1566-投籃機器人,投籃,機器人 用學校提供的藍色打印本科畢業(yè)設計（論文）說明書（題目） 小二號粗黑體，居中系 別 專業(yè)班級 學生姓名 指導教師 提交日期 年 月 日 小三號宋體，加粗210g 橙色卡紙（ A3）論文統(tǒng)一用 A4紙打印。邊距上 2.54cm，下 2.54cm，左 2.2cm，右 2.2cm。行距為固定值 20 磅。學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保密□，在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不保密□。（請在以上方框內打“√” ）學位論文作者簽名： 日期： 年 月 日指導教師簽名： 日期： 年 月 日 四號宋體，加粗，居中畢 業(yè) 設 計 （論文） 任 務 書小二號宋體，加粗，居中正文小四號宋體，行距為固定值 20 磅茲發(fā)給 班學生 畢業(yè)設計（論文）任務書，內容如下： 1.畢業(yè)設計（論文）題目： 2.應完成的項目： （1） （2） （3） （4） 3.參考資料以及說明： （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） 4.本畢業(yè)設計（論文）任務書于 年 月 日發(fā)出，應于 年 月 日前完成，然后提交畢業(yè)考試委員會進行答辯。專業(yè)教研組（系）負責人 審核 年 月 日指導教師（導師組） 簽發(fā) 年 月 日畢業(yè)設計（論文）評語： 三號宋體畢業(yè)設計（論文）總評成績： 四號宋體畢業(yè)設計（論文）答辯小組負責人簽字： 四號宋體年 月 日四號宋體I（以下含有范例）摘 要 三號粗黑體，居中上下空一行正文小四號宋體，行距為固定值 20 磅本文詳細介紹了多變量預測控制算法及其在環(huán)境試驗設備控制中的應用。由于環(huán)境試驗設備的溫度和濕度控制系統(tǒng)具有較大的時間滯后，而且系統(tǒng)間存在比較嚴重的耦合現象，用常規(guī)的 PID 控制不能取得滿意的控制效果。針對這種系統(tǒng)，本文采用了多變量預測控制算法對其進行了控制仿真。預測控制算法是一種基于系統(tǒng)輸入輸出描述的控制算法，其三項基本原理是預測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正。它選擇單位階躍響應作為它的“預測模型” 。這種算法除了能簡化建模過程外，還可以通過選擇合適的設計參數，獲得較好的控制效果和解耦效果。本文先對環(huán)境試驗設備作了簡介，對控制中存在的問題進行了說明；而后對多變量預測控制算法進行了詳細的推導，包括多變量自衡系統(tǒng)預測制算法和多變量非自衡系統(tǒng)預測控制算法；然后給出了系統(tǒng)的建模過程及相應的系統(tǒng)模型，在此基礎上采用多變量預測控制算法對環(huán)境試驗設備進行了控制仿真，并對仿真效果進行了比較。仿真結果表明，對于和環(huán)境試驗設備的溫度濕度控制系統(tǒng)具有類似特性的多變量系統(tǒng)，應用多變量預測控制算法進行控制能夠取得比常規(guī) PID 控制更加令人滿意的效果。關鍵詞：多變量系統(tǒng)，預測控制，環(huán)境試驗設備小 4 號黑體 關鍵詞 3～ 5 個，宋體小 4 號字中文摘要共 400—600 個字，關鍵詞 3—5 個詞中文摘要和關鍵詞占一頁II英文全部用 Times New Roman 字體Abstract 三號字體，加粗，居中上下空一行正文小四號字體，行距為固定值 20 磅In this paper, multivariable predictive control algorithm and its application to the control of the environmental test device are introduced particularly. The temperature and humidity control system of the environmental test device is characterized as long time delay and severe coupling. Therefore, the routine PID control effect is unsatisfactory. In this case, the simulation of the temperature and humidity control of the environmental test device based on multivariable predictive control algorithm is made.Predictive control algorithm is one of control algorithm based on description of system’s input-output. Its three basic principles are predictive model, rolling optimization and feedback correction. It chooses unit step response as its predictive model, so that the modeling process is simplified. In addition, good control