電力系統(tǒng)智能控制爬行機(jī)器人研究與設(shè)計(jì)

張勇

摘 要：機(jī)器人需要能夠感知外界環(huán)境，通過(guò)處理感知信息來(lái)控制其肢體。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在未知環(huán)境里，智能地工作，本設(shè)計(jì)以PLC為中心，設(shè)計(jì)爬行機(jī)器人如何采集周圍信息，并規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)其行走。以機(jī)器人構(gòu)架作為機(jī)器人最基本的結(jié)構(gòu)，其包含驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)；再設(shè)計(jì)信息采集系統(tǒng)，用于采集機(jī)器人周圍環(huán)境的信息；最后設(shè)計(jì)以PLC為核心的機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人能通過(guò)PLC的輸入口，手動(dòng)控制爬行機(jī)器人，也能讓機(jī)器人自動(dòng)感知外界環(huán)境，對(duì)感知信號(hào)進(jìn)行判斷后控制機(jī)器人行走。

關(guān)鍵詞：爬行機(jī)器人；信息周圍采集；行走

中圖分類號(hào)：TP231文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

1 引言

由于電力系統(tǒng)的特殊性，需要許多智能機(jī)器人需要根據(jù)身處的環(huán)境，而執(zhí)行不同的動(dòng)作。在本系統(tǒng)里面就設(shè)計(jì)了信息采集系統(tǒng)，用于采集機(jī)器人周圍信息。為了讓機(jī)器人的肢體根據(jù)主控信號(hào)而執(zhí)行對(duì)應(yīng)動(dòng)作，系統(tǒng)配置了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

本系統(tǒng)以PLC為控制中心對(duì)信息采集系統(tǒng)和機(jī)器人構(gòu)架進(jìn)行控制。

1.1 信息采集系統(tǒng)與PLC聯(lián)系的設(shè)計(jì)

PLC通過(guò)串口通信與信息采集系統(tǒng)取得聯(lián)系。信息采集系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，信息采集系統(tǒng)自動(dòng)地采集機(jī)器人周圍信號(hào)，有3路超聲波信號(hào)、有溫度、濕度、12路紅外傳感信號(hào)。并且把采集到的信息儲(chǔ)存起來(lái)，通過(guò)串口通信PLC可以查詢到采集到的信息。

1.2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與PLC聯(lián)系的設(shè)計(jì)

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)反復(fù)讀取并口上的動(dòng)作信號(hào)，這樣PLC就可以通過(guò)并口把指定動(dòng)作信號(hào)傳送給機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)的內(nèi)容來(lái)發(fā)出18路PWM信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)18個(gè)舵機(jī)，使其運(yùn)動(dòng)到指定的位置，每當(dāng)執(zhí)行完一次任務(wù)后，該系統(tǒng)會(huì)通過(guò)I/O口反饋一個(gè)信號(hào)。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC的I/O接線設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要一個(gè)通信接口，8個(gè)數(shù)字量輸出及12個(gè)數(shù)字量輸入，所以選擇西門子PLC S7-224CN。該可編程控制器有一個(gè)RS485通信接口，有10個(gè)數(shù)字量輸入和14個(gè)數(shù)字量輸出，正適合本系統(tǒng)。

2.2 信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

信息采集系統(tǒng)主要工作是采集機(jī)器人周圍信息。在本系統(tǒng)里面需要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）能采集機(jī)器人前方，左前方和右前方的障礙物信息。本系統(tǒng)運(yùn)用3個(gè)超聲波測(cè)距模塊分別檢測(cè)這3個(gè)方向的障礙物的距離。

2）能檢測(cè)到機(jī)器人腳下是否有地面，以及機(jī)器人的腳的行進(jìn)方向有避撞檢測(cè)。P0口作總線，配合INFFOO_OE和INFARO_OE這兩個(gè)鎖存器使能端實(shí)現(xiàn)12路紅外傳感器信號(hào)的采集。

3）能感知機(jī)器人所在環(huán)境的溫度和濕度。本設(shè)計(jì)測(cè)量溫度使用DS18B20，而測(cè)量濕度使用的是DHT11濕度傳感器。

4）能把采集信息顯示出來(lái)。這里使用LCD1602實(shí)現(xiàn)其顯示的功能。顯示器數(shù)據(jù)接口接到P0口，其控制端分別接LCD1602_RW、LCD1602_RS和 LCD1602_E。

