plc遥控四轮万向移动控制系统设计
摘 要随着科技的进步，人们迫切需求一种能在一个狭小的场地内灵活行驶的移动机器人。使用全向轮机构可以实现在狭窄的空间内快速、灵活运行，尤其是能够实现零半径转弯，运行方位精准，缩短时间，制作效率高。本课题针对普通运输车转弯半径过大的问题，提出了一种全向轮运输车的设计方案。该设计方案以S7-200可编程控制器（PLC）为控制核心，使用四个全向轮作为移动机构。课题设计包括车体结构和控制程序编写。运输车运动控制指令由无线遥控器发出，能实现前后左右顺逆时针动作。运输车的运动速度和运动方向由四个全向轮的旋转速度及顺逆转向决定，每个车轮单独使用一个伺服电机控制。车体四周安装障碍传感器，当运输车前方出现紧急情况能发出报警信号并及时停车，减免危险状况的发生。为了增强带负载能力伺服电机和全向轮之间安装减速器。运输车运行速度由WINCC界面输入，同时能通过WINCC界面观察系统部件运行状态。本课题程序在实验室模拟调试成功，达到设计要求，当然在使用中还会暴露出一些模拟时无法出现问题，还需要提高改进。本课题所设计的运输车适合实验教学。
Keywords: omnidirectional wheel；PLC – 200； wireless remote control；servo motor ；WINCC 目 录
1.引言 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 2
2 .基于PLC遥控四轮万向移动控制系统设计 3
2.1 系统的功能目标 3
2.2 主要技术指标 3
2.3 系统设计 3
3.系统硬件设计 4
3.1 PLC的选型及其硬件设置 4
3.1.1 PLC选型 4
3.1.2 PLC工作原理 4
3.1.3 PLC硬件接线 5
3.2 全向轮安装 7
3.3 伺服系统 9
3.4 行星齿轮减速器 10
3.5 障碍传感器 11
3.6 系统硬件组成 11
4.PLC控制程序设计 13
4.1 伺服控制程序 14
4.1.1 MA
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
P库指令控制 14
4.1.2 EM253模块程序 17
4.2 模拟量程序 18
4.2.1 模拟量转换 18
4.2.2模拟量程序 18
4.3 无线遥控器设计 19
4.4 WINCC界面 20
5.实验调试 21
5.1 流程调试 21
5.2 伺服电机调试 21
6.总结与展望 22
6.1 总结 22
6.2 展望 22
参考文献 23
致谢 24
1.引言
1.1 课题研究背景和意义
自上世纪90年代起，人们大力开发对服务类机器人对的研制。在美国、日本和欧洲等发达国家，服务类机器人已经参与到了人民日常生活中，在他们的商场、医院、工厂车间扮演着及其重要的角色。随着我国国民经济的飞速发展，服务机器人必将大量的出现在人们的日常生活中，尤其是它的分支移动机器人。
移动机器人的灵活性是判断其性能优劣的重要指标。在军事、危险操作、服务业等许多领域都需要一个能够以期望的速度，灵活自如运动的机器人来帮助人们完成作业。全向轮的发明翻开轮式移动机器人应用新一页，全向轮在平面内拥有三个自由度，根据这种特性将几个全向轮组合可以使机器人在平面内获得任意的运动方向。近年来，全向轮以其优越特性，得到许多科技人员的大力研发应用。
1.2 国内外研究现状
在美国、日本等发达国家对全向轮机构的研发已经历数年，技术遥遥领先，广泛应用于医疗、超市、餐厅等场合。
图1.1 全方位移动机器人
如图1.1为美国卡内基?梅隆大学研制的全方位移动机器人。该机器人使用四个Mecanum全向轮，自带电池、控制芯片和传感器，可以在地面上自主运动。
图1.2 日本研制的具有爬坡能力的全方位机器人
如图1.2所示为日本在全方位移动机器人的基础上，设计出的具有爬坡能力的移动机器人，该机构使用7个全向轮。
国内对移动机器人研究落后与西方发达国家。上世纪90年代清华大学、上海大学、中国科学院和哈尔滨工业大学在研究中取得显著成果。
近几年无论是国外还是国内，政府都投入大量资金研发各种各样的服务类机器人。还有专门的足球机器人，就使用的全向轮机构。
1.3 课题主要研究内容