and decoupling effects could be possessed by means of selection suitable parameters.In this paper, the environmental test device is introduced briefly and the existing problems are showed. Then multivariable predictive control algorithm is presented particularly, including multivariable auto-balance system predictive control algorithm and multivariable auto-unbalance system predictive control algorithm. Next, system modeling process and corresponding system model are proposed. Further, the multivariable predictive control algorithm is applied to the temperature and humidity control system of the environmental test device. Finally, the simulation results are compared.Results of the simulation show that multivariable predictive control algorithm could be used in those multivariable system like the temperature and humidity control system of the environmental test device and the control result would be more satisfactory than that of the routine PID control.Keyword: Multivariable system, Predictive control, Environmental test device英文摘要和關鍵詞應該是中文摘要和關鍵詞的翻譯英文摘要和關鍵詞占一頁III目錄范例目 錄摘要 ⅠAbstract Ⅱ第一章 緒論 11.1 預測控制概述 11.2 環(huán)境試驗設備簡介 21.3 主要研究工作 21.4 本文安排 3第二章 基礎知識介紹 42.1 預測控制的基本原理 42.1.1 預測控制的三項基本原理 42.1.2 預測控制的幾種算法 52.2 動態(tài)矩陣控制算法 52.2.1 概述 52.2.2 動態(tài)矩陣控制算法 62.3 本章小結 10第三章 環(huán)境試驗設備介紹及建模研究 113.1 環(huán)境試驗設備介紹 113.1.1 簡介 113.1.2 環(huán)境試驗設備的結構及硬件 113.1.3 環(huán)境試驗設備控制的難點 123.2 環(huán)境試驗設備的建模研究 123.2.1 環(huán)境實驗設備的模型概述 123.2.2 飛升曲線法辨識環(huán)境試驗設備的數學模型 143.3 本章小結 19第四章 多變量預測控制算法的研究與推導 204.1 多變量預測控制算法的推導 204.2 仿真研究 244.3 本章小節(jié) 25IV第五章 多變量非自衡系統(tǒng)預測控制算法的研究與推導 265.1 多變量非自衡系統(tǒng)預測控制算法 265.1.1 單變量非自衡系統(tǒng)預測控制算法 265.1.2 多變量非自衡系統(tǒng)預測控制算法 295.2 仿真研究 335.3 本章小結 34第六章 環(huán)境試驗設備的預測控制研究 356.1 脈沖響應系數模型的獲得及對象特性分析 356.1.1 脈沖響應系數模型的獲得 356.1.2 對象特性分析 366.2 仿真控制實驗 376.2.1 參數選擇 376.2.2 仿真控制結果 436.3 本章小結 45結束語 46參考文獻 47附錄 48致謝 49第一章 （標題）1論文正文的排版：1. 換章時必須換頁2. 第一級標題用三號粗黑體，居中上下空一行3. 第二級標題用小三黑體，靠左上下空一行4. 第三級標題用四號黑體，靠左本身不空行5. 正文小四號字體，行距為固定值 20 磅6. 圖題及圖中文字用 5 號宋體7. 參考文獻標題用三號粗黑體，居中上下空一行，參考文獻正文為五號宋體有關論文排版的其它說明：1． 紙張大小及版心：統(tǒng)一用 A4 紙（ 21×29.7）打印，邊距設為： 上 2.54cm，下 2.54cm，左 2.2cm，右 2.2cm。行距為固定值 20 磅。2． 注意文中代表變量的英文字母必須用斜體，其它用正體。微分號 d、圓周率 π 、自然底數 e、矩陣轉置 T 均應為正體。3． 文章中的英文均用 Times New Roman 字體。4． 頁眉標注從論文主體部分（緒論、正文、結論）開始，采用五號宋體居中排布。頁眉分奇、偶頁標注，其中偶數頁的頁眉為 ；奇數頁的頁眉為章序及章標題，例如： 第三章 城市道路的景觀設計研究 。頁眉的上邊距為15mm，在版心上邊線加一行 1.5 磅粗的實線，其上居中打印頁眉；頁腳的下邊距為 15mm。5． 頁眉居中置于頁面上部。論文頁碼居中置于頁腳。