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摘 要： 摘要:為降低倉儲物流的人工成本，提高物流企業的自動化水平及生產效率，以西門子SMART200PLC作為核心控制器，利用磁條進行路徑導引，采用超聲波、光電傳感器、防撞條3種傳感器構成機器人的三級安全防護系統。以昆侖通態TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏作為人機
摘要:為降低倉儲物流的人工成本，提高物流企業的自動化水平及生產效率，以西門子SMART200PLC作為核心控制器，利用磁條進行路徑導引，采用超聲波、光電傳感器、防撞條3種傳感器構成機器人的三級安全防護系統。以昆侖通態TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏作為人機交互界面。通過設計控制電路、編寫運動控制程序、編輯人機交互界面等完成移動機器人控制系統的開發。該系統能夠實現移動機器人前進、后退、直行、轉彎、調速、停車、自動運行、手動運行等功能，并且運行平穩可靠、操作簡便、安全性強，能夠很好地完成物料運送任務。
關鍵詞:移動機器人;PLC控制;控制系統;觸摸屏
0前言
隨著科學技術的飛速發展，機器人控制技術日趨成熟。移動機器人作為一種集定位導航、路徑規劃、環境感知等功能為一體的高度自動化設備[1]，廣泛應用于現代智能制造和倉儲物流系統當中。移動機器人的導引方式一般有激光導引、磁條導引、視覺導引等[2]。激光導引技術成本高、開發難度大;視覺導引技術容易受到周圍環境的影響;磁條導引具有成本較低、開發難度小、性能穩定等優點[3]。磁條導引技術需要預先在地面上貼好磁條，控制系統通過獲取地面上的磁信號進行導航。磁條導引技術更改線路方便、運行精度高，因此被廣泛應用于各類倉儲物流企業[3]。西門子S7-200SMARTPLC作為新一代的小型控制器，具有強大的通信功能、多種運動控制方式、先進的程序結構，能夠滿足多種控制需求。采用西門子SMARTPLC作為移動機器人的核心控制器對于移動機器人的研究與發展具有重要意義。
1移動機器人底盤結構
如圖1所示，移動機器人的底盤結構由4個萬向輪和2個驅動輪組成。
移動機器人矩形底盤的4個邊角各安裝1個萬向輪，起到支撐和滾動的作用，中間的兩輪為驅動輪，左右各1個。驅動輪的主要作用是驅動車子前進和轉向，兩輪獨立驅動[4]，可通過兩輪的差速運轉，實現機器人的直線運行和轉向運行[5]。底盤中間兩端分別安裝1個磁傳感器，磁傳感器實時檢測地面上的磁信號，導引機器人移動。
2移動機器人控制系統原理及硬件實現
2.1控制系統原理
移動機器人控制系統的基本要求是使系統運行可靠、精確。平穩可靠的移動機器人控制系統能夠正確地執行上位機所下達的指令，將貨物精確運送到指定地點，完成貨物的傳遞工作。此外，控制系統還應該具備較好的通信能力、擴展能力以及可靠的安全性能等。移動機器人控制系統原理如圖2所示。
該系統主要由主控制器、上位機、磁傳感器、各類安全傳感器、電機驅動器等組成。上位機主要完成運行任務的設定、功能參數的設置、運行狀態的監控等。主控制器是系統的核心部件，負責接收控制信號、運行控制程序、輸出控制命令、遠端通信等。磁傳感器將檢測到的磁信號傳送給主控制器，主控制器根據接收到的磁信號執行對應的控制算法，控制左、右驅動輪的運轉，從而控制移動機器人的運行狀態。安全傳感器相當于機器人的眼睛，負責感知運行方向上的環境狀況，并將信號傳送給主控制器，主控制器根據該信號執行對應的控制任務。
2.2控制系統硬件實現
該控制系統硬件主要由鋰電池、西門子S7-200SMARTPLC、16位磁傳感器、觸摸屏、直流無刷驅動器和電機等構成。硬件原理如圖3所示。
SMART系列ST40PLC具有三路高速脈沖輸出端口，分別是Q0.0、Q0.1和Q0.3，最高輸出頻率可達100kHz，具備脈寬調制和PTO脈沖輸出，支持絕對、相對和手動控制模式。此外，該PLC具有4種不同的參考點尋找方式，可以通過運動控制向導快速完成運動控制組態，帶有以太網和485通信接口，方便進行遠端通信[6]。16位磁傳感器磁點間距為10mm，磁場檢測距離為15～50mm，具備RS232/RS485/CAN通信功能。磁傳感器感應到磁場信號后，圖4磁傳感器安裝示意輸出開關量信號為PLC提供導引信號[7]。磁傳感器安裝在非磁性固定板上，與地面磁條垂直距離為30mm。左、右驅動輪間距為D，磁導航傳感器和驅動輪軸距離為L。傳感器安裝示意如圖4所示。
直流無刷電機驅動器具有外部電位器調速、外部模擬量調速、PWM調速等功能，還可設置加/減速時間、電機級數、開/閉環控制等。驅動器接口如圖5所示。
