基于小型PLC的智能棉花采摘控制系統(tǒng)設(shè)計

劉巧 王磊

摘 要： 傳統(tǒng)基于嵌入式控制器的棉花采摘控制系統(tǒng)對棉花采摘過程中機械手運動規(guī)劃存在較高的震動以及漂移現(xiàn)象，存在采摘控制性能差以及耗費時間高的弊端。設(shè)計基于小型PLC的智能棉花采摘控制系統(tǒng)，其由PLC模塊、超聲波測距儀模塊和電機驅(qū)動模塊構(gòu)成，實現(xiàn)棉花采摘的夾取、采摘和運送，通過PLC模塊對棉花采摘進行夾取、運輸及預警；超聲波測距儀模塊測量棉花采摘地點的路程，通過PLC控制器實現(xiàn)采摘機的移動測量控制；采用MC33886作為核心部件的電機驅(qū)動模塊，驅(qū)動PLC控制器和采摘機機械手的運行。系統(tǒng)軟件給出棉花采摘流程，通過棉花采摘機中機械手運動規(guī)劃算法，確保機械手采摘棉花運動軌道圓滑，避免震動和游走。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)的采摘控制性能佳、效率高。

關(guān)鍵詞： PLC； 棉花采摘； 超聲波測距儀； 控制器； 機械手； 控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN911?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0037?04

Design of intelligent cotton picking control system based on small PLC

LIU Qiao1， WANG Lei2

（1. School of Information Science and Technology， Shihezi University， Shihezi 832003， China；

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi University， Shihezi 832003， China）

Abstract： The traditional cotton picking control system based on embedded controller has phenomena of high vibration and drift in the mechanical arm motion planning during the cotton picking process， which leads to poor picking control performance and large time consumption. Therefore， an intelligent cotton picking control system based on the small PLC is designed. The system is composed of the PLC module， ultrasonic range?finder module， and motor drive module， so as to realize cotton clipping， picking and transportation. The PLC module is used to clip cotton， transport cotton， and warn of cotton picking. The ultrasonic range?finder module is used to measure the distance of the cotton picking location. The PLC controller is used to realize the mobile measurement control of the picking machine. The motor drive module with MC33886 as the core component is used to drive the PLC controller and the mechanical arm operation of the picking machine. The process of cotton picking is given in the system software. The cotton picking motion track of the mechanical arm is ensured to be circular and smooth， and the vibration and walking are avoided by using the motion planning algorithm for the mechanical arm of the cotton picking machine. The experimental results show that the designed system has good picking control performance and high efficiency.

Keywords： PLC； cotton picking； ultrasonic range?finder； controller； mechanical arm； control system

0 引 言

當前我國棉花的使用范圍廣，其采摘技術(shù)的滯后嚴重影響了棉花行業(yè)的發(fā)展[1]。當前棉花采摘機主要有氣力式和切割式等。在實踐應用中切割式采摘機可降低對棉花的破壞并且其消耗的能量少，可是它的采摘遺失率高；氣力式采摘機容易制作和操作，但是聲音大、消耗大、功效低[2]。氣吸切割式采摘機雖在某些方面避免了氣力式和切割式的缺點，但也未獲得廣泛的應用，原因在于其采摘率低。當前市場上的采摘機既沒有減少采摘人員的工作量，也沒有提高工作效率，因為大都是一對一工作。所以，智能化棉花采摘在棉花行業(yè)正規(guī)化發(fā)展過程中有著重要作用。

智能棉花采摘系統(tǒng)是通過整合高新技術(shù)，以植物正常生長為基礎(chǔ)發(fā)展出來的一種能源保護型高新裝備農(nóng)業(yè)科技。單片機的自動控制系統(tǒng)長時間處于休息狀態(tài)，它不適用于沒有專業(yè)基礎(chǔ)的人士，而且交互界面也非常不人性化[3]。傳統(tǒng)基于嵌入式控制器的棉花采摘控制系統(tǒng)，對棉花采摘過程中機械手運動規(guī)劃存在較高的震動以及漂移現(xiàn)象，存在采摘控制性能差以及耗費時間高的弊端。而PLC控制系統(tǒng)即使在上位機停止工作時，也可以自動獲取、呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，它相對于單片機來說更穩(wěn)定和易維護，但價格也更高。因此，本文設(shè)計基于小型PLC的智能棉花采摘控制系統(tǒng)，提升棉花采摘效率和精度，對于提高棉花采摘收益具有重要應用作用。

1 基于小型PLC的智能棉花采摘控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

棉花采摘控制系統(tǒng)的夾取、采摘和運送是由PLC模塊、超聲波測距儀模塊和電機驅(qū)動模塊三部分協(xié)同完成，步進電機有三個，它們是通過PLC控制器操作的。

