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基于 PLC 机器人 本体 设计 论文 DWG 图纸 外文 翻译 文献 综述 开题 报告

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研究 设计 基于 I C P和 P L C的移动机器人控制系统设计 徐 正飞 许春权 ， 杨 汝清 ( 上 海 交通 大 学 机 器人研 究所 ， 上海 2 0 0 0 3 0 ) Th e De s i g n o f C o n t r o l S y s t e m Ba s e d o n I C P PL C f o r Mo b i l e Ro b o t xu Zh e n gf i XU Chu n q u art， YANG Ruqi ng ( Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Ro b o t i c ， S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0， Ch i n a ) 摘要 ： 介绍 Z X P J 0 消 防机 器人 的控 制 系统 。 该 系统采 用以 I C P为上住 机 、 P I ， C为 下位机 的双 层 硬 件 蛄构 和基 于 Vi s u a 1 C+ + 的类蛄构 、 W i n d o ws线 程 的 多任务 处理 的软件 系统 实验证 明， 系统 的 可靠 性 和各 项性 能指标 均 满足 设计要 求 。 关键词： 移动机器人 ； 消防机器人； 多任务处理 中图分 类号 ： TP 2 4 文献 标识码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 1 2 2 5 7 ( 2 0 0 1 ) 0 4 0 0 2 5 0 3 Ab s t r a c t ： Th i s pa p e r i nt r o d u c e s t h e c o ns t r u c t i o n o f t h e c o n t r o l s y s t e n l o f t h e Z XP J 0 1 f i r e f i g h t i n g r o b o t f r o m t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e ， u s i n g I CP a s u p p e r ma c h i n e a n d P I C a s 1 o we r ma c h i n e，b a s e d on t h e f e a t u r e s o f c l a s s s t r u c t u r e a n d wi n d o ws t h r e a d mu l t i t a s k p r o c e s s i n g o f Vi s u a 1 C + 一 ， Ex p e r i me n t s d e mo n s t r a t e t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s y s t e m a n d a l 1 p e r f o r ma n c e i n d e x e s s a t i s f y t h e r e q ui r e m e n t of de s i gn i n g Ke y wo r d s： mo bi l e r ob ot f i r e f i g h t i n g r o b o t ； mu l t i t a s k pr o c e s s i ng 0 引言 目前 ， 由于移 动机器人具 有优越的机动性和灵活性而倍 受亲睐， 在许多场合投入实际 应用 。例 如核 工业检 测 ， 消 防 、 火场探 测， 有毒、 易燃 、 易爆气 体场所探测 ， 采矿星球探测及 无人战场等 。为了适应不同环 境下的应用 移动机器人的移 动载体、 控制系统硬件和软件结构也不相同。 由于实 际应 用的需 要 ， 上 海交 通 大 学机 器人 研 究所 和 上海 消防所承接国家 8 6 3 项 目“ 消防机器人” ， 联合研制 开发了一种集火场、 消防、 有毒、 易燃 、 易爆气体场所 探 测 等 多种 功 能 于一 体 的 Z XP J 0 1型 消肪 机 器 人 。 