直流無刷電機驅動器的SPEED端口可以輸出與電機轉速對應頻率的脈沖信號，利用此端口的反饋信號可以將系統設計成帶反饋的控制模式。根據反饋的脈沖信號計算出電機的轉速，計算公式為:N=(F/P)×60/3。其中:F為輸出的脈沖頻率，P為電機的極對數。
硬件控制思路:16位傳感器將地面上的磁信號圖6占空比與轉速關系傳送給PLC，PLC對信號進行判斷，通過2個高速脈沖輸出口Q0.0和Q0.1輸出PWM脈沖信號，直流無刷電機根據PWM的占空比調整電機轉速[8]。驅動器占空比和轉速關系如圖6所示。
從圖6可以看出:當PWM的占空比為4%時，電機轉速為最高速度的4%;當PWM的占空比為100%時，電機轉速為最高速度。可見，電機轉速取決于PWM的占空比。將驅動器設置成閉環控制模式，當反饋回來的速度信息與設計值有偏差時，PLC通過調整PWM的占空比調整機器人的運行狀態。如果返回值和設計值相等，PLC將保持原有輸出，直到完成任務[9]。PLC和電機驅動器之間通過反饋形成了一個閉環控制回路[10]，采用帶有反饋環節的控制方式，提高了移動機器人運行的穩定性和精確性。
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該系統采用三級安全防護等級，其中超聲波傳感器為一級面型防護、光電傳感器為二級線型防護、防撞條為三級接觸式防護。超聲波傳感器為面型安全防護，檢測角度為120°，支持兩擋距離信號輸出，有效檢測距離為3～450cm。超聲波傳感器發出超聲波，當障礙物在有效檢測距離內時，傳感器將開關量信號傳送給主控制器PLC。光電傳感器發出紅外光束，利用物體遮擋紅外光束或反射紅外光束來判斷有無障礙物，并將信號實時傳送給主控制器。安全防撞條的工作原理是對防撞邊施加垂直壓力，使其內部導體相互接觸，導致電阻和電流信號改變。該信號會被傳送給主控制器，主控制器接收到任意一個安全傳感器發出的反饋信號都會即刻停止運行并發出警報。
3控制系統軟件編程及實現
3.1運動控制算法
移動機器人控制系統最主要的控制任務是運動控制，即通過控制算法保證機器人沿預定路線精確運行到指定地點。常見的運行路徑有直線和彎道。如圖7所示，狀態A為直線運行，狀態B為彎道運行。
根據以上分析得:控制移動機器人2個驅動輪的速度差，即可控制移動機器人的前進、后退、左轉、右轉、直行等運行狀態，保證機器人沿著預設的磁條行駛。
3.2程序設計
西門子編程軟件STEP7-Micro/WINSMART具有方便快捷的模塊化程序設計功能。模塊化程序設計有利于程序的編寫、更新和維護，是一種被廣泛使用的編程方式。移動機器人控制系統的程序設計可以分成兩大模塊:導航模塊和安全模塊。導航模塊是控制程序的重要組成部分，包括定位模塊、直行模塊、轉彎模塊、糾偏模塊等。各模塊的功能可以在子程序中實現，主程序通過調用各類子程序實現對機器人的有效控制。
機器人啟動后，控制程序需要進行初始化，包括檢測磁條是否在磁傳感器的中間、運行方向上是否有障礙物等。在滿足啟動條件的情況下，機器人開始按設定目標沿著磁條行駛。行駛過程中由于左、右輪所處地面的平整度或粗糙度不同[12]，會產生累積誤差，導致機器人偏離預定行駛軌跡，此時系統需要調用糾偏程序，保證機器人沿著預定軌跡行駛[13]。在遇到轉彎路徑時，通過調節左、右輪的速度差進行轉向。為了讓機器人轉向時能夠保持平穩，不同的轉彎半徑可以設置不同的轉彎標志位，機器人可以根據轉彎標志位調用相應的轉彎程序。機器人的安全檢測系統檢測到運行方向上有障礙物時，會將障礙信號發送給主控制器，主控制器調用安全模塊子程序，停止機器人運行并發出警報。障礙物移除后，機器人方可再次啟動，直到任務結束。具體程序流程如圖8所示。
3.3觸摸屏監控界面設計
工業觸摸屏是用戶與控制系統進行交互的窗口，完善的觸摸屏監控界面可以實現系統的工作任務設定、路徑選擇規劃、報警顯示、操作權限設置等功能[14]。
控制系統的人機交互設備采用昆侖通態TPC7062KX嵌入式一體化觸摸屏，界面開發軟件是MCGS。觸摸屏監控界面主要包括:工作任務設定界面、運動控制界面、任務管理界面等。觸摸屏通過485通信接口和PLC進行通信，將機器人的各種狀態顯示在觸摸屏的窗口上[15]，用戶可以通過觸摸屏的窗口直觀地獲取系統信息，能夠實現對系統的實時監控及各種運行參數的配置。觸摸屏監控界面如圖9所示。
4結束語
本文作者采用西門子S7-200SMARTPLC作為主控制器，昆侖通態嵌入式一體化觸摸屏作為上位機，結合直流無刷電機、磁導引傳感器、安全傳感器等電氣元器件，設計了移動機器人控制系統。通過PLC的高速脈沖輸出口對機器人左、右驅動輪進行速度控制，采用差速的方式進行轉向。同時，運用糾偏算法保證機器人沿著預定軌跡完成工作任務。該控制系統功能完善、操作簡單、穩定性強，具有一定的推廣意義。——論文作者：覃尚活，郭乾，劉穎輝，苑成友