摘要:为降低仓储物流的人工成本，提高物流企业的自动化水平及生产效率，以西门子SMART200PLC作为核心控制器，利用磁条进行路径导引，采用超声波、光电传感器、防撞条3种传感器构成机器人的三级安全防护系统。以昆仑通态TPC7062KX嵌入式一体化触摸屏作为人机交互界面。通过设计控制电路、编写运动控制程序、编辑人机交互界面等完成移动机器人控制系统的开发。该系统能够实现移动机器人前进、后退、直行、转弯、调速、停车、自动运行、手动运行等功能，并且运行平稳可靠、操作简便、安全性强，能够很好地完成物料运送任务。
关键词:移动机器人;PLC控制;控制系统;触摸屏
0前言
随着科学技术的飞速发展，机器人控制技术日趋成熟。移动机器人作为一种集定位导航、路径规划、环境感知等功能为一体的高度自动化设备[1]，广泛应用于现代智能制造和仓储物流系统当中。移动机器人的导引方式一般有激光导引、磁条导引、视觉导引等[2]。激光导引技术成本高、开发难度大;视觉导引技术容易受到周围环境的影响;磁条导引具有成本较低、开发难度小、性能稳定等优点[3]。磁条导引技术需要预先在地面上贴好磁条，控制系统通过获取地面上的磁信号进行导航。磁条导引技术更改线路方便、运行精度高，因此被广泛应用于各类仓储物流企业[3]。西门子S7-200SMARTPLC作为新一代的小型控制器，具有强大的通信功能、多种运动控制方式、先进的程序结构，能够满足多种控制需求。采用西门子SMARTPLC作为移动机器人的核心控制器对于移动机器人的研究与发展具有重要意义。
1移动机器人底盘结构
如图1所示，移动机器人的底盘结构由4个万向轮和2个驱动轮组成。
移动机器人矩形底盘的4个边角各安装1个万向轮，起到支撑和滚动的作用，中间的两轮为驱动轮，左右各1个。驱动轮的主要作用是驱动车子前进和转向，两轮独立驱动[4]，可通过两轮的差速运转，实现机器人的直线运行和转向运行[5]。底盘中间两端分别安装1个磁传感器，磁传感器实时检测地面上的磁信号，导引机器人移动。
2移动机器人控制系统原理及硬件实现
2.1控制系统原理
移动机器人控制系统的基本要求是使系统运行可靠、精确。平稳可靠的移动机器人控制系统能够正确地执行上位机所下达的指令，将货物精确运送到指定地点，完成货物的传递工作。此外，控制系统还应该具备较好的通信能力、扩展能力以及可靠的安全性能等。移动机器人控制系统原理如图2所示。
该系统主要由主控制器、上位机、磁传感器、各类安全传感器、电机驱动器等组成。上位机主要完成运行任务的设定、功能参数的设置、运行状态的监控等。主控制器是系统的核心部件，负责接收控制信号、运行控制程序、输出控制命令、远端通信等。磁传感器将检测到的磁信号传送给主控制器，主控制器根据接收到的磁信号执行对应的控制算法，控制左、右驱动轮的运转，从而控制移动机器人的运行状态。安全传感器相当于机器人的眼睛，负责感知运行方向上的环境状况，并将信号传送给主控制器，主控制器根据该信号执行对应的控制任务。
2.2控制系统硬件实现
该控制系统硬件主要由锂电池、西门子S7-200SMARTPLC、16位磁传感器、触摸屏、直流无刷驱动器和电机等构成。硬件原理如图3所示。
SMART系列ST40PLC具有三路高速脉冲输出端口，分别是Q0.0、Q0.1和Q0.3，最高输出频率可达100kHz，具备脉宽调制和PTO脉冲输出，支持绝对、相对和手动控制模式。此外，该PLC具有4种不同的参考点寻找方式，可以通过运动控制向导快速完成运动控制组态，带有以太网和485通信接口，方便进行远端通信[6]。16位磁传感器磁点间距为10mm，磁场检测距离为15～50mm，具备RS232/RS485/CAN通信功能。磁传感器感应到磁场信号后，图4磁传感器安装示意输出开关量信号为PLC提供导引信号[7]。磁传感器安装在非磁性固定板上，与地面磁条垂直距离为30mm。左、右驱动轮间距为D，磁导航传感器和驱动轮轴距离为L。传感器安装示意如图4所示。
直流无刷电机驱动器具有外部电位器调速、外部模拟量调速、PWM调速等功能，还可设置加/减速时间、电机级数、开/闭环控制等。驱动器接口如图5所示。
直流无刷电机驱动器的SPEED端口可以输出与电机转速对应频率的脉冲信号，利用此端口的反馈信号可以将系统设计成带反馈的控制模式。根据反馈的脉冲信号计算出电机的转速，计算公式为:N=(F/P)×60/3。其中:F为输出的脉冲频率，P为电机的极对数。
