基于PLC控制的車載無人機(jī)自動機(jī)庫設(shè)計(jì)

金慧萍, 楊家富, 張文武, 李 祥, 穆 鍵

(1.南京林業(yè)大學(xué)工程培訓(xùn)中心,江蘇 南京 210037;2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,江蘇 南京210037;3.南京普新機(jī)電有限公司,江蘇 南京 210037)

無人駕駛飛機(jī)是一種利用無線電遙控設(shè)備或自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)[1]。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,無人機(jī)各方面的性能得到了極大的提升,不斷向小型化、集成化方向發(fā)展[2],并在影視制作、測繪巡檢、安檢應(yīng)急、植保噴藥、森林防火、物流運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)應(yīng)用日益廣泛,極大地拓展了無人機(jī)的用途[3, 4]。無人機(jī)的戶外作業(yè)環(huán)境,如軍事偵察[5]、電力巡檢[6]等多是在野外山區(qū),在實(shí)際使用過程中受到環(huán)境的局限較為明顯[7]。無人機(jī)在野外作業(yè)場合較多,起飛與停降都需要相對平穩(wěn)可靠的平臺,否則在起飛與停降過程中會伴隨著“炸機(jī)”現(xiàn)象的發(fā)生[8],給無人機(jī)的起降帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)前無人機(jī)放飛、回收技術(shù)的發(fā)展程度相對落后于無人機(jī)的自身技術(shù),多行業(yè)場景下的無人值守作業(yè)模式發(fā)展相對滯后,自動化程度低,大多數(shù)的應(yīng)用場合均不同程度地依賴于人工操控。

為了妥善解決無人機(jī)戶外作業(yè)過程中難以自動放飛與回收的問題,給無人機(jī)提供一個穩(wěn)定可靠的停放平臺,近年來,無人機(jī)移動機(jī)庫產(chǎn)品逐漸進(jìn)入了市場。高偉等[9]研制了多旋翼無人機(jī)多功能起降輔助平臺,能有效降低無人機(jī)故障發(fā)生概率,提高巡檢作業(yè)效率。宋晨暉等[10]設(shè)計(jì)了無人機(jī)無人值守自動起降機(jī)場,可以實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自動降落及收回,有效解決無人機(jī)續(xù)航時間短、需人工現(xiàn)場操作等問題。

目前市面上的無人機(jī)自動機(jī)庫大多采用箱體結(jié)構(gòu),設(shè)備成本高,市場應(yīng)用推廣難度大,且設(shè)備搬運(yùn)及作業(yè)過程中對人工操作的依賴程度高,與此同時,可直接安裝在車廂內(nèi)的移動車載式自動機(jī)庫產(chǎn)品案例較少。本研究以依維科商務(wù)車為車載平臺,設(shè)計(jì)了一種適用于該車型的車載無人機(jī)自動機(jī)庫,融合PLC控制、人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信及遠(yuǎn)程監(jiān)控等技術(shù),有效實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)自動平穩(wěn)放飛和停降,解決了無人機(jī)返航過程中降落姿態(tài)隨機(jī)和槳葉散開不確定的問題。

1 機(jī)庫硬件設(shè)計(jì)

