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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）基于PLC的平面运动控制研究RESEARCH ON PLANE MOTION CONTROL BASED ON PLC 年 级: 2004级学 号: 20041442姓 名: 冯刘中专 业: 机械设计制造及自动化指导老师: 肖世德2008 年 6 月 院 系 机械工程学院 专 业 机械设计制造及自动化 年 级 2004级 姓 名 冯刘中 题 目 基于PLC的平面运动控制研究 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 04机械茅以升班 学生姓名 冯刘中
2、 学 号 20041442 发题日期： 2008 年 3 月 5 日 完成日期： 6 月 12 日题 目 基于PLC的平面运动控制研究 1、本论文的目的、意义： 论文的主要目的是研究基于PLC的运动控制，具体实现方式是独立设计并制作一辆基于PLC的智能小车。通过与上位机的串口通信和无线遥控，实现点位与平面运动。智能小车设计的过程中，第一，建立小车运动模型，包括轨迹模型、车体模型和行走模型；第二，对小车的模型进行相应的数学分析和推导。第三，根据建立的数学模型和控制要求，设计小车的控制算法。第四，基于控制算法进行编程。最后，结合电路硬件与机械结构将小车的模型完成。通过对小车的模型建立与分析，提高了
3、分析问题和解决问题的能力；通过编程控制，加深了对PLC的了解与掌握；通过实物模型的制作，加深了对机械设计、电路制作的了解，达到对机械电子更深的学习。 2、学生应完成的任务 （1）关于智能小车的调研与资料收集 （2）智能小车总体方案的设计 （3）智能小车的机械结构设计与加工 （4）直流电动机驱动电路的设计与调试 （5）PLC的程序设计、调试 （6）控制系统的硬件接线与总体调试 （7）系统电路图 （8）外文资料翻译 （9）设计、计算说明书 3、论文各部分内容及时间分配：（共 15 周）第一部分 实习 ( 1 周) 第二部分 收集资料进行市场调查、完成总体设计 ( 3 周) 第三部分 详细方案设计、
4、软件硬件的设计及机械加工 ( 5 周)第四部分 智能小车总装及功能调试 ( 3 周) 第五部分 外文翻译以及设计说明书 ( 2 周)评阅及答辩 ( 1 周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日摘要智能小车的研究设计涉及多个学科，包括机械、电子、无线通信、计算机自动控制和人工智能等。智能小车的技术难点很多，运动控制是其中之一。论文首先进行市场调研，对智能小车的运动控制功能作一些简化，并建立相应的机械模型。结合设计要求和实际的路径模型，对运动模型进行了研究，并对运动模型进行了数学分析与推导。然后根据建立的运动模型和数学分析，设计运动控制的算法。运动控制算法的主要控制对象是速度与行
5、程。在运动控制算法的设计中，主要设计了串口数据处理算法、速度半闭环控制算法、行程半闭环控制算法等。最后制作了智能小车的实物模型。两个后轮分别由两个直流电机驱动，前轮为两个万向轮。控制的方式有两种：一是计算机串口控制，二是无线遥控。智能小车还具有一定的避障能力。遇到障碍物会立刻停止运动，并发出警示声音。运动状态有相应的LED灯指示，转弯、停止运动状况时， LED均有不同有输出。智能小车运动控制的重点是基于PLC的两个电机的转动速度与方向的控制。论文进行的主要工作有：建立和分析了智能小车的运动模型，基于运动模型与串口控制和无线遥控，设计了相应的运动控制算法。这对于移动机器人的运动控制、智能汽车的运
6、动控制等，具有一定的参考价值。关键词：智能小车 PLC 运动控制 直流电机 传感器AbstractThe research and design of intelligent vehicle refers multi-subject，including mechanism, electronic, wireless communication, automatic control and artificial intelligent , etc. There are many technical difficulties existed in intelligent vehicle desig
