消防机器人控制系统设计

作者：徐正飞 杨汝清 许春权

欢迎访问e展厅 展厅 4 消防/救援设备展厅 灭火器, 救援设备, 应急设备, 探测器,... 摘要：ZXPJ01型消防机器人是一种集火场探测、消防以及有毒、易燃、易爆气体场所探测等多种功能于一体的遥控关节式移动机器人，这种机器人具有上下楼梯和斜坡以及跨越凸台等障碍物的功能。从硬件和软件两个方面对该机器人的控制系统进行了介绍，采用了以ICP为上位机、PLC为下位机的双层硬件结构和基于Visual C++的类结构、windows线程的多任务处理的软件系统。实验结果证明了系统的可靠性和各项性能指标满足设计要求。 关键词：消防机器人；遥控关节式移动机器人；ICP；PLC；多任务 1 引言 目前，由于移动机器人具有优越的机动性和灵活性而倍受亲睐，并在许多场合投入实际应用。主要用于核工业检测，消防，火场探测，有毒、易燃、易爆气体场所探测，森林探测，采矿，星球探测及无人战场等。为了适应不同环境下的应用，移动机器人的移动载体、控制系统硬件和软件结构也不相同。因为受能源系统，体积结构的限制，稳定性和安全性的要求，上述用于不同场合的机器人通常只具有某一单项功能。由于实际应用的需要，上海交通大学机器人研究所和上海消防所承接国家863项目“消防机器人”，联合研制开发了一种集火场探测，消防，有毒、易燃、易爆气体场所探测等多种功能于一体的消防机器人ZXPJ01型消防机器人。 消防机器人是一种有缆遥控关节式移动机器人。其电源通过电缆传输，因此能源不是问题，关节摆臂除了能够辅助越障外，还能够提高它的稳定性。另外，我们采用专家决策辅助系统协调操作员进行控制，大大提高了其操纵性和安全性。由于其操作控制复杂，系统控制电路、控制软件设计也相对比较复杂。本文介绍了它的控制系统，包括硬件系统和软件系统的设计。 2 控制系统硬件设计 ZXPJ01消防机器人控制系统硬件主要由上位机和下位机两部分组成，分别以ICP(工控机)和PLC(可编程逻辑控制器)为控制核心。其结构框图如图1所示。 2.1 上位机 上位机负责采样操纵杆的模拟信号和控制台控制按钮的状态信息。操纵杆有两个正交的电位器，分别用来测量x、y方向上的电压信号。该信号经过A/D转换，通过转接板、DI（数字信号输入）板传送给上位机（ICP-工控机）。上位机读取该数字信号，并由此计算机器人左右驱动轮的行驶速度，通过串行通讯将它传送到下位机（PLC可编程逻辑控制器）控制变频器的频率设定，选择输入点来控制移动载体的行驶速度。左右轮的速度控制参数由下式计算： 式中：Jv、Jh———分别为操纵杆横向和纵向电位器电势测量值。 Vl、Vr———分别为左右驱动轮的速度，符号为正表示正转，为负表示反转。 最后将速度分为四档，控制变频器的频率设定选择。通过左右驱动轮的正反转和不同的速度档控制移动载体的前进、后退和左右转向。上位机根据操纵杆的采样值计算出移动载体的行驶速度，和对其它信号采样结果进行处理，避免有冲突的操作发生。控制台操作面板主要是控制四个摆臂、水炮的运动、CCD的调焦和变焦、喷雾和正压以及探测控制。 2.2 下位机 下位机主要由S7-CPU214、三个数字量输出模块EM222、一个模拟量输入模块EM231（输入点数为3，模数转换时间为25us），2个变频器、探测传感器，采样控制模块以及电源系统等组成。CPU214作为下位机的控制核心，主要是存储和运行控制程序、与上位机以及扩展模块之间的通讯和控制左右驱动轮的速度。我们将变频器的参数设定为4速模式，具有制动启动和停车功能，防止在斜面上行进时出现失控现象和频繁紧急启、停车对机械系统造成损坏。利用上位机发送的速度信号控制变频器的频率设定选择实现移动载体的速度控制。DLKG模块为多输入三输出模块，由采样控制模块来控制选通传感器输入。因为EM231只具有3路A/D转换，而需要采样的传感器信号有16路，因此要对这16路信号进行循环采样。 2.3上、下位机通讯 上、下位机的信息通过串行通讯来进行通讯。上位机的通讯口为ICP的COM1口，通讯协议为RS232通讯，其通讯距离较短，而消防机器人的遥控距离最远为150m，另外，PLC的通讯协议采用的是RS485通讯，我们选用PPI通讯方式，为此选用RS232/PPI转换模块。 