果園除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u9231果園除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 14821.1控制系統(tǒng)整體方案 1124811.2硬件選型 2284301.2.1傳感器的選型 2101451.2.2PLC的選型 3263451.2.3模擬量模塊的選擇 4255311.2.4數(shù)字量模塊的選擇 472201.2.5電池組的選擇 423481.3驅(qū)動的選擇與電路設(shè)計(jì) 4219011.1.1行走電機(jī)驅(qū)動選擇 5295071.1.2轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動選擇 670421.1.3推桿切換電路設(shè)計(jì) 8165881.CPU 9205522.模擬量輸出模塊 10223931.數(shù)字量輸出模塊 10178961.5可編程邏輯控制器電路 101.1控制系統(tǒng)整體方案供電電池組觸摸屏PLC控制器顯示面板直流驅(qū)動器步進(jìn)驅(qū)動器推桿控制器傳感器組電池檢測行走電機(jī)轉(zhuǎn)向電機(jī)機(jī)機(jī)推桿電機(jī)圖3-1控制系統(tǒng)整體方案此次設(shè)計(jì)的是以PLC為控制核心構(gòu)建的整個控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)要控制相應(yīng)的器件，需要先將相應(yīng)傳感器的信號檢測出來并傳給控制器，這樣控制器就可以做出相應(yīng)的判斷，并由程序控制其輸出相應(yīng)功能的控制信號到不同的驅(qū)動器，控制信號發(fā)送給直流驅(qū)動器并被接收之后向行走電機(jī)發(fā)出控制命令，控制除草機(jī)器人的前向運(yùn)動；轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇的是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)需要步進(jìn)驅(qū)動器來控制，步進(jìn)驅(qū)動器接收來自控制器的電脈沖信號后，就會驅(qū)動所控制的步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動對應(yīng)的角度，實(shí)現(xiàn)了脈沖信號向運(yùn)動量的一個轉(zhuǎn)化；通過控制電動推桿可以實(shí)現(xiàn)除草機(jī)器人除草裝置的升降以及除草過程中的避障操作；最終達(dá)到PLC控制機(jī)器人運(yùn)動的目的。1.2硬件選型1.2.1傳感器的選型1.電流傳感器選擇此次課題選擇的電流傳感器型號為WCS1800霍爾電流傳感器模塊。該模塊的主要芯片為LM393運(yùn)放，工作電壓為DC5V，可預(yù)先設(shè)置限流值，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)的功能。特點(diǎn)有：①具有信號輸出指示燈；②電流檢測范圍寬DC±35AAC：25A；③電流檢測分辨率60mV/A；④輸出過流信號指示；⑤帶安裝孔，方便固件安裝。2.激光掃描儀選擇此次課題選擇激光掃描儀的型號為LiDARDelta2A，該激光掃面議自主研發(fā)了無線輸電和無線通信技術(shù)，與傳統(tǒng)的激光雷達(dá)相比具有可靠穩(wěn)定的長時間運(yùn)行能力，并且可以在二維平面的8米范圍內(nèi)進(jìn)行360°范圍內(nèi)的激光測距掃描。主要參數(shù)有：量程：0.13m～8m；掃描頻率：6.2Hz；激光功率：3mW（最大功率）；工作電壓：5V；工作電流：500mA；工作環(huán)境溫度：0～45°。1.角度傳感器選擇角速度傳感器選擇BL100-R高精度單圈絕對值角度傳感器，采用變壓器原理測角，無觸點(diǎn)、長壽命，具有其它類原理測角無可比擬的可靠性。測量范圍為0～360°、±180°，也可通過用戶單獨(dú)設(shè)定，無機(jī)械限位。工作電壓：直流5V或9～30V可選；工作溫度：-10～+70℃或-40～+85℃。1.2.2PLC的選型果園除草機(jī)器人系統(tǒng)所在的工作環(huán)境比較惡劣，對系統(tǒng)的干擾較大，所以選擇西門子PLC-200系列，其選擇的具體原因如下：該西門子200系列的PLC具有極高的可靠性；可以通過編程來實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能；它具有非常多的I/0接口單元；擴(kuò)展非常容易，外加幾個擴(kuò)展模塊就可以了；編程相比較簡單易學(xué)；價格便宜，安裝簡單，維修方便；網(wǎng)絡(luò)通信能力較強(qiáng)；因此PLC作為除草機(jī)器人控制系統(tǒng)的主控器有著不可替代的優(yōu)勢，其在保證除草機(jī)器人安全可靠運(yùn)行的前提下，能夠最大的發(fā)揮機(jī)器人的節(jié)能的效果。