plc控制系统的导盲机器人硬件结构设计
摘 要摘 要导盲机器人给一些视觉受损的人提供避障功能的一款智能机器人，它属于智能机器人。导盲机器人通过安装在它身上的红外传感器和超声波传感器来检测行驶过程中周围的路况，并将周围环境中路障信息以信号的形式传送给导盲机器人的控制中心PLC，PLC读取信号，然后发出指示信号给步进电机，由步进电机来控制机器人的移动，进而完成避障动作。随着世界疾病发生的概率越来越大，视障患者的数量不断增加，研制一款具有导盲功能的智能机器人成了越来越多人津津乐道的话题，本文中综合了国内外研制的各种设备，在导盲机器人理论的基础上，研制了一款新型的具有导盲特性的智能机器人。导盲机器人为三轮机构，动力系统由人控制，步进电机控制机器人的转向。由于导盲机器人设计的复杂性特别强，本文分别对导盲机器人分模块研究，首先是进行硬件的选取，保罗红外传感器和超声波传感器的选取，其次是PLC以及步进电机型号的选取。然后再对这些元件依次进行详细的介绍，待所有原件根据机器人的特性选择完毕之后，接下来便是PLC与这些原器件的连线问题，包括对步进电机以及传感器的连线。等到一切工作完毕之后，我们进行的是对机器人的调试工作，并分析实验数据，观察机器人是否会完成人们预想的功能。关键词：导盲机器人；PLC；传感器目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的及意义 1
1.2 课题国内外的发展 1
1.2.1手杖式导盲设备 2
1.2.2穿戴式导盲设备 2
1.2.3移动式导盲设备 3
1.3导盲机器人的发展趋势 4
第二章 导盲机器人总体方案的设计 5
2.1 方案设计 5
2.2 多传感器检测方案设计 5
2.2.1 模块的选择 5
2.2.2 信息融合设计 7
2.3 系统控制方案设计 7
2.4 机械硬件设计 8
第三章 PLC对步进电机及驱动器的控制 10
3.1 电子硬件设计 10
3.2 主控系统的设计 10
3.2.1 主控PLC简介 10
3.2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
选择 5
2.2.2 信息融合设计 7
2.3 系统控制方案设计 7
2.4 机械硬件设计 8
第三章 PLC对步进电机及驱动器的控制 10
3.1 电子硬件设计 10
3.2 主控系统的设计 10
3.2.1 主控PLC简介 10
3.2.2 PLC硬件和端子的介绍 11
3.3 外围功能模块设计 12
3.3.1步进电机的基本原理 13
3.3.2 具体的实现步骤 16
第四章 PLC对传感器的控制 20
4.1 PLC对红外线传感器的控制 20
4.2 PLC对超声波传感器的控制 23
4.3 PLC对导盲机器人手柄的控制 28
结论 30
致谢 31
参考文献 33
第一章 绪论
1.1课题研究的目的及意义
社会上的盲人数量过多，导致了世界上的社会负担与公共问题愈来愈凸显，中国作为全世界的人口大国之一，盲人数量据统计有五百万之多，这种视力的缺陷问题在中国显得尤为突出。所以改善盲人的生活质量将直接提高国民的生活水平。对于盲人来说，视力受损是他们生活质量下降的根本原因，由于没有办法在行走的时候看清障碍物并及时地避开它们，这给他们的出行和活动带来了极大的困扰。因此，随着全世界盲人数量的不断增加，而传统所使用的诸如拐杖之类的导盲设备在很大程度上不能达到现代盲人的期望，。而导盲犬之类的动物上的使用，由于其训练成本过于昂贵，动物的寿命较人类而言太短等诸多因素，在使用起来让存在诸多的问题，所以设计一款具有导盲功能的机器人就会显得尤为必要。但是对于盲人而言，好消息是智能机器人越来越发达，越来越普及，在导盲机器人方面的研究并一步一步取得关键性的突破，正式给全世界的盲人带来了福音。在导盲机器人的设计中，针对视障人群视力缺陷的特点，对周围环境包括障碍物的反馈称为导盲机器人研制的核心内容。而设计导盲机器人最主要也是最关键的步骤就是对外界路径作出反馈并能够做的准确地避障。因此，导盲机器人的关键是它所装载的各类传感器，通过传感器发送接收信号来实现导盲机器人的灵活避障，也正是因为传感器，导盲机器人才能更好的为人类服务，导盲机器人所装载的属于外部信息传感器，能够收集与导盲机器人的工作环境有关的信息，将获取的数据传入机器人的控制系统，机器人根据这些数据做出相应的反应，来告知使用者前方是否有障碍物。
