当前位置:首页 >> 信息与通信 >>

基于PLC的移动机器人控制系统研究与开发


分类号:TP242
U D C:621

密级: 编号:

工学硕士学位论文

基于PLO的移动机器人控制系统研究与开发

硕士研究生: 马
指导教师 专业领域
: :



李艳杰教授 机械电子工程

沈阳理

工大学
2014年3月

分类号:TP242
U D C:621

煳擎
工学硕士学位论文

㈣翟

基于PLO的移动机器人控制系统研究与开发

硕士研究生: 马岩 指导教师 李艳杰教授 工学硕士 学位级别 机械电子工程 学科、专业 机械工程学院 所在单位 论文提交曰期: 2013年12月15日 论文答辩日期: 2014年3月8日 学位授予单位: 沈阳理工大学
: : : :

Classification Index:TP242 U.D.C:621

A Thesis for the

Master

Degree of Engineering

Research and Development of Control System for Mobile Robot B ased on PLC

candidate:Ma

Yan

Supervisor:Prof.Li

Yani ie
and Electronic

Academic Degree Applied for:Master of Engineering

Speciality:Mechanical

Engineering Date of Submission:December l 5,20 1 3 Date of Examination:March 8,20 l 4 University:Shenyang Ligong University

沈阳理工大学 硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由作者本 人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出,

并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外,本论文不包含任
何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体,均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。

作者(签字):乃名




:列尹年;月Jf日

学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解沈阳理工大学有关保留、使用学位论文 的规定,即:沈阳理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学

位论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权沈阳理工 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可 以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。
(保密的学位论文在解密后适用本授权书)

学位论文作者签名:玛名


指导教师签名:李影


期:矽批了.II

期:矽‘帜㈨

沈阳理工大学硕士学位论文

摘要

随着机器人技术的发展,作为机器人的一个分支,移动机器人越来越受到关 注和重视。目前,移动机器人已经进入社会的各个领域,并在其中发挥着重要的 作用,尤其在一些人类不易工作或危险的区域,例如:煤矿事故救援,核工业生 产,有毒以及易爆危险品的处理,海底作业等等。 移动机器人控制系统的构成较为复杂,主要包括了运动控制系统、导航系 统、传感器系统等一系列子系统,这些子系统是保证移动机器人实现复杂动作的 基础,也是移动机器人控制系统的研究重点。 本文以“灾害应急救援系列装备研制”项目(项目编号:2013BAK03800)为依 托,在满足实际应用的基础上,设计并实现了以PLC为控制器的移动机器人控制 系统。本文的研究重点包括以下三个方面内容:(1)移动机器人控制系统通讯网 络的设计与实现;(2)控制系统硬件搭建与软件的设计;(3)移动机器人运动控制 的初步实现。 论文首先综述了控制系统的体系结构和未来的发展趋势,指出控制系统正朝 着网络化、智能化与集成化的方向发展,并给出了PLC智能分级控制系统的结构 及特点:然后对RS-485通信接口和CAN现场总线技术做了分析和总结,对基于 RS一485和CAN总线的Modubs协议和ChNopen协议做了详细的分析,设计并实现 了以CAN现场总线和以太网为基础的通讯网络系统;之后针对实际需要,利用现 有的移动机器人平台,具体设计了一种新的基于PLC的移动机器人控制系统,并 对该控制系统的硬件及软件系统作了详细的介绍;最后完成了基于PLC和VB程 序的移动机器人运动控制程序的设计及实验测试。 实验结果证实,本文设计的移动机器人控制系统具有很高的可靠性和准确 性,可用于多种移动机器人的控制场合,能够实现预期的控制目标,很好的完成 控制任务。

关键词:移动机器人;PLC;CAN现场总线;控制系统;运动控制

沈阳理工大学硕士学位论文

Abstract

Wim the

development of robot technology,mobile robot

as



branch of the robot
are

has attacted more and more attention and concern.Currently,the mobile robot
widely used where

and play
or

all

important role in every walk of society,especially in some

area

dangerous

difficult for

human,such

as

coal mine accident rescue,nuclear
on.

industry,poisons As


and explosives handling,submarine operation and SO

complicated control system,a mobile robot control system consists of a series

of subsystems including motion control system,navigation system and
SO

and

sensor

system

on.These subsystems are the bases for this has increasingly become




mobile robot

to realize complex

movements,and
control system.

research focus to the mobile robot

This paper relying

on

the

project‘‘Disaster

Emergency

Rescue

Equipment

Development Series”(ITEM NUMBER:20 1 3BAK03800),to meet actual application

demand,design

and realize mobile robot control system based
on

on

PLC

as

controller.

This thesis emphases network of control

three

aspects:(1)Design

and realize the communicadon

system.(2)Build

the hardware and

design

the software of control

system.(3)Motion control

of mobile robot has elementarily realized.

First of all,the paper summarizes the control system architecture trend,it indicates integration,network trend,and gives the structure

and

development

and

intelligent is the control system developing

and

character of PLC hierarchical control system.And

then it analyzes and summarizes the RS-485 communication interface and CAN field

bus,and

make

a detailed

analysis

about CANopen protocol

and Modbus communication
based
on

protocol,then field bus robot


design and

implement

communication network system
demand and
make
use on

CAN

and Ethemet.Considering


actual

of the existing mobile PLC,and then

platform,design

new mobile robot control system based

make

detailed describe about the software


and

hardware of mobile robot control system.

Making

preliminary design about mobile robot motion control

and make



test.Finally,

make



application test about the whole mobile robot control system.

The

experiment results has confirmed the mobile robot control system designed in

沈阳理工大学硕士学位论文
this paper has high reliability and accuracy,and it robot control fields.It is achieve the desired control


Can

be applied in

a variety

of mobile

good way to complete mobile robot control tasks

and

to

objectives.

Key words:mobile robot;control system;CAN field bus;PLC;motion control

目录





第1章绪论…。………………。……………………………..1 1.1引言…………………………………………………1 1.2课题的研究背景和意义…………………………………..1 1.2.1课题的研究背景…………………………………..1 1.2.2课题的研究意义…………………………………..2 1.3控制系统的体系结构与发展方向……………………………3 1.3.1控制系统的体系结构……………………………….3 1.3.2控制系统的发展方向……………………………….5
1.4

PLC控制系统的应用…………………………………….6
1.4.1 1.4.2

PLC的定义及其发展历程……………………………6 PLC分级递阶智能控制系统………………………….7

1.5课题的研究内容与安排…………………………………..7 第2章总线技术及以太网网络….………………….………..…..9
2.1

RS-485/MODBUS网络…………………………………….9
2.1.1 2.1.2

RS-485通讯标准………………………………….9 Modbus协议…………………………………….10

2.2

CAN总线…………………………………………….12
2.2.1

CAN通信协议……………………………………13

2.3

CANopen协议…………………………………………13
2.3.1

CANopen协议简介………………………………..14

2.3.2对象字典OD…………………………………….14
2.3.3 2.3。4

CANopen通讯报文………………………………..15 CANopen预定义连接集…………………………….18

2.4以太网技术…………………………………………..18
2.5

TCP通讯/UDP通讯……………………………………..20

沈阳理工大学硕士学位论文
2.5.1 2.5.2

TCP通讯……………………………………….20 UDP通讯……………………………………….21

2.6本章小结…………………………………………….22 第3章控制系统硬件设计………………………………………23 3.1控制系统总体设计方案………………………………….23 3.2控制系统硬件结构……………………………………..24 3.2.1控制系统硬件结构………………………………..24 3.2.2控制系统硬件连接实物图…………………………..24 3.3下位机控制系统硬件组成………………………………..25 3.3.1车体控制器……………………………………..25 3.3.2电机驱动器……………………………………..27
3.3.3 3.3.4

UT一2506智能协议转换器…………………………..34 UT一620网络转换器……………………………….37

3.3.5温湿度传感器……………………………………39 3.4上位机控制系统硬件组成………………………………..39 3.4.1上位机控制器……………………………………39
3.4.2

RS一485接口转换器……………………………….40

3.4.3操纵杆…………………………………………40 3.4.4模拟量输入模块………………………………….41 3.4.5数字量输入/输出模块……………………………..42 3.5本章小结…………………………………………….43 第4章控制系统软件设计………………………………………44 4.1控制系统软件任务……………………………………..44 4.2下位机控制系统软件设计………………………………..44
4.2.1

STEP7-Mico/WIN编程软件简介………………………44

4.2.2下位机控制程序流程………………………………45 4.2.3控制信息的接收与发送…………………………….45 4.2.4移动机器人运动控制软件设计……………………….47 4。2。5传感器控制程序………………………………….48

目录

4.3上位机控制程序软件设计………………………………..50
4.3.i 4.3.2

VB程序介绍…………………………………….50 MSComm通信控件…………………………………50

4.3.3上位机与下位机的数据交换…………………………52 4.3.4模拟量/数字量处理……………………………….53 4.3.5速度控制指令的转换算法…………………………..55 4.3.6电机状态查询……………………………………56 4.3.7移动机器人运行控制策略…………………………..57 4.4本章小结…………………………………………….58 第5章移动机器人控制系统实验研究……………………………..60 5.1车体控制器与电机驱动器通讯测试…………………………60 5.2运动控制测试…………………………………………61 5.2.1车体直行测试……………………………………62 5.2.2差速转向测试……………………………………62 5.3传感器测试…………………………………………..64 5.4网络摄像机测试……………………………………….64 5.5本章小结…………………………………………….64 结论…………………………….……………….………..66 参考文献….………………………….………….…………67 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果……………………..70 致谢.….………………….…..…………………………..71

第1章绪论

第1章绪论

1.1引言
机器人技术的出现和发展,彻底颠覆了传统工业的生产面貌,极大的推动了 人类的工业生产进程。机器人在工业生产中的应用情况,是衡量一个国家工业生 产自动化水平的重要标志。社会经济的快速发展和各行业对自动化程度要求的提 高都大大地推动了机器人技术的发展。移动机器人作为机器人应用领域的热点之 一,受到了各行业的广泛关注。本章将简要综述移动机器人控制系统的体系结构 与发展趋势。

1.2课题的研究背景和意义
1.2.1课题的研究背景
机器人的应用几乎渗透到所有领域, 在工农业、国防等领域有着广泛的应用 前景。作为机器人学中的一个重要分支, 移动机器人将多种功能集中到一个移动

平台上,能够实现运动控制、环境感知、路径规划、任务执行等功能,在某些危 险的工作环境中移动机器人的应用很好的保证了人类的安全。合适的运动系统、 可靠的导航系统、精确的传感器系统以及良好的人机交互能力是移动机器人实现 以上功能需求的基础。自主性、适应性及交互性是机器入的三大智能指标。自主 性是指机器人在不需要人为干预的情况下,能够根据任务需要自己决定工作内 容;适应性是指机器人在复杂环境下的工作能力,机器人需要对所处的环境进行 感知,并且根据识别和测量的结果做出正确的控制和移动等操作;交互性是机器 人智能产生的基础,交互能力包括人一机一环境三者之间的交互,主要涉及信息的 获取、处理及理解Ⅲ。使用传统手段开发的移动机器人结构、控制功能较为简 单,这已经不能满足移动机器人应用领域迅速扩大的要求。因此,仍需要继续探 索研究机器人体系结构这一机器人领域的基础课题。 当代遥控移动机器人系统的发展特点是机器人与操作者之间的人机交互操 作,而不是追求机器人的全自治系统,即监控遥控操作系统。这种由局部自主操

沈阳理工大学硕士学位论文

作加遥控操作的系统使得移动机器人进入了实用化阶段。美国向火星发射的“索 杰纳"机器人就是一种典型的监控遥控操作系统机器人。与此同时,虚拟现实技 术的应用推动了监控遥控系统的发展。在虚拟现实技术的帮助下,操作者在操纵 机器人的过程中如同置身于真实的远端作业环境中,从而更好的完成遥控机器人 的任务嘲。遥控移动机器人控制系统除了采用传统的传感器技术外,还同时采用 了多传感器融合配置技术,这些技术包括视觉、声觉、触觉、力觉等传感器技 术,多传感器融合配置技术的应用很好的解决了遥控移动机器人的环境感知和决 策控制等问题。

1.2.2课题的研究意义
在各种灾难场所,如火灾、爆炸等会造成建筑物的坍塌和人员伤亡,特别是 由于近年来我国对煤炭资源需求量的不断增长,高瓦斯矿井多,煤层地质条件 差,瓦斯爆炸、着火、透水等事故造成了大量的人员伤亡。矿井瓦斯发生爆炸 后,随时有发生二次灾害的可能,同时伴随着烟雾、有害气体、高温和缺氧等不 利条件,救援人员无法直接进入灾害现场营救被困人员,而且在煤矿瓦斯爆炸事 故中有相当的一部分伤员是救援人员。由此可见,为了保证矿井救援任务的顺利 进行、减少人员伤亡,迫切需要研发一种能够进入灾害现场的移动机器人,该种 移动机器人应能够替代救援人员进行现场环境的探测和人员搜救任务,这对于煤 矿安全生产、减少国家和人民的生命财产损失具有巨大的意义脚。

灾难救援机器人是一种典型的“人一机一环境”交互系统,控制系统作为整
个移动机器人系统的核心部分具有不可替代的地位,移动机器人对复杂环境的适 应能力与任务的执行效率都取决于控制系统的优劣。通过多通道信息融合的方 式,控制系统将操作者、移动机器人本体和救援现场从信息层面上连接在闭环回 路中,通过人机交互操作的方式监督操控机器人在现场执行任务,实现搜救人员 感知与行动能力的延伸。因此,控制系统对于整个机器人系统具有重要的意义, 控制系统的优劣对机器人系统的整体性能有着决定性的作用Ⅲ。 本文主要针对移动机器人控制系统进行了分析和研究,结合灾害应急救援机 器人和煤矿井下探测救援机器人项目需求,采用模块化设计方法,设计了一种用 于遥控移动机器人的控制系统。该控制系统有较强的环境适应能力,安全稳定, 交互性强,操作灵活,同时该控制系统具有良好的移植性,可用于不同类型的移