1.1 工作流程

車載無人機(jī)自動機(jī)庫的工作流程為:待工作狀態(tài)下,無人機(jī)停放于車載機(jī)庫的停機(jī)平臺上,執(zhí)行一鍵放飛命令后,載車車頂?shù)奶齑白詣哟蜷_,升降機(jī)構(gòu)上升,歸中夾緊機(jī)構(gòu)自動解鎖放開,放開到位信息傳輸至無人機(jī)控制終端,無人機(jī)啟動放飛作業(yè)流程;無人機(jī)起飛后,升降平臺下降,載車天窗自動關(guān)閉;無人機(jī)收到返航信號后,載車天窗自動打開,機(jī)庫升降平臺上升,待無人機(jī)飛回至停機(jī)平臺上后,歸中夾緊機(jī)構(gòu)分別向X、Y向收攏,無人機(jī)歸中,隨后撥槳機(jī)構(gòu)將槳葉撥至回收邊界內(nèi),升降平臺下降歸位,載車天窗自動關(guān)閉,無人機(jī)放飛與回收流程全部完成。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車載無人機(jī)自動機(jī)庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)由底座、雙軌剪叉式升降機(jī)構(gòu)、停機(jī)平臺、歸中夾緊機(jī)構(gòu)以及撥槳機(jī)構(gòu)組成。底座是整個自動機(jī)庫的承載結(jié)構(gòu),安裝于車廂內(nèi)的設(shè)備承載平臺上;升降機(jī)構(gòu)采用雙軌剪叉式結(jié)構(gòu)形式,可實(shí)現(xiàn)有限安裝空間內(nèi)大行程范圍升降的功能;停機(jī)平臺位于升降機(jī)構(gòu)的上方,用于停放無人機(jī);歸中夾緊機(jī)構(gòu)由兩個相互垂直交錯的同步帶傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)降落后X、Y向的位置歸中和無人機(jī)底座的夾緊固定;撥槳機(jī)構(gòu)由兩組直線運(yùn)動的同步帶傳動執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成,可實(shí)現(xiàn)無人機(jī)在歸中夾緊后槳葉位置調(diào)整的功能。車載無人機(jī)自動機(jī)庫機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 車載無人機(jī)自動機(jī)庫機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.3 控制系統(tǒng)硬件配置

通過分析無人機(jī)自動機(jī)庫的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作流程,對自動機(jī)庫控制系統(tǒng)的硬件進(jìn)行配置。控制系統(tǒng)以PLC控制器為核心,由PLC控制器、觸摸屏、伺服驅(qū)動器、繼電器及磁性開關(guān)等組成。PLC控制器選用基于模塊化緊湊型設(shè)計(jì)的西門子S7-1200PLC模塊,型號為6ES7214-1AG40-0XB0,該模塊具有功能強(qiáng)大、可靠性高、靈活度高的特點(diǎn)[11];采用西門子KTP400型號觸摸屏作為HMI(Human-Machine Interface)人機(jī)交互界面的載體,通過RS485串口與PLC進(jìn)行通信,將內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)發(fā)送到PLC控制器,使PLC執(zhí)行相應(yīng)的控制程序;采用CM1241(RS422/485)作為通信模塊,PLC作為主站,伺服驅(qū)動器作為從站,通過Modbus-Rtu總線通信協(xié)議向伺服驅(qū)動器讀寫相關(guān)控制參數(shù),以實(shí)現(xiàn)對無人機(jī)自動機(jī)庫的升降伺服電機(jī)、歸中夾緊機(jī)構(gòu)的X/Y向伺服電機(jī)以及撥槳機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)的控制,最終實(shí)現(xiàn)升降、對中、撥槳動作。無人機(jī)自動機(jī)庫控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件組成

2 機(jī)庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

無人機(jī)自動機(jī)庫控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC控制程序設(shè)計(jì)、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個部分。PLC控制程序設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)對各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服驅(qū)動器發(fā)送運(yùn)動控制指令,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制;人機(jī)界面設(shè)計(jì)可以用于現(xiàn)場對設(shè)備進(jìn)行手/自動操作、參數(shù)設(shè)置以及機(jī)庫運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等;監(jiān)控設(shè)計(jì)可以分別獲取無人機(jī)和機(jī)庫的運(yùn)行相關(guān)參數(shù),實(shí)現(xiàn)機(jī)庫和無人機(jī)之間的信息交互。

2.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

采用TIA Portal V16軟件,使用梯形圖語言對PLC進(jìn)行程序編寫。PLC程序包括初始化程序、手動控制程序和自動控制程序3個部分。上電后首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化程序,保證所有動作機(jī)構(gòu)在運(yùn)行前保持最初始狀態(tài);其次,設(shè)置好伺服系統(tǒng)通訊參數(shù),監(jiān)控伺服系統(tǒng)的狀態(tài);最后,通過開關(guān)按鈕選擇手/自動控制方式,手動控制方式下,設(shè)計(jì)各執(zhí)行動作的手動運(yùn)行程序,自動控制方式下,根據(jù)無人機(jī)放飛與回收的流程需求,設(shè)計(jì)自動控制程序,實(shí)現(xiàn)一鍵放飛與回收的操作。系統(tǒng)程序整體流程如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)程序流程圖