偶數頁式樣： 奇數頁式樣：華南理工大學廣州汽車學院本科畢業(yè)設計（論文）說明書 第一章 緒論 第一章 （標題）26. 論文頁碼從主體部分（緒論、正文、結論）開始，直至 “參考文獻、附件、致謝 ”結束，用阿拉伯數字編連續(xù)碼，頁碼位于頁腳，采用五號宋體居中排布。封面、學位論文版權使用說明書、任務書、畢業(yè)設計（論文）評語不編入頁碼。摘要及目錄用五號羅馬數字編連續(xù)碼，頁碼位于頁腳居中。河南科技學院2009 屆本科畢業(yè)論文（設計）論文題目：投籃機器人的動作設計 學生姓名：　 李風雷 所在院系： 機電學院所學專業(yè)： 機械設計制造及其自動化導師姓名： 叢曉霞完成時間：2009 年 5 月 20 日1摘 要本 文 的 主 要 研 究 方 向 是 其 中 的 手 動 機 器 人 控 制 系 統(tǒng) 設 計 。首 先 對 手 動機 器 人 的 行 走 方 案 ﹑ 吃 球 方 案 、投 球 方 案 進 行 討 論 和 設 計 ，隨 后 又 對 投 球裝 置 使 用 的 氣 動 控 制 系 統(tǒng) 進 行 了 設 計 。簡 單 介 紹 了 為 手 動 機 器 人 設 計 的 以單 片 機 為 核 心 的 控 制 系 統(tǒng) 。同 時 出 于 對 穩(wěn) 定 性 的 考 慮 ，設 計 了 以 PLC 為 核心 的 控 制 系 統(tǒng) ，并 以 此 為 重 點 ，對 機 器 人 的 功 能 進 行 設 計 和 擴 展 。關鍵詞：機器人，投球，氣動控制，PLC 控制2AbstractThe main research direction of this article is manual robot control system design. First of all we carry on the discussion and the design to the manual robot walking plan, ball collecting plan, ball shooting plan ,afterwards to design the pneumatic control system of ball shooting system.Simply　introduced the control system takes SCM as the core designed for the manual robot. Simultaneously base on the stable consideration, we designed a control system takes PLC as the core, and take this as the key point, carries on the design and the expansion to the robot function.Keywords: Robot, Shooting ball, Pneumatic control, PLC control3目 錄1 引言 ............................................................................................................................11.1 機器人概述 ......................................................................................................11.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 ..........................................................................11.3 機器人競賽介紹 ..............................................................................................22 總體方案分析與策略 ................................................................................................23 行駛機構的設計 ........................................................................................................34 吃球部分設計 .............................................................................................................45 投球部分設計 ............................................................................................................66 控制回路設計 ............................................................................................................77 