本文控制系統(tǒng)中的主要PLC控制器是FX3U ?32MT/ES?A種類的PLC產(chǎn)自三菱，棉花采摘地點的測量是通過超聲波測距設(shè)備完成，它是由HC?HR04超聲波傳感器和Arduino組成[4]。采摘設(shè)備的行程通過E6B2?CWZIX編碼器獲取，棉花采摘控制系統(tǒng)中的電機、按鍵、預警和供電系統(tǒng)是由步進電機驅(qū)動模塊實現(xiàn)，同時步進電機驅(qū)動模塊對PLC控制器以及采摘機機械手的運行進行驅(qū)動控制。

1.2 PLC模塊設(shè)計

PLC模塊是總體控制系統(tǒng)的核心模塊。PLC模塊的硬件組成部分有PLC控制器、超聲波測量設(shè)備、編碼器、電機及其驅(qū)動器、按鍵、預警等[5]。

PLC控制器通過傳感器得到的信號是由傳感器轉(zhuǎn)換后的，開關(guān)量的信號則由PLC直接取得。只有數(shù)字信號的取得和傳送是由PLC控制器完成。棉花的夾取、采摘、運輸及匯集以PLC控制器為主，該過程由三部分組成，棉花地點的信號通過超聲波測量儀傳給PLC，采摘機行走的距離由編碼器送達到PLC，三個步進電機由PLC的電機驅(qū)動器控制完成操作[6]。電源提供系統(tǒng)供電，預警器完成問題預警，作業(yè)情況可通過提示燈查看，按鍵方便工作人員使用。

1.3 超聲波測距儀模塊設(shè)計

系統(tǒng)通過超聲波測距儀模塊檢測棉花采摘地點的距離。HC?SR04超聲波測量和Arduino是超聲波測距儀模塊的關(guān)鍵部分。

超聲波發(fā)送、獲取設(shè)備及操作電路構(gòu)成了超聲波測量模塊HC?SR04，它的2～400 cm遠間隔測量能力，可確保其進行棉花采摘距離測量精準度達到3 mm。測量時需要一個不小于10 μs的高平信號，通過I/O端TRIG啟動。模塊主動發(fā)射頻率為40 kHz的8個波形，同時監(jiān)測有沒有回來的信號[7]。如果有回來的信號則由I/O端ECHO發(fā)出高電平，它的延續(xù)時間與超聲波往返時間相同。棉花采摘地點的路程是由超聲波測量設(shè)備通過如下公式準確算出：

[L=Ct2] （1）

式中：L為測量距離；C為聲波的傳送速率；t為聲波的傳送時間。

PLC接收端通過接收被光電隔離和放大的信號來判斷棉花采摘地點的距離是否比系統(tǒng)設(shè)置的短，若短則由Arduino進行相關(guān)操作并發(fā)出信號[8]。

1.4 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

電機驅(qū)動模塊用于驅(qū)動PLC控制器以及采摘機機械手的運行，為系統(tǒng)提供能量服務(wù)。對棉花進行水平掃視是通過直流電機操作激光筆實現(xiàn)的。激光筆的水平掃視由兩個電機操控。飛思卡廠家的驅(qū)動組件MC33886有超強的承載力，能持續(xù)供給5 A的電流，該組件是本系統(tǒng)電機驅(qū)動模塊的核心部件。電機的運行速度是由STM32來控制，它能通過16位定時設(shè)備發(fā)出PWM波。系統(tǒng)不需要量速模塊，因為返回信號是激光點的地點信息，該信號能操控電機組成閉合圈，并且直流電機功能穩(wěn)定工作速度平緩[9]。

1.5 軟件設(shè)計

1.5.1 棉花采摘控制流程設(shè)計

傳感器的消息只有在系統(tǒng)運行正確時才會發(fā)出，當棉花采摘控制系統(tǒng)開啟后，若系統(tǒng)檢查出程序有問題，那么系統(tǒng)將自動發(fā)出預警。當采摘設(shè)備內(nèi)有棉花進入時，操作提示燈變亮，傳感器獲得信號，此時編碼器即將發(fā)出消息[10]。棉花的夾取、采摘、運輸、匯集是通過PLC控制器操控驅(qū)動設(shè)備使步進電機進行作業(yè)，當編碼器有消息發(fā)出，代表采摘機的行程與采摘系統(tǒng)的正確采摘尺寸相同。一次采摘過程完成后，采摘設(shè)備將返回到起始地點，這時若設(shè)備還在采摘區(qū)域內(nèi)，那么采摘設(shè)備將繼續(xù)工作，等待下次的采摘操作信號，該過程反復進行。

