移动机器人控制系统设计与应用：防爆系统中的硬件与PLC控制原理详解

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    移动机器人以其优越的机动性和灵活性而受到广泛欢迎，在核工业检测、消防、火灾现场检测、有毒、易燃、易爆气体现场检测、采矿、行星检测等多种场合得到了实际应用。无人机检测。人类战场等。为了适应不同环境下的应用，移动机器人控制系统的软硬件结构也有所不同。本文涉及的移动机器人应用于防爆系统。控制系统要求具有较高的稳定性、可靠性和实时性。采用西门子S7-200系列PLC作为控制器进行控制，既经济又功能齐全。满足设计要求的有效方法。 1移动机器人控制系统硬件设计

    1.1 控制系统组成及PLG控制原理

    总控制系统采用工业计算机来控制整个系统的工作。工控机可靠、控制准确、使用方便。防爆机器人一般工作在室外环境和野外环境，工作环境恶劣。作为移动机器人，要求整个控制系统尽可能的轻。如果使用工业计算机，整个系统将不够方便和灵活。 PLC稳定性好，结构轻。采用两台PLC作为上位机和下位机，使系统轻便、灵活。根据运行控制要求，控制系统采用西门子S7-200系列PLC，可满足多种自动化控制需求。由于其设计紧凑、扩展性好、价格低廉、指令功能强大，使得整个控制系统的性价比大大提高，操作简单易行。同时，系统的可靠性、稳定性和控制精度也得到提高。有保证。控制系统结构如图1所示。

    该防爆机器人的控制系统主要由上位机和下位机组成。上位机PLC（）用于整个系统的启停控制。控制台上有一系列控制按钮。控制台将所需的机器人动作传输到上位机的PLC和上位机扩展模块（EM221）。操纵杆将电位器的位置通过PLC的扩展A/D模块（EM231）将模拟量转换为数字量，并通过上位PLC与下位PLC之间的通讯将这些数据传送给下位PLC（）。同时上位机接收下位机传来的温度、位置、角度等状态信息。为了显示这些数据，相应地选择高性价比的数码管与上位PLC连接，然后准确显示数据。防爆机器人本体上的摄像头将机器人工作现场的图像传输到控制台的监视器上，机器人的工作状态实时反映在监视器上，使操作者更容易控制动作根据实际情况选择防爆机器人。

    一方面，下位机PLC接收上位机指令，与O扩展模块（EM222）一起通过继电器组控制直流电机驱动器，控制相应的直流电机动作，完成机器人动作操作者所希望的。 ;另一方面，从工作现场采集温度、位置、角度等模拟量信号，通过模拟量扩展模块（EM231）将其模拟量转换为数字量。通过与上位PLC的通讯，将这些数据传输到上位PLC。

    1.2 数据信号传输介质

    数据信号传输介质多采用光缆和电缆。光缆传输容量大、传输距离远、抗电磁干扰能力强。但它们对安装技术要求较高，且价格相对较高。电缆作为信号传输介质，价格便宜、安装方便、数据传输准确、快速。然而，有线通信有很多局限性。例如，由于电缆的存在，整个系统不够灵活。

   

    在实际使用中，为了解决有线通信的局限性，采用无线数据传输模块来传输数据信号。无线数传模块体积小，使用方便，但数据传输误码率较高，且易受电磁干扰。这里使用的TDX-1000无线通信模块包括无线接收、发送、FSK调制方式，并采用前向纠错信道编码技术，提高数据抗突发干扰和随机干扰的能力。接口方式为5V TTL电平兼容接口，无线通信模块为半双工，通过接收和发送控制信号线实现接收/接收切换。

    2 软件系统设计

    2.1 控制系统控制流程

    控制系统的控制流程如图2所示。

    系统的控制过程为：用户将所需的机器人动作作为指令输入到控制面板，PLC对这些指令进行处理，转换成数据，发送给下位PLC；下位PLC接收到上位PLC发来的数据后，将数据转换成控制信号，控制机器人本体上的直流电机完成相应的机器人动作。同时，下位机采集传感器发送的现场信号，进行处理，转换成数据发送给上位机；上位机接收下位机发送的现场数据，并通过数码管显示数据。

    2.2 数据传输格式

    S7-200系列产品有两种通讯方式：一种是点对点通讯协议，用于S7-200与其编程器或西门子人机界面产品之间的通讯；另一种是完全对用户开放的自由口模式，用户可以根据实际系统的应用需求自行定义通信协议。该系统使用自由端口通信协议在两个PLC之间进行通信。上位机和下位机PLC之间通讯数据传输的波特率是奇校验。数据格式为1个起始位、8个数据位、1个FCS奇偶校验位和1个停止位。数据格式如图3所示。

    2.3 控制系统程序流程

   

    根据移动机器人的工作要求，确定机器人各电机工作的相互关系，绘制程序流程图，然后根据PLC输入输出的逻辑关系编写梯形图。上位机和下位机程序流程图如图4(a)和(b)所示。限于篇幅，本文不再给出各子程序的流程图。

    2.4 提高无线通信可靠性的方法

    系统中无线通信的使用还涉及到很多问题，包括：（1）无线通信的收发器切换问题； (2)无线收发模块易受电磁干扰，数据传输时误码率较高。

    使用以下方法解决出现的问题。第一：关于发送和接收切换带来的延迟。在半双工通信中，在波特率一定的情况下，系统响应时间主要取决于PLC的最大指令执行周期时间和无线收发模块的收发切换时间。 PLC的最大指令执行周期由PLC的软件系统结构决定。编程时，要充分考虑这些因素。第二：关于数据传输的稳定性和准确性。为了保证数据传输的稳定性和准确性，采用了多种方法。 (1)检查发送的每组数据的起始字节和结束字节，并采用奇校验； (2) 使用工程循环冗余校验(CRC)。该方法是对发送的数据进行校验，按字节进行异或运算，将结果作为FCS校验码与要发送的数据一起发送给下一个服务器。下位机对接收到的数据进行同样的操作，并将结果与​​FCS进行比较，判断接收到的数据是否正确； (3)另外，在收发器切换和数据传输之间插入一定的延迟。该时间比无线收发模块的收发切换时间长，容易保证数据传输的稳定性。实验证明，上述方法大大提高了通信系统的可靠性，降低了误码率，减少了潜在的故障。

    本系统采用两台PLC分别作为上位机和下位机来控制移动机器人，可以使整个系统性能稳定，操作简单，维护方便，性价比高。该系统已成功应用于防爆机器人，并在实际应用中受到好评。