單片機控制系統(tǒng) ........................................................................................................77.1 AVR 單片機的特性 .......................................................................................77.2 控制電路介紹 ..................................................................................................88 以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)方案 ..............................................................................98.1 PLC 介紹 ...........................................................................................................98.2 PLC 的選擇 .....................................................................................................118.3 PLC 各單 元介紹 .............................................................................................128.4 控制系統(tǒng)功能介紹 ........................................................................................168.5 前進/后退，變速控制及投球控制 .................................................................168.5.1 Ｉ/O 分配 ................................................................................................168.5.2 程序梯形圖： ........................................................................................178.6 自動送球控制 .................................................................................................209 總結 ..........................................................................................................................20致謝 ..............................................................................................................................21參考文獻 ......................................................................................................................2241 引言1.1 機器人概述機器人科學是一門綜合了機械、電子、材料、計算機、傳感器、仿生、人工智能等多種前沿科學的綜合性學科，是最能體現一個國家基礎科學技術和制造業(yè)水平的學科之一。1920 年捷克作家卡雷爾·卡佩克發(fā)表了科幻劇本《羅薩姆的萬能機器人》。在劇本中，卡佩克把捷克語“Robota”寫成了“Robot” ，“Robota”是奴隸的意思。該劇預告了機器人的發(fā)展對人類社會的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關注，被當成了機器人一詞的起源。在該劇 中，機器人按照其主人的命令默默地工作，沒有感 覺和感情，以呆板的方式從事繁重的勞動。后來，羅薩 姆公司取得了成功，使機器人具有了感情，導致機器人的 應用部門迅速增加。在工廠和家務勞動中，機器人成了必不可少的成員。為了防止機器人傷害人類，科幻作家阿西莫夫于 1940 年提出了“機器人三原 則” ：(1)機器人不 應傷害人類；(2)機器人 應遵守人類的命令，與第一條違背的命令除外；(3)機器人 應能保護自己，與第一條相抵觸者除外。這是給機器人賦予的倫理性綱領。機器人學術界一直將這三原則作為機器人開發(fā)的準則。機器人真正出現在人類社會中的歷史并不算長，1959 年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才算真正開始。機器人發(fā)展到現在，可以分為三代：第一代是示教再現型機器人：它由人操縱機械手做一遍應當完成的動作或通過控制器發(fā)出指令讓機械手臂動作，在動作過程中機器人會自動將這一過程存入記憶裝置。