４．１ 引言
由于清洗机器人工作环境的特殊性 要求控制系统具有可靠性高 抗干扰 能力强 易于功能扩展等特点 控制系统由清洗机本体控制系统 楼顶起吊控制 系统及地面遥控系统三部分组成 系统工作时 地面遥控系统完成机器人的任务 调度 操作人员通过键盘输入控制指令 经无线通信系统传输给机器人本体控制 器和楼顶起吊系统控制器 机器人在本体控制器的控制下完成吸附 清洗 越障 等动作并由楼顶卷扬机牵引下滑运动 机器人本体和楼顶机构上的多种传感器实 时采集系统工作状态信息进行处理 完成自主规划 实现智能控制 并把信息实 时传输给地面遥控系统 操作人员通过这些信息实时掌握机器人的工作状态 在 机器人发生意外情况时 地面操作人员可以及时发出控制命令 图 4-1 是机器人 控制系统功能框图
４．２ 控制系统硬件设计
图 4-1 控制系统功能框图
Fig 4-1 Function Schematic of the Control System
根据系统功能要求 我们设计了基于单片机和 PLC 的主从分布式的控制系
统
[23~26]
图 4-2 为控制系统硬件框图 楼顶起吊安全控制系统和本体控制系统均选用西门子 S7-200 CPU 226 可编程逻辑控制器 PLC
[27]
该 PLC 具有可靠性 高 抗干扰能力强 通信能力强 组装灵活和方便扩展等特点 能够很好的满足 控制系统的要求 PLC 特殊的循环扫描机制 对输入输出信号及执行过程中信 息的集中批处理 使得系统能够实时感知各种信息 并得到及时可靠的处理 地 面遥控系统选用性能可靠 价格低廉的 51 单片机作为主控制器 完成遥控和状 态监视功能 无线数据传输模块作为无线通信设备 通过串口实现单片机和 PLC 间的数据通信 清洗效果实时监测系统采用无线视频传输模块 安装在机器人本 体的两台摄像头采集玻璃幕墙清洗效果图 经无限视频传输模块将视频信号传回 地面遥控监控系统的液晶显示屏 操作人员通过液晶屏实时监视机器人的清洗效 果 并根据清洗效果对机器人发出相应的控制指令图 4-2 控制系统硬件框图
楼顶控制系统有手动和自动两种工作方式 由变频器控制卷扬机三相交流 电机和横向移动电机 完成机器人上升 下降 沿固定轨道移动等功能 速度可 调节 并由旋转编码器检测 各控制信号均通过 PLC 进行集中处理 并将状态 信息传输给地面遥控系统
本体控制系统主要完成双吸盘吸附机构 负压闭环控制 清洗机构 无线 通讯 障碍检测 越障规划 水位检测 气动元件等的控制 直流伺服电机 风 机 水泵 气动元件 电磁阀等作为执行装置 负压由两个风机产生 并由单相 交流调压模块调节风机转速 清洗刷由直流伺服电机及其驱动器经同步带驱动并 可调速 水循环回收机构主要是控制水泵实现水的循环 过滤和回收再利用 控 制器通过对多种传感器信号的处理 完成对机器人吸附 清洗 越障等的规划和 控制 负压传感器用以检测吸盘内负压 经由 EM235 模数转换模块检测进入 PLC 实现负压闭环控制 4 组光电传感器用于分别检测下吸盘 接水板 上吸 盘和刮水板是否接近清洗机器人移动前方水平窗框类障碍 由控制系统决定越障 动作时机 依次控制以上四个部件的气动装置缩回和伸出 从而实现整个越障过 程 张力传感器用于检测缆绳的张紧程度 判断当前机器人移动状态 防止吸盘 内部负压过大造成不能移动 此外 液位传感器用来检测水箱内水位 在供水不 足时 通知地面遥控系统
地面遥控单元 CPU 按照操作面板按键指令通过无线通讯模块向清洗机本体 以及楼顶安全装置发出控制命令 并由液晶显示器显示当前机器人工作状态
４．３ 楼顶卷扬调速系统
卷扬机电机为三相异步交流电机 三相异步电机转子的转矩由磁场转动时 产生的电磁转矩产生 旋转磁场转速为
p
n0
=
60f1 4-1式 4-1 中 n
0
表示磁场转速 f1
表示电源频率 p 表示磁极对数 转子的转速与磁场转速 n0
之间的关系由转差率 s 表示0
α = f
F1
/ fN
４．３．２ 变频器调速系统设计
三相异步电机采用变频调速时 应合理选择变频器的容量和外围设备 以 及变频器的额定电流 清洗机器人的卷扬电机要承载整个机器人本体的重量 因 此必须实现前面分析过的恒转矩变频调速 采用具有恒转矩控制功能的变频其是 一种比较理想的选择 根据电机的功率 我们选用功率为 2.2kw 的 ABB 公司 ACS 140 变频器
[29]
与 PLC 主控制器组成楼顶卷扬电机速度控制系统图 4-3 U1/ f1为常数时变频调速机械特性
Fig 4-3 Mechanical Character of Frequency Control When U1/ f1 is Constant
图 4-4 恒最大转矩变频调速的补偿特性
Fig 4-4 Offset Character of Frequency Control When Maximal Torque is Constant
图 4-5 为变频器的接线原理
Fig 4-5 Wire Schematic of Frequency Converter