自走式噴藥機(jī)器小車PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

自走式噴藥機(jī)器人的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)周環(huán)(機(jī)械工程學(xué)院農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化)摘要噴灑農(nóng)藥是農(nóng)作物防治病蟲害的重要措施。目前，大部分噴藥機(jī)械仍依賴工作人員現(xiàn)場(chǎng)操作，由于噴藥過程中藥品的揮發(fā)，嚴(yán)重危害工作人員的身體健康。本課題提出了一種自走式噴藥機(jī)器人遠(yuǎn)程控制的方案，并設(shè)計(jì)了一款無人駕駛的自走式噴藥機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)過運(yùn)行測(cè)試，此系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作過程符合噴藥作業(yè)基本要求，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和推廣前景。關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制；農(nóng)業(yè)自動(dòng)化；傳感器技術(shù)；MODBUS通訊協(xié)議；伺服控制國(guó)圖書分類號(hào)：S-24DesignofControlSystemofSelf

PropelledSprayingRobotBasedonPLC

Zhouhuan(CollegeofMechanicalEngineering,AgriculturalElectrificationandAutomation)AbstractThesprayingofpesticidesisanimportantcroppestcontrolmeasuresAtpresent,mostofthesprayingmachinesneedtorelyonthestaffsiteoperationtoensurenormalworking.Thisnotonlyreflectsthelowdegreeofautomationandintelligentofsprayingmachines.Andintheprocessofspraying,thevolatilizationofdrugcauseseriousdamagetoworkers'health.Theresearchofthistopicputforwardakindofremotecontrolschemeandanautomaticcontrolsystemofself-containedsprayingrobotunmanned.However,throughtheuninterruptedoperationtrials,thissystemundoubtedlywinsthebest.Thesystemhasgoodeconomicbenefitsandpromotionprospects,itissuitableforthecentralizedmanagementoflargefarms.Keywords：Unpiloted;Agriculturalautomation;Sensortechnology;CommunicationmodeofModbus;Servocontrol導(dǎo)言1.1課題的研究意義隨著信息科技的發(fā)展，智能機(jī)器人已逐步取代了手工勞作，在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，尤其是在工業(yè)方面，智能化和自動(dòng)化取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步；但是，目前對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究多處于實(shí)驗(yàn)室的探索階段［1］。噴藥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［2］。國(guó)目前仍采用傳統(tǒng)的噴藥方法，不僅效率低下，而且由于藥品的揮發(fā)，嚴(yán)重?fù)p害操作人員的身體健康，為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平，防止噴藥過程中工作人員農(nóng)藥中毒，設(shè)計(jì)了一款無人駕駛的自走式噴藥機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)相較傳統(tǒng)噴藥方法具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）遠(yuǎn)程控制機(jī)器人行走，實(shí)現(xiàn)了無人駕駛，避免了因噴藥對(duì)工作人員身體健康的危害；（2）可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)化管理，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了勞動(dòng)力；（3）機(jī)架結(jié)構(gòu)可以實(shí)時(shí)調(diào)整，提高了了機(jī)器人的通用性；（4）可根據(jù)植物高度調(diào)節(jié)噴藥架高度，減少了噴藥作業(yè)過程中藥品的揮發(fā)，提高了藥物利用率。1.2課題的研究容本課題主要研究自走式噴藥機(jī)器人的PLC控制程序設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)以下幾點(diǎn)開展研究：（1）伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)與控制；（2）PLC與觸摸屏的控制方式的對(duì)接；（3）傳感器信號(hào)的采集和處理；（4）RS-232、RS-485串口通訊技術(shù)的應(yīng)用。自走式噴藥機(jī)器人控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)噴藥機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為了適應(yīng)不同用戶、不同地形的需求，噴藥機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要滿足以下4點(diǎn)基本要求：（1）控制方式要求：1）遠(yuǎn)程控制；2）現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制；（2）行走要求：1）行走速度可以調(diào)控；2）可以自由轉(zhuǎn)向；（3）作業(yè)要求：1）輪間距可調(diào)；2）噴頭與作物之間距離可調(diào)；（4）信息采集要求：1）可以采集作業(yè)對(duì)象的高度，便于調(diào)控噴藥架與作業(yè)對(duì)象之間的距離；2）能夠采集前轉(zhuǎn)向輪的左、右極限位置和正中位置，防止機(jī)器人因轉(zhuǎn)角過大而失控。2.2噴藥機(jī)器人PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案擬定本課題制定的自走式噴藥機(jī)器人PLC控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示，機(jī)器人使用柴油發(fā)電機(jī)給系統(tǒng)中的所有電器元件供電，機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用PLC作為核心控制裝置，PLC根據(jù)觸摸屏通過串口通訊發(fā)送的控制命令和傳感器通過串口通訊反饋的植物高度、壟間距、轉(zhuǎn)向輪位置等信息，控制安裝在機(jī)器人車輪上的電機(jī)和機(jī)架上的電動(dòng)推桿等運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和噴藥機(jī)架高度的調(diào)節(jié)、車輪間距的調(diào)節(jié)等動(dòng)作，完成機(jī)器人自動(dòng)化行走和合理化噴藥等過程。

