楊海軍 呂運(yùn)昌

洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南省 洛陽(yáng)市 471023

騰控PLC在RoboCup水下采礦機(jī)器人競(jìng)賽中的應(yīng)用

楊海軍 呂運(yùn)昌

洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程系，河南省 洛陽(yáng)市 471023

水下采礦機(jī)器人是一種可以在水下移動(dòng),通過遙控或自主操作方式使用聲、光、電、機(jī)械等設(shè)備代替或輔助人類進(jìn)行水下作業(yè)的裝置。在海底采礦、探測(cè)水文環(huán)境時(shí)，由于水下環(huán)境危險(xiǎn)惡劣，人類無(wú)法安全地進(jìn)行作業(yè)，采用水下機(jī)器人，可以使人類探測(cè)到水壓較大的深水區(qū)域，可以通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得人工探測(cè)無(wú)法采集到的數(shù)據(jù)，因此，水下機(jī)器人已成為探測(cè)、開發(fā)海洋資源的重要工具。在RoboCup水下采礦機(jī)器人競(jìng)賽中，采用單片機(jī)作為機(jī)器人主控芯片無(wú)法穩(wěn)定可靠地控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)并準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)物，而采用PLC作為控制器，機(jī)器人響應(yīng)迅速，可準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)物并向其運(yùn)動(dòng)，可較好的滿足競(jìng)賽要求。水下采礦機(jī)器人控制系統(tǒng)以騰控PLC作為下位機(jī)控制器，以固態(tài)繼電器和可調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器作為機(jī)械手臂和推進(jìn)裝置的驅(qū)動(dòng)器，以耐高水壓型水下攝像頭作為圖像采集模塊，以VB編制的控制軟件構(gòu)建上位機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)將水下狀況顯示在上位機(jī)?？蓪?shí)現(xiàn)自動(dòng)狀態(tài)時(shí)自動(dòng)尋找目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后控制機(jī)器人移動(dòng)至適當(dāng)位置抓取目標(biāo)物，手動(dòng)狀態(tài)時(shí)可通過后臺(tái)實(shí)時(shí)控制進(jìn)行水下全景觀察，調(diào)整機(jī)器人水下姿態(tài)以及手動(dòng)抓取、放置目標(biāo)物。

引言

水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn)，人的潛水深度有限，采用水下機(jī)器人，可以使人類探測(cè)到水壓較大的深水水域，并且可以通過各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備獲得人工探測(cè)無(wú)法采集到的數(shù)據(jù)，因此水下機(jī)器人已成為探測(cè)開發(fā)海洋的重要工具[1]。

國(guó)外水下機(jī)器人研究發(fā)展：從1953年至1974年為水下機(jī)器人早期發(fā)展階段，主要進(jìn)行潛水器的研制和早期的開發(fā)工作。從1975年至1985年為水下機(jī)器人大發(fā)展時(shí)期，海洋石油和天然氣開發(fā)的需要,推動(dòng)了水下機(jī)器人理論和應(yīng)用的研究,水下機(jī)器人的數(shù)量和種類都有顯著地增長(zhǎng)。從1985年至今，隨著計(jì)算機(jī)及各種傳感器等設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用，水下機(jī)器人逐漸走向機(jī)電一體化和自治化。

國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顟B(tài)：80年代以來(lái)，中國(guó)也開展了水下機(jī)器人的研究和開發(fā)，主要研究院所有中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和哈爾濱工程大學(xué)等。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制開發(fā)了工作水深1000m的“探索者”號(hào)無(wú)纜水下機(jī)器人，1994年完成海試。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所通過與俄羅斯合作，共同開發(fā)了觀察型、預(yù)編程控制的“CR-01”無(wú)纜水下機(jī)器人，工作水深為6000m。該機(jī)器人完成了太平洋深海的考察工作，達(dá)到了實(shí)用水平，可進(jìn)行海底地形地貌勘測(cè)，海底淺地層剖面測(cè)量及海洋要素測(cè)量。

我國(guó)擁有299.7萬(wàn)平方公里的海域以及18000公里海岸線，如此廣闊的海域蘊(yùn)含著豐富的生物、能源、礦產(chǎn)等資源，因此，海洋合理有效的開發(fā)，對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展有著巨大的支撐與推動(dòng)作用[2]。在中國(guó)機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽水下采礦機(jī)器人比賽中，采用騰控T-910 PLC作為水下機(jī)器人下位機(jī)控制系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)上位機(jī)的控制指令，轉(zhuǎn)向、上浮、下潛、識(shí)別和夾取目標(biāo)物等動(dòng)作均流暢地實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定、迅速地完成了各個(gè)比賽科目。

1 水下采礦機(jī)器人控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)主要由水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、上位機(jī)下位機(jī)通信軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和視頻傳輸系統(tǒng)組成。水下機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示：

