新工科背景下基于專業創新能力培養的采摘機器人控制系統設計*

王升升

（吉林工業職業技術學院，吉林 吉林 132013）

0 引言

近年來，國家新一輪供給側結構性改革的戰略提出，其主要目的是以創新驅動發展，在此背景下，2017年2月，教育部提出“新工科”的概念，此舉是為了提高高等教育中工科的創新能力。新工科專業的內核是以新興的產業為核心，將智能制造、人工智能等用于傳統的工科專業改革。同時，對于高職的工科專業來說，需要專業教育與雙創教育融合培養，這樣才能培養出實踐能力更強、創新能力更強、具有國際競爭力的高端技能人才。

在此背景下，培養學生的創新實踐能力迫在眉睫，以學生導師現有的研究方向為指引，提高學生自主創新的工程能力，在理論上設計一款基于集散控制系統（DCS）的采摘機器人，通過此項目的設計培養學生的專業創新工程能力。

1 設計思路

集散控制系統（DCS）在現代自動化控制系統中有著重要的地位，對于多控制對象有著良好的控制精度和效果。此次控制的對象為果蔬采摘機器人，解決采摘機器人只能單體控制不能進行多個采摘機器人綜合控制的問題。多個采摘機器人在同時運作過程中易出現相互干擾的現象，導致多個采摘機器人協同作業效率低、對目標識別不精確等。針對此種現象，采用集散控制系統（DCS）作為多個采摘機器人的控制核心，同時在外部加入PLC技術、傳感器技術，對多個采摘機器人進行控制和運動參數監測，并保證控制系統與外部設備數據的傳輸，最終達到多個采摘機器人按控制要求同時動作的目的[1]。

2 DCS控制系統結構

集散控制系統（DCS）由現場檢測儀表、執行器、傳感器、現場控制站、控制系統網絡、現場操作員站、數據采集站、工程師站等組成，如圖1所示[1]。

圖1 DCS控制系統組成

其中，現場儀表、傳感器等是組成控制系統的末端，是控制系統的“四肢”；現場控制站是集散控制系統（DCS）的核心，是控制系統的“大腦”[2]；控制系統網絡（MentSent）是數據傳輸的路徑，是控制系統的“神經”；服務器和功能站主要功能是存儲、監視等。正常情況下一個完整的集散控制系統（DCS）包括現場控制站、現場儀表、傳感器、操作員站、工程師站及控制網絡等[3]。

3 控制系統設計

本次多臺采摘機器人控制系統是基于集散控制系統（DCS）建成的，在DCS典型控制結構上進行升級與優化，在控制體系中加入了西門子PLC S7-1500控制器、控制通信模塊RS-485、現場傳感器、現場執行器、多臺采摘機器人，具體組成如圖2所示[1]?？刂葡到y設備的具體功能如下：主控制站是系統的“大腦”，主要功能是對傳感器采集的數據進行分析、處理與計算，同時實時顯示運動參數，后利用控制通信模塊RS-485將接收的PLC數據通過計算和優化后再傳回到PLC控制器中，通過PLC將控制數據下載到現場的執行器中?？刂葡到y網絡組成為控制通信模塊RS-485[4]，通信方式為半雙工式串口，主要功能為實現現場主控制站、現場執行器、采摘機器人、PLC之間的數據通信?？刂葡到y的控制邏輯為現場中控站與PLC通信，并通過PLC對采摘機器人發出控制指令，PLC可以在線編輯并在線實時通信，對采摘機器人的運動參數進行監測，同時實時優化參數并把數據傳回采摘機器人執行端，完成相應動作。

圖2 控制系統設計方案

如圖2所示的控制系統中的現場設備包含各類傳感器、控制模塊。其中，位置傳感器用于感知采摘機器人的空間位置，壓力傳感器用于感知采摘機器人機械手的夾持力，視覺傳感器用于識別周圍環境，碰撞傳感器用于感知機械手碰撞壓力，通過多種傳感器保證采摘機器人的動作精度和采摘效果[5]。

4 控制系統硬件設計

4.1 現場主控制站設計

現場主控制站是控制系統的核心部件，需要對多臺采摘機器人進行控制，對PLC控制器傳輸的數據進行分析與處理，其控制核心處理器要求數據處理速度快、功能可靠、功耗低等。本文現場控制站選擇的處理器芯片型號為LPC2106，其功能為32位程序下可以保持操作頻率范圍最大為25 MHz，其外接I/O口多達32個，Flash程序存儲器為128 kB[6]。