它是一种有缆遥控关节式移动机器人。其上下位机 的电源和通信通过电缆传输 ， 关节摆臂除了能够辅 助越障外 ， 还提高了它的稳定性 。另外， 采用专家决 策辅助系统 ， 协调操作员进行控制 ， 大大提高了其操 纵性和安全性 。本文从硬件和软件的设计两方面介 绍 以 I CP和 P L C为控 制核心 的控 制系统 。 l 控制 系统硬件 设计 Z XP J 0 1消防机器人控制系统硬件主要 由上位 机和下位机两部分组成 ， 分别以 I C P和 P I c为控制 核心。其结构框图如图 1所示。 鉴 鐾 瞽 眢 0 4 - 助1 1 项 目 。 。； 一 。 。 一 。 机械 与电子 2 0 0 1 ( 4 ) j下位机 图 1 消防机器 k 控制系统结构框图 2 5 维普资讯 1 1上 位机 上位机以 I C P为桉心 ， 采样操纵杆的模拟信号 和控制台控制按钮的状态信息。操纵杆有两个正交 的电位器， 分别用来测量 、 方向上的电压信号。 该信号经过 A D转换 通过转接板、 D I ( 数字信号输 入) 板传送给上位机( I C P ) 。上位机读取该数字信 号 并 由此计算机器人左右驱动轮的行驶速度 通过 串行通讯将它传送到下位机( P I c) 控制变频器的频 率设定选择输入点来控制移动载体的行驶速度 同 时 ， 高层规划根据操纵杆 的采值和对其它信号采样 结果 进行 规划 ， 避免有 冲突 的操 作发 生 。 1 2下 位机 下位机主要 由 s 7系列的 C P U2 1 4模块、 3 个数 字量输出扩展模块 E M2 2 2 、 个模拟量输入扩展模 块 E M2 3 1 ( 输 入 点数 为 3 ， 模 数转 换 时间 为 2 5 t s ) 、 3 个变频器、 探测传感器、 采样控制模块 及电源系统 等组成 C P U2 1 4 作为下位机 的控制核心， 主要是存 储 和运行控制程序， 与上位机及扩展模 块之间的通 讯和控制左右驱动轮的速度 我们将变频器的参数 设定为 4 速模式， 具有制动启动和停车功能 防止在 斜面上行进时出现失控现象和频繁紧急启、 停车对 机械系统造成损坏 利用上位机 发送 的速度信号控 制变 频器 的频率设定选择实现移动载体 的速度控 制 D L KG模块为多输人 3输出模块 ， 由采样控制 模块来控制选通传感器输入。 因为 EM2 3 1只具有 3 路 A D转换 而需要采样的传感器信号有 1 6 路， 因 此要对这 l 6路信号进行循环采样 。 2控 制 系统软 件 设 计 传统 的编程方法实际上是序列控制 ， 因为程序 的执行是顺序的， 在任何时候只有一个任务能够响 应 ， 这无法真正实现实时控制的要求 。 上位机控制软件运用 Vi s u a l C+ 5 0编程。 VC具有许多优点 ， 适台于机器人控制系统 的软件 编程 。 a 结构特征 各个控制模块用一个类结构来表 述， 便于数据结构 的管理， 使模块具有完整性 便于 调试和程序的修改。对某一模块的结构进行修改不 会影响系统 的其它模块的结构和功能 ， 大大缩短了 软件的开发周期。 b Wi n d o ws 线程 的多任务 处理 特性 。 线程 之间 通信 ， 包括与主程序的通信使用 Wi n d o w s消息和事 6 件对象， 可以实现控制系统的准并行分布式控制。 c 强大的视图、 文档和数据库功能。 便于编制图 形用户接 口和文档、 视图及数据的管理。 控制系统程序结构框图如图 2 所示。线程 1主 要监测机器人在运行过程中的姿态： 前后 4个摆臂 的摆角、 车体的侧倾角和俯仰角以及速度和传感器 检测的结果 。线程 2的控制台监测主要检测控制台 操纵杆和各控制按钮的开关状态 。线程 3负责上位 机的通信 ， 将上位机的控制参数向下发送 到下位机 和接收下位机传送的数据 ， 并进行数字滤波处理。 线 程 4主要处理如通信中断 ， 车体严重倾斜或俯仰 可 能造成失控或翻落等事故的紧急、 危险情况。 线程 5 的专家系统辅助决策 ， 主要根据传感器信息提示操 作员执行正确的操作 。 各模块类及其对象 变 量 韵 定义 I线程 l e l 线 程2 l I线 程3 l线程 4 e l 线程5 运行 状况 控制 台 l 紧急、危 险。f 通信 盈鼓据! l 专家 系统 辅 L L L处 兰 _ _ J 竺 图 2 上位机控制系统程序结构 框图 下位机接收上位机的控制命令控制 P L C和扩 展模块的 I 0点状态。程序流程图如图 3所示 。