基于PLC轮式移动机器人电气系统设计

1 移动机器人简介

本文研究的移动机器人属于四轮底盘式结构移动机器人。目前应用较为广泛的全向轮底盘方案为麦克纳姆轮底盘,其结构如图1所示。这种底盘方案结构较简单,而且全向轮具有灵活的旋转特性、水平面上360°的全向性等特点。但是,它也有一定的缺点和局限性,全向轮的结构是由多个小辊子围绕水平旋转轴安装而成,这种机械结构对地面清洁程度要求较高,限制了其不适合在环境较恶劣的室外环境中运行,并且全向轮的越障功能不甚理想。
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
本文设计的移动机器人可以在室外进行自由移动,应用环境为室外较平坦地形,提出了一种四轮独立驱动独立转向的底盘结构方案,即四个伺服电机独立转向和四个轮毂电机独立驱动。该轮式移动机器人底盘主要由驱动机构和转向机构组成,机器人框架所用材料是铝型材,该结构分为三层,该三层安装是利用累加方式进行叠加,这样既能保证拥有足够的空间,又极大地提高了系统稳定性。这里框架三层结构分为:上层电脑与摄像装置:中层传感器、控制器、电机;下层电源。机械结构示意图如图2所示。
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
1.1 驱动机构

底盘机构采用4个轮毅电机独立驱动,独立悬挂结构,成矩形对称分布,这里在轮毅电机的双侧位置还装有一定的弹簧减震装置,目的是为了抑制城区道路不平整带来的冲击与震荡。

1.2 转向机构

为了提高移动机器人的转向能力,本论文设计了一种一体化车轮总成构成移动机器人的转向机构。该机器人的转向运动是通过伺服电机控制(每个车轮都有一个伺服电机,这里有四个伺服电机),车轮在进行转向运动时,首先伺服电机通过谐波减速器进行减速比为100的车轮转向运动,车轮转向范围在土90°之间。这里为了保证底盘机构与车体能有效连接,减速器外部还有个嵌套支架,使得两者之间能紧密相连。

2 移动机器人控制系统

全向移动机器人的控制系统主要由底层控制器和上位机组成。底层控制器为西门子S7-1200系列PLC,包括CPU和扩展模块,用于进行I0控制、编码器数据采集和电机控制等。上位机使用笔记本电脑,一方面用于采集摄像头图像,另一方面与PLC进行通信。PLC程序编程和上位机监控程序开发的环境分别为TIAPortal V12和VisualC++6.0。图3为全向移动机器人控制系统硬件结构图。
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
本文研究的移动机器人包括三种运动模式:在遥控模式下,可以通过遥控手柄实现对机器人的前进,后退,左转,右转等动作的粗略控制:在手动模式下,可以通过手持脉冲发生器控制移动机器人的全向运动:当移动机器人低速运行在自主模式下时,自主避障和自主导航方面可以满足一般不太复杂环境下的运动控制的要求。

3 移动机器人电气系统设计

在对轮式全向移动机器人控制系统硬件进行选型以后,根据移动机器人的硬件组成进行电气控制系统设计。该移动机器人电气控制系统主要由如下三部分组成:主电路控制电路、伺服驱动系统电路和PLC控制系统电路。移动机器人控制系统主电路主要由PLC与继电器实现智能联动控制,具体控制原理如下:继电器线圈有电,会使得继电器原先常开触头闭合,常闭触头打开。控制电路工作过程中,其继电器线圈承载的工作电压为24V,线圈的一端与PLC输出端相连,另一端与负载电源相连,通过PLC输出端数字量通断状态进而实现继电器线圈通断,最终实现继电器所控元器件通断。

3.1 伺服系统驱动电路

松下伺服电机驱动器有位置模式、速度模式、力矩模式三种控制模式。其中位置模式被应用于精密定位的场合速度模式多应用于精密速度控制的场合,例如CNC加工。力矩模式多应用于需要控制扭力的环境,如印刷机就是应用的伺服电机等。本文设计的移动机器人控制系统中,由PLC控制的转向伺服电机采用位置控制模式,以满足不同运动模式下的精度要求。

