測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

呂曉華，李 艷，彭麗葉

（1.河北工程技術(shù)學(xué)院 人工智能與大數(shù)據(jù)學(xué)院，石家莊 050091；2.河北傳媒學(xué)院 信息技術(shù)與文化管理學(xué)院，石家莊 050021；3.河北工程技術(shù)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信學(xué)院，石家莊 050091）

0 引言

測(cè)量機(jī)器人屬于一種智能型全站儀，它不僅具備基礎(chǔ)全站儀的功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量目標(biāo)的自動(dòng)化識(shí)別、搜索及測(cè)量，被廣泛應(yīng)用在各類工程領(lǐng)域內(nèi)，實(shí)現(xiàn)工程中不同目標(biāo)的有效測(cè)量[1]。在現(xiàn)實(shí)工程中使用測(cè)量機(jī)器人時(shí)，由于可能存在工程現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及地形走勢(shì)等因素的影響，對(duì)測(cè)量機(jī)器人的實(shí)際測(cè)量增加了一定的難度。在此種狀況下，為保證測(cè)量機(jī)器人采集數(shù)據(jù)過程中行走姿態(tài)的平穩(wěn)性，確保其最終所采集數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)可靠性，需采取科學(xué)合理的控制系統(tǒng)，對(duì)工程應(yīng)用中測(cè)量機(jī)器人的遠(yuǎn)程自動(dòng)化過程實(shí)施有效地控制，提升其采集數(shù)據(jù)的可靠性，保障工程的后期施工效果[2]。

PLC屬于一種工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的可編程控制器，起初其僅具備邏輯控制功能，隨著持續(xù)地更新，其逐漸具備模擬操控、時(shí)序操控及邏輯操控等諸多功能。PLC內(nèi)部具備自動(dòng)化微處理器及能夠編程的存儲(chǔ)器，主要用于儲(chǔ)存并執(zhí)行邏輯指令、運(yùn)算以及次序控制等各類指令，其輸入輸出大多運(yùn)用模擬或數(shù)字式，達(dá)到自動(dòng)化控制不同種類機(jī)械設(shè)備運(yùn)行過程的目的[3，4]。

綜合以上分析，本文研究一種基于PLC的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)器人行走姿態(tài)穩(wěn)定性的有效控制，提高測(cè)量機(jī)器人采集數(shù)據(jù)的精度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種用于在線控制測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化PLC控制系統(tǒng)，控制測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制。該系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊、PLC控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、上位機(jī)等構(gòu)成，其中，遠(yuǎn)程控制模塊的核心為測(cè)量機(jī)器人；數(shù)據(jù)通訊模塊主要通過串行通信實(shí)現(xiàn)PLC控制模塊與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸；PLC控制模塊的核心為ARM主處理器與RISC副處理器；驅(qū)動(dòng)模塊可通過其中的D/A擴(kuò)展單元控制驅(qū)動(dòng)器運(yùn)用PID控制器對(duì)測(cè)量機(jī)器人的輪轂電動(dòng)機(jī)實(shí)施驅(qū)動(dòng)，并經(jīng)由高速脈沖控制驅(qū)動(dòng)器采用高速計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)測(cè)量機(jī)器人的伺服電動(dòng)機(jī)，完成對(duì)遠(yuǎn)程控制模塊內(nèi)測(cè)量機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)；上位機(jī)可對(duì)PLC控制模塊實(shí)施控制，并經(jīng)由PLC控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程控制模塊內(nèi)測(cè)量機(jī)器人的控制。基于PLC的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于PLC的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 關(guān)鍵PLC控制模塊硬件設(shè)計(jì)