硬件控制思路:16位传感器将地面上的磁信号图6占空比与转速关系传送给PLC，PLC对信号进行判断，通过2个高速脉冲输出口Q0.0和Q0.1输出PWM脉冲信号，直流无刷电机根据PWM的占空比调整电机转速[8]。驱动器占空比和转速关系如图6所示。
从图6可以看出:当PWM的占空比为4%时，电机转速为最高速度的4%;当PWM的占空比为100%时，电机转速为最高速度。可见，电机转速取决于PWM的占空比。将驱动器设置成闭环控制模式，当反馈回来的速度信息与设计值有偏差时，PLC通过调整PWM的占空比调整机器人的运行状态。如果返回值和设计值相等，PLC将保持原有输出，直到完成任务[9]。PLC和电机驱动器之间通过反馈形成了一个闭环控制回路[10]，采用带有反馈环节的控制方式，提高了移动机器人运行的稳定性和精确性。
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该系统采用三级安全防护等级，其中超声波传感器为一级面型防护、光电传感器为二级线型防护、防撞条为三级接触式防护。超声波传感器为面型安全防护，检测角度为120°，支持两挡距离信号输出，有效检测距离为3～450cm。超声波传感器发出超声波，当障碍物在有效检测距离内时，传感器将开关量信号传送给主控制器PLC。光电传感器发出红外光束，利用物体遮挡红外光束或反射红外光束来判断有无障碍物，并将信号实时传送给主控制器。安全防撞条的工作原理是对防撞边施加垂直压力，使其内部导体相互接触，导致电阻和电流信号改变。该信号会被传送给主控制器，主控制器接收到任意一个安全传感器发出的反馈信号都会即刻停止运行并发出警报。
3控制系统软件编程及实现
3.1运动控制算法
移动机器人控制系统最主要的控制任务是运动控制，即通过控制算法保证机器人沿预定路线精确运行到指定地点。常见的运行路径有直线和弯道。如图7所示，状态A为直线运行，状态B为弯道运行。
根据以上分析得:控制移动机器人2个驱动轮的速度差，即可控制移动机器人的前进、后退、左转、右转、直行等运行状态，保证机器人沿着预设的磁条行驶。
3.2程序设计
西门子编程软件STEP7-Micro/WINSMART具有方便快捷的模块化程序设计功能。模块化程序设计有利于程序的编写、更新和维护，是一种被广泛使用的编程方式。移动机器人控制系统的程序设计可以分成两大模块:导航模块和安全模块。导航模块是控制程序的重要组成部分，包括定位模块、直行模块、转弯模块、纠偏模块等。各模块的功能可以在子程序中实现，主程序通过调用各类子程序实现对机器人的有效控制。
机器人启动后，控制程序需要进行初始化，包括检测磁条是否在磁传感器的中间、运行方向上是否有障碍物等。在满足启动条件的情况下，机器人开始按设定目标沿着磁条行驶。行驶过程中由于左、右轮所处地面的平整度或粗糙度不同[12]，会产生累积误差，导致机器人偏离预定行驶轨迹，此时系统需要调用纠偏程序，保证机器人沿着预定轨迹行驶[13]。在遇到转弯路径时，通过调节左、右轮的速度差进行转向。为了让机器人转向时能够保持平稳，不同的转弯半径可以设置不同的转弯标志位，机器人可以根据转弯标志位调用相应的转弯程序。机器人的安全检测系统检测到运行方向上有障碍物时，会将障碍信号发送给主控制器，主控制器调用安全模块子程序，停止机器人运行并发出警报。障碍物移除后，机器人方可再次启动，直到任务结束。具体程序流程如图8所示。
3.3触摸屏监控界面设计
工业触摸屏是用户与控制系统进行交互的窗口，完善的触摸屏监控界面可以实现系统的工作任务设定、路径选择规划、报警显示、操作权限设置等功能[14]。
控制系统的人机交互设备采用昆仑通态TPC7062KX嵌入式一体化触摸屏，界面开发软件是MCGS。触摸屏监控界面主要包括:工作任务设定界面、运动控制界面、任务管理界面等。触摸屏通过485通信接口和PLC进行通信，将机器人的各种状态显示在触摸屏的窗口上[15]，用户可以通过触摸屏的窗口直观地获取系统信息，能够实现对系统的实时监控及各种运行参数的配置。触摸屏监控界面如图9所示。
4结束语
本文作者采用西门子S7-200SMARTPLC作为主控制器，昆仑通态嵌入式一体化触摸屏作为上位机，结合直流无刷电机、磁导引传感器、安全传感器等电气元器件，设计了移动机器人控制系统。通过PLC的高速脉冲输出口对机器人左、右驱动轮进行速度控制，采用差速的方式进行转向。同时，运用纠偏算法保证机器人沿着预定轨迹完成工作任务。该控制系统功能完善、操作简单、稳定性强，具有一定的推广意义。——论文作者：覃尚活，郭乾，刘颖辉，苑成友