第1苹绪论

动机器人平台中。

1.3控制系统的体系结构与发展方向 1.3.1控制系统的体系结构
计算机控制系统是伴随着现代工业自动化的不断兴起而产生的,其依赖于最

新发展的计算机技术、网络通信技术和控制技术,在自动控制系统发展的历史长
河中扮演了重要的角色。控制系统从低级到高级、从简单到复杂的发展过程在很 大程度上推动了自动化控制水平的发展。 由于一系列最新技术的应用,以计算机为控制核心的控制系统发生了巨大的 改变。目前,控制系统的结构已从最初的计算机集中控制系统发展到第二代的集 散式控制系统,其结构特点经历了“集中”、“分散”和“集散"几个变化。当 前出现了一种较为流行的现场总线控制系统(FCS),这表明控制系统正朝着网络 化的方向发展。随着因特网(Internet)技术的不断发展及应用,通信系统和办公 系统已经被因特网组合到一起,这样通过因特网就可以实现对底层信息进行远程 的控制和访问。同时现场总线把底层控制网络(Infranet)连接起来,这就为远程 控制底层信息奠定了基础。Internet与Infranet的集成使得远程监控变为了现 实忙1。 1、计算机集中控制系统(CCS) CCS作为第一代控制系统是随着数字计算机的发展而发展的,传统的模拟仪 表被CCS中更为先进的数字计算机所取代,而数字计算机的应用导致了控制系统

发生了翻天覆地的变化。但CCS是一种直接面向对象的控制、控制简单,并没有
形成真正意义上的控制网络体系;同时CCS的控制有很高的集中性,进行控制的 同时将系统中的危险也都集中起来,这大大的降低了CCS的可靠性。系统越大, 可靠性越低。 2、分散式控制系统(DCS) 第二代控制系统称为DCS(也称为集散式控制系统),DCS的出现标志了真正 意义上的工业控制网络体系出现了。DCS的控制特点是“集中管理、分散控 制”,典型的DCS分为操作站级、过程控制级和现场仪表级。控制功能由过程控 制机实现,位于上层的工作站负责对整个系统进行监督管理;操作站负责系统的 管理功能,包括编程、操作、监视、报警等,通常操作站选用PC机;控制站选
一3一

用可编程序控制器(PLC),完成数据的采集、处理和控制的功能。作为一种分散 式系统,DC¥将系统中的局部故障对整体的破坏性降到了最低,这极大的提高了 整个系统的可靠性。分散式控制系统结构图如图1.1所示。

一一一————————————————-——●——-_-—●__●__-___—___————_————————__^●__________-__——__-_————_-—-_-—●_-_______——_———-——————__—●___●___-_——●-——_———●——●_-—●_—一

沈阳理工大学硕士学位论文

图1.1分散式控制系统结构图

图I.2现场总线控制系统结构图

DCS控制系统是一种多级的主从控制结构,底层设备之间进行数据交换时必 须经由主机,这必然导致DCS控制系统的执行效率低下:同时作为控制系统“大

脑”的主机一旦出现故障就会使整个控制系统崩溃。
3、现场总线控制系统(FCS) 为了进一步满足现场的需要,以现场总线技术为基础的现场底层设备控制网 络(Infranet)应运而生,该控制网络能够实现现场设备和控制设备之间的双向串 行通信,是一种多节点、数字式的通信网络。Infranet是一种直接面向生产过程 的控制网络,这与Internet及Intranet(内部网络)等信息网络不同,这就对数 据的实时性、可靠性及完整性提出了很高的要求。现场总线控制系统(FCS)很好 的满足了以上要求,FCS是一种综合了计算机技术、自动控制技术、数字通信技 术、网络技术及智能仪表技术等多种技术的通信与控制系统,具有智能、双向、 互连、全分散、全数字化等特点,FCS的应用从根本上打破了传统模拟信号控制 的局限性。 FCS的网络结构分为两个层面:操作管理层和现场设备。取消了DCS系统的 控制站、I/0元件和信号转换器,网络中的智能化设备替代了控制站,构成虚拟 控制站,通过现场总线仪表就可以构成控制回路。FCS的控制结构分为3层:设 备层、控制层和信息层,FC¥的3层控制结构如图1.2所示。FCS控制网络具有以 下特点: 1、FCS的核心为总线标准。基于现场总线的FCS系统是新一代生产自动化系 统的代表,它全分散、全数字化、全开放的结构将会彻底取代一对一的模拟信号 线,必然会导致工业自动化控制体系的革命性变革。
..4..

第1章绪论

2、身处现场的智能设备是构成FCS的硬件基础。控制功能由身处现场的智 能设备完成,控制室只需对这些现场设备进行监督、协调控制,保证各现场设备 的正常运行。 3、FCS的本质是信息处理的现场化。使用现场总线并不会减少系统的信息总 量,相反还会增加从现场得到的信息。但是由于相当一部分信息是在现场处理 的,因此用于传输信息的线缆大大减少了。数据的采集、处理和传送等任务由现 场智能设备完成,现场总线将现场设备的数据发送到位于控制室的控制设备中, 这样通过控制室中的控制设备就可以实现对现场设备的远程监控,同时实现更加 高级的控制功能。 FCS系统同样存在不足之处,现场总线式的设备和仪表的种类繁多,但国际 上还没有统一的现场总线标准,因此现场总线系统还没有形成真正意义上的工业 自动化领域的开放互联,这严重限制了现场总线系统的应用嘲。

1.3.2控制系统的发展方向
1、控制系统的网络化 各种层次的计算机网络技术的应用彻底颠覆了传统的回路控制系统,目前控 制系统正朝着网络化的方向发展。现场级网络技术的产生及应用是导致控制系统 网络化的原因,现场级网络技术将所有的网络接口转移到仪表单元,使得仪表单

元具有了直接通讯的功能,这使得网络得以延伸到控制系统的末端,实现了从底
层到最高层的网络化连接。仪表单元是控制网络的最小组成部分,原有数字仪表

单元增加网络通讯功能后构成了现场总线系统。现场总线控制系统中,各控制仪 表进行独立的控制任务,控制仪表之间的数据交换通过网络完成,最终完成总体
的控制任务。 2、控制系统的智能化 智能控制是机器人通过模拟人类的思维判断过程,在各种层次上对人类智能 进行学习进而实现机器人的“自我”控制。智能控制系统是机器人系统的一个重 要领域,由一系列复杂的子系统组成,如专家系统、模糊控制系统等。智能控制 技术和自动控制理论的发展推动了计算机控制系统的进步,这有力地推动了科学 技术进步,提高了工业生产系统的自动化水平。可以说,智能控制系统的发展决 定了计算机控制系统的发展前景与优势。

沈阳理工大学硕士学位论文

3、控制系统的集成化 随着网络通讯能力的提高和网络连接规模的扩大,在一个网络环境中便可以

实现原本在分布式网络环境中较难实现的数据传输。特别是现场级网络技术实现
了现场级设备和仪表单元的网络化,这样通过网络就可以实现控制系统底层设备 之间的相互连接。同时,现场级网络技术的发展丰富了网络中可添加设备的类型 与数量,使得不同控制系统中的现场级设备能够连接在同一网络中。不同网段中 网桥的应用进一步提高了控制系统的集成度p’。 1.4

PLC控制系统的应用
PLC(可编程控制器)是一种综合了自动控制技术、通信技术和微型计算机技

术的通用工业自动控制装置,具有功能强、程序设计简单、体积小、灵活通用、 维护方便等优点,特别是PLC具有很高的可靠性和较强的适应恶劣工业环境的能 力。
1.4。1

PLO的定义及其发展历程

作为一种专门应用于工业环境中的数字运算操作电子系统,PLC采用可编程 序的存储器存储执行各种操作的指令,并通过相应的输入或输出控制各种类型的 生产过程。可编程控制器及相关设备,都应当遵照易于与工业控制系统联合统 一、易于扩充其功能的原则。 在工业生产中需要对各种动作进行控制以及对大量的离散量数据进行采集,

这些工作需要一系列按照一定逻辑关系动作的开关量来实现。传统上这些开关量
的功能是由电气控制系统或气动系统完成的。1968年美国通用汽车公司提出了取 代继电器控制装置的要求。第二年,美国数字公司研制出了第一代可编程控制器 (Programmable Controller),并成功应用于通用汽车公司的生产线上,这种控制 装置采用了集成电路和电子技术,并首次采用了程序化控制手段与电气控制。目 前随着各种技术的发展,可编程控制器的功能早已不局限于逻辑控制的范围,已 成为一种真正意义上的工业控制装置。由于可编程控制器采用的是计算机处理技 术并且具备继电器的功能特点,同时为了方便描述,将其定名为Programmable Logi℃Controller,即PLC。20世纪80年达至90年代中期PLC的数字运算能 力、人机接口能力、模拟量处理及网络通讯能力等得到了飞速的发展,PLC逐渐 进入了过程控制领域,在某些应用上已经取代了处于统治地位的DCS系统Ⅲ。

第1章绪论 1.4.2

PLC分级递阶智能控制系统

在用于工业控制时,PLC的可靠性和适应恶劣工作环境的能力远远优越于计 算机,因此,人们想到将PLC作为现场控制的下位机,将计算机作为PLC的上位 机,将PLC与计算机两者结合在一起,两者之间的数据传输和交换通过通信线路 完成,这样就构成了一个功能强大且可靠的的控制系统。 PLC控制系统有集中结构和分布式结构两种基本控制结构。集中控制结构的 优点是控制直接、效率高、便于系统分析和设计。但集中控制结构的经济性差, 控制中心影响着整个系统的性能与稳定。分布式控制结构是由控制中心连接若干 PLC,每个PLC都有各自的控制对象和目标,PLC之间可进行数据的传输和交 换。分布式控制的优点是局部的故障不至于影响全局,经济性好。但分布式控制 结构的全局控制性能差,不利于系统整体的协调运行。 为了弥补以上两种控制系统的缺点,满足控制系统信息化、网络化、智能化 的发展趋势,提出了一种智能分级控制技术。图1.3给出了智能分级控制技术的 结构图。该分级控制技术将控制系统分为组织级、监控协调级和执行级,兼有集 中控制结构和分布式控制结构的优点:每一个PLC就是一个独立的单元,负责各 自的任务,保证了较高的局部控制性能;同时每一个PLC又能够与其他各级设备 进行信息交换,具有较高的全局控制性能,可靠性高阳,。

二疆二_

。市下—广
图1.3 PLC智能分级控制系统结构

1.5课题的研究内容与安排
本文针对移动机器人控制系统的硬件与软件部分进行了研究与分析,设计出 了一套以PLC作为控制核心的移动机器人控制系统,并将其应用于实际的系统
一7一

沈阳理工大学硕士学位论文

中,取得了良好的效果。 本文结构安排如下: 第一章分析本课题的研究背景和意义,介绍控制系统的体系结构及发展现 状,最后对PLC分级控制系统进行简要的介绍。 第二章重点介绍本文中所涉及的关键通信技术,包括CAN现场总线、RS一485 通信接口和以太网网络。着重介绍基于CAN总线和RS-485通信接口的CANopen 通讯协议、Modbus通讯协议以及以太网控制网络的应用特点。 第三章详细阐述控制系统硬件设计过程。首先分析控制需求,根据需求提出 总体方案,然后根据提出的总体方案进行控制系统硬件的搭建。 第四章详细论述控制系统软件设计过程。首先根据控制任务及硬件组成,提 出软件系统总体设计方案。然后根据总体方案分别进行上位机与下位机控制软件 的设计。 第五章介绍移动机器人控制系统的实验,通过测试控制系统的各项功能验证 控制系统的可行性与实用性。

第2章总线技术及以太网网络

第2章总线技术及以太网网络

现场总线(Fieldbus)作为一种新兴的工业数据总线具有简单、可靠、经济适 用等一系列突出优点,受到国际上许多标准团体及自动化控制领域的高度重视。 现场总线主要应用于底层现场设备之间的数字通讯、高级控制系统与现场控制设 备之间的信息传递等。现场总线的特点如下: l、系统的开放性: 2、互可操作性与互用性; 3、智能化与功能自治性; 4、系统结构的高度分散性; 5、对现场环境的适应性; 自现场总线出现以来,有几种现场总线技术已经逐渐的走向成熟并在一些领 域得到较大规模的应用。但短时间内完全统一的现场总线标准仍然很难推出,各 种现场总线标准并存的现象依然会存在。目前常见的现场总线标准有:CAN总 线、PROFIBUS总线、LON总线、基金会现场总线、RS一485、RS~422和RS一232总 线等n…。在本控制系统中使用了CAN总线与RS-485两种总线结构,下面给出简要 的介绍。 2.1

RS一485/MODBUS网络 RS-485通讯标准

2.1.1

RS-485标准由EIA(电子工业协会)制订,全称为TIA/EIA一485串行通讯标 准,习惯称为RS一485标准。由于RS-232通讯标准存在通信距离短、速率低等缺 点,制定RS-485标准就是为了弥补RS-232的上述缺点,RS-485标准具有传输距 离远、传输速率较高、有相当高的噪声抑制及相对经济等优点。 RS-485标准数据信号的传输方式称为差分传输,或者称作平衡传输。图2.1 与图2.2给出了RS-485发送器与接收器的示意图。

沈阳理工大学硕士学位论文

f囊




{释


l爱

i翻
图2.1 RS-485发送器示意图

扩锢

A—B杵潮

缃魄孚黼

图2.2 RS-485接收器示意图

RS-485网络采用直线拓扑结构,在短距离或低波特率(距离在300m以下、波 特率低于19200bps)数据传输时不必使用终端电阻n“。在进行远距离或高波特率 数据传输时需要在A-B引脚之间安装两个120 Q的终端匹配电阻。Rs一485标准的 最大传输距离约为1219m,最大传输速率为lOMbps。使用光纤介质可以大大的增 加传输的距离,通过加装光电转换器,单模光纤的传输距离可达50公里。表2.1 给出了RS-485通信标准的相关技术参数。
表2.1 TIA/EIA-485通讯方式的性能 规格 传输模式 电缆长度@90Kbps 电缆长度@lOMbps 数据传输速度 最大差动输出 最小差动输出 接收器敏感度 发送器负载 最大发送器数量 最大接收器数量 2.1.2 驼

, ,

蚴 黜

‰D


瀚一~ J幸;一 眦懒喊缄 撇

Modbus协议

RS一485标准只对接收器和发送器的电特性作出了规定,却没有对应用层通信 协议作出规定,因此在实际使用中需要建立合适的应用层通信协议。本文使用的 Modbus协议就是一种基于RS一485网络的一种通信协议。
2.1.2.1