PLC控制模塊作為測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)的核心部分，其關(guān)鍵作用是接收并執(zhí)行來自系統(tǒng)內(nèi)上位機(jī)的控制指令，同時(shí)將執(zhí)行后的指令結(jié)果輸出信號(hào)傳送至驅(qū)動(dòng)模塊，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)模塊操控遠(yuǎn)程控制模塊內(nèi)測(cè)量機(jī)器人完成遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制任務(wù)。該模塊主要由ARM主處理器、RISC副處理器、緩存器、安全監(jiān)控單元以及輸出選擇控制器等組成。其中RISC副處理器的功能是輔助主處理器，實(shí)現(xiàn)PLC所接收實(shí)時(shí)邏輯控制指令的及時(shí)執(zhí)行；而ARM主處理器主要用于執(zhí)行系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行時(shí)來自上位機(jī)的全部PLC邏輯控制指令，兩種處理器執(zhí)行之后所獲得的控制指令結(jié)果均向緩存器內(nèi)儲(chǔ)存，所得輸出信號(hào)經(jīng)由輸出選擇控制器選擇后傳輸至驅(qū)動(dòng)模塊。PLC控制模塊的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLC控制模塊的整體硬件結(jié)構(gòu)圖

在測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)PLC控制模塊的ARM主處理器執(zhí)行來自上位機(jī)的邏輯控制指令發(fā)生故障時(shí)，未執(zhí)行完成的控制指令結(jié)果會(huì)暫存于緩存器內(nèi)，且會(huì)自動(dòng)被RISC副處理器替代執(zhí)行實(shí)時(shí)邏輯控制指令，與此同時(shí)，安全監(jiān)控單元中的看門狗電路會(huì)對(duì)ARM主處理器實(shí)施重置。當(dāng)ARM主處理器的常規(guī)執(zhí)行狀態(tài)恢復(fù)之后，在下一個(gè)執(zhí)行周期中由緩存器內(nèi)將暫存的控制指令結(jié)果讀出，同時(shí)延續(xù)之前的處理進(jìn)度繼續(xù)執(zhí)行該邏輯控制指令。若PLC控制模塊在系統(tǒng)運(yùn)行過程中多次重置ARM主處理器，仍舊不能令A(yù)RM主處理器處于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)，則PLC控制模塊需向系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，并執(zhí)行安全保護(hù)信號(hào)輸出。

1.2.2 PLC控制模塊的輸出選擇控制器設(shè)計(jì)

PLC控制模塊的輸出選擇控制器的主要作用是以安全監(jiān)控單元所傳送的輸出選擇信號(hào)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)安全保護(hù)輸出信號(hào)及主、副處理器輸出信號(hào)的輸出選取，其運(yùn)行原理如圖3所示。

圖3 PLC控制模塊的輸出選擇控制器運(yùn)行原理圖

其主要運(yùn)行過程為：1）對(duì)鎖存器及主、副處理器所傳送的三組信號(hào)實(shí)施接收；2）接收來自安全監(jiān)控單元的輸出選擇信號(hào)；3）以所接收的安全監(jiān)控單元輸出選擇信號(hào)為依據(jù)，由三組輸出信號(hào)中選取出與之相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)，并向PLC控制模塊的輸出端傳送此控制指令信號(hào)。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 PLC控制模塊與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信過程設(shè)計(jì)

測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)中上位機(jī)與PLC控制模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸主要經(jīng)由數(shù)據(jù)通訊模塊采取串行通信實(shí)現(xiàn)，通信過程如圖4所示。

圖4 PLC控制模塊與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信過程圖

主要過程描述為：1）對(duì)數(shù)據(jù)通訊模塊的串口實(shí)施初始化；2）通過上位機(jī)將呼叫指令發(fā)送至PLC控制模塊；3）PLC控制模塊接收此呼叫指令，并將應(yīng)答信號(hào)傳送回上位機(jī)；4）若上位機(jī)接收到此應(yīng)答信號(hào)，即可向PLC控制模塊傳輸控制遠(yuǎn)程控制模塊內(nèi)測(cè)量機(jī)器人的相關(guān)指令數(shù)據(jù)，反之則由PLC控制模塊重新發(fā)送應(yīng)答信號(hào)；5）PLC控制模塊完成上位機(jī)相關(guān)指令數(shù)據(jù)的接收之后，將結(jié)束信號(hào)傳送至上位機(jī)；6）上位機(jī)接收到結(jié)束信號(hào)之后，終止向PLC控制模塊的指令數(shù)據(jù)傳輸，完成系統(tǒng)內(nèi)PLC控制模塊與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