對無人機(jī)自動機(jī)庫控制系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析,需使用18個數(shù)字量輸入信號,6個數(shù)字量輸出信號,控制系統(tǒng)的I/O配置如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O控制表

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

為了增強(qiáng)自動機(jī)庫的實(shí)時操控性,設(shè)計(jì)了HMI人機(jī)交互界面。人機(jī)界面和PLC之間通過Modbus通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)信息交互,當(dāng)選擇為本地控制狀態(tài)時,通過操控觸摸屏上的執(zhí)行按鍵,對機(jī)庫進(jìn)行運(yùn)動控制。人機(jī)界面主要包含手動操作界面、自動操作界面以及參數(shù)設(shè)置界面,當(dāng)開關(guān)按鈕選擇為手動控制時,分別操作手動界面的各執(zhí)行按鍵,實(shí)現(xiàn)對機(jī)庫的停機(jī)平臺上升/下降控制、無人機(jī)歸中/復(fù)位控制、車頂天窗打開/關(guān)閉控制、撥槳正行/反行控制,手動界面如圖4a所示。當(dāng)開關(guān)按鈕選擇為自動時,觸摸自動控制界面的“自動放飛”鍵,機(jī)庫執(zhí)行自動放飛工作流程;觸摸“自動回收”鍵,機(jī)庫執(zhí)行自動回收工作流程。自動控制界面顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),包含設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、手/自動狀態(tài)、急停狀態(tài)、天窗狀態(tài)、歸中狀態(tài)、升降臺狀態(tài)、撥槳狀態(tài)以及系統(tǒng)故障狀態(tài),自動控制界面如圖4b所示。

圖4 控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

2.3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)分為現(xiàn)場監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層?，F(xiàn)場監(jiān)控層由觸摸屏、信息采集元件、執(zhí)行元件和PLC單元組成,獲取機(jī)庫現(xiàn)場的運(yùn)行狀態(tài);遠(yuǎn)程監(jiān)控層由GPRS智能網(wǎng)關(guān)、云平臺服務(wù)器和移動顯示終端組成。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過Modbus總線通信協(xié)議中的TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)智能終端設(shè)備和PLC的通訊。以PLC作為服務(wù)器端,上位機(jī)作為客戶端,采用通訊模塊中的RS485作為通訊網(wǎng)口,在主程序中調(diào)用Modbus-TCP通訊模塊,與PLC進(jìn)行通信讀寫數(shù)據(jù)。在通訊中,首先設(shè)置IP地址,然后在程序中調(diào)用通訊模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)的傳輸方式是上位機(jī)讀寫數(shù)據(jù),每22個字節(jié)連續(xù)一帖。PLC與上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 通訊數(shù)據(jù)圖

3 試驗(yàn)測試與分析

依據(jù)無人機(jī)自動機(jī)庫系統(tǒng)實(shí)際使用場景,對歸中夾緊機(jī)構(gòu)動作及撥槳機(jī)構(gòu)動作進(jìn)行測試,測試場景如圖7所示。

圖7 無人機(jī)自動機(jī)庫測試場景

3.1 歸中夾緊機(jī)構(gòu)動作測試

無人機(jī)停降后,其機(jī)體位于停機(jī)平臺上的位置是隨機(jī)的,而在停機(jī)平臺下降回收至載車平臺內(nèi)部的過程中,需對無人機(jī)的停放位置進(jìn)行歸中夾緊。基于該種情況的停機(jī)條件,需對無人機(jī)降落在停機(jī)平臺上的幾類典型位置進(jìn)行歸中夾緊動作測試,以覆蓋無人機(jī)在停機(jī)平臺上不同位置的停降情況?？紤]無人機(jī)停降在停機(jī)平臺上位置的隨機(jī)性,而歸中夾緊機(jī)構(gòu)的執(zhí)行單元分為X、Y向的二維執(zhí)行機(jī)構(gòu),無人機(jī)停放在停機(jī)平臺上的位置形態(tài)相對于X、Y向歸中夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置可分為4類,即無人機(jī)支架與X向歸中夾緊執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾角為0°、0°～90°、90°、90°～180°和180°此4種情況,具體停放位置示意圖如圖8所示。