當機器人工作時，能再現人教給它的動作，并能自動重復的執(zhí)行。這類機器人不具有外界信息的反饋能力，很難適應變化的環(huán)境。 第二代是有感覺的機器人：它們對外界環(huán)境有一定感知能力，并具有聽覺、視覺、觸 覺等功能。機器人工作時，根據感 覺器官（ 傳感器）獲得的信息，靈活調整自己的工作狀態(tài)，保證在適 應環(huán)境的情況下完成工作。第三代是具有智能的機器人：智能機器人是靠人工智能技術決策行動的機器人，它們根據感覺到的信息，進行獨立思維、識別、推理，并作出判斷和決策，不用人的參與就可以完成一些復雜的工作。目前，智能機器人已在許多方面具有人 類的特點，隨著機器人技 術不斷發(fā)展與完善，機器人的智能水平將越來越接近人類。1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢當今世界，機器人特別是工業(yè)機器人已經發(fā)展成為一個規(guī)模巨大的產業(yè)。據5粗略估算，全球現在至少有 76 萬臺機器人正投入使用。中國于 1972 年開始研制自己的工業(yè)機器人。我國于 1985 年研制成功第一臺弧焊機器人，距世界最早的機器人實用機型推出晚了 23 年。目前，我國從事機器人研發(fā)、制造的 單位已達200 多家。2000 年，我國工業(yè)機器人的擁有量約為 3500 臺，其中國 產的占五分之一。但是由于我國機器人產業(yè)化起步較晚，步伐 較慢，基礎工業(yè)力量比較薄弱，致使工業(yè)機器人長期大量依賴進口。研究與市場脫節(jié)是我國機器人產業(yè)化過程中一個急需解決的問題。同時，我國的企 業(yè)也缺少大規(guī)模集成的經驗， 難以形成很強的競爭力 [1]。1.3 機器人競賽介紹近年來,隨著計算機、傳感器和人工智能等技術的飛速進步，機器人科學得到了前所未有的發(fā)展.在制造行業(yè)中，尤其是汽車工業(yè),機器人已經成為生產線上的主力，可以說一個企業(yè)其生產線上機器人的質量和數量幾乎可以說明這個企業(yè)的生產效率和水平。不僅如此，機器人的應用也擴展到很多其他領域，比如 偵察、探測機器人，護理機器人，農業(yè)機器人，甚至 還有家用的清 潔機器人……而各類機器人競賽就是近年來發(fā)展起來的一種新興事物。通常情況下，比賽發(fā)布一個目標和一套規(guī)則，參賽選手據此設計機器人，與其他 選手競爭，從而 贏得比賽。機器人比賽集合科技、教育、比賽、娛樂于一體，即是科普活動的一個良好載體,同時也是基礎研究的一個大舞臺,不僅是有趣的娛樂項目同時也能反映出一個國家科技水平的高低。機器人競賽給青年人提供了一個充分展示聰敏才智的舞臺,培養(yǎng)了他們實際動手能力,團隊協(xié)作能力,提高了創(chuàng)新能力, 更使大學生對相關學科的理論學習有了更直觀的認識。同時，這些非工業(yè)用途的研究型和教學型機器人，其意義遠不僅是它們自身所能帶來的直接經濟價值。 這類機器人往往是各種學科最新技術的交叉實驗平臺，在新型機器人上應用的技 術有可能很快就出現在其他領域的實際產品中，不但促進了機器人自身的發(fā)展，也帶動了其他相關領域產品的進步。2 總體方案分析與策略要想實現投籃的功能，機器人必須在以下幾個方面達到要求：(1)功能強大 為了能完成比投籃動作，必須具備高效、可靠的動作機構。(2)信息處理能力 強 需要按照一定的路線行進，對環(huán)境位置信息進行處理和判斷，以便完成既定任務。(3)速度快 速度是 搶占場上優(yōu)勢最重要的手段。(4)堅固穩(wěn)定 要考慮防止機器人傾覆的措施。63 行駛機構的設計大多數手動機器人的驅動布局方案都是：采用兩臺電動機，分別驅動機器人后方的兩個主動輪，而前方安裝一個或兩個萬向輪作從動輪。這種方案的優(yōu)點是轉向控制方便。沒有復雜的轉向機構，通 過分別控制兩個電機的正反轉就能使機器人轉向，無論從結構上還是電路控制上都比較簡單。圖 1 雙電機驅動布局但是這種方案有一個缺點，那就是很難讓機器人在原地繞某一點精確地旋轉。而只有做到能夠精確旋 轉，才能 讓機器人的定向 發(fā)射機構進行精確瞄準。于是設計了另一種方案：在車體后部安裝一個可以控制轉向的主動輪，由一臺電機控制它的轉向，一臺電動機控制其正反轉。圖 2 主動輪轉向方案7當主動輪轉動方向與車身方向垂直時，車身就會以 O 點為圓心旋轉，箭頭所示就是車體的瞄準方向。通過微調主動輪前后旋轉，可以比較容易地實現車體的精確瞄準。但最終沒有采用這種方案，而是在前面方案的基礎上增加一個差速器和一個主動輪，形成雙可控轉向驅動輪+雙定向從動輪的布局。圖 3 雙主動輪加差速器方案選擇這種方案主要基于以下幾個原因：一是四輪布局要比三輪布局穩(wěn)定性高；二是如果主動輪只有一個，那么當主動輪原地旋轉向時，其與地面接觸的部分是滑動摩擦，阻力比較大，且運動不平穩(wěn)。我們使用電 機來控制主動輪的轉向，因此驅動阻力是個值得考慮的問題。如果采用雙主動輪+差速器的方案，那么主動輪原地轉向時，兩個主動輪 就是饒電機主軸旋轉，與地面之間是滾動摩擦，阻力較小，運 動平穩(wěn) [2]； 4 吃球部分設計對吃球機構的要求是，能夠在較短的時間內盡可能地將球拾取到機器人內的指定位置。另外如果球散落各個角落，手動機器人應該有足夠的靈活性來拾取這些燃料球。手動機器人的球發(fā)射機構通常距離地面有一定距離，所以還需要特定機構將球提升到指定高度。我的設計方案是將拾取機構和提升機構和為一體。