1.2 课题国内外的发展
随着社会的发展和科技的进步，机器人技术和传感器技术正在进入一个飞速发展的阶段，不少科学家努力将这两种技术和导盲避障功能相结合，竭尽全力制造出具有人们期望功能的导盲机器人，从而大大提高盲人的生活质量。所以智能机器人在导盲这一模块的研究一直是人们津津乐道的话题。至今为止，导盲设备主要可以分为以下3类：
1.2.1手杖式导盲设备
手杖是最简单的导盲辅助设备，这些视力受损的人通过手杖来感知他们周围的障碍物，然后慢慢摸索，直到避开它们。但是，这些手杖感知的范围以及障碍物的种类很是有限，不能很好地探测到障碍物，因此，利用普通手杖进行导盲，存在着很大的安全隐患。
最简单的导盲设备无非就是手杖，盲人或者视力受损的人通过手杖来感知路面的位置情况，从而知晓周围是否还有障碍，并做出判断。但是，普通手杖的探测距离比较短，只能探测人周围大概一米的距离，而且腰以上的部位如果用手杖探测的话基本上不大容易，属于盲区。因此，这些视力受损的人如果只是依赖手杖而没有别人帮助的情况下行走的话，实际上是很危险的。新加坡国立大学的科学家们之前开发研制了智能导盲拐杖设备，他们在手杖上加入了各种传感器设备，盲人可以通过这些传感器对路径的反馈，从而准确地绕过障碍物，安全通行。值得一提的是，这些科学家还在手杖上加入了蓝牙耳机设备，蓝牙耳机可以把实时的路况告诉盲人；导盲手杖可以探测路面的情况，让盲人及视力受损的人能够及时的了解身边的信息。
图11智能导盲杖
1.2.2穿戴式导盲设备
穿戴式导盲设备在美国Grathio实验室Mr Steve Hoefer带领的团队下成功设计开发出了“腕置手控声纳反馈障碍辅助仪”该设备是佩戴在手腕上的能够感知2厘米到3.5米之间的距离，能够做到精确的导航。而且手腕上的导盲装置能够在进行声波反馈的时候不会对身体配备的其他智能设备进行互扰。“腕置手控声纳反馈障碍辅助仪”还存在一些这样那样的问题，比如在体积大小方面不能做到很好地把握、集成装置技术还不够成熟等问题，后序还需要做进一步的研究。
图12腕置手控声纳反馈障碍辅助仪
德国康斯坦茨大学的几名学生在Kinect头盔上安置了微软的身体感应外围设备，同时，他们还在头盔上安置了一个标准的摄像头，使其拥有一个立体视觉，用以建立一套增强现实（Augmented Reality，AR）系统。该系统能够读取不同类型AR标签，来达到系统和外部环境协调的目的，从而让盲人了解到实时的路况。
第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的及意义 1
1.2 课题国内外的发展 1
1.2.1手杖式导盲设备 2
1.2.2穿戴式导盲设备 2
1.2.3移动式导盲设备 3
1.3导盲机器人的发展趋势 4
第二章 导盲机器人总体方案的设计 5
2.1 方案设计 5
2.2 多传感器检测方案设计 5
2.2.1 模块的选择 5
2.2.2 信息融合设计 7
2.3 系统控制方案设计 7
2.4 机械硬件设计 8
第三章 PLC对步进电机及驱动器的控制 10
3.1 电子硬件设计 10
3.2 主控系统的设计 10
3.2.1 主控PLC简介 10
3.2.2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
选择 5
2.2.2 信息融合设计 7
2.3 系统控制方案设计 7
2.4 机械硬件设计 8
第三章 PLC对步进电机及驱动器的控制 10
3.1 电子硬件设计 10
3.2 主控系统的设计 10
3.2.1 主控PLC简介 10
3.2.2 PLC硬件和端子的介绍 11
3.3 外围功能模块设计 12
3.3.1步进电机的基本原理 13
3.3.2 具体的实现步骤 16
第四章 PLC对传感器的控制 20
4.1 PLC对红外线传感器的控制 20
4.2 PLC对超声波传感器的控制 23
4.3 PLC对导盲机器人手柄的控制 28