Modbus协议简介

Modbus协议由MODICON公司提出,作为一种应用于电子控制器上的通用语

第2章总线技术及以太网网络

言,得到了大多数公司的实际应用与认可,现在Modbus协议已经成为一种标准 的通讯协议。只要按照Modbus协议进行数据传输,就能够将各种不同厂商生产 的控制设备接入同一工业网络,进行集中监控。目前,在RS232/RS485通讯过程 中,更是广泛采用这种协议。常用的Modbus通讯协议分为两种,一种是Modbus— ASCII协议,另一种是Modbus-RTU协议。Modbus—ASCII协议适用于通讯数据量 少而且主要是文本的通讯;Modbus-RTU协议针对的是二进制通讯数据且数据量较 大的通讯u21“。
2.1.2.2

Modbus协议格式

Modbus协议对诸如数据序列、校验码等进行数据交换的必要内容进行了详细 的定义。Modbus协议采用半双工的通讯方式,即主从应答式的连接。首先,主机

的寻址信号找到唯一的的终端设备,然后,被寻找的终端设备会向主机传输一个
响应信号。终端设备收到主机的数据帧时,终端设备中的一个设备负责去掉该数 据帧的数据头,然后进行数据的读取。确认没有错误之后,该终端设备将执行主 站的数据请求任务,之后会把包含响应数据的数据帧发送回主站。返回的数据结 构由以下四部分组成:地址域(Address)、功能域(Function)、数据域 (Data)和校验域(Check)。数据传送成功后会收到相应的响应,有错误发生 时是不会有响应的,但会收到一个错误指示帧。 Modbus协议数据帧格式如表2.2所示:
表2.2 Modbus协议数据格式

(1)地址(Address)域 地址域由一个字节组成,位于帧的开头。用于指定的被询问的终端设备的地 址,这个地址与终端设备对应并且是唯一的,终端设备根据接收到的地址域决定 是否响应主站的查询。当有终端发回响应时,主站通过地址域便可判断出是哪台 终端设备发出的响应数据。 (2)功能(Function)域 功能域指定终端设备需要执行的具体功能。功能域中的功能码指定了主站希 望终端设备具体执行的动作,例如当主站向温度传感器查询当前温度值时,需要

沈阳理工大学硕士学位论文

向传感器发送一个表示请求温度的功能码,传感器收到该功能码后会正确执行查
询温度的功能,并将得到的当前温度值发送回主站。 (3)数据(Data)域 数据域中包含具有特定含义的数据。例如:主机通过功能码要求终端设备进 行数据处理时需要提供待处理的数据,这些待处理数据就包含在数据域中。同样 终端设备将数据处理的结果置于数据域中发送至主站。 (4)错误校验(Check)域 错误校验域能够检查在数据传输过程中发生的错误,该域占用16位的二进 制数据(两个字节)。传送设备在进行数据传输前自动计算CRC校验值并将其添加

到数据帧中,接收设备会根据接收到的数据帧重新计算CRC校验值,然后与接收
到的CRC校验值比较。如果接收到的CRC值与计算得到的CRC值不同设备就会认 为该次数据传输发生了错误。在数据传输过程中由于电噪声等干扰会导致数据出 错,通过CRC出错校验可以保证接收设备忽略这些错误的数据,因此CRC校验极 大的提高了通信的可靠性与安全性。 2。2

CAN总线
Controller Area Network(CAN,控制器局域网)是由国际标准化组织定义的

一种串行通讯总线标准,CAN规范具有抗电磁干扰能力强、通讯速率高、能够检 测出通信过程中的任何错误等特点。目前,CAN总线已经在工业控制领域得到了

广泛的应用,成为公认的最有前途现场总线之一m,。CAN总线具有如下特点:
(1)CAN是少数拥有国际标准的现场总线之一。 (2)CAN网络上的节点没有主节点、从节点之分,每一个节点随时都可以向其 他节点发送数据。 (3)通过对CAN报文设置不同的优先级,优先级高的报文优先安排发送,在
134


S内就可以完成最高优先级的报文传送,满足不同类型报文的实时性要求。 (4)CAN采用的是非破坏性总线仲裁技术,该技术能大大的减少冲突的仲裁时

间。 (5)通过对报文进行滤波可实现多种报文传送方式,如点对点传送、一对多 传送方式和全局广播等。 (6)CAN通讯可实现高达1Mbps的通信速率或最远l Okm的通信距离。

第2章总线技术及以太网网络

(7)节点数可达1 10个,不限制标识符的格式。 (8)CAN采用短帧数据结构,因此具有很强的抗干扰能力,传送速度快,适应 工业环境。 (9)数据出错率极低,采用检错措施以保证每一帧数据的准确性。 (10)可选择双绞线、同轴电缆或光纤进行数据传输,通信介质选择灵活。 (11)节点在出现严重错误时会自动进行隔离,不会对总线上的其他节点造成 影响。 (12)性价比高,CAN总线结构简单,开发技术容易掌握。 CAN总线通信非常适用于模块化的设计思想,只需要两个线缆就能够使模块 连接到CAN通讯网络中,这些模块能够很简便的应用到分布式体系结构的机器人 系统中n”。
2.2.1

CAN通信协议

CAN总线有标准帧与扩展帧两种帧格式,CAN报文传输时使用4种不同类型 的帧:数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。 (1)数据帧(Data Frame):发送器通过数据帧向接收器发送数据。 (2)远程帧(Remote Frame):远程帧由总线单元发出,用于请求发送具有 相同标识符的数据帧。 (3)错误帧(Error Frame):当总线发生通信错误时就会产生错误帧。 (4)过载帧(Overload Frame):过载帧的功能是在相邻的数据帧或远程帧 之问提供延时。 2.3

CANopen协议
CAN并不是一个完整的协议,这是因为CAN现场总线仅仅定义了OSI网络模

型的第1层与第2层,即物理层与数据链路层,但CAN并没有对OSI中的应用层 进行定义。由于在实际设计中,物理层与数据链路层完全通过硬件实现,软件设 计人员无需对此做额外的工作。为了能够真正的应用CAN协议,需要一个高层协 议对CAN报文的标识符及数据字节进行定义,这个高层协议还应该具备网络管理 功能、提供设备功能的描述方式等功能。同时为了满足各种CAN设备的互换性与 互用性要求,这个高层协议必须能够提供统一的、标准的CAN通讯模式。在满足 开放性、标准化的背景下,CANopen协议诞生了n”。
.13.

沈阳理工大学硕士学位论文 2.3.1

CANopen协议简介

CANopen协议是由CiA(CAN-in-Automation)定义的标准协议,使用的是CAL 的服务与通讯子集,在发布后不久就得到了广泛的承认。CANopen协议为分布式 控制系统提供了一种实现方案,许多重要设备类型,例如可编程控制器、控制 器、驱动设备、数字和模拟的输入输出模块或编码器,都在其“设备描述”协议 中进行描述。CANopen协议的出现使得通过CAN总线对不同厂商、不同类型的设 备进行配置成为了可能,CANopen协议实现了网络节点的互换、互用,同时允许 节点进行一系列的功能扩展。图2.3给出了CAN总线标准与CANopen协议之间的 关系。基于CAN总线的CANopen通讯具有如下特点: (1)设备功能的描述是通过对象字典完成的。 (2)设备及参数配置描述存放在电子数据文档和设备配置文件中。 (3)数据交换和系统管理服务由CAL中的CMS提供。 (4)CAL中NMT提供了系统boot-up和节点保护服务。 (5)定义了整个系统的同步操作与节点特定的应急报文。
,T

D‘己vIce

Pr

ofik


D鲫Ice


aA[玲R401

aAD辩404


Pr offlP

D噼、..c霉Pr‘一1Ic CiA DSP-xxx


051 L嚣cr7
Application

hytr
≈~■

cbmI

munlc矗lⅨfb _



aflle

I OADs301
“。

■■■■■■■■■■■■
n::

CAN ControIler
CnID

OS|糊黼酣磐 DataLink

CAN2.OA i1。。

}}。

Layer_lill-mlnmmmIII

耕i姆tc稍r:¨鉴裁卜刊X||j}I|篡…
图2.3 OSI模型中CAN与CANopen协议的关系

2.3.2对象字典0D
对象字典(Object Dictionary)是所有CANopen设备的核心,是设备规范中 最重要的部分。CANopen对象字典实际上是一个有序的对象组,每一个节点设备 的对象字典可以在电子数据文档中描述,包含了设备的网络状态及设备描述等所 有参数,每个对象都可以通过一个16位的索引值和一个8位的子索引进行寻 址,对象字典的通用结构如表2.3所示。对象字典中描述通讯参数的部分适用于

第2章总线技术及以太网网络

所有的CANopen设备,但设备相关功能的描述对于不同种类的CANopen设备是不 同的。
表2。3 CANopen对象字典通用结构 索弓
OO 0O h 00 0 lh 0 O AO
一0

对象 不使用 数据类型 保留 通讯规范区域 制造商特定规范区域 标准设备规范区域 标准设备接口规范区域 保留

O9Fh FF F h FFF h FFF h

h一O
一1

1 OOOh 2O O0h

一5

6 0 0 O h 一9 F FF h A O 0 O h一B FFF h C O O O h一F FFF h

2.3.3

CANopen通讯报文

CANopen通讯模型定义了4种通讯对象,分别为管理报文、服务数据对象 (SDO)、过程数据对象(PDo)和预定义报文或者特殊功能对象。 1、管理报文 管理报文能够提供层管理、网络管理和ID分配三种服务。本章将详细介绍 网络管理(NMT)。 NflT基于主从结构的概念,用于实现管理和控制网络设备的目的。在一个 CANopen网络的全部节点中,只有两个节点为主节点,其余的都是从节点。NMT 的功能包括参数配置、节点状态控制和错误控制等等。通过NMT服务可以完成网 络节点状态的转换,网络节点状态结构框图如图2.4所示。

图2.4网络节点状态结构

沈阳理工大学硕士学位论文

在CANopen节点完成初始化之后,便直接进入了预操作状态。预操作状态下 不能进行实时数据传送的PDO服务,但可以通过SDO进行节点的参数配置信息。 在完成参数配置之后,节点便进入操作状态。无论在任何状态下,节点都可以进 行初始化操作。同时,在预操作与操作状态下均可以实现节点的停止操作“”。 执行NMT服务的CAN报文由CAN头(COB-ID=O)与数据两部分组成:CAN头的 ID为0;数据由两个字节组成,分别表示请求的NMT类型与节点ID。NMT支持的 服务类型如表2.4所示。
表2.4 NMT支持的服务类型 命令字说明符
1 2

服务描述 启动远程节点(进入操作状态) 停止远程节点(进入准备状态) 进入预操作状态 重置节点(重置所有的软件部分) 重置通讯(重新加载通信参数,重置CAN软 件后进入预操作状态)

128(Ox80) 129(Ox81)
130(0x82)

2、服务数据对象SDO(Service

Data

Object)

SDO用于建立客户/服务器关系,基于CAL的通讯报文规范来访问设各的对象 字典。访问者被称作客户(client),客户设备具有读写访问功能:服务器(server) 的对象字典能够被客户访问并且能够提供客户的请求服务,一个客户的请求一定 会得到一个服务器的应答。SDO对于CANopen设备是必需的,通过SDO服务可以 访问设备对象字典的条目,该条目中包含有若干长度的数据以及数据类型,因此 通过SDO服务可以实现服务器与客户间互相传送多个数据的目的。 (1)SDO的传送方式 SDO有分段传送、加速传送和分块传送三种传送机制。SDO定义的确认服务 与非确认服务可以实现数据的标准分段传送//Jn速传送。数据长度大于4个字节 时应当采用分段传送的方式进行;对于小于或等于4个字节的设备加速传送是必 须的;当传送的数据较大时应当采用分块传送,为了增加总线吞吐量,进行多个 块数据传送时只能收到一个应答信号。 (2)SDO的基本结构: 加速传送(客户H服务器)

第2章总线技术及以太网网络

分段传送(客户H服务器)
表2.6 SDO分段传送数据结构
Byte 0 Byte 1—7

SDO命令字

最大7字节数据

SDO命令字定义的信息功能如下: ?数据的下载与上传; ?客户请求数据与服务器的应答信息; ?传送方式设置; ?设置CAN帧数据字节长度; 3、过程数据对象PDO(Process
Data

Object)

PDO与设备对象字典中的内容对应,可以直接为设备内的应用对象提供访问 接口,因此PDO能够实现优先级较高的数据实时传送。通过PDO一个CANopen设 备可以实时的向另一个CANopen设备进行数据传送,但每一次传送的数据长度不 能大于8个字节。PDO设备分为生产者和消费者两种,PDO生产者具有发送数据 功能,支持数据发送功能的PDO称为TPDOs;PDO消费者具有接收数据功能,支 持数据接收功能的设备成为RPDOs。PDO报文的每个字节都是由PDO映射消息预 先定义的,PDO的生产者与消费者需要对PDO报文信息的具体含义加以掌握。设 备对象字典中相应的缺省PDO映射结构决定了数据类型和应用对象的映射。 (1)PDO报文的传送方式 PDO报文的传送方式分为同步传送(通过接受SYNC实现同步)与异步传送。 (2)PDO报文的触发方式 报文可以通过时间驱动、定时器驱动和远程请求三种方式触发。 4、预定义报文或者特殊功能对象 包括SYNC(同步对象)、Time Stamp(时间标记对象)、Emergency(紧急事 件)、Node/Life guarding(节点/寿命保护)和Boot—UP五类报文对象。 一定数量的网络管理服务、至少一个服务数据对象对于每一个CANopen设备 都是必须的,对于生产或消费过程数据的设备还至少需要一个过程数据对象,其
.17.