圖2-1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案示意圖硬件選擇與電路原理圖設(shè)計(jì)3.1主要硬件選型機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件部分主要包括伺服系統(tǒng)、PLC、電動(dòng)推桿、測(cè)距傳感器等。伺服系統(tǒng)是機(jī)器人行走的關(guān)鍵；傳感器是系統(tǒng)的“眼睛”，用于采集農(nóng)作物高度信息；PLC是核心控制單元，根據(jù)傳感器信息和觸摸屏控制指令控制機(jī)器人的行走過程和噴藥架高度調(diào)節(jié)過程。機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要硬件選型如表3-1所示。表3-1控制系統(tǒng)主要硬件選型表名稱型號(hào)功能PLCDVP-20PM核心控制裝置測(cè)距傳感器JY-DAM500測(cè)量噴藥架與農(nóng)作物之間的距離限位開關(guān)LJC30A3-H-Z/BX防止機(jī)器人轉(zhuǎn)向超過極限位置伺服驅(qū)動(dòng)器伺服電機(jī)電動(dòng)推桿ASD-A0721-ABASD-A0421-ABECMA-C30807HSECMA-C30604HSL型驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)工作實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走過程調(diào)節(jié)噴藥架高度和機(jī)器人輪間距3.2電路原理圖設(shè)計(jì)自走式噴藥機(jī)器人的電路分為主電路和控制電路。主電路給系統(tǒng)中的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)、電動(dòng)推桿、PLC等供電；控制電路是以PLC為核心的伺服系統(tǒng)

控制電路、電動(dòng)推桿控制電路等組成。其中伺服系統(tǒng)控制電路原理圖如圖3-1所示，電動(dòng)推桿的控制電路如圖3-2所示。圖3-1伺服系統(tǒng)控制電路原理圖圖3-2電動(dòng)推桿控制電路原理圖圖3-1伺服系統(tǒng)控制電路原理圖圖3-2電動(dòng)推桿控制電路原理圖自走式噴藥機(jī)器人控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)自走式噴藥機(jī)器人控制系統(tǒng)的PLC控制程序主要包括：觸摸屏與PLC串口通訊程序、傳感器信息采集與噴藥架高度調(diào)節(jié)程序、伺服電機(jī)控制程序。4.1觸摸屏與PLC串口通訊設(shè)置在本系統(tǒng)中，觸摸屏控制方式與PLC控制方式的對(duì)接，是通過采用串口通訊的方式實(shí)現(xiàn)的。DVP-20PM的PLC主機(jī)通訊端口有兩個(gè)，都支持MODBUSASCII/RTU通訊格式［3,4］觸摸屏與PLC之間MODBUS通訊的具體設(shè)置如下：表4-4觸摸屏與PLC串口通訊設(shè)置說明表名稱說明通訊方式RS-485通訊串口COM2通訊模式ASCII數(shù)據(jù)傳輸格式數(shù)據(jù)位8位；無校驗(yàn)；停止位1位波特率9600bps傳感器信息采集與噴藥架高度調(diào)節(jié)程序本系統(tǒng)傳感器用于采集噴藥架與農(nóng)作物之間的距離，將采集到的距離與預(yù)設(shè)的噴藥架與農(nóng)作物之間的距離作比較，并驅(qū)動(dòng)用于噴藥架高度調(diào)節(jié)的電動(dòng)推桿運(yùn)行，使噴藥架與植物保持最佳的噴藥距離，減少噴藥過程中藥液的過度揮發(fā)，提高農(nóng)藥的利用率，具體控制流程如圖4-1所示］

