某管道巡檢智能機器人的控制系統(tǒng)設計案例分析目錄TOC\o"1-3"\h\u10855某管道巡檢智能機器人的控制系統(tǒng)設計案例分析 165871.1管道巡檢機器人控制系統(tǒng)形式 1274341.2控制系統(tǒng)硬件設計 2292591.2.1PLC控制原理圖 275611.2.2PLC控制程序設計 42871.2.3PLC控制程序仿真 7為實現(xiàn)管道巡檢機器人能夠?qū)崿F(xiàn)其巡檢功能，必須對機器人的控制系統(tǒng)有所要求?？刂葡到y(tǒng)定義整個機器人之間的關系，并協(xié)調(diào)機械結(jié)構、存儲器、運算器、以及I/O設備的相互關聯(lián)。程序的合理性直接影響機器人工作的運行效率和整體性能。圖5-1工作流程圖1.1管道巡檢機器人控制系統(tǒng)形式現(xiàn)如今機器人的主要控制系統(tǒng)結(jié)構共分為三種：集中式控制、分散式控制、分布式控制、協(xié)商式控制。通過對管道巡檢機器人性能的分析，采用分布式控制進行設計。其要點在于系統(tǒng)設計中的機器人為獨立個體，可以對自身和周圍的環(huán)境做出反應。從程序上模擬人的情緒和反應。程序的設計編寫有以下三種主流的方式，均有優(yōu)缺點，下面對其進行比較、分析：（1）PLC可編程控制器（PLC）一種具有微處理器的數(shù)字電子設備，其特點在于框圖式的編程方法比較簡單，可用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器?？芍苯訉刂破鲀?nèi)部CPU編程，通過指令及資料內(nèi)存、輸入輸出單元、電源模組、數(shù)字模擬等單元所模組化組合成。其具有程序時序性強，抗干擾能力強的特點。（2）工控機工控機（IPC）即基于PC總線的工業(yè)電腦。其價格低、質(zhì)量高、產(chǎn)量大、軟/硬件資源豐富，已被廣大的技術人員所熟悉和認可。工控機主要的組成部分為工業(yè)機箱、無源底板及可插入其上的各種板卡組成，如CPU卡、I/O卡等。并采取全鋼機殼、機卡壓條過濾網(wǎng)，雙正壓風扇等設計及EMC技術以解決工業(yè)現(xiàn)場的電磁干擾、震動、灰塵、高/低溫等問題。相對于PLC來說，工控機功能靈活，結(jié)構復雜，具有很強的控制功能。工控機作為控制設備，普遍應用在高性能上位機進行網(wǎng)絡控制系統(tǒng)調(diào)度。（3）51系列單片機51系列單片機由于問世早，多家廠商研發(fā)和批量生產(chǎn)，其質(zhì)量和產(chǎn)量得到充足保障，結(jié)構簡單、價格便宜，在很長的一段時間內(nèi)一直占有大量市場。有優(yōu)異的性價比；集成度高、體積小、有很高的可靠性；控制作用強；擴展性能好，51系列的I/O腳的設置和使用非常簡單，但51單片機大多適用于功能簡單的產(chǎn)品中，一般不具備自編程能力，功耗大，工作速度慢、抗干擾性能差，不適用與機器人復雜的控制系統(tǒng)中。1.2控制系統(tǒng)硬件設計1.2.1PLC控制原理圖對管道巡檢機器人的各項功能進行分析后，決定控制型號以及進行控制的I/O點數(shù)。本次設計需要實現(xiàn)管道巡檢機器人能夠有前進、后退、攝像頭轉(zhuǎn)動、超聲波的啟閉等的功能，在對各個單元進行編程后，其I/O點與控制對象對應表如下所示：表5-1控制點數(shù)對照表控制點數(shù)控制項目輸入I0.0程序、攝像頭、超聲波傳感器和檢測器I0.1程序停止I0.2驅(qū)動電機反饋輸入I0.3驅(qū)動電機反饋輸入I0.4攝像頭驅(qū)動電機反饋輸入I0.5攝像頭驅(qū)動電機反饋輸入I0.6超聲波設備反饋輸入I0.7超聲波設備反饋輸入輸出Q0.0攝像頭開啟Q0.1超聲波檢測設備開啟Q0.2驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)Q0.3驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)Q0.4攝像頭電機正轉(zhuǎn)Q0.5攝像頭電機反轉(zhuǎn)Q0.6超聲波增強Q0.7超聲波減弱通過PLC直連電機、驅(qū)動電機、攝像電機、傳感器等，對管道巡檢機器人進行，使其可以自主在管道內(nèi)進行巡檢，并將數(shù)據(jù)存儲起來，以供工作人員分析管道內(nèi)情況。