騰控PLC在RoboCup水下采礦機器人競賽中的應用

楊海軍 呂運昌

洛陽理工學院機械工程系，河南省 洛陽市 471023

騰控PLC在RoboCup水下采礦機器人競賽中的應用

楊海軍 呂運昌

洛陽理工學院機械工程系，河南省 洛陽市 471023

水下采礦機器人是一種可以在水下移動,通過遙控或自主操作方式使用聲、光、電、機械等設備代替或輔助人類進行水下作業的裝置。在海底采礦、探測水文環境時，由于水下環境危險惡劣，人類無法安全地進行作業，采用水下機器人，可以使人類探測到水壓較大的深水區域，可以通過數據采集設備獲得人工探測無法采集到的數據，因此，水下機器人已成為探測、開發海洋資源的重要工具。在RoboCup水下采礦機器人競賽中，采用單片機作為機器人主控芯片無法穩定可靠地控制機器人運動并準確識別目標物，而采用PLC作為控制器，機器人響應迅速，可準確識別目標物并向其運動，可較好的滿足競賽要求。水下采礦機器人控制系統以騰控PLC作為下位機控制器，以固態繼電器和可調速電動機驅動器作為機械手臂和推進裝置的驅動器，以耐高水壓型水下攝像頭作為圖像采集模塊，以VB編制的控制軟件構建上位機控制系統，實時將水下狀況顯示在上位機。可實現自動狀態時自動尋找目標，發現目標后控制機器人移動至適當位置抓取目標物，手動狀態時可通過后臺實時控制進行水下全景觀察，調整機器人水下姿態以及手動抓取、放置目標物。

引言

水下環境惡劣危險，人的潛水深度有限，采用水下機器人，可以使人類探測到水壓較大的深水水域，并且可以通過各種數據采集設備獲得人工探測無法采集到的數據，因此水下機器人已成為探測開發海洋的重要工具[1]。

國外水下機器人研究發展：從1953年至1974年為水下機器人早期發展階段，主要進行潛水器的研制和早期的開發工作。從1975年至1985年為水下機器人大發展時期，海洋石油和天然氣開發的需要,推動了水下機器人理論和應用的研究,水下機器人的數量和種類都有顯著地增長。從1985年至今，隨著計算機及各種傳感器等設備的發展與應用，水下機器人逐漸走向機電一體化和自治化。

國內發展狀態：80年代以來，中國也開展了水下機器人的研究和開發，主要研究院所有中科院沈陽自動化研究所和哈爾濱工程大學等。中科院沈陽自動化研究所研制開發了工作水深1000m的“探索者”號無纜水下機器人，1994年完成海試。中科院沈陽自動化研究所通過與俄羅斯合作，共同開發了觀察型、預編程控制的“CR-01”無纜水下機器人，工作水深為6000m。該機器人完成了太平洋深海的考察工作，達到了實用水平，可進行海底地形地貌勘測，海底淺地層剖面測量及海洋要素測量。

我國擁有299.7萬平方公里的海域以及18000公里海岸線，如此廣闊的海域蘊含著豐富的生物、能源、礦產等資源，因此，海洋合理有效的開發，對我國經濟與社會的發展有著巨大的支撐與推動作用[2]。在中國機器人大賽暨RoboCup公開賽水下采礦機器人比賽中，采用騰控T-910 PLC作為水下機器人下位機控制系統可以快速、準確地響應上位機的控制指令，轉向、上浮、下潛、識別和夾取目標物等動作均流暢地實現，穩定、迅速地完成了各個比賽科目。

1 水下采礦機器人控制系統整體設計

整個控制系統主要由水下機器人運動控制系統、上位機下位機通信軟件系統設計和視頻傳輸系統組成。水下機器人控制系統構成如圖1所示：

圖 1 水下機器人控制系統構成圖

2 水下采礦機器人運動控制系統設計

水下采礦機器人主要有前進、后退、左右轉向、上浮和下潛以及機械手臂的夾持、松開等運動。升潛和機械手臂的運動采用24V大功率直流電動機實現，PLC通過直流固態繼電器進行驅動。采用固態繼電器驅動，PLC控制端子所需驅動電流小且固態繼電器具有隔離作用，不影響PLC的正常工作[3]。通過將四個直流固態繼電器接成橋式驅動，僅需要兩位輸出便可方便改變電動機運轉方向并具有反向停止作用。左翼和右翼推進器采用專用模擬量控制器進行驅動，可通過模擬量輸出實現無級變速，當其方向端口為高電平時正轉，為低電平時反轉，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 上位機下位機通信軟件系統設計

圖 2 水下采礦機器人上位機運動控制界面

根據水下機器人運動速度要求及騰控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，數據為8位，停止位為1位，2位CRC校驗。在T910上編寫相關串口通信發送、接收中斷程序和動作執行程序，當下位機收到上位機控制碼時，立即檢測當前動作狀態并執行上位機命令[4]。在計算機上采用VB編寫上位機發送、接收程序，采用按鍵檢測方式和點擊按鈕方式進行控制，例如檢測W鍵作為發送“前進”代碼的觸發按鍵，點擊前進按鈕也可實現前進動作。上位機運動控制界面如圖2所示。

4 視頻傳輸系統及目標自動識別系統設計

視頻傳輸系統采用穩定可靠的有線方式，其傳輸穩定、可靠，可以在上位機PC控制界面清楚的顯示水下采礦機器人所處的環境狀況。當工作的水中含有較多雜質，光線通透性不強時需要使用探照燈進行照明。

在自動目標識別模式下，通過掃描圖像每個位置的RGB值并將其和目標物的RGB數值進行對比，在一定范圍內如果滿足要求，則將此點定位目標物的一部分。通過對全部圖像信息的掃描，即可求出目標物輪廓并計算出其中心位置，進而和水下機器人前進方向進行對比，判斷需要改變的航向和速度，自動識別目標物并向其前進。圖3為自動目標識別模式下的工作畫面。

圖 3 自動目標識別模式下的工作界面（紅色物體為目標物）

5 結語

本設計采用北京騰控T910系列PLC，通過COM 2 RS232串口穩定可靠地實現了上位機和下位機的通訊及動作控制，采用水下攝像頭和探照燈照明方式將水下作業環境清晰、穩定地顯示在上位機PC控制端。在環境探測方面，工作人員可在PC端觀測水下作業環境，操作水下采礦機器人攜帶水文探測器等設備運至目標地點，然后放置探測器進行探測，實現了水下采礦機器人穩定可靠的水下作業；在RoboCup水下采礦機器人競賽中，水下采礦機器人迅速地完成了自動識別并接近目標物，而后攜帶水文探測器至目標地并將其放入指定安裝孔中，最后通過機械手收集礦石并將其放到收集裝置中，可穩定、快速地完成競賽。

[1]徐玉如,蘇玉民.關于發展智能水下機器人技術的思考[J].艦船科學技術,2008,30(4):17～21.

[2]李岳明.多功能水下機器人運動控制[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.

[3]徐常德,鐘金福.潛水器機電設備及系統.上海:上海交通大學出版社,1991.

[4]馬興,童卓,周麗娟.基于VB的PC機與單片機間串口通信及程序設計[J].兵工自動化, 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，機械電子工程專業，現任教于 洛陽理工學院 畢業于太原理工大學。

機器人；控制系統；目標識別；PLC