圖 1 水下機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

2 水下采礦機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水下采礦機(jī)器人主要有前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)向、上浮和下潛以及機(jī)械手臂的夾持、松開等運(yùn)動(dòng)。升潛和機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)采用24V大功率直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)，PLC通過直流固態(tài)繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)，PLC控制端子所需驅(qū)動(dòng)電流小且固態(tài)繼電器具有隔離作用，不影響PLC的正常工作[3]。通過將四個(gè)直流固態(tài)繼電器接成橋式驅(qū)動(dòng)，僅需要兩位輸出便可方便改變電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向并具有反向停止作用。左翼和右翼推進(jìn)器采用專用模擬量控制器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可通過模擬量輸出實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，當(dāng)其方向端口為高電平時(shí)正轉(zhuǎn)，為低電平時(shí)反轉(zhuǎn)，換向方便、靈活。IO地址分配如表1所示。

表1 PLC IO地址分配表

3 上位機(jī)下位機(jī)通信軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖 2 水下采礦機(jī)器人上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制界面

根據(jù)水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度要求及騰控T910系列PLC通信資源，選擇通訊方式為RS232串口通信，使用COM2端口，波特率為19200，數(shù)據(jù)為8位，停止位為1位，2位CRC校驗(yàn)。在T910上編寫相關(guān)串口通信發(fā)送、接收中斷程序和動(dòng)作執(zhí)行程序，當(dāng)下位機(jī)收到上位機(jī)控制碼時(shí)，立即檢測(cè)當(dāng)前動(dòng)作狀態(tài)并執(zhí)行上位機(jī)命令[4]。在計(jì)算機(jī)上采用VB編寫上位機(jī)發(fā)送、接收程序，采用按鍵檢測(cè)方式和點(diǎn)擊按鈕方式進(jìn)行控制，例如檢測(cè)W鍵作為發(fā)送“前進(jìn)”代碼的觸發(fā)按鍵，點(diǎn)擊前進(jìn)按鈕也可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)動(dòng)作。上位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制界面如圖2所示。

4 視頻傳輸系統(tǒng)及目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻傳輸系統(tǒng)采用穩(wěn)定可靠的有線方式，其傳輸穩(wěn)定、可靠，可以在上位機(jī)PC控制界面清楚的顯示水下采礦機(jī)器人所處的環(huán)境狀況。當(dāng)工作的水中含有較多雜質(zhì)，光線通透性不強(qiáng)時(shí)需要使用探照燈進(jìn)行照明。

在自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別模式下，通過掃描圖像每個(gè)位置的RGB值并將其和目標(biāo)物的RGB數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，在一定范圍內(nèi)如果滿足要求，則將此點(diǎn)定位目標(biāo)物的一部分。通過對(duì)全部圖像信息的掃描，即可求出目標(biāo)物輪廓并計(jì)算出其中心位置，進(jìn)而和水下機(jī)器人前進(jìn)方向進(jìn)行對(duì)比，判斷需要改變的航向和速度，自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物并向其前進(jìn)。圖3為自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別模式下的工作畫面。

圖 3 自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別模式下的工作界面（紅色物體為目標(biāo)物）

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用北京騰控T910系列PLC，通過COM 2 RS232串口穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)和下位機(jī)的通訊及動(dòng)作控制，采用水下攝像頭和探照燈照明方式將水下作業(yè)環(huán)境清晰、穩(wěn)定地顯示在上位機(jī)PC控制端。在環(huán)境探測(cè)方面，工作人員可在PC端觀測(cè)水下作業(yè)環(huán)境，操作水下采礦機(jī)器人攜帶水文探測(cè)器等設(shè)備運(yùn)至目標(biāo)地點(diǎn)，然后放置探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)了水下采礦機(jī)器人穩(wěn)定可靠的水下作業(yè)；在RoboCup水下采礦機(jī)器人競(jìng)賽中，水下采礦機(jī)器人迅速地完成了自動(dòng)識(shí)別并接近目標(biāo)物，而后攜帶水文探測(cè)器至目標(biāo)地并將其放入指定安裝孔中，最后通過機(jī)械手收集礦石并將其放到收集裝置中，可穩(wěn)定、快速地完成競(jìng)賽。

[1]徐玉如,蘇玉民.關(guān)于發(fā)展智能水下機(jī)器人技術(shù)的思考[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008,30(4):17～21.

[2]李岳明.多功能水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

[3]徐常德,鐘金福.潛水器機(jī)電設(shè)備及系統(tǒng).上海:上海交通大學(xué)出版社,1991.

[4]馬興,童卓,周麗娟.基于VB的PC機(jī)與單片機(jī)間串口通信及程序設(shè)計(jì)[J].兵工自動(dòng)化, 2010(10).

TP 242.3

B

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.023

楊海軍，男，1976.05，碩士研究生，講師，機(jī)械電子工程專業(yè)，現(xiàn)任教于 洛陽(yáng)理工學(xué)院 畢業(yè)于太原理工大學(xué)。

機(jī)器人；控制系統(tǒng)；目標(biāo)識(shí)別；PLC