8圖 4 吃球路徑如圖所示，吃球模塊是由電機帶動的膠皮傳送帶，與地面的距離略微小于燃料球的直徑，因此能夠利用 傳送帶和地面夾緊燃料球，同時將其沿內舌板與吃球模塊組成的通道輸送到球艙，球艙里的球在重力的作用下落入傳送槽，在此由橫向傳送帶送入發(fā)射位置。圖 5 吃球機構結構圖吃球模塊實際上是一個三角形的傳送帶系統(tǒng)，有一條傳送帶，四個滾筒，其中一個是由電動機帶動的動力滾筒，其余三個是從動滾筒，分別起到支撐和預緊的作用。95 投球部分設計經過初步討論，設計了幾種備選方案。一是用風扇。用直流電動機帶動風扇高速轉動，將 風扇靠近對方的燃料球，用高速氣流將燃料球吹離篝火盤。圖 6 風扇方案二是用壓縮空氣。手動機器人攜帶一個儲滿高壓空氣的氣瓶，在機器人的特定位置引出一個噴嘴，用電 磁閥控制氣路的開關。將噴嘴對準對方的燃料球，利用噴射出高壓氣體將球逐出篝火盤。圖 7 吹氣方案但是這兩種方法都有缺點，那就是作用距離近，而且擊球的力量也比較小。于是我們設計了另一種方案：利用氣缸作為動力元件，制作一個彈射機構。經過試驗，這種方法十分有效。球的彈射距離非常遠，能達到 3 米以上，撞擊力量也很大。配合手動機器人上安裝的可見紅外激光瞄準器，射擊精度也非常高。圖 8 彈射機構示意圖106 控制回路設計經過研究決定氣缸用二位五通電磁閥控制。為了調節(jié)氣缸運動速度，使用節(jié)流調速回路，在電磁閥的出氣口分別安裝節(jié)流閥。節(jié)流閥的流量需要經過實驗反復調節(jié)， 觀察整個機構的運 動速度，達到要求之后用螺紋扣件鎖死。G2 為氣缸， F2 為二位五通 電磁閥，J2 和 J6 分別為電 磁閥兩種狀態(tài)下的出氣節(jié)流閥。在正常情況下電 磁閥電源斷開，高 壓氣體從氣缸前端進入，氣缸 處于縮回狀態(tài)并保持不動。當發(fā) 射命令產生， 電磁閥電源接通，高壓氣體從氣缸末端進入，氣缸前端氣體經節(jié)流 閥調速后排出，使氣缸按照一定速度伸出，從而 驅動射球機構將球射出 [3]。以下為投籃機器人的控制系統(tǒng)的設計，由于單片機和 plc 均可，我做兩個系統(tǒng)進行比較。7 單片機控制系統(tǒng)7.1 AVR 單 片機的特性AVR 單片機是 1997 年由 ATMEL 公司研發(fā)出的增強型內置 Flash 的RISC(Reduced Instruction Set CPU) 精簡指令集高速 8 位單片機。AVR 的單片機可以廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實時控制、 儀 器儀表、通 訊設備、家用電器等各個領域。AVR 單片機技術體現了單片機集多種器件(包括 FLASH 程序存儲器、看門狗、EEPROM、同/異步串行口、TWI 、SPI、A/D 模數轉換 器、定 時器/ 計數器等)和多種功能(增 強可靠性的復位系統(tǒng)、降低功耗抗干擾的休眠模式、品種多門類全的中斷系統(tǒng)、具輸入捕獲和比較匹配輸出等多樣化功能的定時器/計數器、具替換功能的 I/O 端口…… ) 于一身，充分體現了單片機技術的從“片自為戰(zhàn)” 向“片上系統(tǒng)SoC”過 渡的發(fā)展方向。 AVR 系列單片機的選型 AVR 單片機系列齊全,可適用于各種不同場合的要求。AVR 單片機有 3 個檔次: 低檔 Tiny 系列 AVR 單片機: 主要有 Tiny11/12/13/15/26/28 等； 中檔 AT90S 系列 AVR 單片機: 主要有 AT90S1200/2313/8515/8535 等； (正在淘汰或轉型到 Mega 中 )高檔 ATmega 系列 AVR 單片機: 主要有 ATmega8/16/32/64/128（ 存儲容量為 8/16/32/64/128 KB）以及 ATmega8515/8535 等。AVR 器件引腳從 8 腳到 64 腳, 還有各種不同封裝供 選擇。根據我們比賽的11需要，選擇了中檔 AT90S 系列 AVR 單片機:AT90S85157.2 控制電路介紹這里只簡單介紹機器人上單片機系統(tǒng)的各部分電路。圖 9 單片機系統(tǒng)AVR AT908515 單片機系統(tǒng)，包括單片機、 時鐘晶振部分、單片機復位部分和單片機電源濾波部分。PC0~PC7 為電磁閥控制部分。PA0~PA7 為繼電器控制部分。圖 10 繼電器控制回路繼電器控制電路。由于單片機 IO 斷口驅動能力有限，所以需要借助三極管放大 電路來驅動繼電器和電磁閥。12圖 11 放大電路整個系統(tǒng)的電源部分（穩(wěn)壓模塊） [7]。圖 12 穩(wěn)壓模塊8 以 PLC 為核心的控制系統(tǒng)方案8.1 PLC 介紹在制作了以單片機為核心的控制系統(tǒng)之后，我們發(fā)現了一些單片機系統(tǒng)的問題。一個缺點就是可靠性不足。我們使用的控制電路從設計到印刷電路板到焊接元器件都是由自己完成，其中肯定有不足之處甚至是錯誤。對于這樣的復雜控制系統(tǒng)來說，一點小失誤就有可能造成整個系統(tǒng)的崩潰。特別是焊接元器件這一環(huán)節(jié)，很容易出現虛焊甚至短路這樣的缺陷。13另外單片機本身的抗干擾能力也比較有限。機器人自身的電路系統(tǒng)中有很多電動機和繼電器等感性負載，在電流劇烈變化的瞬間會產生很高的感生電動勢。這個很高的電動勢本身既能在線路上造成電磁感應干擾，又能造成接點間電火花或電弧干擾，既瞬變噪聲干擾。上述 這些干擾都會 對單片機的工作穩(wěn)定性造成很大的威脅。雖然有一些措施可以減少干擾對單片機的影響，比如安裝電磁屏蔽罩，以及在電路中使用光電隔離等等，但制作能力方面的不足恐怕無法避免。