沈阳理工大学硕士学位论文

他通讯对象是可选的㈣,。图2.5中给出了CANopen设备中通讯接口、对象字典与
应用程序之间的关系。

图2.5 CAN通讯接口、对象字典和应用程序之间的关系

2.3.4

CANopen预定义连接集

CANopen设备为其支持的通讯对象提供了缺省标识符(CAN—ID)分配表,这大 大简化了组态简单CAN网络的过程。这些分配表是在CANopen设备中强制定义 的,在NMT的预操作状态下可以进行动态的分配修改。 缺省ID的分配是基于1 1位CAN-ID,包含一个4位的功能码和一个7位的节 点ID(Node-ID)两部分心”。其数据结构如图2.6所示。
l|


10
!=-

l}_9i
|¨




。{


8。卜7






l s卜l







2|1 1I I



1'■r

.-●o —’ r

霁ltrio+{^n

r^一幽

W^,ln—Tn
图2.6预定义连接集ID数据结构

2.4以太网技术
随着自动化控制技术的发展,需要对多种不同类型的总线结构进行互联。目 前Ethernet已经发展成为一种成熟的网络技术并得到了广泛的应用,由于 Ethernet的安装、维护成本低,数据通信可靠且稳定,受到了工业自动化控制领 域的欢迎。但是,由于Ethernet的MAC层协议采用CSMA/CD,即载波侦听冲突检 测,所以Ethernet的通信延迟是不确定的,这种通信延迟不确定的Ethernet是 无法直接应用于工业实时控制场合的。

第2苹总线技术及以太网网络

随着技术的进步快速以太网出现了,但快速以太网依然存在不足:即快速以 太网仍采用载波侦听冲突检测技术,当网络负载过重时会导致通信效率的降低。 后来出现了千兆以太网、万兆以太网技术,其有效的解决了网络核心问题。同时 对通信延时的不确定性,Ethernet采用了交换机技术、双工通信技术、设置信息 优先级等,这些技术提高了网络通信的实时性,改进了容错技术∞41。为了使以太 网能够在工业中使用,需要解决以下几个方面的问题: l、结构要求 在工业控制网络中应根据不同系统的规模和具体情况,灵活采用星形、环 形、总线型等网络结构。 2、实时性要求

在工业以太网中,可以采用以下技术弥补以太网的不足:①应用交换式集线
器;②采用全双工的通信模式;⑨采用虚拟局域网技术;④设置优先级的方式, 通过在报文中设置优先级标记,交换机可以根据报文的优先级别进行分类发送。 3、可靠性要求 在实际工业现场中应使用工业级以太网设备,这种设备具有良好的抗电磁干 扰能力以及可靠性,能够很好地解决工业现场的振动、冲击或腐蚀等问题。在通 信介质的选择上,现场设备间的通信可以使用屏蔽双绞线,主要通信网络使用光 纤通信。通过网络状态监控软件实时的监测网络中重要通信节点的工作状态,可 以保证该重要节点的通信状况,在节点出现通信异常时可以将故障节点隔离并作 出报警,不会对整个通信网络造成破坏。 4、通信要求 为了协调工业现场各种类型信息的传输,需要制定更加有效的通信服务机 制。在TCP/IP协议的基础上,建立统一、规范的应用层协议与更加有效的通信 服务模型。 5、供电要求 在工业中使用的各种以太网设备的供电应当尽可能的使用24V、12V等工业 上经常使用的电源设备。 随着相关技术的发展,工业以太网受到了过程控制和自动化工业的高度重 视。目前在控制系统网络化的发展过程中工业以太网发挥了重要的作用,以太网

姿塑垄三奎堂堡主堂垡笙茎
和TCP/IP协议已经成为各种层次设备之间数据传输的主要技术。在智能设备和 I/O模块中已经广泛的应用了支持TCP/IP协议的以太网接口,这使得无需其他专 用设备即可实现现场与工厂信息管理系统的无缝连接。可以说,工业以太网的应 用最终可以消除工业通信中的各种自动化孤岛现象。 2.5

TCP通讯/UDP通讯 TCP通讯

2.5.1

TCP/IP(Transmission Control Protoc01/Internet Protocol,传输控制协

议/网间协议)是由互联网工程任务组(IETF)制订的一种传输层通信协议,具有面 向连接、基于字节流、可靠性高等特点。TCP完成OSI模型中第四层,即传输层 制定的功能幢…。 在因特网协议中,TCP层位于传输层。网络中不同主机之间应用层的连接应 当是一种可靠的流机制连接,但IP层提供的却是一种不可靠的包交换连接机 制。应用层向TCP层发送用于网间传输的数据流,然后把数据流分割成适当长度 的报文段,之后TCP把报文结构发送给IP层,IP层负责通过网络向接收端实体 的TCP层发送包数据。为了保证传输数据的准确性,TCP会对每一个字节附加一 个序号,接收端根据序号可以保证按照顺序接收包数据。如果数据接收成功,接 收端实体会发回一个接收成功的确认,若在规定的时间内发送端实体没有收到接 收端实体接收成功的确认,发送端实体会重新发送对应数据。 为了提高连接的可靠性,防止错误连接的产生,TCP使用一种三次握手协议 建立可靠、准确的连接。发出SYN请求后主机会等待服务器的相应SYN、ACK确 认,这样的等待响应会被主机重复两次,待主机确认无误后才会建立通讯连接。 TCP协议的三次握手过程如图2.7所示。



\\、
。、葛YN

\ \
-20一

8 / \\

SYN一^CK

./

、^CK

图2.7 TCP的三次握手过程

第2苹总线技术及以太网网络

TCP通讯的特点如下: (1)客户与服务器之间须建立可靠的连接,是一种面向连接的传输。 (2)在数据源与目的之间建立网络连接,是一种端到端的通信。 (3)不会出现数据丢失或乱码现象,数据传输有很高的可靠性。 (4)允许进行双向的数据传输,即采用全双工的数据传输方式。 (5)通信双方传输的是一系列字节序列,即字节流。 (6)支持紧急数据传输功能啪,。
2.5.2

ODP通讯

UDP(User/)atagram Protocol,用户数据报协议)提供的是一种不可靠的信 息传送服务,是一种面向事务的协议。使用该协议进行数据传输时不能对数据的 到达顺序进行指定,应用层负责数据传输顺序的排序与检查任务。与TCP协议一 样,UDP协议也属于传输层协议,同样用于处理数据包,但UDP是一种非连接的 协议,无法对数据包进行排序、分组及组装,也就是说无法判断已发送的报文是 否完整安全的到达接收端。在网络质量不理想的环境中,UDP协议丢失数据包的 现象会很严重,因此UDP协议是一种不可靠的协议。 虽然UDP协议是一种不可靠的协议,但UDP协议具有的速度优势是TCP协议 无法实现的,由于TCP协议在保障数据安全传输的过程中会占用大量的系统资 源,必然导致传输速度的降低。相反,UDP协议属于非连接型协议,极大的降低 了执行时间,提高了传输速度。在实际的使用中,有时为了达到更好的使用效果 必须牺牲一些可靠性。例如在视频、音频传输的过程中实时性是最重要的,这种 情况下丢失少量的数据包也不会对视频或音频信号造成太大的影响。 为保证控制数据的准确性,本控制系统中控制信息等重要数据均通过TCP通 讯完成,网络摄像机返回的视频信号则通过UDP模式完成。 TCP协议和UDP协议的特点和区别: (1)TCP协议面向连接,UDP协议面向非连接。 (2)TCP协议传输速度慢,UDP协议传输速度快。 (3)TCP协议保证数据顺序,UDP协议不保证。 (4)TCP协议保证数据正确性,UDP协议可能丢失。 (5)TCP协议对系统资源要求多,UDP协议要求少。
.21.

鎏堕里王奎堂堡主堂篁堡茎

2.6本章小结
本章主要分析控制系统所涉及的关键技术,主要包括现场总线技术和以太网 网络。首先对RS一485和CAN总线的特点进行了分析,并对Modbus通信协议以及 CANopen通信协议作了重点的介绍,然后分析了以太网通讯网络的特点,最后介 绍了基于以太网的两种数据通讯方式:TCP和UDP通讯。

第3章控制系统硬件设计

第3章控制系统硬件设计

灾难救援移动机器人控制系统是一种人机交互系统,操作者作为控制闭环中 的一部分,使移动机器人在操作者的干预下完成各种动作要求。整个控制系统的 任务主要包括三个部分:(1)移动机器人上的各种传感器提供现场的各种状态参 数及视频图像,使操作者比较完整的掌握现场情况;(2)操作者根据反馈的现场 信息进行决策和判断,规划移动机器人下一步运动;(3)移动机器人按照操作者 的意图和命令完成所指定的任务。

3.1控制系统总体设计方案
移动机器人控制系统由上位机控制系统和下位机控制系统两部分组成,上位 机与下位机两部分之间的通讯通过以太网完成,使用光纤转换器完成以太网与光 信号的转换可以大大增加上位机与下位机之间的通信距离。上位机负责发送操作 者的控制命令以及操纵杆模拟量的采集、传感器参数状态的显示等;下位机根据 上位机的控制信息对移动机器人进行控制,实现操作者的命令和意图,同时摄像 机与传感器设备将现场的状态信息反馈给操作者。移动机器人控制系统总体设计 方案如图3.1所示。

图3.1控制系统总体设计方案
-23—

沈阳理工大学硕士学位论文

3。2控制系统硬件结构 3.2.1控制系统硬件结构
上位机使用工控机作为控制器,具有与外部设备通讯、控制功能的实现及状 态显示等功能。上位机的主要硬件设备有工控机、模拟量输入模块和操纵杆以及 数字量输入/输出模块等。图3。2为上位机硬件通讯结构简图。 下位机主要涉及的硬件设备有车体控制器、协议转换器、网络摄像机、传感 器和CAN终端设备(电机驱动器)。¥7-200 PLC作为车体控制器,是整个下位机控 制系统的核心部分,负责协调车体的控制工作以及数据采集,实现移动机器人的 正常工作,同时负责下位机控制系统的故障诊断与应急处理。下位机通讯网络结 构简图如图3.3所示。
以太丽

n l!竺I 0
l笠壁曼l

{王激~
以太两一Rs485 转换鼍

7> I冀s.485 ff/,ID
。.≯

Rs.485蛊I簋


l!笙l


RS485.-“:^N

转换器

彳≯
l l V
c^N女

兽f垩{…f曼l
图3.2上位机硬件通讯结构简图 图3.3下位机通讯网络结构简图

3.2。2控制系统硬件连接实物图
控制系统的硬件组成实物图如图3。4所示,其中下位机硬件实物图中并未展 示各个设备的电源部分。 本章3.3节给出了下位机控制系统的硬件组成,着重对车体控制器、电机驱 动器与协议转换器三部分进行了分析;3.4节给出上位机控制系统的硬件组成, 包括上位机控制器、操纵杆、模拟量/数字量处理模块等。

第3章控制系统硬件设计

(a)上位机硬件实物图

(b)下位机硬件实物图

图3.4控制系统硬件组成实物图

3.3下位机控制系统硬件组成
3.3.1车体控制器
车体控制器是保证移动机器人完成各种复杂任务的重要设备,作为移动机器 人的控制核心,其控制效果直接影响移动机器人动作的有效性和精确性。在一般 的控制系统中可以使用工控机作为控制系统的控制器,工控机具有控制准确、可 靠性高和使用方便等特点。但移动机器人通常工作在环境恶劣的室外或野外环境 中,这大大的降低了工控机的性能和寿命。而且,工控机价格昂贵,频繁的上 电、下电对其寿命的影响很大。因此,对于本文中功能不是非常复杂的移动机器 人,完全可以使用稳定性好、性价比高的PLC代替工控机作为车体控制器。 PLC(可编程序控制器)在人机接口、模拟量处理、数字运算和网络通讯能力 等方面拥有强大的性能,同时PLC具有抗干扰能力强、故障率低、稳定可靠等优 点,因此PLC被广泛的用于工业控制领域。目前基于PLC的控制通讯网络系统已 经成为工业控制领域的主流,受到了广泛的关注。PLC有以下应用特点: (1)抗干扰能力强,可靠性高。 (2)配套齐全,适用性强,功能完善。 (3)简单易用。 (4)系统设计工作量小,易于改造,维护方便。
.25.

婆堕堡三奎堂堡主堂笪笙茎
根据操作和控制的需求,本控制系统选用西门子公司的S7—200系列的CPU
224XP

PLC作为车体控制器,该种型号PLC具有强大的控制与运算能力,其集成

了24路数字量I/0点,3路模拟量I/o点。同时该PLC配有两路RS一485通讯/编 程接口,支持PPI协议、MPI协议和自由口通讯协议汹1。该PLC完全能够满足本 移动机器人控制系统的控制需要。
3.3.1.1¥7-200 ¥7-200

PLO通讯口

CPU的通信口是标准的RS-485半双工串行通信口,该通信口的数据

通信格式包括起始位、数据位、奇/偶校验位,校验位与停止位。
¥7-200

PLC通讯口各针脚定义如表3.1所示。
表3.1¥7-200通讯口针脚分配

连接器

针脚
1 2

信号 屏蔽 24V返回 RS-485信号B 请求发送 5V返回
+5V +24V

端口0/端口1 机壳地 逻辑地 RS-485信号B RTS(TTL) 逻辑地
+5V,100



◎ ~.
● ◆ 2● ● 3● ● ● ● 5●

、I

3 4 5 6 7 8

Q串行电阻

+24V

。一一√’

RS一485信号A 未用 屏蔽

RS-485信号A 选择10位协议(输入) 机壳地

‘\.



.夕



连接器外壳
3.3.1.2 S7-200

PLC自由口通信方式

西门子37—200系列PLC支持三种通信方式:PPI通信、DP通信和自由口通 信方式。根据本控制系统的实际需要,本文使用¥7-200 PLC的自由口通信方式 与电机驱动器和传感器等设备进行数据通信。自由口通信使用由用户定义的通信 协议来实现与多种类型智能设备的通讯,这使得许多使用不同通信协议的设备和 控制器都可以与S7—200 PLC进行通信,通过¥7-200 PLC的自由口通信指令及中 断服务程序,就可以为所有的通讯活动编程胁w。
1、¥7-200

PLC自由口通信模式

在使用S7—200 PLC的自由口通信方式时需要对相关的接收信息控制寄存器 进行配置,这些寄存器的功能包括信息接收的使能/禁止、设置信息接收开始和
.,6.

