与p l c 通过自由端口进行通信的方式。单片机、温度传感器 与p l c 之间采用建立轮询表的方式进行通信。 将l 号单片机、2 号单片机、3 号单片机、温度传感器分别依次赋予地址值 为3 1 h 、3 2 h 、3 3 h 、3 4 h ，当各从站都没有出现故障，且主站同各从站通信，从 站都能给与正确的回应信息时，建立起的地址轮询表是3 1 h 、3 2 h 、3 3 h 、3 4 h 。 主站按照这个地址轮询表所建立起的地址同各从站进行数据通信。当某一个从 站出现故障，如2 号单片机同主站不能进行，建立起的地址轮询表是3 1 h 、3 3 h 、 3 4 1 - i ，主站按照这个地址轮询表同各从站进行数据通信，并及时报警要求查找故 障。但是这时并不影响对机器人的控制，因为通过1 号单片机、3 号单片机仍然 能对机器人进行定位，仅仅是定位的精度不十分精确。整个控制过程没有间断 而是连续的进行。 9 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 我们可以根据报警信息，查出有故障的单片机。当查好后我们可以通过 t d 2 0 0 向主站告诉故障已经解除。要求主站重新建立地址轮询表，建立地址信 息。按照重新建立的地址轮询表发射数据信息。整个过程体现网络系统的即插 即用特点，并且也减少了发射信息的盲目性。 3 自诊断技术 一个优良的测控系统不仅要有效率，还要有极高的稳定性、可靠性、准确 性，才能为控制提供良好的前提。因此本课题控制系统有必要具有自诊断技术。 主站具有诊断帧错误的功能：当主站接收到从站发射的冒号信息时并不及时保 存，而是对它验证，如果正确则保存，不正确则报警并要求从站检查、重发； 当主站接收从站信息时边接收边进行正确校验，当出现错误时以便能够得到及 时的解决。 超声波传感器测距系统中单片机对超声波在介质中的传播时间进行记录， 记录时可能会出现错误，如果发现错误应该及时向主站报告，在软件的设计过 程中要求具有软件滤波功能。由于每次记录的时间都有最大的上限值和最小的 下限值，如果超出这两个界限，认为本次记录时间出现差错，不把本次记录时 间向主站发射，而是返回出错信息。要求主站报警，并要求主站调用相应子程 序来及时应对这种局面。 在通信的过程中也可能出现总线接触不良，使整个通信网络瘫痪。当主站 接收不到从站给与的返回信息时，要求主站发出红色报警信息，马上在硬件方 面给予查找问题所在。 2 3 3 控制系统软件设计 整体控制系统软件流程框图如图2 3 所示。软件的设计思想主要为：首先 是全部变量、波特率以及中断程序等相关的初始化工作；然后是p l c ( 主站) 与单片机( 从站) 通信程序的设计，该过程软件设计流程框图如图2 4 所示； 再次是定位导航、模糊控制、电机控制等各个相关子程序的设计：最后是整个 系统软件的总体设计。关于各个子程序的设计思想将在其它相关章节进行具体 介绍。 l o 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 图2 3 整体控制系统软件流程框图图2 4 主从站间通信的软件流程框图 整个系统程序量是巨大的，合理安排程序结构显得很重要。当主站与从站 之间没建立通信时，主站( p l c ) 反复扫描执行周期，如果出现字符中断，主站 对接收到的信息进行保存处理。由于p l c 具有顺序执行程序的特点，此过程可 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 能会在多个执行周期内完成。当主站与从站建立通信并通信完毕后，调用定位 子程序求出机器人所在的空间位置，调用导航子程序求出机器人的姿态，然后 顺序调用模糊控制子程序，最后调用电机控制子程序。这些子程序要在同一周 期内完成，此周期执行时间是很大的，但是p l c 每个执行周期的时间都很短暂， 因此在设计程序时必须简单实用，使执行周期尽可能的降到最小值，减小控制 的时滞。 