7、n, the motion control is one of them.First, based on the investigation, a simplification of motion control functions and mechanical model of intelligent vehicle have been proposed. With the design requirements and the actual path model, motion model and mathematical analysis and derivation are studi
8、ed in the paper. Second, a motion control algorithm has been suggested based on motion model and mathematical analysis. The main target of control algorithm is to control the speed and real action time. In the design of motion control algorithm, serial data-processing algorithm, half-closed loop spe
9、ed control algorithm and half-closed distance control algorithm are described.Finally, a real model of intelligent vehicle is made. Two rear-wheels are driven by two DC motors, tow front-wheel are free. Two control modes are put up: the computer serial port control and the wireless remote control. I
10、ntelligent vehicle also has the ability of avoiding obstacle. It will stop moving and excite the alarm message when it encounters obstacles. LED lights are used to instruct the movement. When intelligent vehicle turns or stops, the LED lights have the different status.The focus of intelligent vehicl
11、es control is to control the speed and direction of two DC motors based on PLC. The paper mainly includes the following contents: the establishment of motion model of intelligent vehicle; the serial control and wireless remote control based on motion model; the design of motion control algorithm. Al
12、l above may have some reference values to future researches on mobile robot and intelligent vehicle, etc.Key Words: Intelligent Vehicle PLC Motion Control DC Motor Sensor目 录第1章 绪论 11.1 问题的提出11.2 国内外研究状况31.2.1 国外智能汽车的发展状况31.2.2 国内智能汽车的发展状况41.3 论文主要工作5第2章 智能小车总体设计62.1 运动功能分析62.1 模型建立62.1.1 机械模型62.1.2
13、路径模型82.1.3 运动模型 102.3 运动模型分析 112.3.1 运动控制量分析 112.3.2 运动模型数学分析 122.3.3 小结 152.4 控制系统总体设计 15第3章 控制系统硬件设计 163.1 控制系统方案确定 163.2 直流电机控制 173.2.1 直流电机基本概念 173.2.2 直流电机调速 183.2.3 H桥调速电路 183.3 红外反射传感器 223.3.1 防撞传感器选择 223.3.2 反射式红外传感器的原理 233.3.3 反射式红外传感器的参数及应用 243.4 光电编码器 253.4.1 光电编码器原理 253.4.2 旋转编码器 263.5 系