结论 30
致谢 31
参考文献 33
第一章 绪论
1.1课题研究的目的及意义
社会上的盲人数量过多，导致了世界上的社会负担与公共问题愈来愈凸显，中国作为全世界的人口大国之一，盲人数量据统计有五百万之多，这种视力的缺陷问题在中国显得尤为突出。所以改善盲人的生活质量将直接提高国民的生活水平。对于盲人来说，视力受损是他们生活质量下降的根本原因，由于没有办法在行走的时候看清障碍物并及时地避开它们，这给他们的出行和活动带来了极大的困扰。因此，随着全世界盲人数量的不断增加，而传统所使用的诸如拐杖之类的导盲设备在很大程度上不能达到现代盲人的期望，。而导盲犬之类的动物上的使用，由于其训练成本过于昂贵，动物的寿命较人类而言太短等诸多因素，在使用起来让存在诸多的问题，所以设计一款具有导盲功能的机器人就会显得尤为必要。但是对于盲人而言，好消息是智能机器人越来越发达，越来越普及，在导盲机器人方面的研究并一步一步取得关键性的突破，正式给全世界的盲人带来了福音。在导盲机器人的设计中，针对视障人群视力缺陷的特点，对周围环境包括障碍物的反馈称为导盲机器人研制的核心内容。而设计导盲机器人最主要也是最关键的步骤就是对外界路径作出反馈并能够做的准确地避障。因此，导盲机器人的关键是它所装载的各类传感器，通过传感器发送接收信号来实现导盲机器人的灵活避障，也正是因为传感器，导盲机器人才能更好的为人类服务，导盲机器人所装载的属于外部信息传感器，能够收集与导盲机器人的工作环境有关的信息，将获取的数据传入机器人的控制系统，机器人根据这些数据做出相应的反应，来告知使用者前方是否有障碍物。
1.2 课题国内外的发展
随着社会的发展和科技的进步，机器人技术和传感器技术正在进入一个飞速发展的阶段，不少科学家努力将这两种技术和导盲避障功能相结合，竭尽全力制造出具有人们期望功能的导盲机器人，从而大大提高盲人的生活质量。所以智能机器人在导盲这一模块的研究一直是人们津津乐道的话题。至今为止，导盲设备主要可以分为以下3类：
1.2.1手杖式导盲设备
手杖是最简单的导盲辅助设备，这些视力受损的人通过手杖来感知他们周围的障碍物，然后慢慢摸索，直到避开它们。但是，这些手杖感知的范围以及障碍物的种类很是有限，不能很好地探测到障碍物，因此，利用普通手杖进行导盲，存在着很大的安全隐患。
最简单的导盲设备无非就是手杖，盲人或者视力受损的人通过手杖来感知路面的位置情况，从而知晓周围是否还有障碍，并做出判断。但是，普通手杖的探测距离比较短，只能探测人周围大概一米的距离，而且腰以上的部位如果用手杖探测的话基本上不大容易，属于盲区。因此，这些视力受损的人如果只是依赖手杖而没有别人帮助的情况下行走的话，实际上是很危险的。新加坡国立大学的科学家们之前开发研制了智能导盲拐杖设备，他们在手杖上加入了各种传感器设备，盲人可以通过这些传感器对路径的反馈，从而准确地绕过障碍物，安全通行。值得一提的是，这些科学家还在手杖上加入了蓝牙耳机设备，蓝牙耳机可以把实时的路况告诉盲人；导盲手杖可以探测路面的情况，让盲人及视力受损的人能够及时的了解身边的信息。
图11智能导盲杖
1.2.2穿戴式导盲设备
穿戴式导盲设备在美国Grathio实验室Mr Steve Hoefer带领的团队下成功设计开发出了“腕置手控声纳反馈障碍辅助仪”该设备是佩戴在手腕上的能够感知2厘米到3.5米之间的距离，能够做到精确的导航。而且手腕上的导盲装置能够在进行声波反馈的时候不会对身体配备的其他智能设备进行互扰。“腕置手控声纳反馈障碍辅助仪”还存在一些这样那样的问题，比如在体积大小方面不能做到很好地把握、集成装置技术还不够成熟等问题，后序还需要做进一步的研究。
图12腕置手控声纳反馈障碍辅助仪
德国康斯坦茨大学的几名学生在Kinect头盔上安置了微软的身体感应外围设备，同时，他们还在头盔上安置了一个标准的摄像头，使其拥有一个立体视觉，用以建立一套增强现实（Augmented Reality，AR）系统。该系统能够读取不同类型AR标签，来达到系统和外部环境协调的目的，从而让盲人了解到实时的路况。
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