1.3.2 測(cè)量機(jī)器人行走控制模塊

本文控制系統(tǒng)主要運(yùn)用PLC控制模塊輸出的指令信號(hào)，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)模塊閉環(huán)控制模塊內(nèi)測(cè)量機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，主要為伺服與輪轂電動(dòng)機(jī)，完成測(cè)量機(jī)器人的遠(yuǎn)程自動(dòng)化任務(wù)。其中驅(qū)動(dòng)模塊主要運(yùn)用高速計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)器人伺服電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制；而對(duì)于測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制，主要通過PID控制器實(shí)現(xiàn)。但因測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)控制電壓間存在無法精確的相對(duì)關(guān)系，特別是測(cè)量機(jī)器人處于不平整路面及負(fù)載變化情況下時(shí)，此種相對(duì)關(guān)系更加無法確準(zhǔn)[5]。故而，為達(dá)到對(duì)控制模塊內(nèi)測(cè)量機(jī)器人的閉環(huán)控制，并對(duì)測(cè)量機(jī)器人的精度予以保障，應(yīng)先獲得測(cè)量機(jī)器人四個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。以自行車速度檢測(cè)原理為依據(jù)，得出測(cè)量機(jī)器人四個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)控制電壓之間的函數(shù)關(guān)系如式(1)所示：

式(1)中，測(cè)量機(jī)器人的第i個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度通過vi表示，其中，i=1，2，3，4；驅(qū)動(dòng)控制電壓通過U表示；第i個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與驅(qū)動(dòng)控制電壓的相對(duì)關(guān)系系數(shù)通過fi表示。該過程中測(cè)量機(jī)器人的實(shí)際行走路面可能存在不平整等狀況，會(huì)造成測(cè)量機(jī)器人的各車輪負(fù)載存在差異，導(dǎo)致每個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)的參數(shù)差異，由此對(duì)輪轂電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度造成干擾。針對(duì)此問題，本文結(jié)合PID控制器及其控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的閉環(huán)控制，令其滿足所設(shè)定的輪轂電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。將通過式(1)所得出的測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度同設(shè)定速度實(shí)施對(duì)比，所得二者的差值向PID控制器內(nèi)輸入，通過PID控制器內(nèi)微分、積分及比例參數(shù)的調(diào)節(jié)，獲得驅(qū)動(dòng)控制電壓值輸出，經(jīng)由該電壓值實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)器人控制過程中各個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)的控制。PID控制器框圖如圖5所示。

圖5 PID控制器框圖

PID控制算法的微分方程式如式(2)所示：

式(2)中，PID控制器的輸出電壓值通過U表示，即驅(qū)動(dòng)控制電壓；PID控制器的微分、積分及比例參數(shù)依次通過L3、L2、L1表示；測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與設(shè)定速度之間的差值通過a表示；當(dāng)測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)的現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與設(shè)定速度之間的差值等于0時(shí)，PID控制器的輸出電壓值通過U0表示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

以某現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器人為例，運(yùn)用本文系統(tǒng)控制其實(shí)現(xiàn)該地鐵工程內(nèi)不同區(qū)間段隧道相關(guān)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集任務(wù)，檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。由該地鐵工程中選取三個(gè)區(qū)間段（a～c），各區(qū)間段的長(zhǎng)度依次為998.25m、1013.54m、1006.87m；該地鐵工程現(xiàn)場(chǎng)所用的實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人型號(hào)為L(zhǎng)eica TS60，通過本文系統(tǒng)控制該測(cè)量機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)所選取三個(gè)區(qū)間段隧道相關(guān)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集。實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人的關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人關(guān)鍵參數(shù)

圖6 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和機(jī)器人

在本文系統(tǒng)的控制下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人在不同驅(qū)動(dòng)控制電壓下四個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)的正、反向轉(zhuǎn)速情況如圖7所示。

