基于PLC的爬行机器人设计

基于PLC的爬行机器人设计
吴伟健张春光*
（电子工程学院电气工程及其自动化专业）
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
1 引言
由于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。

如下图1-1是控制结构框图。

图1-1 控制结构框图
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
图2-1 PLC的I/O接线图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，
PLC的I/O接线见图2-1。

图中
的J_A VR是接到机器人驱动系
统对应的接口上，通信口
PORT0在下载完程序之后，与
信息采集系统的通信端相连。

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，图2-2
是该系统最小系统。

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。

最电子工程学院教师，教授，本文指导教师
小系统里J1、J2H和J3分别接到3个超声波测距某
块的接口上。

图2-2 信息采集系统最小系统接线图
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。

这里使用12路红外感应器，检测元分别装在机器人脚上，不断地检测。

该部分
采用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。

该部分的信号
交换端为DHT_DATA。

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
机器人驱动系统的建立，在选择单片机
方面，本系统运用A VR单片机。

A VR较高
性能、较低功耗的8位AVR微处理器，不
需要像51单片机那样的12分频。

单片机运
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。

图2-3是该系统的最小
系统接线图。

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。

A VR与PLC运用并口连接，实现PLC
把步态指令写入A VR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。

图2-3 机器人控制系统最小系统图
3 程序设计
本设计程序方面最重要的是通信的问题，下表3.1和3.2分别是PLC给信息采集系统的信号帧，和信息采集系统回复的信号帧。

建立好通信后，PLC就能查询到信息采集系统采集到机器人周围的信号。

如图3-1
是机器人查
询超声波检测障碍判断方向的程序流程图。

在这里，最终结果是PLC通过并口输出一个动作信号给机器人构架，如表3.3表示动作信号和动作一一对应的关系。

表3.1 PLC发送的信号帧
表3.2 信息采集系统的回复帧
图3-1 自动控制程序流程图
通信的着重点是设置同样的波特率，还有上述的协议，在PLC的设置通信具体如下：
LD SM0.0
MOVB 16#09, SMB30
//定义通信0口波特率、串口工作的方式等；MOVB 16#EC, SMB87
//定义通信0口的接收方面的方式等；
MOVB 16#92, SMB88
//定义通信0口接收时的开始符；
MOVB 16#A3, SMB89
//定义通信0口接收时的结束符；
MOVB 10, SMB94
//定义通信0口接收时的最大接收字符数；
MOVW 50, SMW92
//定义通信0口接收时的最大接收等待时间；
上述的SMB30的设定了通信波特率9600、自由口通信协议、8位字符、无效验码的；SMB87定义了通信口0的接收功能开、用开始符、用结束符、启用计时信息结束；SMB88定义接收信息开始符为92H；SMB89定义了接收结束符为A3H；SMB94设定了接收最大字符数为10个字符；SMW92设定接收等待时间超出而终止接收，设定值为50ms。

表3.3 动作信号和动作一一对应关系表
如图3-2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。

图3-2 主程序流程图物图
4 结论
基于PLC的爬行机器人设计，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51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A VR
开始符设备号操作命令操作数校验码结束符
开始符设备号回复指令回复数校验码结束符
动作
PLC数据
QB0 前进00000001 后退00000010 左转00000011 右转00000100 左移00000101 右移00000110 自动00000111 复位00001000
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A VR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，都迎面而解，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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串行通信及应用[M]微计算机信息，2006，22(10-2). [2] 段华，赵东标，一种新的移动机器人动态避障方法[J],应
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2006(17). [3] 沈文,詹卫前.A VR单片机C语言开发入门指导[D].电子工
业出版社2008,(32).
作者简介：吴伟健，男，淮海工学院电子工程学院电气工程及其自动化专业2014届本科毕业生。

Design of crawling robot based on PLC
Abstract：Robots are constantly being concerned, are constantly being discovered and applied. Research on robots can accelerate the development of China's science and technology, promoting advance theory. The future market demand, production foundry robots. That is great significance for national productivity and military capabilities.
Robots need to be able to perceive the outside world, on the perception of information processing, all so planning and implementing.In order to realize a robot work in unknown environment. The PLC-centered, design how to collect information around of the crawling robot, and walking crawling robot how to plan and implement. Keywords: crawling robot; around collecting information; walking
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