14、统硬件配置 27第4章 控制系统软件设计 294.1 PLC及编程软件概述 294.1.1 PLC概述 294.1.2 FPWIN GR编程软件简介 304.1.3 FPWIN GR编程语言 314.2 控制系统流程 314.2.1 无线遥控 314.2.2 串口控制 324.2.3 程序总体流程图 324.2.4 PLC的I/O配置 334.3 无线遥控程序设计 344.4 串口控制程序设计 354.4.1 串口数据预处理 354.4.2 串口数据保存 354.4.3 速度控制 354.4.4 行程控制 42第5章 智能小车操作 465.1 无线遥控操作 465.2 串口控制操作与设置 47
15、5.2.1 上位机串口通信软件操作 475.2.2 PLC的串口设置 495.2.3 串口数据格式 505.2.4 高速计数器设置 51结论 53致谢 54参考文献 55附录1 智能小车控制电路原理图 57附录2 PLC程序图58附录3 智能小车实物外观 63附录4 实习报告65第1章 绪论1.1 问题的提出自从19世纪汽车被发明出来以后,这个世界便开始被它深刻地影响。1913年福特汽车公司首次推出了流水装配线的大量作业方式，使汽车成本大跌，汽车的价格由此低廉。从此汽车开始走向平民百姓的生活，走向这个世界的每一个角落。在我国，汽车发展相对世界是落后的。但自从改革开放以后，也取得了巨大的进展。随
16、着经济的高速发展，我国居民的汽车拥有量也在急剧地变化。表1.1是八年前公布的我国居民汽车拥有量统计数据。表1-1 我国居民汽车拥有量统计数据年份198519901995199819992000民有汽车保有量（万辆）3211255136104000131930145294160891私人汽车拥有量（万辆）2849816224996423655338862533每千人辆数（辆）民有3034886106115127私人030721344249近几年，特别是我国加入了WTO之后，我国机动车保有量持续快速增长。建设部提供的统计数据显示，我国私人汽车拥有量年均增速在20%左右，大大快于经济增速。其中私人汽
17、车拥有量增速明显。截止到2007年6月，全国汽车保有量达5356万辆，其中，私人汽车达3239万辆。随着道路上汽车数量的增多，一系列的问题开始出现。第一、交通事故频繁发生。近来来，交通事故发生越来越频繁。表1-2是2000年-2006年全国道路交通事故统计表。表1-2 2000年-2006年全国道路交通事故统计表年份汽车驾驶员人数（人）事故次数（次）死亡人数（人）受伤人数（人）直接经济损失（万元）2000374651236169718385341872126689020014462676875491910593054648530878720024827080377313710938156207
18、4332438200353680656667507104372494174336914200471016414567753992174518102774782005801775604502549873846991118840120069317238137878189455431139148956巨大的的人员伤亡和经济损失，已经一次次地向世人提出醒示，也让人们开始考虑汽车交通的现状与发展问题。第二、交通的拥挤。我国大中城市交通的拥挤是非常严重的。就是交通网络系统非常完善的美国，也面临着越来越严重的交通堵塞问题。其因为交通拥挤每年的经济损失高达1000亿美元。截止2003年，美国85个主要城市因交
19、通堵塞每年的经济损失高达630亿美元，间接经济损失更是接近1000亿美元。交通堵塞使美国人每年浪费的时间达37亿小时，人均每年因交通高峰期浪费的时间自1982年以来已从16小时增加到47小时；浪费的汽油达23亿加仑。交通堵塞造成汽车尾气排放量增加，环境受到进一步破坏。不仅如此，严重的堵塞可能造成驾车人和乘客的烦躁不安和心理失衡，以至增加交通事故，而且车辆和路面的损耗也明显增大。由此可见，交通堵塞不仅仅是经济问题，还是个社会问题。第三、人性化发展的要求在科学技术和社会经济飞速发展的今天，人们对这个社会的生活及相关的服务提出了更高的要求。到目前为止，开汽车还是一件非常辛苦劳累的事情。很多交通事故就