本次設(shè)計(jì)選用西門子S7-200PLC，其CPU主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226這幾種基本的型號。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)選取CPU226,該CPU具有24個輸入點(diǎn)和16個輸出點(diǎn)。其西門子S7-200的示意圖如圖3-2所示。圖3-2S7-200示意圖1.2.3模擬量模塊的選擇在本次設(shè)計(jì)中選擇型號為EM235模塊作為模擬量擴(kuò)展模塊，該模塊在使用中模擬量輸入通道有4個，數(shù)字量通道有2個。1.2.4數(shù)字量模塊的選擇在本次設(shè)計(jì)中電動推桿選用數(shù)字量輸出模塊，選取的型號為EM223，具有16個數(shù)字量輸出通道。1.2.5電池組的選擇電源模塊為除草機(jī)器人提供動力，是機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要前提，可以使除草機(jī)器人做到長時間且靈活的工作。因此在設(shè)計(jì)的過程中選擇一個好的電池組的重要性不言而喻，根據(jù)此次設(shè)計(jì)的要求，綜合考慮各種情況選擇容量與功率性能高的鋰電池，為除草機(jī)器人提供能源。電池組在工作時有可能會出現(xiàn)過熱情況，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)電池保護(hù)電路，以保證電池組安全、穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，因此電池組在使用的過程中要時刻的監(jiān)視它的狀況，防止過充以及過防的狀況出現(xiàn)在電池組的身上，從而保證電池組的使用壽命。1.3驅(qū)動的選擇與電路設(shè)計(jì)1.1.1行走電機(jī)驅(qū)動選擇此次課題選擇直流電機(jī)作為機(jī)器人的行走電機(jī)。直流電機(jī)相應(yīng)的控制原理：對于直流電機(jī)主要有兩種控制方式：①電樞電壓控制方式，即在定子磁場不變的情況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩；②勵磁磁場控制方式，即通過改變勵磁電流的大小來改變定子磁場強(qiáng)度，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。圖3-3直流電機(jī)示意圖此次課題選擇型號為WJZF-30的驅(qū)動器模塊作為行走電機(jī)的驅(qū)動器，該模塊在實(shí)際應(yīng)用中具有極強(qiáng)的驅(qū)動能力、抵抗外界干擾的能力也較強(qiáng)并且可以做到無極調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)。在行走電機(jī)的控制過程中，其轉(zhuǎn)速的控制主要通過EM235擴(kuò)展模塊將數(shù)字量輸出信號傳送到驅(qū)動模塊以此來實(shí)現(xiàn)該功能。行走電機(jī)的正反轉(zhuǎn)主要通過控制器的Q1.4和Q1.5的輸出端口來控制繼電器KM5和KM6的切換來完成。行走電機(jī)電路連接圖如圖3-4所示。圖3-4行走電機(jī)電路連接圖1.1.2轉(zhuǎn)向電機(jī)的驅(qū)動選擇轉(zhuǎn)向電機(jī)選擇的是二相步進(jìn)電機(jī)，其型號為57HS22，示意圖如圖3-5所示。步進(jìn)電機(jī)的控制原理：在實(shí)際應(yīng)用中步進(jìn)電動機(jī)通常采用開環(huán)控制，在實(shí)際工作中是將控制器發(fā)出的脈沖信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的角位移量。簡而言之就是在步進(jìn)電機(jī)接收到脈沖后，將輸出量的形式轉(zhuǎn)換為電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動量。當(dāng)驅(qū)動器接收來自控制器或者其他脈沖發(fā)生器的脈沖信號的時候，步進(jìn)電機(jī)就會按照轉(zhuǎn)動信號給定的方向轉(zhuǎn)動一個角度，這個角度就是“步距角”。