本系统的软件设计使用了西门子公司提供的s t e p 7 w i n 软件，并在 w 玳d o w sx p 中完成了系统软件的编制和调试。 2 4 提高p l c 控制系统可靠性的措施 p l c 是专门为工业环境设计的控制装置，一般不需要采取什么特殊措施， 就可以直接在工业环境使用。但是如果环境过于恶劣，电磁干扰特别强烈，或 安装使用不当，都不能保证系统的正常安全运行。干扰可能使p l c 接收到错误 的信号，造成误动作，或使p l c 内部的数据丢失，严重时甚至会使系统失控。 在系统设计时，应采取相应的可靠性措施，以消除或减少干扰的影响，保证系 统的正常运行。 液下搅拌机器人的运行环境十分恶劣，大大增加了电气接线方面的故障，此 外，其他各种干扰信号也比较多，是影响控制系统稳定运行的重要因素。要使 控制系统安全稳定运行，增加其抗干扰能力是十分重要的。 一般来说，p l c 系统故障可分内部故障和外部故障两大类，内部故障指p l c 本身的故障，外部故障指系统与实际过程相连的传感器、检测开关、执行机构 等部分的故障n 幻。实际上，p l c 的可靠性远远高于外部设备，提高系统可靠性 的重点应放在外部设备方面。因此我们从硬件和软件两方而考虑，对外部设备 综合运用以下几种抗干扰措施。 2 4 1 电源的抗干扰措施 电源是干扰进入p l c 的主要途径之一，电源的干扰主要是通过供电线路的 阻抗耦合产生的，各种大功率用电设备是主要的干扰源。感性元件产生的大的 纹波信号将严重影响输入信号正确接受。同时，大的感性元件在通电运行的瞬 间，也将产生大的压降，使p l c 出现突然掉电自保的情况。供电系统的设计直 接影响控制系统的可靠性。对一些可靠性要求较高的控制系统，应当根据现场 1 2 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 情况，设计合理的供电系统，尽可能的减少由于供电系统故障造成系统故障n 羽。 在干扰较强或对可靠性要求很高的场合，可以在p l c 的交流电源输入端加 接带屏蔽层的隔离变压器和低通滤波器，隔离变压器可以抑制从电源线窜入的 外来干扰，提高抗高频共模干扰能力，屏蔽层应可靠接地。 l ll 3 。 图2 5 低通滤波器与隔离变压器 低通滤波器可以吸收掉电源中的大部分“毛刺，图2 5 中的厶和厶用来抑 制高频差模电压，厶和厶是用来等长的导线反向绕在同一磁环上的，5 0 h z 的工 频电流在磁环中产生的磁通互相抵消，磁环不会饱和。两根线中的共模干扰电 流在磁环中产生的磁通是叠加的，共模干扰被厶和厶阻挡。图2 5 中的g 和g 用来滤除共模干扰电压，c t 用来滤除差模干扰电压。尺是压敏电阻，其击穿电 压应高于交流电源的最高正强峰值电压，平常相当于开路。遇尖峰干扰脉冲时 它被击穿，干扰电压被压敏电阻钳位，这时压敏电阻的端电压等于其击穿电压， 尖峰脉冲消失后压敏电阻可以恢复正常状态。 2 4 2 接地和屏蔽 在控制系统中，良好接地可消除各电路电流经公共地线阻抗时产生的噪声 电压，避免磁场及电位差的影响，使其形小成地环路。接地是抑制干扰使系统 可靠工作的重要方法，和屏蔽结合起来使用即可解决大部分干扰问题。 ( a )嘞( c ) 图2 6p l c 控制系统的接地方式 第2 章p l c 在液下搅拌机器人控制系统中的应用 p l c 控制器最好采用单点接地，即控制器与其它设备分别接地，如图2 6 ( a ) 所示。如果做不到每个设备独立接地，也可采用公共接地方式，如图2 6 ( b ) 所示， 但是禁止使用串联接地方式，如图2 6 ( c ) 所示，因为这种接地方式在各设备之间 会产生电位差，引起输入、输出电位与系统不匹配，而产生误动作。 正确、良好的接地是p l c 安全可靠运行的重要条件。