相比之下，PLC 是一種非常成熟的控制系 統(tǒng)。它相當于將單片機、繼電器和各種外圍電路集成到了一起， 經過精心設計和嚴格的測試，可靠性非常高，因此在工業(yè)領域得到了廣泛的應用。可編程控制器，簡稱 PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業(yè)控制裝置。在 1987 年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒 布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定 義：“PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，并能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。 PLC 及其有關的外 圍設備都應該按易于與工 業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體，易于擴展其功能的原則而設計。 ”PLC 是由摸仿原 繼電器控制原理發(fā)展起來的，二十世紀七十年代的 PLC 只有開關量邏輯控制，首先應用的是汽車制造行業(yè)。它以存儲執(zhí)行邏輯運算、 順序控制、定時、 計數和運算等操作的指令；并通過數字輸入和輸出操作，來控制各 類機械或生產過程。用戶編制的控制程序表達了生產過程的工藝要求，并事先存入PLC 的用戶程序存 儲器中。運行時按存儲程序的內容逐條執(zhí)行，以完成工 藝流程要求的操作。PLC 每完成一次循 環(huán)操作所需的時間稱為一個掃描周期。不同型號的 PLC，循 環(huán)掃 描周期在 1 微秒到幾十微秒之間。PLC 用梯形圖編程，在解算邏輯方面，表現出快速的優(yōu)點，在微秒量級，解算 1K 邏輯程序不到 1 毫秒。它把所有的輸入都當成開關量來處理，16 位（也有 32 位的）為一個模擬量。大型 PLC 使用另外一個 CPU 來完成模擬量的運算。把 計算結果送給 PLC 的控制器。PLC 的特點：（1）可靠性高，抗干擾能力強（2）配套齊全，功能完善，適用性強（3）易學易用，深受工程技術人員歡迎（4）系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造14（5）體積小，重量輕，能耗低PLC 的應用領 域：（1）開關量的邏輯控制（2）模擬量控制（3）運動控制（4）過程控制（5）數據處理（6）通信及聯(lián)網PLC 的構成：從結構上分，PLC 分 為固定式和組合式（模塊式）兩種。固定式 PLC 包括CPU 板、I/O 板、顯示面板、內存 塊、 電源等，這些元素組合成一個不可拆卸的整體。模塊式 PLC 包括 CPU 模塊、I/O 模塊、內存、電源模塊、底板或機架，這些模塊可以按照一定規(guī)則組合配置。8.2 PLC 的選擇根據機器人的具體情況，應所選用的 PLC 應該滿足以下幾個基本條件：（1）采用直流工作電源（2）體積小巧，重量輕（3）采用 DC 輸入端子，繼電器輸出端子（4）輸入/輸出點數至少各 16 個，并且 輸出端子至少提供 2 組公共地（5）輸入/輸出點數擴展方便（6）知名品牌，容易得到廣泛的技術支持（7）價格合理綜合以上因素考慮，最終選擇了 Panasonic NAIS FP2 系列 PLC 作為本控制系統(tǒng)的核心。15圖 13 FP2 PLCNAIS FP2 系列 PLC 是松下電工推出的小型模塊式 PLC，其體積小，功能強大，采用模塊化設計，可自由組合各部分功能， 擴展方便。其能夠實現中型機的功能，安裝體積卻維持在小型機的水平上。其功能模塊可根據母板的情況自由選擇，母板提供 5、7、9、12、14 不同數量的模塊安裝位置，可根據需要自由安裝功能模塊 [8]。根據設計需要，我們選擇 FP2 系列的以下模塊進 行組合：（1）母板：FP2-BP05（2）電源單元：FP2-PSD2 （DC 24V 工作電源）（3）CPU 單元：FP2-C1 標準型（4）I/O 單元：FP2-X16D2 DC 輸入（端子臺型）（5）I/O 單元：FP2-Y16R 繼電 器輸出（端子臺型）以上單元共同組成 5 模塊型的基本組合。8.3 PLC 各單元介紹(1)母板：FP2-BP05圖 14 母板(2)電源單元： FP2-PSD2 16圖 15 電源單元(3)CPU 單元：FP2-C1 標 準型圖 16 CPU 單元17(4)I/O 單元：FP2-X16D2 DC 輸入圖 17 輸入單元(5)I/O 單元：FP2-Y16R 繼電器輸出18圖 18 輸出單元8.4 控制系統(tǒng)功能介紹采用 PLC 來控制手動機器人，目的在于提高手動機器人的自動化程度。將19一些動作交給 PLC 自動完成，減少操作者的工作量，減少人工操作失誤的可能性。整個手動機器人有以下幾個部分需要實時操作：機器人的前進/后退及變速功能，還有吃球、送球等動作需要通過 PLC 來控制。8.5 前進/后退，變速控制及投球控制機器人的行走是通過直流電動機驅動的。為了讓機器人能夠對環(huán)境有更強的適應性，應該讓機器人的行走狀態(tài)能夠隨時進行調整。前進和后退兩種模式是必須有的，此外還應該讓機器人在前進時能夠隨時調整速度。使用了一種比較典型的控制方法，即用繼電器控制直流電動機的正反轉，并增加兩個輸入不同電壓的正轉繼電器，以實現前進時的三擋變速。機器人的電源可以采用鎳氫電池組，所以不同電壓可以由電池組的不同抽頭輸出，比較方便。