2.4 抗干扰设计 由于工作现场具有严重的电磁干扰源，并且消防机器人有大功率变频器，电机等电感性负载；另外，通讯线和动力电源电缆共用一根电缆，这些都会给PLC和上、下位机通讯的正常工作造成严重的电磁干扰。而且，消防机器人具有严格的防爆要求，整个消防机器人工作单元不得有任何接地。因此，在硬件设计中系统的抗电磁干扰设计是个非常重要的环节，设计不好将会使整个系统无法正常工作。 下位机的所有数字量和模拟量输入均采用电磁屏蔽和光电隔离技术，输出采用继电器控制。电机和变频器跟/".和扩展模块的距离大于0.5m。变频器的输入、输出采用屏蔽线，单端接地。移动载体中的所有地通过一点与电缆中的地线相接，最后通过控制台接地。电缆的动力线单独屏蔽，与控制台接地；通讯线采用屏蔽双绞线，屏蔽线一端与控制台接地，这样能够很好地抑制磁场干扰和电场干扰。 3 控制系统软件设计 传统的编程方法实际上是序列控制，因为程序的执行是顺序的，在任何时候只有一个任务能够响应，这无法真正实现实时控制的要求。上位机控制软件运用Visual C++5.0编程。VC具有许多优点适合于机器人控制系统软件编程。首先是它的类结构特征。各个控制模块用一个类结构来表述，这样便于数据结构的管理，使模块具有完整性，便于调试和程序的修改。对某一模块的结构进行修改不会影响系统的其它模块的结构和功能，大大缩短了软件的开发周期。其次是它的windows线程的多任务处理特性。线程之间通信，包括与主程序的通信使用Windows消息和事件对象。这样可以实现控制系统的准并行分布式控制。还有它的强大的视图、文档和数据库功能，便于编制图形用户接口和文档、视图及数据的管理。 控制系统程序结构框图如图2所示。线程1主要监测机器人在运行过程中的姿态：前后四个摆臂的摆角，车体的侧倾角和俯仰角，以及速度和传感器检测的结果。线程2的控制台监测主要检测控制台操纵杆和各控制按钮的开关状态。线程3负责上位机的通信，将上位机的控制参数向下发送到下位机和接收下位机传送的数据，并进行数字滤波处理。线程4主要处理如通信中断，车体严重倾斜或俯仰有可能造成失控或翻落等事故时的紧急、危险情况。线程5的专家系统辅助决策，主要根据传感器信息提示操作员执行正确的操作。 下位机接收上位机的控制命令控制PLC和扩展模块的I/O点状态。程序流程图如图3所示。通信采用中断方式，这样可以缩短程序执行周期，提高响应速度。 4 结论 ZXPJ01消防机器人采用ICP和PLC作为上、下位机的控制核心单元，上位机采用Visual C++5.0的类结构和Windows线程的多任务处理实现控制软件模块化编程和准并行分布式控制。采用专家系统辅助决策提高了系统的安全性和减轻了操作员的劳动强度。行驶实验证明系统的各项性能指标达到设计要求，通过了863专家组的验收。 参考文献 [1] 卢桂章.八六三计划智能机器人研究进展［J］.机器人技术及应用，1995,(1),7-9 [2] 何克忠.智能移动机器人技术研究［J］.机器人技术及应用1996,(2):11-13. [3] 寒芯.日本消防机器人［J］.机器人技术及应用，1997，(1):10-11. [4] Yoshioka.Developing robots for fire-fighting-the Japanese experience[J].Fire International,1992:35-36. [5] Brodshaw A.The U.K.security and fire fighting advanced robot projecting[J].IEEE Colloquium on Adaanced Robotic Initiatives in the U.K, 1991:1-4. [6] 殷光伟.可编程序控制器的抗干扰措施［J］.沈阳工业大学学报，1999,21(5). [7] 孟传良.工控系统的通信抗干扰技术［J］.贵州工业大学学报，1999,(1). (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/12/2005)