1.5.2 棉花采摘機械手運動規(guī)劃

為了使控制系統(tǒng)中棉花采摘機中機械手采摘過程的運動軌道圓滑，避免震動和游走，函數(shù)的設(shè)計一定要確保關(guān)節(jié)變量和前面導數(shù)具有連貫性，終端操作設(shè)備的關(guān)節(jié)活動、速度以及操作順序是基于它的工作需求所策劃的。點與點之間的關(guān)節(jié)軌道設(shè)計采用擺線運動，因為它算法容易，軌道圓滑且連貫性好，還可以令小范圍內(nèi)的接點形成零速度及加速度。該公式的算法如下：

[S（τ）=τ-12πsin 2πτ] （2）

其導數(shù)是：

[S′（τ）=1-cos 2πτ] （3）

[S″（τ）=2πsin 2πτ] （4）

式中，[τ=ttf-t0=tT]，[τ]為歸一化時間，T是計劃時間。

為了避免機械手在操作中撞擊到另外的物品或撞掉所要采摘的棉花，從開始操作位置到要采摘棉花的位置這個行程軌道中，不選擇擺線運動進行策劃。所以，為了確保機械手能正常摘取棉花，選取兩個擺線行程軌道結(jié)合的采摘方法來策劃。

控制采摘設(shè)備的末端關(guān)節(jié)與地面平行，同時從A處移動到F處，之后從F處移動到T處，這個過程是在采摘設(shè)備從操作的開始位置A移動至棉花采摘位置T之后進行的。F處和T處的方位關(guān)系如下，其中FT為一條線與y軸垂直，則有：

[xF=xτ-Δx， yF=yτ， zF=zτ] （5）

2 實驗分析

實驗對本文系統(tǒng)機械手采摘棉花過程中的定位情況進行測驗，來檢驗本文系統(tǒng)進行棉花采摘的性能優(yōu)勢。實驗在有10個棉花采摘位置的某農(nóng)場指定范圍進行。以下是實驗過程描述：

1） 以一組舉例，根據(jù)指定的棉花采摘位置計算它的逆運動學公式即：Px= 610.8 mm，Py = 266.3 mm，Pz = 424 mm，解出公式得到相應的5個關(guān)節(jié)方位度數(shù)：[θ1] = 22.84°，[θ2] = 75.24°，[θ3] = [-]65.23°，[θ4]= [-]13.53°。

2） 本文系統(tǒng)機械手抵達規(guī)定地點的操作是通過關(guān)節(jié)控制設(shè)備接收CAN發(fā)出的關(guān)節(jié)方位命令來完成的。該命令是通過控制設(shè)備計算機械手從操作起始位置至指定采摘位置的運行軌道得出的，它是由擺線動作關(guān)節(jié)軌道策劃算法計算。通過定時插補方法完成，其長度N為210 mm，策劃時間為4 s。

3） 本文系統(tǒng)機械手尾部坐標的度量是由準確度為0.015的美國廠家出產(chǎn)的坐標度量器Platinum FaroArm完成，該過程在機械手到達規(guī)定地點后進行。表1為本文系統(tǒng)對實驗區(qū)域棉花進行采摘過程中，機械手尾部坐標測量數(shù)據(jù)。

表1顯示：本文系統(tǒng)進行棉花采摘過程中機械手尾部坐標z軸的誤差比x，y軸的誤差大，x軸最大是4.2 mm，y軸是3.8 mm，z軸是-6.6 mm。雖然z軸的差距較大，但對棉花采摘操作不會造成影響，因為棉花的摘取部位為花蒂的中點，花蒂的高度在32～52 mm左右，且z軸的誤差方位是朝下的。本文系統(tǒng)機械手方位反應波形圖如圖2所示。

通過圖2可得出，本文系統(tǒng)機械手方位反應波形在10 s時顯示停止波動，表明它能在10 s之內(nèi)找到棉花的正確位置。這說明本文系統(tǒng)機械手采摘棉花過程中的定位速度快，采摘棉花效率高。

3 結(jié) 論

本文通過對基于小型PLC的智能棉花采摘控制系統(tǒng)的棉花采摘定位情況進行實驗，得出本文控制系統(tǒng)采摘棉花效率高。其對棉花行業(yè)具有推動作用，因系統(tǒng)減少了棉花采摘的人員需求，擴大了機械作業(yè)的運用范圍，同時降低了棉花采摘所需的費用。同時還填補了國內(nèi)機械化棉花采摘設(shè)備的空缺，市場現(xiàn)有的采摘設(shè)備作業(yè)時仍需要大量的人工操作，并未提高生產(chǎn)效率。相對而言本文控制系統(tǒng)有效地解決了這個問題，所以本系統(tǒng)在以后的棉花行業(yè)將會有很大的使用空間。

注：本文通訊作者為王磊。

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