圖7 測(cè)量機(jī)器人正反轉(zhuǎn)速與控制電壓的關(guān)系

分析圖7可得知，在本文系統(tǒng)的控制下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)的正、反向轉(zhuǎn)速均與驅(qū)動(dòng)控制電壓成正比關(guān)系，即測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)的正、反向轉(zhuǎn)速均隨著本文系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制電壓的升高而呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，且在本文系統(tǒng)的同等驅(qū)動(dòng)控制電壓下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人各個(gè)輪轂電動(dòng)機(jī)的正向轉(zhuǎn)速均高于反向轉(zhuǎn)速，說明，本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)測(cè)量機(jī)器人輪轂電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制，平穩(wěn)測(cè)量機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，令測(cè)量機(jī)器人在遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制過程中具備穩(wěn)定可控的行走狀態(tài)

首先以實(shí)驗(yàn)地鐵工程區(qū)間段a、b、c為例，由三個(gè)區(qū)間段隧道內(nèi)各隨機(jī)選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，通過本文系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人對(duì)所選取測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)實(shí)施遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集，為檢驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的精度，各測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)均采集三次，所采集數(shù)據(jù)信息如表2所示。

由表2可看出，在本文系統(tǒng)的控制下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)驗(yàn)地鐵工程a、b、c區(qū)間段隧道內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)三維坐標(biāo)信息的遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集，且對(duì)于同一測(cè)量點(diǎn)而言，三次采集的三維坐標(biāo)信息幾乎一致，實(shí)際應(yīng)用性較好。

表2 本文系統(tǒng)控制下各區(qū)間段測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)信息采集結(jié)果

為進(jìn)一步檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的控制效果，以實(shí)驗(yàn)地鐵工程三個(gè)區(qū)間段內(nèi)的a1、b2及c3測(cè)量點(diǎn)為例，設(shè)定10個(gè)不同時(shí)間段周期，在本文系統(tǒng)的控制下，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人對(duì)各采集周期內(nèi)三個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別實(shí)施遠(yuǎn)程自動(dòng)化坐標(biāo)信息采集，依據(jù)前后不同采集周期的采集結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出各測(cè)量點(diǎn)的x軸、y軸位移情況，并將所得統(tǒng)計(jì)結(jié)果與實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量結(jié)果相對(duì)比，檢驗(yàn)本文系統(tǒng)控制下測(cè)量機(jī)器人的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制效果。統(tǒng)計(jì)及對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

圖8 測(cè)點(diǎn)位移的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與人工測(cè)量結(jié)果對(duì)比

通過圖8能夠得出，通過在本文系統(tǒng)控制下實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人所采集的各測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出的各測(cè)量點(diǎn)x軸、y軸位移曲線與實(shí)際人工測(cè)量結(jié)果曲線幾乎吻合，且位移的波動(dòng)趨勢(shì)一致，可見，本文系統(tǒng)控制效果理想，在本文系統(tǒng)控制下實(shí)驗(yàn)測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集數(shù)據(jù)精度較高，能夠取代現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量，獲得精準(zhǔn)可靠的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一種基于PLC的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)展開研究，通過將PLC引入作為控制系統(tǒng)的核心控制模塊，構(gòu)建包含此模塊及遠(yuǎn)程控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊等的測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，并針對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊的軟硬件部分實(shí)施設(shè)計(jì)，達(dá)到控制測(cè)量機(jī)器人遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制的目的，應(yīng)用本文系統(tǒng)對(duì)某地鐵工程中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量機(jī)器人實(shí)施控制，結(jié)果表明，本文系統(tǒng)可有效控制測(cè)量機(jī)器人在遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制過程的正反向轉(zhuǎn)速，穩(wěn)定其行走狀態(tài)，保障其測(cè)量過程中自身的穩(wěn)定性；在本文系統(tǒng)的控制下，測(cè)量機(jī)器人能夠完成地鐵不同區(qū)間段隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集，且依據(jù)采集結(jié)果所得各測(cè)點(diǎn)的水平與豎向位移狀況與人工實(shí)際測(cè)量結(jié)果相符，控制效果理想，本文系統(tǒng)控制測(cè)量機(jī)器人所采集數(shù)據(jù)精確可靠，能夠替代人工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，獲得有價(jià)值的測(cè)量結(jié)果。