20、是由于驾驶员过度的疲劳引起的。人还有很多情况是不宜或者是不能开车的，比如：酒后、用药后等。对于一些残疾人，比如盲人等，到目前为止是不可能驾车的。即使是健康的上了一定年龄的老人，驾车也是非常危险的事情。这就给人们的生活带来了极大的不便。如何较好地解决世界各国现在的交通问题，已经成为诸多专家关注的问题。目前，越来越多的国家求助于智能交通系统（ITS），希望通过对汽车、道路以及管理手段等涉及人、车、路各个方面的智能化来构建安全、高效、现代化的交通系统，以满足人们的出行和安全要求。智能交通系统是利用先进的信息通讯技术，使人、车、路三者整体化，在辅以先进的管理手段，从而大大改善交通安全性，提高行车舒适性
21、，加快运输效率以及兼顾环境保护的道路交通综合系统。一般可以划分为如下6大子系统：先进的交通管理系统（ATMS）、先进的交通信息系统（A T I S）、先进的车辆控制系统（AVCS）、商用车辆系统（CVO）、先进的公交系统（APTS）、农区交通系统(RTS)。智能交通系统涉及的方面很多，其中实现车辆的自动驾驶就是汽车智能化的一个重要标志，因此这一问题一直是各国专家研究的重点问题14。 1.2 国内外研究状况1.2.1 国外智能汽车的发展状况（一）美国美国在智能交通研究的前期，主要是各州政府联合汽车制造商、道路提供商等对研究进行资助，对自动驾驶研究较少、较分散，而且成果不是很显著。到20世纪90年
22、代中后期，美国的智能交通系统研究采取了联邦政府宏观指导、共同投资的方式，同时美国交通部还联合了通用汽车公司、加州大学以及部分学院共同成立了协作组织，该组织在加州的高速公路上进行了完全自动化的车辆驾驶测试。在试验路段中，数辆车完成了车辆间的跟随巡航驾驶，以及自动的加速和规避超车等试验项目。这期间，包括俄亥俄州立大学、马里兰大学、密西根大学和麻省理工学院等在内的学院和一些科研院所也在积极从事ITS或者自动驾驶的研究。从1997年开始，美国交通部对自动驾驶的研究方向有所转变，开始较为重视驾驶员辅助系统以及车辆的创新研究。（二）欧洲在智能交通系统研究的前期，欧洲就对汽车的自动驾驶研究投入了较大的热情和
23、精力。经过多年的实验，欧洲也开发出了自动驾驶车辆，如菲亚特的LAKE型自动汽车和SAVE自动车、法国斯特拉斯堡试验中心进行的自动车辆研究等。其中奔驰公司的“维塔”型智能汽车以其无人驾驶1万多公里的成绩让人瞩目。该车安装有18台袖珍电子摄像机，它们监视汽车前后100m和两侧7m的环境，并将所得到的信息及时输入由12个微处理组成的计算机中进行处理和实施车辆控制。该车辆可以实现高速超车、规避障碍物等驾驶任务。（三）日本日本智能交通的研究较美国更加侧重于都市交通管理和交通信息系统。其重要成就有都市交通监控与智能交通信号控制、高速公路监控系统、实用城市停车系统、出行信息系统、车辆导航系统、车辆定位系统、
24、公共汽车定位与到站预报系统、电子收费系统、隧道监视及事故检测系统和数字地图系统等等。日本对自动驾驶的研究较少，但目前其研究部门也开发出了自动驾驶汽车，并在试验路段上进行了试验1.2.2 国内智能汽车的发展状况在国内，近年来各高校及研究院，对智能汽车的研究都作了很大的努力，并且取得了一定的成果。清华大学研制成功了新一代智能移动机器人THMRV（TsingHua Mobile Robot V）。如图1-1所示。图1-1 清华V型智能车清华V型智能车是清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室在中国科学院院士张钹主持下研制的，兼有面向高速公路和一般道路的功能。车体采用道奇7座厢式车改装，装备有彩色
25、摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统；由差分GPS、磁罗盘和光码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别进行视觉住处处理，完成信息融合、路径规划、行为与决策控制等功能。四台IPC工控机分别完成激光测距信息处理、定位信息处理、通讯管理、驾驶控制等功能。设计车速高速公路为80km/h，一般道路为20 km/h。目前已能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。汽车的智能化可以减轻驾驶员的疲劳，适应复杂的天气条件，减少交通事故的发生。我国国防科技大学机电工程学院一直在进行汽车自动驾驶技术的研究，其与第一汽车集团公司联合研制的无人驾驶型“红旗”CA7460于2003年6月