圖8 無人機(jī)典型停降位置圖

對無人機(jī)在停機(jī)平臺上的典型停放位置分別開展測試,測試結(jié)果表明,在4類典型停放位置狀態(tài)下,無人機(jī)均能在自動機(jī)庫的歸中夾緊機(jī)構(gòu)動作下實(shí)現(xiàn)歸中并夾緊。測試后的狀態(tài)如圖9所示。

圖9 歸中夾緊測試現(xiàn)場

3.2 撥槳機(jī)構(gòu)動作測試

無人機(jī)停降歸中夾緊后,其4只槳葉停留的位置是隨機(jī),而在停機(jī)平臺下降回收于載車平臺內(nèi)部的過程中,需對無人機(jī)的槳葉位置進(jìn)行撥槳處理?；谠摲N情況的停機(jī)條件,需對無人機(jī)降落在停機(jī)平臺上后槳葉的幾組典型位置進(jìn)行撥槳動作測試,以覆蓋無人機(jī)槳葉在平臺上不同停留位置的回收情況。無人機(jī)停降于停機(jī)平臺上,在完成歸中夾緊動作后,無人機(jī)的4只槳葉停留的位置姿態(tài)可分為2大類,即部分或全部槳葉超出回收邊界和全部槳葉均不超出回收邊界兩類狀態(tài),槳葉停留的位置姿態(tài)示意圖如圖10所示。

圖10 無人機(jī)槳葉位置姿態(tài)示意圖

當(dāng)部分或全部槳葉超出停機(jī)坪邊界,即需要撥槳機(jī)構(gòu)進(jìn)行撥槳操作使其全部槳葉轉(zhuǎn)動至停機(jī)平臺邊界內(nèi)部。經(jīng)過撥槳測試,無人機(jī)的4只槳葉在部分或全部超出回收邊界的狀態(tài)下均能在撥槳機(jī)構(gòu)的動作下成功將槳葉撥至回收邊界內(nèi)。測試后的狀態(tài)如圖11所示。

4 結(jié)論

本文針對無人機(jī)戶外巡檢作業(yè)中的放飛以及回收需求,設(shè)計(jì)了一種適用于依維柯品牌的商務(wù)車車載無人機(jī)自動機(jī)庫,該自動機(jī)庫的結(jié)構(gòu)主要包含停機(jī)平臺、升降機(jī)構(gòu)、歸中夾緊機(jī)構(gòu)及撥槳機(jī)構(gòu)。采用PLC作為核心控制器,設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件程序,基于觸摸屏設(shè)計(jì)了現(xiàn)場操作及監(jiān)控的人機(jī)交互界面,可以對自動機(jī)庫進(jìn)行手動調(diào)試及一鍵自動放飛和回收,同時也可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)記錄,以確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與安全性。采用GPRS和云平臺服務(wù)器作為遠(yuǎn)程傳輸介質(zhì),設(shè)計(jì)了現(xiàn)場/遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)無人機(jī)和機(jī)庫的雙向通信。對自動機(jī)庫的歸中夾緊機(jī)構(gòu)動作與撥槳機(jī)構(gòu)動作進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明,無人機(jī)在4類典型的停放位置狀態(tài)下,自動機(jī)庫均能實(shí)現(xiàn)歸中夾緊功能;在部分或全部槳葉超出回收邊界的狀態(tài)下,均能在撥槳機(jī)構(gòu)的動作下成功將槳葉撥至回收邊界內(nèi)。該車載無人機(jī)自動機(jī)庫已投入使用,目前運(yùn)行良好,極大提高了無人機(jī)戶外作業(yè)的效率。