在實際應用過程中容易出現現場控制主站電壓過低的現象，從而導致控制芯片LPC2106執行程序錯誤，在這種情況下需要對主機控制器進行復位。因此需要外加以IMP812監控器為核心的硬件復位電路，具體電路圖如圖3所示[1]。

圖3 復位電路圖

4.2 通信模塊RS-485設計

通信模塊RS-485是控制系統中的“神經”節點，其功能是現場的傳感器、PLC控制器數據都要向現場主控制站傳輸數據并進行通信，其過程為將現場的模擬信號轉換成通信模塊RS-485總線上的數字信號，再控制芯片LPC2106進行識別。通信模塊RS-485采用無源轉換器，對總線上模擬、數字信號進行隔離處理，提高數據的處理效率和準確性[7]。通信模塊RS-485轉換器的工作原理為通過光電耦合技術對輸入輸出信號進行物理隔離，屏蔽外界干擾信號，提高通信模塊RS-485電路抗干擾能力[8]。

4.3 PLC控制器輸入輸出端口（I/O）分配

多臺采摘機器人的控制系統是在集散控制系統（DCS）上搭建而成的，通過PLC對多臺采摘機器人進行運動控制和實時監控。PLC控制器對應不同的信號模塊可以檢測不同類型輸入輸出信號，可以同時對多路信號進行采集[9]。本文中PLC控制器選擇西門子S7-1500，具有6通道400 kHz高速計數，最大輸入輸出為32DI/32DO。多臺采摘機器人的控制標準相同，運動參數與控制方式相同，西門子S7-1500輸入輸出信號進行輸入輸出端口（I/O）分配，輸入端分別對應起始開關、四個方向限位開關、四個方向動作鍵、機械手動作按鈕；輸出端對應四方向電磁閥移動、電磁閥動作按鈕等，通過西門子S7-1500可以使運動參數數據得到分析與處理。采摘機器人的運動參數主要集中在機械手的空間極限位置、機械手動作、現場設備的運行狀態。

5 控制系統程序設計

多臺機器人的控制系統的軟件程序由兩部分組成，分別是現場控制站的控制程序和現場設備的控制程序。現場控制站的控制程序是控制系統的主程序，主要用于下級傳輸信號的分析與處理，如對采摘對象的圖像處理、現場設備信息處理和機械臂動作運動軌跡分析等；現場設備的控制程序主要作用是對現場設備進行參數控制，具體控制某臺設備?，F場控制站的控制程序和現場設備的控制程序主要使用通信模塊RS-485，從而保證兩部分的數據在傳輸過程中互不干擾[10]。

控制系統的工作程序如下：主控制程序啟動后開始初始化，完成后激活各個傳感器，其中視覺傳感器開始工作采集目標圖像數據，分析目標是否在圖像中心；若采摘目標在圖像中心，則通過通信模塊RS-485向現場設備控制器發送控制指令[11]；現場執行機構啟動機械臂、旋轉關節、電動推桿等，使機械手向采摘目標運動；同時，在執行機構上的各個傳感器不斷采集機器人的運動參數，通過通信模塊RS-485回傳至主控制站進行反饋，不斷修正機器人的運動軌跡；采摘機器人機械手到達目標附近后，采摘機械手的位置傳感器、避障傳感器啟動，通過前期的程序規劃和數據分析完成路徑動作，并控制機械手對目標進行切刀，完成對目標的采摘[12-13]。

6 結論

通過本文的設計可以實現多臺采摘機器人的精確控制，也可解決多臺采摘機器人在同時動作時相互干擾、作業效率低的問題。課題組深入研究了多臺采摘機器人以集散控制系統（DCS）作為控制核心的工作原理與控制結構，實現了一臺現場控制站對多臺采摘機器人的整體控制，對多臺采摘機器人的傳感器、圖像處理、執行機構參數的分析與處理[14]。

這種基于實踐項目的工程設計的專業教育，對于高職工科專業來說能夠較好地融入創新創業教育中。通過工程項目化方法與創新創業教育有機融合，既能培養學生的工程實踐能力，又能解決學生創新意識不足的問題，同時在實踐中與教師的科研項目相結合，不僅能在很大程度上提升學生的理論知識水平，而且能培養學生在專業方面的前瞻性，對于目前的創新創業教育具有較大的借鑒作用。