26、在湖南长沙试车成功，稳定行驶时速达130KM/h，具备安全超车能力。他们的系统主要是依靠车载雷达、红外测距仪和图像传感器来识别测量路面环境状况。由于所得到的路面环境信息不丰富，不能满足汽车智能驾驶的要求，所以这些系统都还只能在路况良好的高速公路上应用，无法适应道路环境恶劣的低级公路和城市公路。吉林省北华大学研制的无人驾驶多功能智能汽车，采用太阳能和油电混合动力技术,可以通过指纹识别进行开启。开启后,汽车具有无人驾驶功能、自动障碍识别功能、卫星定位功能、自动导航功能,可以通过提前预置将人员运送到目标地点。这种无人驾驶的智能汽车可以用于景区观光、盲人驾驶等领域。1.3 论文主要工作 综上所述，研究
27、智能小车的运动控制具有一定的社会应用价值与意义，因此确定本论文的主要工作如下：（1）在查阅了大量国内外相关文献和实际调研的基础上，对国内外智能小车的发展概况、现状和发展趋势作一定的分析。（2）根据设计任务和要求，确定设计的智能小车的功能，并对其进行分析，得出总体控制方案。（3）建立智能小车的模型，对模型进行分析与推导。（4）基于模型的分析与推导，设计速度、行程的控制算法。（5）完成PLC的控制程序设计与调试。（6）完成智能小车的硬件电路的设计与制作。（7）完成智能小车的机械结构设计与制作。（8）小车的组装与整车调试。第2章 智能小车总体设计2.1 运动功能分析毕业设计要求完成的是智能小车的运动
28、控制。它根据关于速度和路径的相关控制信息，实现自身的运动。小车要求实现的运动功能有：（1）匀速直线运动（2）匀速直线后退（3）左转弯运动（4）右转弯运动（5）原地转弯运动（6）遇障碍物急停功能小车在进行各种运动时，其速度可以不同，转弯的半径也可以不同。这主要取决于路径。根据路径的状态不同，控制信息中包括三个控制量：运动速度，路径半径，路径长度。小车就是根据这三个控制信息来规划自身的运动控制的。小车的一般运行过程为：（1）小车接通电源，进入待机状态；（2）接到母机控制信号时，立即进入相应的运动状态；（3）当一段轨迹没有运行结束，但母机又传送另一段轨迹运动数据时，智能小车则将这一段数据保存起来，在
29、小车完成正在运行的轨迹后，再进行下一段轨迹的运动控制。智能小车要求最多能保存4组运动轨迹的数据。（4）当一段轨迹运动结束后，母机仍然没有发送下一段运动轨迹的数据，智能小车则在完成后停止运动并进入待机状态。（5）在运动的过程中，如果智能小车遇到障碍物，则小车要求立刻停止；等障碍物移开后，接着原来的轨迹运动。2.1 模型建立2.1.1 机械模型要实现小车在平面上的运动，即要求能够到达平面上的任何一个点。将小车当作一个整体分析时，它需要两个自由度，即X、Y方向上的运动。用极坐标，需要控制和两个量。对应到小车的实现运动控制时，就是“角度”、和“行程”的控制。能够实现速度、方向、行程这三个个量的控制的小
30、车车身驱动方法，有很多种。（1）后轮单电机驱动+前轮方向控制（舵机）。这是最典型的的一种驱动方法，现在大多数的汽车采用的就是这种方法。优点：运动可靠，适合低、中、高速等各种速度的运动。方向控制有效可靠。缺点：不够灵活，在小范围内的转动很困难。（2）后轮双电机双驱动+万向前轮这种驱动方法也是比较常见的。各种机器人大赛、智能汽车大赛等，很多作品采用的就是这种方式。优点：灵活，能够实现原地转动等。在小范围内的运动几乎不受限制。在低速情况下，其位移、速度、方向的控制都比较容易实现，而且能够达到理想的精度。缺点：只适合低速情况下运行，高速情况下万向轮转向的阻力不能忽略。这种移动方法，其方向的控制，是通过
31、两个驱动后轮的速度差来实现的。当速度大了以后，精确度就较差，而且安全可靠性不高。（3）多轮驱动+多轮舵机的方向控制。这种驱动方法是比较新颖的。就是在机子所有的轮子上都安装驱动电机和方向控制舵机。每个轮子都实现单独驱动和方向控制。这种方法在并行机器人、仿生机器人等领域得到了很好的应用。优点：运动相当灵活，能够完成复杂的运动。缺点：控制比较复杂，对于高速不合适。结论：最后采用了方法（2）后轮双电机双驱动+万向前轮。由于在模型的制作过程中，速度不可能很高。控制也比较方便，相应的资料也更多一些，比较适合做为毕业设计时的使用。根据第二章得出的小车的功能和移动方案，可以建立小车的机械模型如图2-1所示。小车的驱动与方向控制采用后轮双驱动的方式。在机械部分制作过程中，小车为四轮，前两轮为万向轮，主要起支撑的作用。由于小车模型的速度就不是太高，因此万向轮在转向时存在的阻力以及由此带来误差可以忽略。在对车体模型进行受力分析时，可以将两个前轮简化成为一个处于中间的轮，万向前轮右电机左电机左轮机架右轮图2-1 智能小车机械模型小车机械模型的尺寸与控制算法中的计算有直接的关系。其尺寸如图所示。
