自走式喷药机器小车PLC控制系统设计.doc

自走式喷药机器人的PLC控制系统设计周环（机械工程学院 农业电气化与自动化）摘 要喷洒农药是农作物防治病虫害的重要措施。目前，大部分喷药机械仍依赖工作人员现场操作，由于喷药过程中药品的挥发，严重危害工作人员的身体健康。本课题提出了一种自走式喷药机器人远程控制的方案，并设计了一款无人驾驶的自走式喷药机器人自动控制系统。经过运行测试，此系统运行稳定，工作过程符合喷药作业基本要求，具有良好的经济效益和推广前景。关键词：远程控制；农业自动化；传感器技术；MODBUS通讯协议；伺服控制国内图书分类号：S-24Design of Control System of Self Propelled Spraying Robot Based on PLCZhou huan(College of Mechanical Engineering, Agricultural Electrification and Automation)AbstractThe spraying of pesticides is an important crop pest control measures At present, most of the spraying machines need to rely on the staff site operation to ensure normal working. This not only reflects the low degree of automation and intelligent of spraying machines. And in the process of spraying, the volatilization of drug cause serious damage to workers health. The research of this topic put forward a kind of remote control scheme and an automatic control system of self-contained spraying robot unmanned. However, through the uninterrupted operation trials, this system undoubtedly wins the best. The system has good economic benefits and promotion prospects, it is suitable for the centralized management of large farms.Keywords：Unpiloted; Agricultural automation; Sensor technology; Communication mode of Modbus; Servo control71. 导言1.1课题的研究意义随着信息科技的发展，智能机器人已逐步取代了手工劳作，在许多领域得到广泛的应用，尤其是在工业方面，智能化和自动化取得了长足的进步；但是，目前对农业机器人的研究多处于实验室的探索阶段1。喷药是农业生产的重要环节，对农作物生长发挥着至关重要的作用2。国内目前仍采用传统的喷药方法，不仅效率低下，而且由于药品的挥发，严重损害操作人员的身体健康，为了提高农业生产自动化水平，防止喷药过程中工作人员农药中毒，设计了一款无人驾驶的自走式喷药机器人自动控制系统。本系统相较传统喷药方法具有以下优势：（1）远程控制机器人行走，实现了无人驾驶，避免了因喷药对工作人员身体健康的危害；（2）可实现一人多机化管理，提高了生产效率，节省了劳动力；（3）机架结构可以实时调整，提高了了机器人的通用性；（4）可根据植物高度调节喷药架高度，减少了喷药作业过程中药品的挥发，提高了药物利用率。1.2 课题的研究内容本课题主要研究自走式喷药机器人的PLC控制程序设计，主要是针对以下几点开展研究：（1）伺服系统的驱动及控制；（2）PLC与触摸屏的控制方式的对接；（3）传感器信号的采集和处理；（4）RS-232、RS-485串口通讯技术的应用。2. 自走式喷药机器人控制系统总体方案设计2.1 喷药机器人控制系统设计要求为了适应不同用户、不同地形的需求，喷药机器人控制系统设计需要满足以下4点基本要求：（1）控制方式要求：1）远程控制；2）现场手动控制；（2）行走要求：1）行走速度可以调控；2）可以自由转向；（3）作业要求：1）轮间距可调；2）喷头与作物之间距离可调；（4）信息采集要求：1）可以采集作业对象的高度，便于调控喷药架与作业对象之间的距离；2）能够采集前转向轮的左、右极限位置和正中位置，防止机器人因转角过大而失控。