通 信采用中断方式， 可以缩短程序执行周期 ， 提高响应 速度 。 固 3 下位机程序流程 上 、 下位机的信息通过串行通讯来进行通信 。 上 位 机 的通 讯 口为 C P的 C OM1口， 通 讯 坍 议 为 RS 2 3 2通讯 ， 其通讯距离较短 ， 而消防机器人的遥控 距离最远为 1 5 0 m。另外 ， P L C的通讯协议采用的是 R S 4 8 5通讯 ， 我们采 用 P P I 通讯方式 ， 选用 R S 2 3 2 P P 转换模块 。上位机通信程序如下 ： ； o u t p o r t b ( 0 x 2 f b ， 0 x 8 0 ) ； 通信口初始化 机械与 电子 ； 2 0 0 1 ( 4 ) 维普资讯 ou t p or t b( 0 x2 f 8， O xO c) ou t p or t b( 0 x 2 f 9 ， 0 x 0 0) OU t p or t b( 0 x 2 f c， 0 x 03) ou t p o r t b( 0 x 2 f 9 ， 0 x0 0) d o wh i t e ( ( i n p o r t b ( 0 x 2 f d ) 0 x 2 0 ) 一一0 ) l l ( ( j n p o r f b ( 【 ) x 2 f d ) 0 x 4 0 = = 0 ) ) ； 等待发送寄存器 o u t p o r t b ( 0 x 2 f 8 ， r e q ) 发送握手信号 d e l a y ( 1 0 ) ； f ( i n p o r t b( 0 x 2 f d ) &0 x 0 1 ) 一=0 )s i g n a l 一0 ； 等待 回握信号 e l s e r L a c k i n p o r t b( 0 x 2 t 8 ) ： s i gna l = 1； wh i l e ( s i g n a l 一 一0 ) ： 数据准备 好 s i gn a l 一 0： d o wh i l e ( ( ( ( i n p o r t ( 0 x 2 f d ) &0 x 2 0 ) 一 一0l l ( ( i n p o r t b ( O x 2 f d) 0 x 4 0 ) 一一0 ) ) ( i n p o r t b ( 0 x 2 f d ) &0 x 0 1 1=0 ) ) ； 等待发送指令 o u t p o r t b ( 0 x 2 t 8 s e n d c h a r c o mi ) ； 发 送指 令 d e l a y ( 5 ) e o mi + ； j wh i l e ( c o rot 7 ) ； c o mi 一 0；e o me nt = 0； d oi wh i l e( ( i n t p o r t b( 0 x 2 f d ) &0 x 0 1 ) 一 一 0 ( c o mc n t 一 1 0 0 0 ) )C O l l l C n t + 十 ； 等待接收， 时间不能超过 i 0 0 0 否则认 为通 信出错 ( c o mc n t 一 i 0 0 0 ) r e c e i v e -c h a r c o r n i 一i n p o r t b ( 0 x 2 f 8 ) ； 接收下位机信息 c o m + + ；c o r n c n t 一 0 ； wh i l e ( ( c o rot !一6 ) 阻 c o mc n t 一1 0 0 0 ) ) ； 机械与 电子 2 0 0 1 ( 4 ) 下位机通信模块程序框图如图 4所示。 t 围 4 下位 机通信模块程序框 图 3 结 束 语 Z XP J 0 1 消防机器人采用 I C P和 P L C作为上、 下位机的控制核心单元， 上位机采用 Vi s u a l C+ 5 0的类结构和 Wi n d o w s线程的多任务处理 实现 控制软件模块化编程和准并行分布式控制 采用专 家系统辅助决策提高了系统的安全性和减轻 了操作 员的劳动强度 。 实验证明， 该系统 的各项性能指标达 到设计要求， 通过了 8 6 3专家组的验收。 参考 文献 ： 1 卢桂 章 八六 三计 划智能机器人研究 进展口 机器人 技术及应用 1 9 9 5 ( 1 ) ： 7 9 2 何克 忠 智能移动 机器人技术研究 J 2 机器人技 术及 应用 ， 1 9 9 6 ， ( 2 ) ： 】 1 1 3 3 寒 芯日本 消 防机 器 人 口 机 器 人 技 术 及 应 用， 1 9 9