【《果园除草机器人控制系统和编程分析案例》4100字】

果园除草机器人控制系统和编程分析案例第1章果园除草机器人控制系统设计1.1控制系统整体方案供电电池组触摸屏PLC控制器显示面板直流驱动器步进驱动器推杆控制器传感器组电池检测行走电机转向电机机机推杆电机图3-1控制系统整体方案此次设计的是以PLC为控制核心构建的整个控制系统，该控制系统要控制相应的器件，需要先将相应传感器的信号检测出来并传给控制器，这样控制器就可以做出相应的判断，并由程序控制其输出相应功能的控制信号到不同的驱动器，控制信号发送给直流驱动器并被接收之后向行走电机发出控制命令，控制除草机器人的前向运动；转向电机选择的是步进电机，步进电机需要步进驱动器来控制，步进驱动器接收来自控制器的电脉冲信号后，就会驱动所控制的步进电机按照设定的方向转动对应的角度，实现了脉冲信号向运动量的一个转化；通过控制电动推杆可以实现除草机器人除草装置的升降以及除草过程中的避障操作；最终达到PLC控制机器人运动的目的。1.2硬件选型1.2.1传感器的选型1.电流传感器选择此次课题选择的电流传感器型号为WCS1800霍尔电流传感器模块。该模块的主要芯片为LM393运放，工作电压为DC5V，可预先设置限流值，实现过流保护的功能。特点有：①具有信号输出指示灯；②电流检测范围宽DC±35AAC：25A；③电流检测分辨率60mV/A；④输出过流信号指示；⑤带安装孔，方便固件安装。2.激光扫描仪选择此次课题选择激光扫描仪的型号为LiDARDelta2A，该激光扫面议自主研发了无线输电和无线通信技术，与传统的激光雷达相比具有可靠稳定的长时间运行能力，并且可以在二维平面的8米范围内进行360°范围内的激光测距扫描。主要参数有：量程：0.13m～8m；扫描频率：6.2Hz；激光功率：3mW（最大功率）；工作电压：5V；工作电流：500mA；工作环境温度：0～45°。1.角度传感器选择角速度传感器选择BL100-R高精度单圈绝对值角度传感器，采用变压器原理测角，无触点、长寿命，具有其它类原理测角无可比拟的可靠性。测量范围为0～360°、±180°，也可通过用户单独设定，无机械限位。工作电压：直流5V或9～30V可选；工作温度：-10～+70℃或-40～+85℃。1.2.2PLC的选型果园除草机器人系统所在的工作环境比较恶劣，对系统的干扰较大，所以选择西门子PLC-200系列，其选择的具体原因如下：该西门子200系列的PLC具有极高的可靠性；可以通过编程来实现各种各样的功能；它具有非常多的I/0接口单元；扩展非常容易，外加几个扩展模块就可以了；编程相比较简单易学；价格便宜，安装简单，维修方便；网络通信能力较强；因此PLC作为除草机器人控制系统的主控器有着不可替代的优势，其在保证除草机器人安全可靠运行的前提下，能够最大的发挥机器人的节能的效果。本次设计选用西门子S7-200PLC，其CPU主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226这几种基本的型号。此次课题选取CPU226,该CPU具有24个输入点和16个输出点。其西门子S7-200的示意图如图3-2所示。图3-2S7-200示意图1.2.3模拟量模块的选择在本次设计中选择型号为EM235模块作为模拟量扩展模块，该模块在使用中模拟量输入通道有4个，数字量通道有2个。1.2.4数字量模块的选择在本次设计中电动推杆选用数字量输出模块，选取的型号为EM223，具有16个数字量输出通道。1.2.5电池组的选择电源模块为除草机器人提供动力，是机器人机械机构与控制系统稳定工作的重要前提，可以使除草机器人做到长时间且灵活的工作。因此在设计的过程中选择一个好的电池组的重要性不言而喻，根据此次设计的要求，综合考虑各种情况选择容量与功率性能高的锂电池，为除草机器人提供能源。电池组在工作时有可能会出现过热情况，因此应该设计电池保护电路，以保证电池组安全、稳定、高效的运行，因此电池组在使用的过程中要时刻的监视它的状况，防止过充以及过防的状况出现在电池组的身上，从而保证电池组的使用寿命。1.3驱动的选择与电路设计1.1.1行走电机驱动选择此次课题选择直流电机作为机器人的行走电机。直流电机相应的控制原理：对于直流电机主要有两种控制方式：①电枢电压控制方式，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；②励磁磁场控制方式，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。图3-3直流电机示意图此次课题选择型号为WJZF-30的驱动器模块作为行走电机的驱动器，该模块在实际应用中具有极强的驱动能力、抵抗外界干扰的能力也较强并且可以做到无极调速等优点。在行走电机的控制过程中，其转速的控制主要通过EM235扩展模块将数字量输出信号传送到驱动模块以此来实现该功能。行走电机的正反转主要通过控制器的Q1.4和Q1.5的输出端口来控制继电器KM5和KM6的切换来完成。行走电机电路连接图如图3-4所示。图3-4行走电机电路连接图1.1.2转向电机的驱动选择转向电机选择的是二相步进电机，其型号为57HS22，示意图如图3-5所示。步进电机的控制原理：在实际应用中步进电动机通常采用开环控制，在实际工作中是将控制器发出的脉冲信号转换为对应的角位移量。简而言之就是在步进电机接收到脉冲后，将输出量的形式转换为电机轴的转动量。