对于伺服电机的控制,主要是指PLC高速脉冲输出端口向伺服驱动器发送PTO命令,即脉冲和方向信号,从而控制伺服电机运动,同时电机首带的编码器将电机运行的情况即A相、B相和Z相信号实时反馈给PLC的高速计数器端。

根据移动机器人控制系统的功能要求,伺服驱动器的CN1接口中将L1、L2、L3接入220VAC电源为驱动器提供工作电源;CN3接口与伺服电机电源线相连,为伺服电机供电:控制信号插头CN5的引脚连接是驱动器的重要部分,本文设计的系统只用了50个端子中的14个,具体接线原理见图4。图中的T-H指TTL-HTL-06(编码器信号转换器)。该驱动器支持串口通信,通过笔记本电脑对驱动器进行参数等设置。
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
电机的编码器与驱动器的连线如图5所示,本系统的伺服电机自带的编码器是5线制增量式编码器,伺服电机转动一圈,编码器发出10000个计数脉冲和1个复位脉冲,这些脉冲作为PLC高速计数器的输入,通过PLC的程序算法来判断伺服电机的运行精确度,以此形成的闭环控制提高了系统的控制精度。该编码器输出的反馈脉冲是NPN型差分信号,而S7-1200PLC的输入端口只能接收PNP型集电极信号,所以本设计中采用一种信号转换器TTL-HTL-06(差分信号转集电极信号),将伺服编码器的输出信号转换成标准的PLC高速计数信号。该编码器信号转换器在输入和输出之间采用高速光祸隔离,具有很好的抗干扰性。
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
编码器的反馈对系统的实时监测至关重要,伺服电机的报警也大多出自于编码器的连接和运行错误,所以其连接状况是否良好直接关系到移动机器人系统的运行结果。

3.2 电源电路设计

对全向移动机器人的控制系统硬件选型确定后,需要对其电气系统进行设计,在设计的时候应考虑:安全性、经济性、可行性、外观及维修的方便性等。

电源电路是指全向移动机器人的动力电路以及控制电路,主要包括:控制电路、电源电路、PLC电源的开关电路以及动力电源转换回路,动力电源电路如图6和7所示。控制系统主电源由空气开关控制,PLC电源通断由启动按钮1和继电器KA3控制。电源锁旋钮与启动按钮串联,当电源锁旋钮和启动按钮闭合,KA1~KA3线圈得电,KA3常开触点闭合,与启动按钮构成起一保一停控制回路,PLC得电后开始循环扫描。
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计

基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
3.3 全向移动机器人功能和性能参数

轮式全向移动机器人系统的通信功能和信息采集功能都是通过底层控制器来实现的,通信功能是通过S7-1200的两个PROFINET接口分别与上位机或其他设备用普通网线相连实现,这里其他设备可以是另一个PLC的CPU,如此可以为将来的功能扩展预留了途径;系统实现信息处理功能需要很多不同的数据,如电机编码器反馈的脉冲信息,底层控制器对收集到的信息数据进行整合,为控制机器人的自主或半自主运动提供数据依据。

本文设计的8个电机组成的底盘系统具有复杂度高和自由度高的特点,应用范围也很广,主要参数如表1所示。
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
4 结语

本文根据轮式全向移动机器人的运行环境和控制功能要求。首先介绍了其机械结构组成和控制系统框架;然后根据整个系统的功能要求,完成了控制系统的硬件选型,包括底层控制器的选型和控制系统的资源配置;同时根据使用环境和功能要求介绍了电源系统的选型以及电源转换。最后,介绍了电气系统的部分设计,包括伺服驱动系统电路和供电系统的电路规划。

基于PLC轮式移动机器人电气系统设计-AGV吧
基于PLC轮式移动机器人电气系统设计
此内容为付费资源,请付费后查看
20积分
付费资源
© 版权声明
THE END
喜欢就支持一下吧
点赞14赞赏 分享
评论 抢沙发

请登录后发表评论

    暂无评论内容