本课题主要工作流程是先选择四个全向轮的安装方式，根据四个全向轮的安装方式，分析计算出运输车按不同方向运行时，四个全向轮对应的旋转方向。当使用者通过无线遥控器发出信号PLC接收到信号后，对应发出的指令更改四组伺服的控制程序实现按要求运行，全向轮旋转方向改变后，运输车的整体运动方向也随之改变，从而实现万向移动。
运输车使用直流电池供电，车载48V铅酸电池。四个全向轮每个单独使用一组伺服系统驱动。PLC通过发出PTO脉冲控制伺服驱动器，伺服驱动器根据PTO脉冲的数量和方向信号控制伺服电机的旋转方向和转速。伺服电机通过减速器带动全向轮。
无线遥控器使用两块C52单片机串口通信，用蓝牙实现两块单片机之间无线传输连接，达到遥控功能。
运输车的速度设定通过安装在车体上的触摸屏（或者WINCC）输入。
2 .基于PLC遥控四轮万向移动控制系统设计
2.1 系统的功能目标
本课题用遥控器遥控载货小车移动，它是一种用于工业搬运的多功能移动小
车，常用于飞机制造，重型机械的安装搬运。基于S7200PLC设计的一台全向运输车。
2.2 主要技术指标
1.小车向前，向后移动 ，零半径转弯
2.运行速度： 最高1m/s
3.最大负重:100KG
4.驱动方式：直流伺服电机
5.引导方式：无线信号发送与控制，遥控器
6.控制精度要求：20mm
7.需要控制:向前进，向后退，左右90°转弯，左右平移可以根据生产需要通过(人机界面)快速更改每个方向的移动速度及移动距离
8.可与其它外部设备进行，I/O数据交换
2.3 系统设计
图2.1系统设计框图
系统设计框图如图2.1所示，系统主要由PLC、伺服系统、整体小车、障碍传感器、遥控器和触摸屏（或者WINCC）构成。运输车运动参数由PLC根据遥控器发出的指令和WINCC输入的速度共同决定。运输车前进过程中PLC能根据障碍传感器反馈信号及时做出调整，防止触碰的人员或设备。
3.系统硬件设计
系统硬件包括PLC、伺服系统、减速器和全向轮以及遥控器。最重要的还有它们之间的连线布局。
3.1 PLC的选型及其硬件设置
PLC作为整个控制系统的控制核心无论是选型、I/O安排和扩展模块的选择都关乎到整个系统能否正常运行。
3.2.1 PLC选型
本课题研究对象为一台全向移动运输车属于一个小型系统，故选用西门子200系列PLC完成控制。而西门子300适用于中等控制系统，用在本课题所设计的移动平台上，不能充分发挥300的性能。
本课体中涉及到4个伺服电机控，5个模拟量检测，因此需要连接扩展模块，模拟量输入用EM231、定位模块用EM253。
3.1.2 PLC工作原理
Keywords: omnidirectional wheel；PLC – 200； wireless remote control；servo motor ；WINCC 目 录
1.引言 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要研究内容 2
2 .基于PLC遥控四轮万向移动控制系统设计 3
2.1 系统的功能目标 3
2.2 主要技术指标 3
2.3 系统设计 3
3.系统硬件设计 4
3.1 PLC的选型及其硬件设置 4
3.1.1 PLC选型 4
3.1.2 PLC工作原理 4
3.1.3 PLC硬件接线 5
3.2 全向轮安装 7
3.3 伺服系统 9
3.4 行星齿轮减速器 10
3.5 障碍传感器 11
3.6 系统硬件组成 11
4.PLC控制程序设计 13
4.1 伺服控制程序 14
4.1.1 MA
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
P库指令控制 14
4.1.2 EM253模块程序 17
4.2 模拟量程序 18
4.2.1 模拟量转换 18
4.2.2模拟量程序 18
4.3 无线遥控器设计 19
4.4 WINCC界面 20
5.实验调试 21
5.1 流程调试 21
5.2 伺服电机调试 21
6.总结与展望 22
6.1 总结 22
6.2 展望 22
参考文献 23
致谢 24
1.引言
1.1 课题研究背景和意义