笙!垩墼型墨堑堡堡堡盐
结束条件等。自由口通信模式时可以按照以下三个步骤完成对通讯口的操作: (1)发送指令(XMT)和发送中断:¥7-200 PLC的通信端口通过XMT指令可以发 送控制字符,字符发送完成之后会产生一个发送完成中断事件。 (2)接收字符中断:字符接收完成之后会产生一个接收字符中断程序,在该 中断服务程序中,用户可以根据需要对该字符进行相关操作。 (3)接收指令(RCV):RCV指令在完成对通信端口整条消息的接收之后会生成 接收中断程序。通过SM寄存器可以控制接收指令的开始与结束,也可以根据特 定的字符或时间间隔来启动和停止接收消息乜“。 2、XMT和RCV指令
¥7-200

PLC自由口通信指令包括发送指令(XMT)和接收指令(RCV),自由口通

信指令缓冲区数据格式如表3.2所示。
表3.2 XMT与RCV指令格式

“起始字符"与“结束字符”允许XMT与RCV指令对信息的发送与接收设置 开始与结束条件,但“起始字符”与“结束字符”对XMT与RCV指令是非必须 的。Y2dT指令发送数据结束时会产生一个发送完成中断事件,在对应的中断服务 程序中可以进行相关的数据操作。同样RCV指令可以产生一个接收完成中断事 件。

3.3.2电机驱动器
运动控制是移动机器人控制系统的核心任务,运动控制的精确性、可靠性是 衡量电机驱动器好坏的重要标志。本文选用EMLO公司的SOL—WHIIO/60E01数字 式伺服驱动器作为电机驱动器。该电机驱动器能够实现速度、位置、电流三种回

路控制功能,具有全数字化的特点,可广泛地用于分布式智能CANopen网络中。
SOL—WHIIO/60EOI驱动器实物如图3.5所示。SOLO Whistle驱动器共有8个端 口,分别对应于不同的功能,SOLO Whistle驱动器结构如图3.6所示。

沈阳理工大学硕士学位论文

J711

J6/I

J511

图3.5 SOL—wHll0/60EOl电机驱动器

图3.6

SOLO

Whistle驱动器结构

表格3.3给出了SOLO Whistle驱动器J1~J8端口的对应功能。
表3.3驱动器端口功能表 端口 功能 电源连接端
I/O

辅助反馈 主反馈 RS一232接口
CANIN CANOUT

n业耶H如耶"鹋
3.3.2.1 SOLO Whi

电机连接端

stIe驱动器通信端口

在驱动器的调试过程中主要使用的三种通信端口,包括主反馈端口、RS一232 端口和CAN端口,下面对这三种端口进行重点分析。 1、主反馈端口 J4端口为主反馈端口,用于接收电机向驱动器的反馈数据。Solo 驱动器可以选择以下设备作为主反馈的设备: ?单一增量式编码器; ?带霍尔传感器的增量式编码器; ●单一数字霍尔传感器: 本文中使用带霍尔传感器的增量式编码器为主反馈设备。该编码器与驱动器 的连接图如图3.7所示。
Whistle

第3章控制系统硬件设计



图3.7带霍尔传感器的增量式编码器连接图

电机驱动器主反馈端口各引脚信号的功能说明如表3.4所示。
表3.4主反馈引脚功能说明 信号
}IA、HB、HC

功能 霍尔传感器输入 通道A、通道B/辅助通道A、辅助通道B 索引/辅助索引 保护地 供电返回 编码器+5V供电

CHA、CHB/CHA一、CHB— INDEX/INDEX——
PE SUPRET +5V

2、RS一232端口 J5端口为RS-232通信端口,通过该端口可实现驱动器与主控器(PC机)的直 接通信。使用RS-232与驱动器进行通信操作简单、对硬件的配置需求低。驱动 器RS-232通讯端口各引脚功能如表3.5所示。
表3.5 J5端口各引脚功能

利用RS-232端口,通过ELMO公司提供的ELMO COMPOSER控制软件,可以方

鎏堕堡三奎堂堡主堂垡堡茎
便快捷的设置、测试、精确调整网络中的任意一台驱动器。但由于RS一232是一 种“点对点”的通讯方式,因此通过RS一232端口进行通讯时,ELMO COMPOSER软 件只能与一台驱动器进行通讯。ELMO COMPOSER控制软件界面如图3.8所示。

图3.8

ELMO

Composer操作界面

3、CAN通讯端口 J6、J7为CAN通讯端口,端口各引脚功能如表3.6所示。
表3.6 CAN通讯端口各引脚功能

使用CANopen通讯协议时,应确保每一个驱动器被分配到唯一的工D。否则, CANopen通讯可能会被挂起。
3.3.2.2 SOLO Whi SOLO

stIe驱动器通讯

Whistle驱动器的命令可以通过以下三种方式给定:

(1)用户程序将用户程序装载到伺服驱动器中,在程序开始执行之后,由驱 动器来控制该用户程序。

第3章控制系统硬件设计

(2)RS一232这是一种串口、点到点的短程通信方式。RS-232通信方式只需一 台配有串行端口和ASCII终端软件的标准PC即可,易于使用且配置需求低。但 该种方式通信速度较低。 (3)CANopen串口、多接点复用、中等速度及中程通信方式。CANopen通信方 式需要具有特殊功能的主机硬件及软件。SOLO Whistle驱动器具有分布式运动控 制环境,可组成大规模的CANopen网络,支持CANopen DS-301以及DS-402。通 过自带的二进制编译器,SOLO Whistle驱动器使用CANopen协议可实现在CAN总 线上的快速、同步通讯。
1、SOLO

Whistle驱动器的CANopen通讯

关于CANopen通讯协议已经在第二章中作过详细的介绍,本章只对ELMO驱 动器CANopen通信中的通信报文类型(COB—ID)和网络管理(NMT)加以说明。 (1)通过CAN网络传递的字节数据称为通信报文(COBs),通信报文的类型位 于信息的仲裁域,因此COB的类型决定了信息的优先级。仲裁域的第8到11位 (COB—ID)和COB类型之间的关系如表3.7所示。
表3.7 COB—ID与COB的关系

沈阳理工大学硕士学位论文
SOLO Whi stle伺服驱动器支持5种报文类型:服务数据对象(SDO)、过程数

据对象(PDO)、紧急事件(EMCY)、网络管理(NMT)、层管理服务(LSS)。 (2)网络管理(NMT)命令用于控制驱动器的通信状态以及向网络中的所有驱动 器传递信息。SOLO Whistle驱动器支持表3.8所示的4种网络通信状态:
表3.8 通信状态 未上电/初始化中
SOLO

Whistle驱动器支持的网络通信状态 描述 驱动器没有准备好或正在进行初始化。此时 驱动器不会对通信做出响应也不会传递据。

预操作

初始化已经完成,但不能进入操作模式接收 命令。驱动器会响应SDO和NMT信息,但不 会响应PDO数据。

操作模式

驱动器处于完全操作状态,此时会对PDO、 SDO、NMT信息作出响应。

停止状态

驱动器只能对NMT信息作出响应

驱动器上电后即进入初始化状态,完成初始化之后驱动器自动的进入预操作 状态。预操作、操作状态和准备状态之间的转换是通过NMT信息来完成的。 2、驱动器CANopen通讯命令结构
SOLO

Whistle伺服驱动器使用的通信语言可以使用户实现3种功能:设置

驱动器运行参数、查询驱动器的状态、向驱动器发送特定功能的命令。 (1)设置和查询命令 对于设置与查询驱动器命令,主要是通过传递TPD02与RPD02两种数据结构 来实现的。 RPD02用于对驱动器的设置以及查询驱动器的状态,此时的数据流向为控制 器一驱动器。RPD02命令结构如表3.9所示:
表3.9 RPD02命令结构

其中,字节0到字节3为头指令,包括命令字、命令参数和数据类型。其中 字节0和字节1为命令字的大写ASCII码。字节4-7为控制数据,其长度为4个
一32—

第3章控制系统硬件设计

字节,数据类型为整型或浮点型。 TPD02用于传送驱动器对于查询命令的响应信息,其长度为8个字节,其数 据流向为驱动器一控制器。TPD02命令结构如下表所示:
表3.10 TPD02命令结构

以上两表可以看出RPD02和TPD02的结构几乎一致,所不同之处在于第三字 节的第六位。TPD02中该位为0时,表示驱动器的响应数据无错误,字节4—7表 示的是驱动器对主机的正确响应数据。当该位为1时,字节4—7表示的是一个错 误代码,此时驱动器出现了错误;RPD02中第三字节的第6位为0时,表示的是 驱动器接收到的命令为设置命令,如设置电机的运行模式、上电、下电等状态。 该位为1时,表示接收到的命令为查询命令,如查询电机的当前工作电流等。 (2)特定命令 特定命令是RPD02的一种特殊形式,其数据长度为4或8个字节。该命令由 于指示驱动器做出一系列特定动作,如BG、ST等。对该命令的响应仅为消息确 认或者是一个错误代码。其命令格式如表3.11所示:
表3.11特定命令数据结构

3.3.2.3 SOLO SOLO

Whistle驱动器软件命令

Whistle伺服驱动器提供了一系列的软件命令,用以完成设置驱动器

任务或返回状态查询报告,下面仅对UM、PP[N]、DD三个软件命令作简要介绍。 1、UM-运行模式 目的:定义驱动器中运动控制器的工作模式。UM=I,转矩控制模式;UM=2, 速度控制模式。 2、PP[N卜协议参数 目的:程序设置所有的通信参数。PP EN]命令拥有彼此独立的不同域值以便 设置系统支持的所有通信方式的参数,其中与CAN通讯相关的参数如表3.12所
.33.

沈阳理工大学硕士学位论文

3、DD-CAN控制器状态

目的:返回CAN控制器的状态。返回的字符串格式及意义如表3.13所示。其
中,网络状态(位3卜24)有6种可能出现的值:卜网络未连接:2一网络己连接; 3一网络已准备完成;4一网络停止运行;5一网络开始运行;127一网络预操作状态。
表3.13 CAN控制器工作状态数据结构

3.3.3

UT-2506智能协议转换器

由于在控制系统的通讯网络中存在CAN现场总线、RS一485总线和以太网网络 三种通信协议,为了使三者之间能够进行正常的数据通讯,就必须对通信协议进 行转换,这就需要相应的协议转换器。本文使用的协议转换器包括UT-2506转换 器以及UT一620转换器两种,本节主要进行UT-2506智能协议转换器的转换方式 分析与转换器的参数配置。UT一2506智能协议转换器实物图如图3.9所示。

图3.9 UT一2506智能协议转换器

UT一2506转换器能够快速地实现RS-485通讯设备与CAN现场设备的双向数据 互相转换。转换器支持的RS一485通讯速率范围:1200"--1 15200bps,CAN总线通 讯速率范围:5Kbps'~lMbps。
一34-

第3章控制系统硬件设计

1、透明带标识转换 UT一2506转换器支持三种数据转换模式:透明转换、透明带标识转换与 Modbus协议转换。本文使用UT-2506转换器的透明带标志转换模式。 根据RS一485串行帧数据与CAN报文的相同特性,通过透明带标识转换方式 能够将这两种不同的总线类型组建为同一个通信网络,这能够更加自由的使用自 定义协议进行数据交换,以完成车体控制器与4个电机驱动器的数据通讯。 2、数据帧格式 (1)RS一485串行帧 转换器处理串行帧数据时会根据接收到的两帧数据之间的时间间隔对前、后 数据帧加以区分,因此在进行数据转换时转换器需要保证每一串行帧数据的完整

性。当转换器接收到数据之后会把串行帧数据缓冲区的首个字符作为帧起始字
符,同时在数据传输的过程中转换器会监测前后两个字符之间的时间间隔,如果 转换器在接收到一个字符后在规定的时间间隔内没有接收到新的字符,转换器就 会认为当前帧传输结束,将最后收到的字符作为该帧的结束字符。在此之后接收 到的数据都被认为属于下一帧的内容口“。 (2)CAN报文帧格式

转换器的CAN报文格式不变,只是将CAN的帧ID转换至串行帧中。
3、UT-2506数据转换方式 (1)RS一485串行帧转CAN报文 CAN报文标识在串行帧中起始地址的范围0-7,长度范围1-2。串行帧数据向 CAN帧数据的转换格式如图3.10所示。
c蠲撮文(标准帧) 串行帧 地址0 地址l 地址2 地址3 数据1 数据2 数据3 数据4 (c腰帧IDl) 地址4 数据5 (c蛆帧功2) 地址5 地址6 地址T 地址8 地址9 数据6 数据7 数据8 数据9 数据10 数据域 帧信息 帧功 帧佰息 数据4 (c^x帧功1) 数据5 (c蛆帧11)2) 数据l 数据2 数据3 数据6 数据T 数据8 数据9 数据lo

图3.10串行帧向CAN帧转换的数据格式
一35—

沈阳理工大学硕士学位论文

该方式把RS-485串行帧中的地址信息自动的转换为CAN总线的帧ID。在配 置软件中配置完成“CAN标识在串行帧的位置"之后,转换器在进行数据转换时 会提取出这个帧ID作为转换后CAN报文的ID,而串行帧中的其他数据经过转换 后按序存储在CAN报文的数据域中。 (2)CAN报文转RS-485串行帧 对于CAN报文,转换器每收到一帧就会立即转发,每次转发都会将接收到的 CAN报文帧ID信息存放在规定的串行帧位置中,对于其他报文数据则依序转发存 放。具体数据转换格式如图3.1 1所示。
c^N报文(标准帧) 帧信息 帧ID 帧信息 帧IDl 帧ID2 数据域
数据1

串行帧 数据1 数据2 数据3 帧IDl 帧ID2 数据4 数据5 数据6 数据7 数据8

数据2
数据3 数据4

数据5 数据6 数据7
数据8

图3.11 CAN帧向串行帧转换的数据格式

4、UT~2506参数配置 转换器在使用之前,需要先对转换器的转换参数进行配置。通过转换器提供 的参数配置软件即可完成转换器的转换方式、通信参数及转换参数的配置。UT一 2506转换器参数配置软件界面如图3.12所示。

图3.12 UT一2506转换器参数配置界面
-36—

第3章控制系统硬件设计

为了满足本控制系统同时与4台驱动器通信的需要,UT-2506转换器的具体 参数配置如下: (1)转换模式:透明带标志转换; (2)CAN标志起始地址:0,标识长度:2; (3)CAN波特率:500K,帧类型:标准帧; 完成参数配置之后,将转换器的“SET”引脚悬空,重新上电之后转换器便 可以按照设定的参数进行正常的数据转换。
3.3.4

UT一620网络转换器

UT一620转换器能够实现TCP/IP与RS一485串行接口数据的双向转换,转换器 将串行接口接收到的数据透明的转换到网络中,同时从以太网网络上接收到的数 据也被透明的转换至RS一485串行接口。UT一620网络转换器如图3.13所示。




“I

蔷|



;甏。∞ 龟:乳? 。√
、t !,,.

c#●■■_

沈阳理工大学硕士学位论文


One Page Quick

Setup{Fixed IP}

ii谳i狮f黼r一

图3.14 UT一620转换器参数设置界面

UT一620转换器有四种转换方式:TCP服务器(TCP Server)、TCP客户端(TCP Client)、UDP客户端(UDP Server)和UDP服务器(UDP Cllent)。为了保证控制系

统通讯的实时性与准确性,本文将UT-620的工作方式设置为TCP Client方式。
TCP

Client转换方式使用TCP/IP协议进行数据的交换,这就大大提高了数据的

准确性,同时TCP C1ient方式能够保证数据交换的实时性。

通过虚拟串口驱动程序生成的一系列虚拟串口与纯硬件串口具有相同的功能
和配置方法,可完成对串口的映射管理与数据转发功能船““。虚拟串口的应用可以 实现主机与UT一620转换器的TCP/IP通讯,虚拟串口可以对UT-620转换器的串 口进行映射管理,首先主机将待发送的数据发送至虚拟串口,然后虚拟串口将数

据转发至UT一620转换器的真实串口。这样只需要一根网线即可将上位机的控制
数据通过虚拟串口直接传送至以太网中。虚拟串口参数配置界面如图3.15所示。

图3.15虚拟串口配置界面

第3章控制系统硬件设计

3.3.5温湿度传感器
救援机器人在执行任务时需要将现场的环境情况实时地报告给操作者,以便 供操作者做进一步的行动规划。例如在煤矿事故的救援中,救援人员需要了解矿 井下各种气体的浓度,如一氧化碳、甲烷、氧气等等。所有这些参数的获得必须 依赖于处于现场的传感器。本控制系统中使用的传感器包括CD8多参数气体测定 器、GFY型煤矿用风速传感器与SMl810B温湿度传感器。这三种传感器均支持 Modbus通讯,本文只对SMl810B温湿度采集模块进行分析。SMl810B温湿度采集 模块实物图如图3.16所示。

图3.16 SMl810B温湿度模块实物图

SMl810B温湿度模块支持Modbus-RTU通信协议,能够对温度、湿度参数进行 准确、快速的测量,该传感器的温度分辨率为0.01℃,湿度分辨率O.01%RH。 传感器的通信协议命令格式为: [设备地址][功能码][起始地址][数据长度][CRC校验] 传感器的响应格式为: [设备地址][命令号][数据长度][数据1][数据2][CRC校验] 例如,查询1#设备上温湿度数据的格式为:01 数据格式为:01
03 04 0B D1 16 32 27 03 00 00 00 02 C4

0B,响应

9B。根据传感器的响应数据通过解算可

以得出当前温度值30.25℃,湿度值56.82%RH。

3.4上位机控制系统硬件组成
3.4.1上位机控制器
上位机控制器选用新汉公司的NISE 3110无风扇工业控制计算机,NISE
.39.