控制器与大地之间存 在着电位差，正确、良好的接地可以减小此电位差和由此电位差引起的干扰信 号。 2 4 3 软件措施 在p l c 控制系统中，除采用硬件措施提高系统的抗干扰能力外，我们还利 用其计算速度快的特点，充分发挥软件优势，以确保系统既不会因干扰而停止 工作，又能满足工程所要求的精度和速度。软件容错是达到这一目的的一种经 济、有效的方法。由于本机器人系统工作现场环境恶劣，干扰信号较多，常常 会使传送的信号有误。为提高系统运行可靠性，使p l c 在信号出错的情况下能 及时发现错误，并排除错误的影响继续工作，在程序编制中应用软件容错技术。 现场信号完全可靠的情况下，对于非严重影响设备运行的故障信号，在程序 中采取一段时间的延时判断，以防止输入接点抖动而产生“伪报警。若延时后 信号仍未消失，再执行相应动作。如打滑、跑偏信号，结合现场调试的实际情 况，在程序中设定延时的时间，可有效防止“伪信号的干扰。 以上几种抗干扰措施是根据液下机器人系统和p l c 的应用特点而提出，但 对于其它场合的p l c 控制系统也同样具有推广应用价值。p l c 控制系统中的抗 干扰是一个十分复杂的问题，只有在抗干扰问题中综合考虑来自于各方面的因 素，视其情况做具体分析，采取对症下药的方法，才能有效地抑制干扰，使p l c 控制系统正常工作。 2 5 本章小结 本章首先简单介绍了选用p l c 作控制器的原因和s 7 - 2 0 0 p l c 的主要工作原 理，然后主要介绍了液下搅拌机器人控制系统的整体设计，其中包括控制系统 的总体结构、主要组成、控制网络间的相互通信、软件设计，最后提出了一些 关于提高p l c 控制系统可靠性的措施。 1 4 第3 章电子罗盘在液下搅拌机器人导航中的应用 第3 章电子罗盘在液下搅拌机器人导航中的应用 3 1 选用电子罗盘h m r 3 0 0 0 的原因 在移动机器人导航中，机器人的姿态是一个非常重要的参数，姿态识别大 致可以分为两种：一种是利用检测运动状态的内传感器进行航位推算，另一种是 利用外传感器收集环境信息进行位姿识别4 1 。利用内传感器进行位姿识别的方 法是通过使用相对量传感器来获得移动机器人的方位，如陀螺仪和角加速度计， 通过累积机器人相对于初始姿态的变化量来计算机器人的当前姿态。利用外传 感器如电子罗盘，通过测量机器人周围的磁场信息来确定机器人在绝对坐标系 中的姿态。按照第一种识别方法，随着移动距离的增加，所得到的机器人位姿 累积误差将逐步加大，因此仅在近距离移动时才有可能使用这种方式来导航。 而后者利用外传感器求得环境信息，并根据这一信息进行位姿识别，进而完成 环境识别。 轮式移动机器人测量运动状态的最简单方法就是根据车轮的旋转角度得到 移动机器人与道路的相对运动，这一方法的弊病在于车轮直径的误差、车轮轮 距误差及车轮打滑和震动等各种误差不能避免。可以使用电子罗盘等绝对测量 传感器来对它们进行修j 下以提高精度，因此，电子罗盘在机器人导航领域得到 了广泛的应用。 3 2 数字罗盘h m r 3 0 0 0 简介n 5 1 糜 一黧 图3 1h m r 3 0 0 0 数字罗盘外形图 第3 章电子罗盘在液下搅拌机器人导航中的应用 h o n e y w e l l 公司生产的数字罗盘h m r 3 0 0 0 是一款集航向、俯仰和翻滚三个 旋转量测量于一体的磁敏传感器，由三轴磁阻传感器和一个充有液体的两轴倾 斜传感器组成，可以得到进行倾斜补偿后的航向数据，并且带有电子平衡架， 其航向角度上的精确度可以达到o 5 。，俯仰和翻滚方向的精度可以达到0 4 。， 分辨率达到0 1 。，即使在倾斜达到4 0 。时，也能给出精确的航向。其内部全部 采用贴片元件，不含任何移动元件，非常坚固可靠，并且其输入电压范围广、 功耗低、体积小，适合安装在各种平台上使用，是一款性价比很高的传感器， 因此得到了广泛使用。h m