圖4-1圖4-1傳感器信息采集與噴藥架高度調(diào)節(jié)流程圖伺服電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走是由伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，伺服電機(jī)與觸摸屏、PLC、伺服驅(qū)動(dòng)器之間的控制關(guān)系如圖4-2所示。觸摸屏向PLC發(fā)送行走控制命令（布爾型命令），PLC接受到控制命令后，使程序中相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制功能塊工作，PLC就向伺服驅(qū)動(dòng)器傳輸脈沖，伺服驅(qū)動(dòng)器接收到脈沖并解析后發(fā)送至U伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走功能。圖4-2伺服電機(jī)控制關(guān)系圖編碼器脈沖高速脈沖2B圖4-2伺服電機(jī)控制關(guān)系圖編碼器脈沖高速脈沖2B1量

Boo奶本機(jī)器人使用兩套伺服系統(tǒng)作為機(jī)器人的行走控制裝置。采用功率較大的伺服系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)器人前進(jìn)、后退等動(dòng)作，采用功率小的伺服系統(tǒng)作為機(jī)器人的轉(zhuǎn)向裝置。PLC通過控制這兩套伺服系統(tǒng)工作情況就可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走過程，具體控制流程如圖4-3所示。圖4-3機(jī)器人行走控制流程圖機(jī)器人控制系統(tǒng)的PLC接收到觸摸屏發(fā)送的前進(jìn)命令后，首先根據(jù)傳感器信息判斷機(jī)器人前進(jìn)的方向有無不可逾越的障礙，如果有障礙，PLC先不執(zhí)行前進(jìn)指令并產(chǎn)生報(bào)警信息，同時(shí)PLC將障礙信息反饋給觸摸屏，由觸摸屏判斷是否使機(jī)器人改變方向繞開障礙；如果沒有障礙，PLC執(zhí)行前進(jìn)命令，使機(jī)器人按照觸摸屏指定的路線前進(jìn)。結(jié)論本文主要針對(duì)自走式機(jī)器人的PLC控制系統(tǒng)開展研究，提出了一種運(yùn)用PLC控制機(jī)器人自動(dòng)化行走和合理化噴藥的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：（1）經(jīng)測(cè)試，本控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制噴藥機(jī)器人的行走、噴藥等過程，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，完成了無人化農(nóng)業(yè)噴藥過程；7/10（2）本控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中運(yùn)行穩(wěn)定，控制精準(zhǔn)，機(jī)器人行走過程流暢，行走軌跡基本達(dá)到理想軌跡，噴藥架高度調(diào)節(jié)迅速、準(zhǔn)確；（3）設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可移植性好，只需要更改系統(tǒng)參數(shù)，就可以嵌入到不同種類的自走式農(nóng)業(yè)機(jī)械中，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化控制。本課題研發(fā)的自走式噴藥機(jī)器人的PLC控制系統(tǒng)樣機(jī)取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果，但是將本系統(tǒng)由試驗(yàn)階段推廣到應(yīng)用階段的過程中，還有許多新的問題需要解決，需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和完善，在以下幾個(gè)方面，還需要做進(jìn)一步的研究和開發(fā)：（1）視覺識(shí)別技術(shù)在障礙處理方面的應(yīng)用;（2）衛(wèi)星導(dǎo)航在軌跡規(guī)劃