操作時，將遙控器操縱桿向前推，觸發(fā)前進按鈕，此時電動機一檔正傳，同時激活換檔模式。然后每按 動加擋按鈕一次， 電動機 轉速提高一檔，加到三檔后加擋按鈕失效；按動減檔按鈕一次，電動機轉速在現有基礎上減一檔，減到一檔后減檔按鈕失效。如果操縱 桿回到中間位置或向后推，則自動退出換檔模式，加減檔按鈕都失效。當機器人達到到快投籃的位置時，摁下瞄準狀態(tài)鍵，若瞄準，者 發(fā)射球，若未瞄準則前輪旋轉直至瞄準狀態(tài).如將操縱桿向后推，則電動機一檔反轉，且無 換檔功能。8.5.1 Ｉ/O 分配（1）I 口 ?。兀薄　∏斑M按鈕Ｘ２　　后退按 鈕Ｘ３　　加檔鍵Ｘ４　　退檔鍵Ｘ５　　投籃位置 檢測Ｘ７　　瞄準狀 態(tài)Ｘ８　　吃球Ｘ９　　吐球ＸＡ　　光電開關觸 發(fā)ＸＢ　　位控開關觸 發(fā)（2）Ｏ口：　 Ｙ０　　繼電器Ｊ６的控制?。伲薄　∫粰n正轉20Ｙ２　　二檔正轉Ｙ３　　三檔正轉Ｙ４　　繼電器Ｊ２的控制Ｙ５　　反轉Ｙ６　　吃球正轉Ｙ７　　吐球反轉Ｙ８　　傳動帶啟動Ｙ９　　指示燈Ｙ Ａ　 前驅動輪電機8.5.2 程序梯形圖：圖 19 程序圖程序中用到的指令介紹：(1)ST↑上升沿開始21概述:用于上升沿檢測的觸點指令， 僅在檢測到信號上升沿的周期內 對觸點進行邏輯處理。圖 20 上升沿指令ST↑、AN↑和 OR↑指令在 X0 發(fā)生從 OFF 到 ON 的變化后，Y10 僅輸出一個掃描周期。在機器人程序中，這個命令起到了非常重要的作用：每次觸發(fā)前進按鈕時，換檔模式啟動，并讓計數器復位，同時給計數器用的 過程寄存器設定初始值，且只在觸發(fā)前進按鈕的上升沿時才進行復位和賦值，在隨后換檔模式的工作過程中不動作，因此不會對其他程序產生影響。 這個命令非常簡單有效。(2)F0（MV）16 位數據傳輸概述：將 16 位數據復制到指定的 16 位區(qū)。其中 S 為 16 位常數或存放常數的 16 位區(qū)(源區(qū))，D 為 16 位區(qū)(目的區(qū))。當觸發(fā)器 R0 為 ON 時，數據寄存器 DT10 的內容復制到數據寄存器 DT20。 在機器人程序中，這個命令被用來給計數器用的寄存器賦初始值。22圖 21 數據傳送指令(3)ST= 、〉= 字比較: 相等 時初始加載、大于等于 時 初始加載圖 22 比較指令概述：將兩個字數據(16bit)項進行比較作為運算條件。根據比較的結果觸點閉合或斷開。S1 是被比較的 16 位常數或存放常數的 16 位區(qū)， S2 是被比較的 16 位常數或存放常數的 16 位區(qū)。分別將數據寄存器 DT0 的內容與 K50 和 K60 進行比較。若 DT0=K50，則外部輸出繼電器 Y30 為 ON；若 DT0≥K60，則外部輸出繼電器 Y31 為 ON。在機器人程序中，這個命令用來比 較計數器計算的結果與擋位之間的關系，從而決定輸出檔位。(4)F118(UDC)加/減計數器概述：設置加/減計數器。圖 23 加減計數器指令S 是存放計數器 預置值的 16 位常數或 16 位區(qū)， D 是計數器經過值 16 位區(qū)。示例表示設置初始值，當目 標值為 0 時 R50 變?yōu)?ON。本程序示例可以用于控制指示燈，當增或減工件達到某一數量時，使燈 變亮。當 檢測到復位信號 X2 的下降沿(ON→OFF) 時，數據寄存器 DT10 中的數據被 傳輸到 DT0 中。當 X0 處于OFF 狀態(tài)時， 計數輸入 X1 會使 DT0 的數值遞減(減 計數操作)。當 X0 處于 ON狀態(tài)時， 計數輸入 X1 會使 DT0 的數值遞增(加計數操作 )。寫指 針當經過值 DT0 23= K0 時，特殊內部繼電器 R900B(=標志)將變?yōu)?ON，并且內部繼電器 R50 也為ON。這個命令是換檔程序的核心。通過計數器的加減計算，得出換檔鍵的觸發(fā)次數，從而決定最終的檔位輸 出 []0]。8.6 自動送球控制按照前面的方案設計，吃球機構將球拾起后，球會沿著機器人內部的軌道落入輸送槽。在輸送槽中安裝 紅外激光傳感器，一旦 檢測 到槽內有球， 則計時 3 秒（目的是下一個循環(huán)球射出后等待彈射機構復位），然后自動開啟傳送帶，將球輸送到彈射機構的托盤上。托 盤上安裝一個位控開關，球送到托盤上后觸發(fā)開關，傳送帶停止工作，此時 ready 指示燈亮，提示操作者球已到位可以發(fā)射。當球射出后又開始下一個循環(huán)。自動送球程序的梯形圖圖 24 送球指令9 總結通過本畢業(yè)設計，使自己進一步強化了工業(yè)自動化的概念，能夠把大學期間學習的東西系統(tǒng)起來，學到了很多之前沒學到的，學的不精的東西。致謝畢業(yè)論文是在叢老師的精心指導下完成的。從論文的選題、方案的論證、理論和實驗研究到論文的最后定稿，自始至終都得到了導師的親切關懷和悉心指點，每一步都傾注著導師的心血與汗水。叢老師對我 畢業(yè)設計的嚴格要求使我端正了學習態(tài)度，明確了畢業(yè)設計的目的，在她身上我學到的不僅僅是我畢業(yè)設計24中所涉及到的知識，更重要的是我學到了分析問題、解決問題的方法。另外， 叢老師嚴謹的治學態(tài)度和求實精神、高尚的品德及忘我的工作作風給我留下了深刻的印象，并從中獲得很多人生啟迪。在此，我 謹向 叢老師致以最誠摯的謝意。參考文獻[1] 周維 .人工智能與機器人控制的探討 [C].全國先進制造技術高層論壇論文集. 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