機器人配備三塊電池，一塊為機器人的檢測單元和控制單元供電，兩塊為驅(qū)動單元供電，這樣設計的好處在于是整個系統(tǒng)更加穩(wěn)定，不會因為驅(qū)動系統(tǒng)過載所產(chǎn)生的額外功率導致控制單元和檢測單元供電不足。圖5-2PLC控制柜接線圖超聲波檢測裝置和超聲波傳感器為一體，既可以反饋管道內(nèi)的損傷又可以檢測路面的平整度和障礙，用以控制機器人。采用攝像頭和超聲波結(jié)合的檢測方式，既可以準確探傷又可以具體定位。在PLC芯片放置方面，不僅涉及到通風抗震，還要便于電路的搭建，下圖為管道巡檢機器人設備的PLC控制柜接線圖。1.2.2PLC控制程序設計在本次設計中，PLC控制系統(tǒng)對巡檢機器人的驅(qū)動電機、攝像頭電機、超聲波頻率進行控制。用以實現(xiàn)機器人的前進后退、攝像頭的轉(zhuǎn)動以及超聲波對管道的檢測。按下啟動按鈕之后，超聲波傳感器開始工作，路面足夠平整時，機器人可向前行進并實現(xiàn)后退功能，之后便依次啟動攝像頭以及超聲波檢測器。根據(jù)上文所說的I/O點數(shù)分配結(jié)合PLC流程圖，對管道巡檢機器人進行控制系統(tǒng)設計，程序如下圖所示。圖5-3PLC啟動程序網(wǎng)絡一為啟動程序，當按動啟動按鈕時，輸入信號I0.0，攝像頭、運行位、超聲波檢測儀全部啟動。圖5-4傳感信號處理程序網(wǎng)絡二用來處理超聲波傳感器反饋的信號，當程序啟動后，運行位開啟，超聲波傳感器也隨之開啟，并將傳感器反饋的信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，以方便后面程序的處理。圖5-5前進后退程序網(wǎng)絡三四為前進后退程序，程序通過互鎖來保持驅(qū)動電機的正常工作，當前進程序啟動時，需要對比超聲波傳感器反饋的信息，地面波動度低于等于12500方可繼續(xù)前進。圖5-6攝像頭控制程序攝像頭的控制程序獨立于機器人的控制程序，在管道巡檢過程中難免會因為攝像頭的攝像廣角不夠而需要攝像頭進行旋轉(zhuǎn)以便于更好的采集信息，當保持I0.0打開的同時，按下I0.4、I0.5可以實現(xiàn)攝像頭的左右旋轉(zhuǎn)，并構建自鎖保持攝像頭電機的正常運行。圖5-7超聲波檢測程序超聲波檢測器全功率運行的耗電量較高，為了保持管道巡檢機器人能夠有足夠的續(xù)航，在常態(tài)下超聲波檢測器為低功率運行，識別到管道損傷或疑似損傷時，則加大功率進行檢測。1.2.3PLC控制程序仿真為確保程序能夠正常運行，需要對整個控制程序進行模擬仿真來驗證程序的正確性，采用SiemensPLC進行軟件模擬，模擬結(jié)果如下。首先在仿真軟件中裝載程序并運行程序，按下I0.0按鈕，Q0.0、Q0.1燈亮，表示攝像頭和超聲波檢測器啟動，程序運行正常。圖5-8程序啟動再按下I0.1按鈕，燈全滅，程序終止。圖5-9程序停止之后按下I0.2按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.2亮，表示管道巡檢機器人只前進，程序運行正常。圖5-10小車前進按下I0.3按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.4亮表示管道巡檢機器人只后退，程序正常運行。圖5-11小車后退按下I0.4按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.4亮，表示程序在正常運行的同時，攝像頭向右轉(zhuǎn)向。圖5-12攝像頭右轉(zhuǎn)按下I0.5按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.5亮，表示表示程序在正常運行的同時，攝像頭向左轉(zhuǎn)向。圖5-13攝像頭左轉(zhuǎn)按下I0.6按鈕，燈Q0.0、Q0.1、Q0.6亮，表示程序在正常運行的同時，管道巡檢機器人的超聲波探測器針對某處損傷，功率增大以更加清楚的探知損傷情況。圖5-14