电力系统智能控制爬行机器人研究与设计

张勇

摘 要：机器人需要能够感知外界环境，通过处理感知信息来控制其肢体。为了实现机器人在未知环境里，智能地工作，本设计以PLC为中心，设计爬行机器人如何采集周围信息，并规划和实现其行走。以机器人构架作为机器人最基本的结构，其包含驱动控制系统；再设计信息采集系统，用于采集机器人周围环境的信息；最后设计以PLC为核心的机器人控制系统，实现机器人能通过PLC的输入口，手动控制爬行机器人，也能让机器人自动感知外界环境，对感知信号进行判断后控制机器人行走。

关键词：爬行机器人；信息周围采集；行走

中图分类号：TP231文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（b）-0000-00

1 引言

由于电力系统的特殊性，需要许多智能机器人需要根据身处的环境，而执行不同的动作。在本系统里面就设计了信息采集系统，用于采集机器人周围信息。为了让机器人的肢体根据主控信号而执行对应动作，系统配置了机器人驱动系统。

本系统以PLC为控制中心对信息采集系统和机器人构架进行控制。

1.1 信息采集系统与PLC联系的设计

PLC通过串口通信与信息采集系统取得联系。信息采集系统是一个独立的系统，信息采集系统自动地采集机器人周围信号，有3路超声波信号、有温度、湿度、12路红外传感信号。并且把采集到的信息储存起来，通过串口通信PLC可以查询到采集到的信息。

1.2 机器人驱动系统与PLC联系的设计

机器人驱动系统也是一个独立的系统，机器人驱动系统反复读取并口上的动作信号，这样PLC就可以通过并口把指定动作信号传送给机器人驱动系统，该系统根据信号的内容来发出18路PWM信号，进而驱动18个舵机，使其运动到指定的位置，每当执行完一次任务后，该系统会通过I/O口反馈一个信号。

2 系统的设计

2.1 PLC的I/O接线设计

本系统需要一个通信接口，8个数字量输出及12个数字量输入，所以选择西门子PLC S7-224CN。该可编程控制器有一个RS485通信接口，有10个数字量输入和14个数字量输出，正适合本系统。

2.2 信息采集系统的设计

信息采集系统主要工作是采集机器人周围信息。在本系统里面需要实现以下功能：

1）能采集机器人前方，左前方和右前方的障碍物信息。本系统运用3个超声波测距模块分别检测这3个方向的障碍物的距离。

2）能检测到机器人脚下是否有地面，以及机器人的脚的行进方向有避撞检测。P0口作总线，配合INFFOO_OE和INFARO_OE这两个锁存器使能端实现12路红外传感器信号的采集。

3）能感知机器人所在环境的温度和湿度。本设计测量温度使用DS18B20，而测量湿度使用的是DHT11湿度传感器。

4）能把采集信息显示出来。这里使用LCD1602实现其显示的功能。显示器数据接口接到P0口，其控制端分别接LCD1602_RW、LCD1602_RS和 LCD1602_E。

5）还需要与PLC建立通信。PLC通信口使用RS485，这里也使用RS485模块实现通信，这样便于建立通信，另外利于添加其它采集模块。具体运用RS485_RXD、RS485_TXD和RS485_COM这3个端口，另外LED_RS485用于驱动通信灯。

2.3 机器人驱动系统的设计

本系统运用AVR单片机。AVR较高性能、较低功耗的8位AVR微处理器，运行速度快才能生成稳定的PWM信号，利于舵机稳定运行，PWM信号的脉宽不稳定会直接导致舵机抖动。

舵机就是一种微型伺服型马达。它在接收周期为20ms的PWM控制信号之后，根据PWM信号占空比，在闭环控制系统里面转动到指定的角度，在本系统里应用到机器人的关节。最小系统里的M01至M18是接到18个舵机的信号端上。

AVR与PLC运用并口连接，实现PLC把步态指令写入AVR单片机，通讯并口运用单片机上的PC口。另外AVR单片机完成上一次的任务回馈一个完成动作的高电平，该电平从Finish端口输出。不用串口通信是因为并口传输速度极快，不像串口通信需要等待校验，该系统和PLC控制中心是放到一起的。

3 程序设计

如图2所示，是本设计的信息采集系统的主程序流程图。系统的启动先把显示器初始化，在显示一些在运行过程中不会改变的字符，称之为模板，这样就可以让系统在运行过程中不需要重复写不会变化的字符。接下来就是定义定时器T0和T1，T1在本系统的用于产生9.6kbp/s波特率，而T0是用来超声波测距的定时用的。上面的各方面的初始化都做好了以后，就要进入循环了，在此之前一定要先把通信打开，否则系统能采集信息，但不能被查询。

在循环体里面，就有以下几大部分：

1） 3路超声波测距的启动、检测回波、计算、存储及其显示。

2） DHT11模块的湿度采集、换算、存储和显示。

3） 读取DS18B20转换出来的温度值及计算、存储和显示。

4） 读取12红外线检测及其显示和步态的显示。

4 结论

电力系统智能爬行机器人的设计，以PLC为中心的控制系统，能收集机器人周围信息，又能控制机器人的动作。在信息采集部分，建立起以AVR单片机为核心的模块，来实现能自行采集机器人周围信息，又能让PLC通过通信口查询采集到的信息。在驱动机器人动作部分，以AVR单片机为中心的系统，通过并口接收到PLC动作指令后，自行按照程序驱动18路舵机转动到指定位置，从而实现机器人的动作，完成了设计任务，同时在机器人如何采集周围信息方面做了创新。

设计过程中最难以解决的通信问题已得以妥善处理，不足在于没有使用准确率较高的CRC校验。从AVR的编程到控制18路舵机按设计要求进行工作也是个难题，不过经过大量资料的查阅、筛选和提取，都迎刃而解，不足之处就是没有运用LABVIEW来规划步态，创造出更多的机器人动作。

参考文献

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[2] 段华，赵东标，一种新的移动机器人动态避障方法[J]，应用科学学报，2006，24（5） .