沈阳理工大学硕士学位论文

3110工控机主要用于空间受限、可靠性要求高的工业控制场合,被广泛的用于嵌 入式计算机控制领域。NISE 3110工控机实物图如图3.17所示。
NISE

3110支持4路的RS-232串行接口,双路1000/100/10Mbps网络接口,

同时配有功能强大的处理器,完全满足本控制系统的数据处理、通信及视频处理 的要求。

涤莺:喜雪萤嚣蓐
:;‘⑨等t堙蕈猷,型蜀Qt@f

么:|t.…蛔塑粤塑堕蔓二盐
图3.17 3.4.2
NISE

3110无风扇工业计算机

RS-485接口转换器

由于NISE 3110工控机只配有RS-232通信接口,必须使用接口转换器将通 信数据转换为RS一485格式,本文使用的HEXlN-III型接口转换器可实现RS-232与 RS一485之间的双向、透明转换。接口转换器实物如图3.18所示。

图3.18 HEXIN-III型接口转换器

3.4.3操纵杆
移动机器人的速度由上位机的操纵杆实现控制。操纵杆的输出为O一5V的模

第3章控制系统硬件设计

拟电压值,经过模拟量输入模块转换为数字量后发送至车体控制器,从而实现对 移动机器人速度的控制。在本文中选用的是HJ6型二轴霍尔操纵杆。该操纵杆的 电气参数如下: 总电流:SlOmA: 电源电压:DC5.OV±10%; 负载电阻>IOKQ; XY方向垂直度:X方向最大,Y在零位时,Y=Y中位电压-+0.25V;Y方向最 大,X在零位时,X=X中位电压±0.25V。 操纵杆4根接线说明如表3.14所示。
表3.14霍尔操纵杆接线说明

3.4.4模拟量输入模块
本文中使用研华公司的ADAM 4017+模拟量输入模块,ADAM 4017+模块是一款 16位的A/D模块,能够将电压、电流等模拟量信号转换为数字量信号,并将数字 量信号通过RS-485串行接口进行传输,同时该模块支持Modbus通信协议。ADAM 4017+模拟量输入模块实物如图3.19所示。

图3.19

ADAM

4017+模拟量输入模块

本文正是使用ADAM-4017+模块将操纵杆输出的模拟电压转换为RS-485信号 传输至工控机,以便作进一步的处理。ADAM 4017+模块的控制接线图与模拟电压 输入接线如图3.20、3.21所示。
?41-

沈阳理工大学硕士学位论文


Vial.

_一

固0
固0

Vinl;

.Itin 0.

Q口
固口

¨v㈣

图3.20 ADAM一4017+模块控制接线图

图3.21模拟电压输入接线图

3.4.5数字量输入/输出模块
本文采用ADAM-4055数字量输入/输出模块实现上位机控制端对若干按钮开

关及状态指示灯的控制。ADAM一4055模块有8路数字量输入/8路数字量输出功 能,通过RS-485通信接口与主机进行通信。ADAM 4055数字量输入/输出模块如
图3.22所示。

图3.22 ADAM 4055数字量处理模块

ADAM一4055模块的数字量输入接线图与输出接线图如图3.23、3.24所示。

翻co~ 0I DI t e

扬c 仍D
仍e

-S一●40、11C 一


n6Nn

仍B
-o


ll

[U,
D。0

∞8
00£

仍B 场c 协n
—o


【Ⅺ£

∞'
【)o O 00Co~

仍£ 仍e 仍n

—————屯互亘卜一





图3.23 4055模块数字量输出接线图

图3.24 4055模块数字量输入接线图

第3章控制系统硬件设计

3.5本章小结
本章首先分析了控制系统的控制方式,提出了移动机器人控制系统的总体设 计方案,根据上位机和下位机的硬件结构特点,完成了本控制系统相关硬件的参

数配置与连接,搭建了本煤矿移动机器人的电气控制系统。

沈阳理工大学硕士学位论文

第4章控制系统软件设计

4.1控制系统软件任务
控制软件是控制系统的核心部分,负责协调整个控制系统的正常工作。与硬 件系统相对应,控制软件也分为上位机控制软件与下位机控制软件两个部分。上 位机控制软件的主要任务有: (1)发送控制数据:该任务主要是向车体控制器,即PLC发送控制数据,如 车体上下电、速度控制等,完成对控制参数的设定。 (2)操纵杆数据的处理:移动机器人的速度是通过操纵杆控制的,该任务主 要是对操纵杆的模拟量数据进行处理,并输出操纵杆数据。 (3)网络摄像机的控制及数据保存。 (4)反馈数据的接收及显示:该任务将下位机的反馈数据显示在操作界面 上,供操作者对现场情况作出正确的判断。 下位机控制软件的主要任务: (1)车体硬件的初始化及故障检测:车体上电之后,对车体所有硬件进行初 始化,包括电机驱动器的工作模式设定、通讯参数的初始化、运动状态的测试 等。 (2)读取传感器的数据:该任务主要通过Modbus通信协议读取传感器的参数 数据,并将数据发送回上位机。 (3)接收、处理上位机控制数据:车体控制器根据接收到的上位机控制数据 做出准确、实时的控制动作,完成对移动机器人的控制任务。这也是下位机控制 软件最重要的任务。

4.2下位机控制系统软件设计
4.2.1

STEP7-Mico/WIN编程软件简介
7-Mico/WlN编程软件是西门子公司为S7—200系列PLC专门研制开发的

STEP

编程软件,STEP 7-Mico/WlN可实现的功能包括:

釜!垩墼型壅堑鏊堡堡生
1、提供离线状态下编辑、修改用户程序的环境。 2、与编程计算机建立在线通信联系,对PLC直接进行各种下载、上载程序 等操作。 3、编译过程中能够对语法、数据类型等错误进行检查。 4、进行PLC运行参数的配置及对正在运行的PLC进行状态监控等。 5、管理用户程序。

4.2。2下位机控制程序流程
下位机控制系统上电之后首先遍历CAN总线、RS-485总线以及以太网网络中 所有的硬件设备,检测其工作状态是否正常。然后进行软件系统初始化,主要包 括CAN网络初始化、运动测试、通信测试等。在完成初始化之后,车体控制器便 进入待机状态,等待上位机的控制指令从而做出下一步的动作。下位机控制程序 流程图如图4.1所示。

图4.1下位机控制程序流程图

4.2.3控制信息的接收与发送
S7—200

PLC作为移动机器人的控制器需要接收上位机的控制信息,同时需要

向传感器、电机驱动器等下位机设备发送控制信息。本控制系统中,控制信息的

沈阳理工大学硕士学位论文

接收与发送均是利用¥7-200 PLC的PORTO的自由口通信方式实现的。上位机发 送控制数据中包括功能代码和结束字符,其中结束字符是上位机信息发送结束的 标志,在S7—200 PLC接收到结束字符时便会产生一个接收信息完成中断,中断 向量号23。在接收中断服务程序中,判断接收数据的完整性后,控制器会根据接 收到的控制数据的首字节内容,即功能代码,发送对应的车体控制指令。车体控

制指令发送完成之后,会产生一个发送信息完成中断,中断向量号9。在对应的
发送完成中断服务程序中重新使能数据接收,准备再次接收上位机的控制数据。 控制信息接收、发送程序流程如图4.2所示。

发送中断


接收使能

图4.2接收、发送控制信息流程图

接收完成中断服务程序中的关键程序如下:
LDB= MOVB ATCH CRETI NOT RCV VBl00,O SMB86,16#20 10,SMB34

功能选择程序:INTl,10

其中,功能选择程序是PLC根据上位机发送的功能代码决定执行哪一种具体 的指令,下面给出功能选择程序中车体行进控制程序的部分关键程序。
LD SMO.0

第4章控制系统软件设计
LPS DTCH AB= CALL LRD AB= CALL LPP XMT VBl00,0 VBl01,16#12 motoroff:SBRl 10 VBlol,16#ll motoron.SBRO

4.2.4移动机器人运动控制软件设计
4.2.4.1移动机器人运动控制指令格式 车体控制器收到上位机的控制信息之后,根据其功能代码发出相对应的车体 控制指令,经过UT-2506转换器后转换为适用于SimplIO驱动器的CAN数据。车 体控制指令帧结构如表4.1所示。
表4.1车体控制指令结构

控制指令由CAN标识符和RPD02数据组成,最大长度为10个字节,字节0 到1为CAN标识符;字节2到9为RPD02数据,其数据结构详见第三章中ELMO 驱动器CAN通讯部分。PLC根据上位机发送的功能代码(见表4.5)发送相对应的 控制指令数据,经转换器UT-2506转换成CAN帧数据,从而实现对驱动器的控 制。 4.2.4.2机器人运动控制程序 运动控制是机器入控制系统的主要功能,车体控制器通过CAN总线向电机驱 动器发送运动控制指令,这些指令由以下6个PLC子程序实现。 (1)激活CAN节点:can—node—active (2)电机上电、下电:motoron,motoroff (3)开始指令:motorbg (4)停止指令:motorst

沈阳理工大学硕士学位论文

(5)指定速度:motorjv (6)查询状态:status—check 其中指定速度指令motorjv是运控控制的核心指令,通过该指令车体控制器 可以完成对车体电机转速的设定。图4.3给出了移动机器人运动控制流程图。

图4.3移动机器人运动控制、流程图

4.2.5传感器控制程序
STEP7一Micro/wIN指令库提供了为Modbus通讯预先定义的相关子程序和中断 服务程序,这就使得¥7-200 PLC与Modbus设备的通讯变得简单易行。相关的指 令有MBUS—CTRL指令和MBUS_flSG指令。MBUS—CTRL指令可以用来进行主站的初始 化、Modbus通讯的监控与禁用,在进行Modbus通讯前必须正确的执行 MBUS—CTRL指令;MBUS MSG指令用于向Modbus从站发送数据请求信息,在收到 从站的响应信息之后通过MBUS—MSG指令完成对响应信息的处理。 在完成Modbus主站的初始化之后,利用¥7-200 PLC的定时器功能设置 Modbus通信的采样频率,在每一次的定时中断程序中S7—200 PLC都会发送 MBUS—MSG指令,传感器收到数据请求时会自动的将温度、湿度数据发送到PLC, PLC通过解算返回的数据便可以将当前的温度及湿度值发送到上位机。读取传感 器参数流程如图4.4所示。

第4章控制系统软件设计



l‰曲嵋通讯程序

l发ji掏嗍I
接收返回数据I l cRc校验l


I数据处理、显示

图4.4读取传感器数据流程图

Modbus主站初始化关键程序如下:
LD SMO.0

=L60.0 LD SMO.0

=L63.7 LD CALL L60.0 MBUS_CTRL:SBRI,L63.7,9600,0,i000,MIO.0,VB99

读取Modbus从站数据的关键程序如下:
LD MIO.3

=L60.0 LD EU =L63.7 LD CALL L60.0 MIO.3

MBUS-MSG:SBR2,L63.7,VB62,0,40001,9,&VB64,MIO.1,VB98

传感器返回的数据存储在¥7-200 PLC的VB64-VB81区域中,经过处理后发 送至上位机的界面上。传感器数据处理的主要程序如下:
LD MIO.1
.49—

沈阳理工大学硕士学位论文
ITD AENO DTR AENO VD54,VD54 VW64,VD54

/R

100.0,VD54

4。3上位机控制程序软件设计
4.3.1

VB程序介绍
Basic是由微软公司开发的一种基于事件驱动的编程语言,使用VB

Visual

提供的组件可以方便快捷的建立应用程序。本文所设计的移动机器人上位机控制 程序就是利用VB程序编写的,主要由车体行进控制、传感器控制、网络摄像机 和状态显示四部分组成。移动机器人控制系统VB界面如图4.5所示。

图4.5上位机VB界面 4.3.2

MSComm通信控件

MSComm通信控件允许建立串口连接,通过MSComm通信控件可以建立起时间 驱动的、全双工的、高效实用的通信程序,可以发送控制命令、进行数据交换。 在本控制系统中,上位机控制器与下位机之间的通讯、上位机设备(操纵杆等)与 控制器的通讯都是通过MSComm通信控件完成的。图4.6给出了上位机MSComm通 信控件参与的通信过程。

第4章控制系统软件设计

图4.6与MSComm通信控件相关的通信过程

MSComm通信控件可以对通信过程中发生的事件和错误进行监视和响应,通过 查询MSComm控件的CommEvent属性值就可以对当前的事件或错误进行判断m1。表 4.2中列出了MSComm控件的主要属性:
表4.2 MSComm通信控件属性 属性