2.2 喷药机器人PLC控制系统设计方案拟定本课题制定的自走式喷药机器人PLC控制系统的总体设计方案如图2-1所示，机器人使用柴油发电机给系统中的所有电器元件供电，机器人的控制系统采用PLC作为核心控制装置，PLC根据触摸屏通过串口通讯发送的控制命令和传感器通过串口通讯反馈的植物高度、垄间距、转向轮位置等信息，控制安装在机器人车轮上的电机和机架上的电动推杆等运转，实现机器人的前进、后退、转向和喷药机架高度的调节、车轮间距的调节等动作，完成机器人自动化行走和合理化喷药等过程。图2-1 控制系统总体设计方案示意图3. 硬件选择及电路原理图设计3.1 主要硬件选型机器人控制系统硬件部分主要包括伺服系统、PLC、电动推杆、测距传感器等。伺服系统是机器人行走的关键；传感器是系统的“眼睛”，用于采集农作物高度信息；PLC是核心控制单元，根据传感器信息和触摸屏控制指令控制机器人的行走过程和喷药架高度调节过程。机器人的控制系统主要硬件选型如表3-1所示。表3-1 控制系统主要硬件选型表名称型号功能PLCDVP-20PM核心控制装置测距传感器JY-DAM500测量喷药架与农作物之间的距离限位开关LJC30A3-H-Z/BX防止机器人转向超过极限位置伺服驱动器ASD-A0721-ABASD-A0421-AB驱动伺服电机工作伺服电机ECMA-C30807HSECMA-C30604HS实现机器人的行走过程电动推杆L型调节喷药架高度和机器人轮间距3.2 电路原理图设计自走式喷药机器人的电路分为主电路和控制电路。主电路给系统中的伺服驱动器、伺服电机、电动推杆、PLC等供电；控制电路是以PLC为核心的伺服系统控制电路、电动推杆控制电路等组成。其中伺服系统控制电路原理图如图3-1所示，电动推杆的控制电路如图3-2所示。图3-1 伺服系统控制电路原理图图3-2 电动推杆控制电路原理图4. 自走式喷药机器人控制系统程序设计自走式喷药机器人控制系统的PLC控制程序主要包括：触摸屏与PLC串口通讯程序、传感器信息采集与喷药架高度调节程序、伺服电机控制程序。4.1 触摸屏与PLC串口通讯设置在本系统中，触摸屏控制方式与PLC控制方式的对接，是通过采用串口通讯的方式实现的。DVP-20PM的PLC主机通讯端口有两个，都支持MODBUS ASCII/RTU通讯格式3,4。触摸屏与PLC之间MODBUS通讯的具体设置如下：表4-4触摸屏与PLC串口通讯设置说明表名称说明通讯方式RS-485通讯串口COM2通讯模式ASCII数据传输格式数据位8位；无校验；停止位1位波特率9600bps4.2 传感器信息采集与喷药架高度调节程序本系统传感器用于采集喷药架与农作物之间的距离，将采集到的距离与预设的喷药架与农作物之间的距离作比较，并驱动用于喷药架高度调节的电动推杆运行，使喷药架与植物保持最佳的喷药距离，减少喷药过程中药液的过度挥发，提高农药的利用率，具体控制流程如图4-1所示。图4-1 传感器信息采集与喷药架高度调节流程图4.3 伺服电机控制程序设计机器人的行走是由伺服电机带动机器人的车轮转动实现的，伺服电机与触摸屏、PLC、伺服驱动器之间的控制关系如图4-2所示。触摸屏向PLC发送行走控制命令（布尔型命令），PLC接受到控制命令后，使程序中相应的运动控制功能块工作，PLC就向伺服驱动器传输脉冲，伺服驱动器接收到脉冲并解析后发送到伺服电机，驱动伺服电机转动，实现机器人的行走功能。图4-2 伺服电机控制关系图本机器人使用两套伺服系统作为机器人的行走控制装置。采用功率较大的伺服系统执行机器人前进、后退等动作，采用功率小的伺服系统作为机器人的转向装置。PLC通过控制这两套伺服系统工作情况就可实现机器人的行走过程，具体控制流程如图4-3所示。图4-3 机器人行走控制流程图机器人控制系统的PLC接收到触摸屏发送的前进命令后，首先根据传感器信息判断机器人前进的方向有无不可逾越的障碍，如果有障碍，PLC先不执行前进指令并产生报警信息，同时PLC将障碍信息反馈给触摸屏，由触摸屏判断是否使机器人改变方向绕开障碍；如果没有障碍，PLC执行前进命令，使机器人按照触摸屏指定的路线前进。结论本文主要针对自走式机器人的PLC控制系统开展研究，提出了一种运用PLC控制机器人自动化行走和合理化喷药的设计方案。经过实验得出以下结论：（1）经测试，本控制系统能够实现远程控制喷药机器人的行走、喷药等过程，达到了系统设计要求，完成了无人化农业喷药过程；（2）本控制系统在实验过程中运行稳定，控制精准，机器人行走过程流畅，行走轨迹基本达到理想轨迹，喷药架高度调节迅速、准确；（3）设计的系统可移植性好，只需要更改系统参数，就可以嵌入到不同种类的自走式农业机械中，便于实现自动化、远程化控制。本课题研发的自走式喷药机器人的PLC控制系统样机取得了良好的实验效果，但是将本系统由试验阶段推广到应用阶段的过程中，还有许多新的问题需要解决，需要在实际应用中不断积累和完善，在以下几个方面，还需要做进一步的研究和开发：（1）视觉识别技术在障碍处理方面的应用;（2）卫星导航在轨迹规划方面的应用；（3）