步距角的計(jì)算公式為：步距角=180°其中P—定子繞組相數(shù)；N—轉(zhuǎn)子齒數(shù)。圖3-5步進(jìn)電機(jī)示意圖步進(jìn)電機(jī)在使用的過程中具有許多的優(yōu)點(diǎn)，例如步進(jìn)電機(jī)與其他種類的電機(jī)性比較而言，它的壽命更長，而且在使用過程中響應(yīng)的速度快，啟動與停止的響應(yīng)性能好，其調(diào)速范圍較寬，控制精度較高。步進(jìn)電機(jī)在應(yīng)用過程中不能做到直接的與交流或直流電源相連接，它需要選擇響應(yīng)的步進(jìn)驅(qū)動器來控制步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)驅(qū)動器接收到控制器發(fā)出的脈沖信號之后，驅(qū)動器就會驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按照用戶所設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，以此完成了脈沖信號量轉(zhuǎn)變成為了運(yùn)動量。在可以細(xì)分步距角的步進(jìn)驅(qū)動器發(fā)明出來之前，人們通常選用不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)對步距角的要求，但在細(xì)分驅(qū)動器發(fā)明出來之后，用戶可以通過設(shè)置驅(qū)動器上的撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)步距角的細(xì)分，從而達(dá)到改變步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)角位移的大小。此次課題選擇的步進(jìn)驅(qū)動器型號為DM542，該驅(qū)動器具有定位精度高、低速運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，采用直流24V供電，其電氣指標(biāo)如表3-1所示。CPU與驅(qū)動器的接線原理圖如圖3-1所示。表3-1驅(qū)動電氣指標(biāo)說明DM542最小值典型值最大值單位輸出電流(峰值)1.0-4.2A輸入電源電壓20VDC24VDC/36VDC50VDCV控制信號輸入電流71016mA步進(jìn)脈沖頻率0-200KHz絕緣電阻500MΩ圖3-6轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動連接原理圖1.1.3推桿切換電路設(shè)計(jì)除草機(jī)器人選用直流型電動推桿，通過控制電動推桿的前后伸縮，從而實(shí)現(xiàn)除草電機(jī)的抬升與下降以及實(shí)現(xiàn)避障動作，因此可以通過控制供電線路的正負(fù)極性來實(shí)現(xiàn)推桿的伸縮。電動推桿的控制電路如圖3-7所示。圖3-7電動推桿切換電路1.4I/0分配CPU根據(jù)對系統(tǒng)的I/O信號的分析，分配I/O端口如表3-2,3-3所示。表3-2輸入I/O分配表I/O端口功能描述I/O端口功能描述I0.0啟動按鈕I0.4轉(zhuǎn)向左極限I0.1停止按鈕I0.5轉(zhuǎn)向右極限I0.2急停按鈕I0.6轉(zhuǎn)向中位I0.3復(fù)位按鈕表3-3輸出I/O分配表I/O端口功能描述I/O端口功能描述Q0.0轉(zhuǎn)向電機(jī)脈沖信號Q1.1除草頭2Q0.1轉(zhuǎn)向電機(jī)方向信號Q1.2除草頭3Q0.2工作狀態(tài)指示燈Q1.3除草頭4Q0.3停止?fàn)顟B(tài)指示燈Q1.4左行走電機(jī)方向Q0.4復(fù)位狀態(tài)指示燈Q1.5右行走電機(jī)方向Q1.0除草頭1模擬量輸出模塊選用的EM235模擬量輸入/輸出模塊，該模塊在應(yīng)用過程中可以使用模擬量輸入通道有4個，同時可以使用的模擬量輸出通道有2個，如表3-4所示。表3-4EM235I/O輸入/輸出點(diǎn)I/O端口功能描述I/O端口功能描述AIW0電壓檢測AQW0左行走電機(jī)/模擬量AIW2左角度傳感器AQW2右行走電機(jī)/模擬量AIW4右角度傳感器1.數(shù)字量輸出模塊選用的EM223數(shù)字量擴(kuò)展模塊，以此來控制電動推桿，它在使用過程中可以使用的輸出點(diǎn)有16個，如表3-5所示。表3-5EM223I/O輸出點(diǎn)I/O端口功能描述I/O端口功能描述Q12.0左電缸1+Q12.6右電缸1+Q12.1左電缸1-Q12.7右電缸1-Q12.2左電缸2+Q11.0右電缸2+Q12.3左電缸2-Q11.1右電缸2-