描述 设置通信端口号 设置波特率、奇偶校验、数据位和停止位等通信参数 设置通信端口使能/禁止 对接收缓冲区中的字符进行读取或删除操作 向发送缓冲区写入数据 设置一次性从接收缓冲区中读取数据的字符数 设置激活OnComm事件时接收缓冲区收到的字节数 返回最近的通讯事件或错误

伽m № 吖t


S 吼 tm 腿

P 叮 t∞ 阳n nU n



叽t 眦


kn 印 U 耻儿

T断e 曲 №1
rv

瑚证.恍 ㈣”

如果在通信过程中产生通信事件或是发生了错误,就会触发OnComm事件并

且修改CommEvent的属性值。在程序中可根CommEvent事件的属性值来执行不同
的操作m,。几种重要的通信事件如表4.3所示:
表4.3 MSComm控件通信事件

一51一

沈阳理工大学硕士学位论文

4.3.3上位机与下位机的数据交换
上位机控制指令通过MSCommm通信控件发送,MSComm通信控件将指令发送至 虚拟串口,通过虚拟串口的转发功能转发至以太网网络,控制数据经由UT一620 转换器转换为适用于¥7-200 PLC的RS-485数据结构。上位机控制指令格式如表 4.4所示。
表4.4上位机控制指令格式

上位机控制指令数据由4个基本字节和4个非必需字节构成。4个基本字节 为功能代码、CAN标识符和结束字符。其中字节0为功能代码,其作用是定义控 制指令的具体功能,如传感器控制、CAN网络初始化、电机上电、下电及运动控 制等。功能代码的具体定义如下: 字节7的高四位定义为a,低四位定义为b;功能代码的含义如表4.5所示。
表4.5功能代码指令含义

1 2 3 4 5

CAN节点激活 CAN节点关闭 重置CAN通讯

电机上电 电机下电 驱动停止 开始运动 行进控制

运动测试 通讯测试 状态查询

传感器启动 传感器关闭

紧急停车 关闭系统

字节卜2为CAN标识符,用以设定PLC发送的车体控制指令数据帧的CAN标 识符。 字节7为结束字符,PLC接收到结束字符标志后会产生一个接收中断,中断 服务程序中PLC会按照接收到数据的功能代码做出相应的处理。 字节3到6为运动控制数据,此四个字节的数据是非必需的,其取决与功能 代码要实现的功能。如功能代码为oo或14时,分别是CAN节点激活与开始运动 指令,其RPD02数据结构是执行命令格式(4字节数据),不需要多余的参数;但 当功能代码为15(车体行进控制)时,需要指定电机的转速,其RPD02结构为8字 节数据,此时字节3-6是必需的。

笙兰童丝型壅堕鏊堡堡生 4.3.4模拟量/数字量处理
4.3.4.1操纵杆模拟量处理 在VB下利用MSComm控件可以直接对4017+模块进行编程,通信协议采用 ADAM的ASCII命令。 首先,需要使用ADAM Utility应用软件对4017+模块作如下的配置:
“Address=OIH”, “Baud rate=9600”, “Checksun=Disabled”。

在完成对参数的初始化之后,利用TIMER控件的定时中断程序读取操纵杆模 拟数据。在定时中断程序中,发送“gOIH"&Chr¥(13)命令,这里的“#01H”表 示请求返回数据通道中所有模拟量数值,这样便可以得到操纵杆X、Y两个方向 的模拟量数据。在接收到模拟量的返回数据之后,为了减少不必要的操作,需要 先与上一次的模拟量数据进行对比,如果与上一次模拟量数据相同则不做任何处

理;若两次对比的结果不相同,则将后一次的数据发送至下位机控制器。操纵杆
模拟量采集程序流程图如图4.7所示。

(开始)

初始化

(定时中断)

发送数据请



求命令棚1珏

l串口开启



l。目苣继控Iu-÷譬k{皇

(结束)~丫 L‘§Y
数据处理、};匕较 发送至下位机

上I《一接收到数据?_二:≥二
I寿肾三坚甄猸

I|}\∥
图4.7模拟量采集流程图

沈阳理工大学硕士学位论文

操纵杆Y轴数据处理关键VB程序如下: data—Y—L=data-Y—S术1 0000
If data Y L>26400 Then

’Y轴数据处理 ’Y轴操纵杆位于原点上方

data-Y—B=(data-Y—L一26400)\400+64
End If If data_Y—L<24300 Then

data_Y_B=64一(24300一data Y_L)\400
End If

X轴数据处理关键程序如下:
data_X_L=data_X_S半1 0000 If data—X—L>26000 Then data End If If data—X—L<23800 Then

’X轴数据处理 ’X轴操纵杆位于原点右侧

B=(datU—L一26000)\400+64

data-X—B=64一(23800一data_X_L)\400
End If E1se

data—x.B=64
End If

新旧数据对比程序如下:
If data—X—B<>data—X—B—old Or

dat坦B<>datU^B—old Then’当

操纵杆数据发生变化时才将新的摇杆数据发送出去 data—send(0)=&H18 data—send(1)=data_X_B
data

send(2)=data—Y—B

data—send(3)=&HO
Comml.Output=data—send End If

4。3。4.2数字量输入/输出处理

一54—

第4苹控制系统软件设计

数字量输入/输出状态的查询过程与模拟量采集的流程相似,同样是利用 TIMER控件的定时中断程序发送对应的命令查询数字量输入/输出的状态。这里不 再对数字量状态查询程序做多余的说明,仅对数字量输入/输出状态的查询命令 做简要的说明。 查询命令格式:“¥”+设各地址+“2”; 响应数据格式: “!"+输出通道数据+输入通道数据+“00”;

在使用数字量输A,/输出模块之前,通过配置软件将数字量输入/输出模块的 地址配置为“021-I",因此状态查询命令为“¥022”。在收到模块正确格式的相 应数据后,即可对“输出通道数据”与“输入通道数据”进行提取作进一步的处 理。

4.3.5速度控制指令的转换算法
操纵杆的数据需要经过处理才可以发送至电机驱动器,下面给出机器人速度
控制指令的推导过程。 经过处理后操纵杆的数据输出为两个字节,X轴数据记为data x,Y轴数据 记为data y,data—x与data y的范围为0—127。电机额定转速N,电机码盘精

度K,基速B,差速D,转速‰,每秒脉冲数记为c筇。
B≤(data—Y一64)x÷≥ D≤(data—x-64)x云
一删

(4-1)

(4-2)

尺,棚:{:+£耋烈曼銎:(4-3) l B—D(右侧电机)
Cp¥—4

x一_K矿x

Rpm,为光电码盘四倍频计数后的脉冲数(4-4)

吒:{皇‘身≥竺(4-5) L舻一1一Cp。(Cp。<∞

CANdata[4]={256q-(器之。,

㈤,
件7,

CANdata[5]={25嚣鬻器

沈阳理工大学硕士学位论文

降8, CANdata阶K譬三焉器芒。, CANdata网≮譬篓琶袅嚣∞(4-9,
经过处理得到的操纵杆数据,即CANdata[4]一CANdata[7],发送至下位机控 制器即可完成对移动机器入的速度设定。

4.3.6电机状态查询
在车体行进的过程中需要对车体的工作状态作实时监控,其中电机的工作状 态是最重要的,本文对电机的两种状态进行查询:1、电机电流查询。2、电机故 障查询。利用lⅥSComm控件的CommEvent属性,当接收到Rthreshold个字符时便 将接收到的所有字符一起取出,经过数据处理后显示在VB界面上。电机状态查 询流程图如图4.8所示。

图4.8电机状态查询流程图

SimplIQ驱动器为用户提供了上述两种电机状态查询命令:IQ与MF。工Q命 令可以返回当前电机的电流值,用户在需要时通过发送IQ命令就可以得知电机
-56—

第4章控制系统软件设计

的电流值从而判断电机的工作状况;在车体行进的过程中,由于种种原因可能导 致驱动器工作异常,使得电机自动关闭。通过发送MF命令,可以查询上一次电 机自动断电的原因,操作者根据返回的断电代码可以判断是否发生了致命错误, 决定是否继续运行机器人。

4.3.7移动机器人运行控制策略
移动机器人在行驶过程中,有三种常见的运行方式:匀速直线运动、加减速 运动、转向。 1、匀速直线运动 移动机器人匀速前进时,由于路面高低不平、路面粗糙度有差异,必然会导 致四个车轮转速大小不一致。长时间的运行之后,车体便会发生向转速较慢一侧 转弯的现象。若车体两侧车轮的转速相差较大,还会造成车体内部应力过大,甚 至损坏电机输出轴。为了保证四个电机的一致协调性,需要将电机驱动器的工作 模式设置为速度模式,这样通过驱动器对电机速度的闭环控制就可以保证电机转 速的一致性;使用操纵杆进行车体的直行控制时应当选中VB界面的“车体直 行’’选项,这样模拟量输入模块在进行数据处理时会忽略操纵杆的X轴数据,避 免了因为X向操纵杆倾斜造成的车体转弯现象,从而保证车体的直行。 2、加减速运动 移动机器人的加减速运动可通过操纵杆的模拟量电压输出控制,模拟量电压 越大,机器人速度越快。当操纵杆回到中位时模拟量电压输出为0V,移动机器人 速度为0,停止运动。 3、转向 移动机器人的转向是通过电子差速实现的。电子差速(Electrical Differential)对每个车轮的转速进行精确的闭环控制,同时保证每个车轮的转 速不变。电子差速控制可以避免车轮发生滑移或滑动现象,同时通过对两侧车轮 的差速控制还可实现车体转向的目的。 电子差速转向的基本原理是:移动机器人转向时,车体内侧的车轮速度小于 外侧车轮速度,那么在相同时间的内,内侧车轮走过的距离肯定小于外侧车轮走 过的距离,从而实现车体向内侧的转向。

沈阳理工大学硕士学位论文

移动机器人在转弯时采用的转弯速度不同会导致不同的转弯半径,转弯半径

过大有可能出现因空间狭窄而无法转弯的现象。图4.9为车体差速转弯示意图。
图中M一车体质心;R…R。。。一车体内、外侧转向半径;R一车体的转向半径;V∽ Vout一车体内、外侧速度;驴车体宽度。



下面给出移动机器人转弯半径的推导过程:

玩=国?R加 玩川=cooRwr,∞为车体转弯时的角速度

(4-10) (4—1 1) (4-12)

月胁=R一亡∥
R俐=R+2,、-W

(4-13)

皂=盎03 R=急R=害1
圪圳
?

D圳

D埘

D。



…4,



R:黑竺关(4-15) 2(圪材f一‰)


4.4本章小结
本章主要完成了控制系统的软件设计,首先提出了控制系统的软件任务,然 后根据实际控制需要分别给出了上位机与下位机的控制程序,包括下位机控制信

第4章控制系统软件设计

息的接收与发送、传感器参数的读取、上位机控制指令的发送、数字量输入/输 出以及操纵杆模拟量数据的采集与处理程序。最后,分析了移动机器人运行控制 策略,给出了车体转弯半径的算法。

沈阳理工大学硕士学位论文

第5章移动机器人控制系统实验研究

本文对所设计的控制系统的硬件与软件系统进行了整体性测试,在测试的过 程中对控制系统的功能进行完善和补充,保证了控制系统的有效性、准确性。测 试内容包括以下四个方面:1、控制器与电机控制测试,主要测试S7—200 PLC及 UT一2506协议转换器的工作情况;2、运动控制性能测试,包括车体直行、差速转 向测试等;3、通讯系统测试,包括传感器通讯测试和网络摄像机通讯测试;4、 上位机控制系统测试,即VB控制程序测试及操纵杆控制测试。

5.1车体控制器与电机驱动器通讯测试
下位机控制系统中,作为车体控制器的¥7-200 PLC与电机驱动器之间的通 讯最为重要,为了保证这两者之间通讯的可靠性和准确性,本文对车体控制器与 电机驱动器之间的通讯进行了实验测试。硬件连接实物图如图5.1所示。

图5.1控制器与电机驱动器通信测试实物图 卜一S7—200PLC;2一UT一2506转换器:3一SOLO WHISTLE电机驱动器;4一直流电机: 5—48V直流电源;6—24V直流电源;
一60—

笙!兰整垫塑!矍△塑型墨笙塞丝堕窒
将串口延长线连接到PC机串口,通过“串口调试助手”发送控制命令,命 令格式如表4.4所示。控制命令包括:驱动器CAN网络的初始化、电机的上电及 下电、电机转速的设置、电机运动及停止的控制。 电机的状态可通过COMPOSER软件进行监控,图5.2给出了电机速度 (Velocity)和位置(Position)的监控画面。

削面划删捌蒯则|丽酊划
营嘲宣?MSoure。蠹昌翻 _一———_’_‘。7
ll

sDl"|color

Si髓ds



Tri

glIer

DisplIy縻溺嘲Displ,y鼷踽蓊;ON
Indicati
ons…

.Motor

I口圈—■一一c溷I___■H,t
'需啊'黑,蔓曩,.。厂一l眵■OlUL
nes 1‘

——————园盥墨嚣—啊圆圈i◇
Di eltal l 2 3



Input一’一……~…}lli‘ital
4 5 6

|1

Output——一



m馘.“ecord

~~ @@@◎@@


■豳蕾豳匿j■■簟■豳≥。f~……剖
。广High
Res。luti

on!!!!!!!曼!!|!!!!:!!l!!兰!!!!!:!l

@辫鬣溺溺蕊蓦l溺嘲瓣
…i~
,一。一

图5.2电机工作状态的监控画面

— ~— .。.。. . . 。 . . .。 j。. 。,.。 . 、.~一
一Last r●il口●——————————————————1一/hplifier Status——

|@@

5.2运动控制测试
运动控制是移动机器人控制系统的最基本任务,本文对车体直行与差速转弯 这两种运动控制功能进行了测试。移动机器人的速度控制通过操纵杆完成,在进 行运动控制的同时完成对操纵杆控制效果的检测。实验中使用的移动机器人平台 实物如图5.3所示。

图5.3移动机器人平台实物图

沈阳理工大学硕士学位论文

系统开机,配合上位机控制系统完成车体的初始化测试之后,通过操纵杆控 制移动机器人进行运动测试。上位机控制系统界面如图5.4所示。

图5.4控制系统上位机四面

5.2.1车体直行测试
由于通信线缆长度的限制,只在室内进行了短距离的车体直行运动测试。沿 Y轴向前推动操纵杆,车体向前运动;反之,车体向后运动。通过改变操纵杆Y 轴方向的偏移量大小可以实现对车体速度的快慢控制。移动机器人直行测试如图 5.5所示。