5）還需要與PLC建立通信。PLC通信口使用RS485，這里也使用RS485模塊實(shí)現(xiàn)通信，這樣便于建立通信，另外利于添加其它采集模塊。具體運(yùn)用RS485_RXD、RS485_TXD和RS485_COM這3個(gè)端口，另外LED_RS485用于驅(qū)動(dòng)通信燈。

2.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)運(yùn)用AVR單片機(jī)。AVR較高性能、較低功耗的8位AVR微處理器，運(yùn)行速度快才能生成穩(wěn)定的PWM信號(hào)，利于舵機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，PWM信號(hào)的脈寬不穩(wěn)定會(huì)直接導(dǎo)致舵機(jī)抖動(dòng)。

舵機(jī)就是一種微型伺服型馬達(dá)。它在接收周期為20ms的PWM控制信號(hào)之后，根據(jù)PWM信號(hào)占空比，在閉環(huán)控制系統(tǒng)里面轉(zhuǎn)動(dòng)到指定的角度，在本系統(tǒng)里應(yīng)用到機(jī)器人的關(guān)節(jié)。最小系統(tǒng)里的M01至M18是接到18個(gè)舵機(jī)的信號(hào)端上。

AVR與PLC運(yùn)用并口連接，實(shí)現(xiàn)PLC把步態(tài)指令寫入AVR單片機(jī)，通訊并口運(yùn)用單片機(jī)上的PC口。另外AVR單片機(jī)完成上一次的任務(wù)回饋一個(gè)完成動(dòng)作的高電平，該電平從Finish端口輸出。不用串口通信是因?yàn)椴⒖趥鬏斔俣葮O快，不像串口通信需要等待校驗(yàn)，該系統(tǒng)和PLC控制中心是放到一起的。

3 程序設(shè)計(jì)

如圖2所示，是本設(shè)計(jì)的信息采集系統(tǒng)的主程序流程圖。系統(tǒng)的啟動(dòng)先把顯示器初始化，在顯示一些在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)改變的字符，稱之為模板，這樣就可以讓系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不需要重復(fù)寫不會(huì)變化的字符。接下來(lái)就是定義定時(shí)器T0和T1，T1在本系統(tǒng)的用于產(chǎn)生9.6kbp/s波特率，而T0是用來(lái)超聲波測(cè)距的定時(shí)用的。上面的各方面的初始化都做好了以后，就要進(jìn)入循環(huán)了，在此之前一定要先把通信打開(kāi)，否則系統(tǒng)能采集信息，但不能被查詢。

在循環(huán)體里面，就有以下幾大部分：

1） 3路超聲波測(cè)距的啟動(dòng)、檢測(cè)回波、計(jì)算、存儲(chǔ)及其顯示。

2） DHT11模塊的濕度采集、換算、存儲(chǔ)和顯示。

3） 讀取DS18B20轉(zhuǎn)換出來(lái)的溫度值及計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示。

4） 讀取12紅外線檢測(cè)及其顯示和步態(tài)的顯示。

4 結(jié)論

電力系統(tǒng)智能爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)，以PLC為中心的控制系統(tǒng)，能收集機(jī)器人周圍信息，又能控制機(jī)器人的動(dòng)作。在信息采集部分，建立起以AVR單片機(jī)為核心的模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)能自行采集機(jī)器人周圍信息，又能讓PLC通過(guò)通信口查詢采集到的信息。在驅(qū)動(dòng)機(jī)器人動(dòng)作部分，以AVR單片機(jī)為中心的系統(tǒng)，通過(guò)并口接收到PLC動(dòng)作指令后，自行按照程序驅(qū)動(dòng)18路舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作，完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，同時(shí)在機(jī)器人如何采集周圍信息方面做了創(chuàng)新。

設(shè)計(jì)過(guò)程中最難以解決的通信問(wèn)題已得以妥善處理，不足在于沒(méi)有使用準(zhǔn)確率較高的CRC校驗(yàn)。從AVR的編程到控制18路舵機(jī)按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行工作也是個(gè)難題，不過(guò)經(jīng)過(guò)大量資料的查閱、篩選和提取，都迎刃而解，不足之處就是沒(méi)有運(yùn)用LABVIEW來(lái)規(guī)劃步態(tài)，創(chuàng)造出更多的機(jī)器人動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1] 龔志廣，孫維連，李新領(lǐng)， PLC與AT89C52單片機(jī)的串行通信及應(yīng)用[M]微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（10-2）.

[2] 段華，趙東標(biāo)，一種新的移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障方法[J]，應(yīng)用科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，24（5） .