自上世纪90年代起，人们大力开发对服务类机器人对的研制。在美国、日本和欧洲等发达国家，服务类机器人已经参与到了人民日常生活中，在他们的商场、医院、工厂车间扮演着及其重要的角色。随着我国国民经济的飞速发展，服务机器人必将大量的出现在人们的日常生活中，尤其是它的分支移动机器人。
移动机器人的灵活性是判断其性能优劣的重要指标。在军事、危险操作、服务业等许多领域都需要一个能够以期望的速度，灵活自如运动的机器人来帮助人们完成作业。全向轮的发明翻开轮式移动机器人应用新一页，全向轮在平面内拥有三个自由度，根据这种特性将几个全向轮组合可以使机器人在平面内获得任意的运动方向。近年来，全向轮以其优越特性，得到许多科技人员的大力研发应用。
1.2 国内外研究现状
在美国、日本等发达国家对全向轮机构的研发已经历数年，技术遥遥领先，广泛应用于医疗、超市、餐厅等场合。
图1.1 全方位移动机器人
如图1.1为美国卡内基?梅隆大学研制的全方位移动机器人。该机器人使用四个Mecanum全向轮，自带电池、控制芯片和传感器，可以在地面上自主运动。
图1.2 日本研制的具有爬坡能力的全方位机器人
如图1.2所示为日本在全方位移动机器人的基础上，设计出的具有爬坡能力的移动机器人，该机构使用7个全向轮。
国内对移动机器人研究落后与西方发达国家。上世纪90年代清华大学、上海大学、中国科学院和哈尔滨工业大学在研究中取得显著成果。
近几年无论是国外还是国内，政府都投入大量资金研发各种各样的服务类机器人。还有专门的足球机器人，就使用的全向轮机构。
1.3 课题主要研究内容
本课题主要工作流程是先选择四个全向轮的安装方式，根据四个全向轮的安装方式，分析计算出运输车按不同方向运行时，四个全向轮对应的旋转方向。当使用者通过无线遥控器发出信号PLC接收到信号后，对应发出的指令更改四组伺服的控制程序实现按要求运行，全向轮旋转方向改变后，运输车的整体运动方向也随之改变，从而实现万向移动。
运输车使用直流电池供电，车载48V铅酸电池。四个全向轮每个单独使用一组伺服系统驱动。PLC通过发出PTO脉冲控制伺服驱动器，伺服驱动器根据PTO脉冲的数量和方向信号控制伺服电机的旋转方向和转速。伺服电机通过减速器带动全向轮。
无线遥控器使用两块C52单片机串口通信，用蓝牙实现两块单片机之间无线传输连接，达到遥控功能。
运输车的速度设定通过安装在车体上的触摸屏（或者WINCC）输入。
2 .基于PLC遥控四轮万向移动控制系统设计
2.1 系统的功能目标
本课题用遥控器遥控载货小车移动，它是一种用于工业搬运的多功能移动小
车，常用于飞机制造，重型机械的安装搬运。基于S7200PLC设计的一台全向运输车。
2.2 主要技术指标
1.小车向前，向后移动 ，零半径转弯
2.运行速度： 最高1m/s
3.最大负重:100KG
4.驱动方式：直流伺服电机
5.引导方式：无线信号发送与控制，遥控器
6.控制精度要求：20mm
7.需要控制:向前进，向后退，左右90°转弯，左右平移可以根据生产需要通过(人机界面)快速更改每个方向的移动速度及移动距离
8.可与其它外部设备进行，I/O数据交换
2.3 系统设计
图2.1系统设计框图
系统设计框图如图2.1所示，系统主要由PLC、伺服系统、整体小车、障碍传感器、遥控器和触摸屏（或者WINCC）构成。运输车运动参数由PLC根据遥控器发出的指令和WINCC输入的速度共同决定。运输车前进过程中PLC能根据障碍传感器反馈信号及时做出调整，防止触碰的人员或设备。
3.系统硬件设计
系统硬件包括PLC、伺服系统、减速器和全向轮以及遥控器。最重要的还有它们之间的连线布局。
3.1 PLC的选型及其硬件设置
PLC作为整个控制系统的控制核心无论是选型、I/O安排和扩展模块的选择都关乎到整个系统能否正常运行。
3.2.1 PLC选型
本课题研究对象为一台全向移动运输车属于一个小型系统，故选用西门子200系列PLC完成控制。而西门子300适用于中等控制系统，用在本课题所设计的移动平台上，不能充分发挥300的性能。
本课体中涉及到4个伺服电机控，5个模拟量检测，因此需要连接扩展模块，模拟量输入用EM231、定位模块用EM253。
3.1.2 PLC工作原理
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