图5.5移动机器人直行(前进)测试

5.2.2差速转向测试
操纵杆X轴可实现车体左右侧电机的差速控制,从而完成车体的转向控制:

第5章移动机器人控制系统实验研究

X轴向左偏移时车体向左转向,向右偏移时车体向右转向。同样,通过改变操纵 杆x轴偏移量的大小控制车体转向速度的快慢。移动机器人差速转向测试如图 5.6所示。

(1)车体左侧转向 图5.6移动机器人差速转向测试

(2)车体右侧转向

当操纵杆Y向没有偏移,仅X向偏移时,可实现车体的原地零半径转向。图 5.7给出了车体原地转向的过程。

图5.7车体原地转向(向左转向)

沈阳理工大学硕士学位论文

5.3传感器测试
将传感器的采样周期设置为2s,通过查看VB窗口可清楚的看到当前的温 度、湿度数据。数据采集结束之后利用EXCEL软件生成温湿度曲线。生成的温湿
度曲线如图5.8所示。

温湿度曲线
50 45 ,、40 80


;I


..÷





≤.-温度麴线、i一


75 70






j二

萎o≤≥摄度鞠咎




籍35
30 25 20

}¨j≯飘i;妻ii i蠹≤
≥●■




65簧
60 55 50

1一一一一…i—l。、||||:,一


I|||

一。




。111?IIltlIIIltIIlllIllllIIlIIIIIIlIIII?IIIIIIIlflIIlllIIIIIIl{|lllIIllII?IIlI|tIIIIjlIl|







13 17 21 25 29 33 31r 41 45 49 53 57 61 65 69 73 7了81 85

采样点
图5.8温度、湿度曲线

5.4网络摄像机测试
在进行现场视频采集的实验中,使用两台网络摄像机代替网络视频服务器。
网络摄像机的视频图像如图5.9所示。

图5.9网络摄像机监控界面

5.5本章小结
本章对移动机器人的硬件和软件控制系统进行了联机测试试验,试验主要包 括:IS一485与CAN通信协议的转换试验、移动机器人初步的运动测试,即直线运
-64-

第5章移动机器人控制系统实验研究

动与差速转弯试验、传感器数据采集试验、网络摄像机的功能测试以及利用操纵 杆直接完成机器人的运动控制。试验结果表明控制系统能够实现各项设计功能, 具有良好的可靠性与稳定性,实现了本移动机器人的主要功能要求。

沈阳理工大学硕士学位论文

结论

本文以国家科技支撑计划项目“灾害应急救援系列装备研制”课题为背景, 针对移动机器人控制系统的实时性、连续性、可靠性、高精度等要求,并根据课 题研究的实际需要,从体系结构、控制方案、硬件系统、软件系统几个方面进行 分析,完成了以PLC为车体控制器的移动机器人控制系统硬件与软件设计,并进 行了相关试验。本文的主要工作和成果如下: l、本文设计的以现场总线及以太网为基础的控制系统通讯网络能够实现RS一 485通信、CAN总线通信及以太网通信三者之间的自由、透明转换,实现了移动 机器人控制系统多种类型通信设备之间的无障碍数据交换,保证了通讯过程中数 据的准确性与可靠性。 2、完成基于S7—200 PLC的移动机器人控制系统设计,利用PLC控制器和 CANopen协议实现对移动机器人的控制,该系统具有硬件结构简单、控制精准、 适应性强、便于移植、能够适应恶劣的工作环境等特点,很好的满足了移动机器 人控制系统可靠性高、连续性强、精度高的要求。 3、利用VB程序设计了移动机器人控制系统的控制界面,该界面功能全面、 界面友好、交互能力强、便于现场操作人员掌握。通过该控制界面,操作者能够 对移动机器人进行实时、准确的控制,同时能够清楚掌握现场环境。 由于时间和能力有限,本文主要是侧重于实际应用与设计,对于理论知识方 面的研究相对不足,目前已经完成了移动机器入控制系统的主体搭建与调试,仍 需要进一步完善。下一步工作主要包括以下几个方面: 1、增加无线通讯功能,使上位机控制端与下位机车体分离,增加移动机器 人的活动范围。 2、设计更加有效的移动机器人局部自动控制算法,提高机器人的智能性, 最大程度降低人为干预。 3、完善虚拟视觉等反馈系统,使操作者更好的感受现场环境,进而更好的 完成控制任务。
.66.

沈阳理工大学硕士学位论文

参考文献

rL

¨

徐国华,谭民.移动机器人的发展现状及其趋势[J].机器人技术与应用,
200l,3:7—14.

rL



陈博.机器人技术的发展趋势与最新发展[J].西安教育学院学报, 2004,19(3):85-87.



王勇,朱华等.煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题[J]. 煤矿机械,2008,28(4):107-109.

rJ-rL



王楠,吴成东等.可变形灾难救援机器人控制站系统的设计与实现[J].机 器人,2011,33(1):202-207.

rL



徐皑冬,王宏等.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制,2000, 29(2):182-186.

rL 印

贾东耀,汪仁煌.工业控制网络结构的发展趋势[J].工业仪表与自动化装 置,2002(5):12-15.

rL 刀

李界家,吴成东等.计算机控制系统发展及评价[J].仪表技术与传感
器,2002,(5):24—26.

rL 踟

王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京航空航天大学出版社,
2008,2.

rL



郭宗仁,王志凯,李琰.PLC分级递阶智能控制系统的实现与应用[J].电 子学报,2002,30(4):480-483.

1∞

邬宽名.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版 社,1996.

1 I=I

余先元.高温超导磁悬浮车速度测量仪的研制[D].西南交通大学硕士学位 论文,2006:12-31.

1幻

卢文俊,冷杉等.基于Modbus协议的控制器远程监控系统[J].电力自动 化设备,2003,23(6):54-56.

1鲫

舒凯.基于MODBUS-RTU协议的PLC多路数据采集系统[J].水电自动化与
.67.

沈阳理工大学硕士学位论文

大坝检测,2008,32(2):66-69, n鲥 王义,何伟等.Modbus—RTU协议在煤矿井下变电所监控系统中的应用[J]. 煤矿机电,2012,(1):102-104. n田 黄斑斑.工程机械智能控制以太网CAN总线转换器设计[D].武汉科技大学 硕士学位论文,201 1,1-44.
n胡

王建锋.基于CAN总线的蓄电池组智能在线监测系统[D].大连海事大学硕 士学位论文,2006,6-33.

n死

王俊波,胥布工.CANopen协议分析与实现[J].微计算机信息,2006,
22(6-2):104-107.

n鲫

饶恰欣,胥布工等.基于CANopen的电动执行机构远程监控主站的实现 [J].计算机测量与控制,2010,18(2):373-375,

口鲫

G.Cena

and
in

A.Valenzano,

“A

protocol

for

automatic
on

node

di scovery

CANopen networks”,IEEE Transactions

Industrial

Electronics,v01.50,no.30,PP:419—430,June 2003. 砼∞
CANopen Application
Layer

and

Communication

Profile[S].CiA

Draft Standard 301,Version 4.02,February

13,2002.

隍 I=I

CANopen Framework for CANopen Managers and

Programmabl e

ChNopen
10,

Devices[S].CiA
2003.

Draft Standard 302,Version

3.3.0,October

眩幻

龚树强,潘旭东等.CAN总线在电液伺服阀性能测试系统中的应用[J].宇 航计测技术,2008,20(4):39-43.

眩∞

徐皑冬,王宏等.基于以太网的工业控制网络[J].信息与控制,2000,
29(2):182—186.

眩铂

游雪峰,文玉梅等.以太网分布式数据采集同步和实时传输研究[J].仪器
仪表学报,2006,27(4):384-379.

眩田

Hoai

Hoang.

Real—time

communication

for

industrial and

embedded

systems

using

switched

Ethernet.Parallel

Distributed

Processing 】30.

Symposium,Proceedings

18th International,2004:127一

一68?

沈阳理工大学硕士学位论文

[26]

王大猷.基于木马技术的远程控制系统设计与实现[D].重庆大学硕士学位 论文,2009,12-21.

[27]

杨灿.基于LabVIEW的汽车行驶跑偏测试系统研究开发[D].武汉理工大 学硕士学位论文,2010,31—38.

[28]

田海,崔桂梅等.西门子PLC控制网络的配置策略与应用[J].电气传动, 2010,40(1):76—79.

[29]

龙伟,聂官洪.¥7-200系列PLC和PC机实时通信的实现方法[J].南昌大 学学报,2002,24(2):81—83.

[30]

李剑.西门子PLC与监控计算机通信问题的研究[D].天津大学硕士学位论 文,2007,1-42.

[31]

李宁.¥7-200 PLC的自由口通信技术在电机控制中的应用[J].价值工程, 2011,30(32):24—25.

[323

王之海.数字化印刷设备接口技术开发[D].北京工业大学硕士学位论 文,2008,6—33.

[333

黄丽娥.网口虚拟串口通信技术的设计与实现[J].电脑知识与技术, 2013,9(14):3245—3252.

[34]

沈斌,秦宪礼等.基于虚拟串口技术的CAN—bus总线在煤矿通讯中的应用 研究[J].煤炭技术,2008,27(12):29—31.

[353

田娟娟,蔡光起等.基于VB的PC机与S7-200PLC自由口通信的实现及应 用[J].机械设计与制造,2006,(7):115—117.

[363

李双科,吴记群.VB下利用MScomm实现计算机与PLC的串行通信[J].电 气传动自动化,2006,28(3):43—45.

沈阳理工大学硕士学位论文

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

[1]李艳杰,马岩,钟华等.一种欠驱动移动机器人运动模式分析.自动化与仪表.

沈阳理工大学硕士学位论文





本文是在李艳杰老师和钟华老师的悉心指导下完成的,在整个硕士学习过程 中得到了二位老师的大力支持。 正是在李艳杰老师的帮助下,使我有机会在自动化研究所学习。李老师的治 学精神和工作态度深深的影响了我,李老师在学习与生活上都给予我莫大的帮 助。在此,对李艳杰老师对我学业的指导和生活上的关心表示衷心的感谢! 三年的研究生生活中,我得到了钟华老师悉心的指导和帮助,钟老师渊博的 知识、丰富的实践经验、平易近人的态度以及严谨求实的科研态度都深深的感染 了我。钟华老师为我提供了良好的实验平台和科研环境,大大提高了我的动手实 践能力。在钟老师的悉心指导和启发下,我顺利的完成了学位论文。师恩难忘, 在此,向钟华老师致以最衷心的感谢和最崇高的敬意! 感谢中国科学院沈阳自动化研究所的吴镇炜研究员,感谢吴老师给我提供的 在研究所学习、实践的机会,并在学习过程中给了我很大的帮助。 感谢自动化研究所为我提供的良好实践机会,通过在研究所的学习使我有机 会接触到自动化控制的相关理论知识,并将理论内容应用到实际的研究课题中, 更加具有现实意义。 感谢实验室的各位同学,三年的时间里正是由于你们的陪伴使我的研究生生 活变得更加的充实,从你们的身上我也学到了很多。 感谢实验室各位老师的支持和帮助,通过与他们的交流开阔了视野、增加了 知识面,在课题研究过程中他们给了我很多宝贵的建议和启发。 感谢为我的成长付出了大量心血的父母,感谢家人在我的学习生活中提供的 无微不至的关怀和支持! 谨以此文献给所有关心和帮助过我的老师、家人、同学和朋友!

基于PLC的移动机器人控制系统研究与开发
作者: 学位授予单位: 马岩 沈阳理工大学

引用本文格式:马岩 基于PLC的移动机器人控制系统研究与开发[学位论文]硕士 2014


相关文章:
机器人开题报告
人运动控制系统移动机器人运行的基础,能够服务于移动机器人研究的通用开发平台...北京:电子工业出版社,2007 [6]宋伯生.plc 编程实用指南[m].北京:机械工业出版...
移动机器人运动控制研究综述
让机器人本身具有安全移动的功能,要使其安全移动,首要的是明确其 自身的位置,基于此目标,我们在研究的过程中要解决好这一问题,改进完善移动机器人运 动控制系统。...
基于PLC的焊接机器人控制系统设计
扬州大学广陵学院 本科生毕业设计 毕业设计题目基于 PLC 的焊接机器人控制系统设计学生姓名专班业级 指导教师完成日期 扬州大学本科生毕业设计(论文) 摘 要 焊接...
一种轮式移动机器人控制系统设计与实现
一种轮式移动机器人控制系统设计与实现_电子/电路_...( 4) 控制系统的开发技术。重点研究开放式、模块化...移动机器人总体结构相对简介,主体部分是基于圆形底座...
浅谈机器人智能控制研究
其基本思想是用机器模拟人对系统的控制,就是在被 ...分的要求也越来越高,开发具有智能机器人已经成为...以及 移动机器人路径规划等各个领域都得到了广泛的...
基于PLC控制的机械手系统控制毕业设计论文开题报告_图文
基于PLC控制的机械手系统控制毕业设计论文开题报告_工...随着工业机器手(机械人) 研究制造和应用的扩大, ...移动机械手控制研究发展[J].机器人,2009,2(5):1...
基于PLC电机控制系统设计
基于PLC电机控制系统设计_电子/电路_工程科技_专业资料...移动电站 ,自动化装备用伺服系统及电机 ,航空航天用...机器人用高调速比稀土永磁伺服电机 ,计算机用高精度...
机器人毕业论文-开题报告-初稿-定稿
人运动控制系统移动机器人运行的基础,能够服务 于移动机器人研究的通用开发平台...北京:电子工业出版社,2007 [6]宋伯生.PLC 编程实用指南[M].北京:机械工业出版...
智能机器人开题报告
人运动控制系统移动机器人运行的基 础,能够服务于移动机器人研究的通用开发...北京:电子工业出版社, 2007 [6] 宋伯生 .PLC 编程实用指南 [M]. 北京 :...
机器人的控制系统与仿真 开题报告
遍及工业、国防、宇宙空间、海洋 开发、医疗康复等...控制、人工智能等)的研究成 果应用到机器人控制系统...[13] 刘天孚﹒基于遗传算法的移动机器人路径规划[J...
更多相关标签:
机器人plc控制系统 | plc控制机器人程序 | 工业机器人用plc控制 | plc控制机器人 | plc怎么控制机器人 | 工业机器人控制器plc | 机器人控制系统 | 工业机器人控制系统 |