当驱动器接收来自控制器或者其他脉冲发生器的脉冲信号的时候，步进电机就会按照转动信号给定的方向转动一个角度，这个角度就是“步距角”。步距角的计算公式为：步距角=180°其中P—定子绕组相数；N—转子齿数。图3-5步进电机示意图步进电机在使用的过程中具有许多的优点，例如步进电机与其他种类的电机性比较而言，它的寿命更长，而且在使用过程中响应的速度快，启动与停止的响应性能好，其调速范围较宽，控制精度较高。步进电机在应用过程中不能做到直接的与交流或直流电源相连接，它需要选择响应的步进驱动器来控制步进电机。在步进驱动器接收到控制器发出的脉冲信号之后，驱动器就会驱动步进电机按照用户所设定的方向转动相应的角度，以此完成了脉冲信号量转变成为了运动量。在可以细分步距角的步进驱动器发明出来之前，人们通常选用不同相数的步进电机来实现对步距角的要求，但在细分驱动器发明出来之后，用户可以通过设置驱动器上的拨码开关来实现步距角的细分，从而达到改变步进电机相应角位移的大小。此次课题选择的步进驱动器型号为DM542，该驱动器具有定位精度高、低速运行平稳等特点，采用直流24V供电，其电气指标如表3-1所示。CPU与驱动器的接线原理图如图3-1所示。表3-1驱动电气指标说明DM542最小值典型值最大值单位输出电流(峰值)1.0-2.2A输入电源电压20VDC24VDC/36VDC50VDCV控制信号输入电流71016mA步进脉冲频率0-200KHz绝缘电阻500MΩ图3-6转向电机驱动连接原理图1.1.3推杆切换电路设计除草机器人选用直流型电动推杆，通过控制电动推杆的前后伸缩，从而实现除草电机的抬升与下降以及实现避障动作，因此可以通过控制供电线路的正负极性来实现推杆的伸缩。电动推杆的控制电路如图3-7所示。图3-7电动推杆切换电路1.4I/0分配CPU根据对系统的I/O信号的分析，分配I/O端口如表3-2,3-3所示。表3-2输入I/O分配表I/O端口功能描述I/O端口功能描述I0.0启动按钮I0.4转向左极限I0.1停止按钮I0.5转向右极限I0.2急停按钮I0.6转向中位I0.3复位按钮表3-3输出I/O分配表I/O端口功能描述I/O端口功能描述Q0.0转向电机脉冲信号Q1.1除草头2Q0.1转向电机方向信号Q1.2除草头3Q0.2工作状态指示灯Q1.3除草头4Q0.3停止状态指示灯Q1.4左行走电机方向Q0.4复位状态指示灯Q1.5右行走电机方向Q1.0除草头1模拟量输出模块选用的EM235模拟量输入/输出模块，该模块在应用过程中可以使用模拟量输入通道有4个，同时可以使用的模拟量输出通道有2个，如表3-4所示。表3-4EM235I/O输入/输出点I/O端口功能描述I/O端口功能描述AIW0电压检测AQW0左行走电机/模拟量AIW2左角度传感器AQW2右行走电机/模拟量AIW4右角度传感器1.数字量输出模块选用的EM223数字量扩展模块，以此来控制电动推杆，它在使用过程中可以使用的输出点有16个，如表3-5所示。表3-5EM223I/O输出点I/O端口功能描述I/O端口功能描述Q12.0左电缸1+Q12.6右电缸1+Q12.1左电缸1-Q12.7右电缸1-Q12.2左电缸2+Q11.0右电缸2+Q12.3左电缸2-Q11.1右电缸2-Q12.4左电缸3+Q11.2右电缸3+Q12.5左电缸3-Q11.3右电缸3-1.5可编程逻辑控制器电路图3-8可编程逻辑控制器电路可编程逻辑控制器为本系统的核心部件，相当于系统的大脑，首先PLC要接的线有DC24V电源线，其作用是电源线为PLC进行供电，使其能够正常的工作。设置的可编程逻辑控制器电路的接线图如图3-4所示。第2章软件设计2.1程序设计流程图果园除草机器人的程序设计流程图如图4-5所示。图4-1程序控制流程图2.2PLC梯形图编程这次设计所选择的主控系统为可编程逻辑控制器PLCS7-200系列，PLCS7-200有着很多的优点，例如:第一，使用很可靠，第二，性价比也比较高。它的编程的软件界面如下图4-2所示。图4-2软件编程界面首先进行编写的是除草机器人工作指示灯、停止指示灯、紧急停止报警指示灯，如果有相应的指示灯亮了起来，代表着除草机器人所处的工作状态。程序如图4-3所示，采用自锁以及互锁来实现此功能。图4-3工作状态程序除草机器人启动后要对其工作电池组进行检测，其程序如图4-4所示图4-4电压检测程序刀盘提升程序如图4-5所示。图4-5刀盘提升程序刀盘下降程序如图4-6所示图4-6刀盘下降程序除草电机启动程序如图4-7所示图4-7除草电机启动程序行走电机程序如图4-8所示。图4-8行走电机程序转向电机控制程序如图4-9,4-10所示。图4-9角度传感器读入图4-10转向电机控制模拟量计算程序如图4-11所示。图4-11模拟量计算程序2.3人机界面设计为了加强除草机器人的智能化程度以及便于减轻管理者的劳动强度，此次课题采用了MCGS组态软件对人机交互界面进行了简单的功能设计，MCGS的英文全称是MonitorandControlGeneratedSystem，其对应的中文意思是监视与控制通用系统。它是北京昆仑通泰软件科技公司基于Windows平台所设计的应用于快速构造以及生成上位机监控系统的组态软件系统，主要作用是在现场完成相应数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，大多情况下可运行于MicrosoftWindows95/98/Me/NT/2000/xp等操作系统。MCGS在应用中主要有以下功能：①具备简单明了的操作界面；②具备较强的实时更新性能并且并行处理