腾控PLC在RoboCup水下采矿机器人竞赛中的应用

杨海军 吕运昌

洛阳理工学院机械工程系，河南省 洛阳市 471023

腾控PLC在RoboCup水下采矿机器人竞赛中的应用

杨海军 吕运昌

洛阳理工学院机械工程系，河南省 洛阳市 471023

水下采矿机器人是一种可以在水下移动,通过遥控或自主操作方式使用声、光、电、机械等设备代替或辅助人类进行水下作业的装置。在海底采矿、探测水文环境时，由于水下环境危险恶劣，人类无法安全地进行作业，采用水下机器人，可以使人类探测到水压较大的深水区域，可以通过数据采集设备获得人工探测无法采集到的数据，因此，水下机器人已成为探测、开发海洋资源的重要工具。在RoboCup水下采矿机器人竞赛中，采用单片机作为机器人主控芯片无法稳定可靠地控制机器人运动并准确识别目标物，而采用PLC作为控制器，机器人响应迅速，可准确识别目标物并向其运动，可较好的满足竞赛要求。水下采矿机器人控制系统以腾控PLC作为下位机控制器，以固态继电器和可调速电动机驱动器作为机械手臂和推进装置的驱动器，以耐高水压型水下摄像头作为图像采集模块，以VB编制的控制软件构建上位机控制系统，实时将水下状况显示在上位机。可实现自动状态时自动寻找目标，发现目标后控制机器人移动至适当位置抓取目标物，手动状态时可通过后台实时控制进行水下全景观察，调整机器人水下姿态以及手动抓取、放置目标物。

引言

水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，采用水下机器人，可以使人类探测到水压较大的深水水域，并且可以通过各种数据采集设备获得人工探测无法采集到的数据，因此水下机器人已成为探测开发海洋的重要工具[1]。

国外水下机器人研究发展：从1953年至1974年为水下机器人早期发展阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。从1975年至1985年为水下机器人大发展时期，海洋石油和天然气开发的需要,推动了水下机器人理论和应用的研究,水下机器人的数量和种类都有显著地增长。从1985年至今，随着计算机及各种传感器等设备的发展与应用，水下机器人逐渐走向机电一体化和自治化。

国内发展状态：80年代以来，中国也开展了水下机器人的研究和开发，主要研究院所有中科院沈阳自动化研究所和哈尔滨工程大学等。中科院沈阳自动化研究所研制开发了工作水深1000m的“探索者”号无缆水下机器人，1994年完成海试。中科院沈阳自动化研究所通过与俄罗斯合作，共同开发了观察型、预编程控制的“CR-01”无缆水下机器人，工作水深为6000m。该机器人完成了太平洋深海的考察工作，达到了实用水平，可进行海底地形地貌勘测，海底浅地层剖面测量及海洋要素测量。

我国拥有299.7万平方公里的海域以及18000公里海岸线，如此广阔的海域蕴含着丰富的生物、能源、矿产等资源，因此，海洋合理有效的开发，对我国经济与社会的发展有着巨大的支撑与推动作用[2]。在中国机器人大赛暨RoboCup公开赛水下采矿机器人比赛中，采用腾控T-910 PLC作为水下机器人下位机控制系统可以快速、准确地响应上位机的控制指令，转向、上浮、下潜、识别和夹取目标物等动作均流畅地实现，稳定、迅速地完成了各个比赛科目。

1 水下采矿机器人控制系统整体设计

整个控制系统主要由水下机器人运动控制系统、上位机下位机通信软件系统设计和视频传输系统组成。水下机器人控制系统构成如图1所示：

图 1 水下机器人控制系统构成图

2 水下采矿机器人运动控制系统设计

水下采矿机器人主要有前进、后退、左右转向、上浮和下潜以及机械手臂的夹持、松开等运动。升潜和机械手臂的运动采用24V大功率直流电动机实现，PLC通过直流固态继电器进行驱动。采用固态继电器驱动，PLC控制端子所需驱动电流小且固态继电器具有隔离作用，不影响PLC的正常工作[3]。通过将四个直流固态继电器接成桥式驱动，仅需要两位输出便可方便改变电动机运转方向并具有反向停止作用。左翼和右翼推进器采用专用模拟量控制器进行驱动，可通过模拟量输出实现无级变速，当其方向端口为高电平时正转，为低电平时反转，换向方便、灵活。IO地址分配如表1所示。

表1 PLC IO地址分配表

3 上位机下位机通信软件系统设计

图 2 水下采矿机器人上位机运动控制界面

根据水下机器人运动速度要求及腾控T910系列PLC通信资源，选择通讯方式为RS232串口通信，使用COM2端口，波特率为19200，数据为8位，停止位为1位，2位CRC校验。在T910上编写相关串口通信发送、接收中断程序和动作执行程序，当下位机收到上位机控制码时，立即检测当前动作状态并执行上位机命令[4]。在计算机上采用VB编写上位机发送、接收程序，采用按键检测方式和点击按钮方式进行控制，例如检测W键作为发送“前进”代码的触发按键，点击前进按钮也可实现前进动作。上位机运动控制界面如图2所示。

4 视频传输系统及目标自动识别系统设计

视频传输系统采用稳定可靠的有线方式，其传输稳定、可靠，可以在上位机PC控制界面清楚的显示水下采矿机器人所处的环境状况。当工作的水中含有较多杂质，光线通透性不强时需要使用探照灯进行照明。

在自动目标识别模式下，通过扫描图像每个位置的RGB值并将其和目标物的RGB数值进行对比，在一定范围内如果满足要求，则将此点定位目标物的一部分。通过对全部图像信息的扫描，即可求出目标物轮廓并计算出其中心位置，进而和水下机器人前进方向进行对比，判断需要改变的航向和速度，自动识别目标物并向其前进。图3为自动目标识别模式下的工作画面。

图 3 自动目标识别模式下的工作界面（红色物体为目标物）

5 结语

本设计采用北京腾控T910系列PLC，通过COM 2 RS232串口稳定可靠地实现了上位机和下位机的通讯及动作控制，采用水下摄像头和探照灯照明方式将水下作业环境清晰、稳定地显示在上位机PC控制端。在环境探测方面，工作人员可在PC端观测水下作业环境，操作水下采矿机器人携带水文探测器等设备运至目标地点，然后放置探测器进行探测，实现了水下采矿机器人稳定可靠的水下作业；在RoboCup水下采矿机器人竞赛中，水下采矿机器人迅速地完成了自动识别并接近目标物，而后携带水文探测器至目标地并将其放入指定安装孔中，最后通过机械手收集矿石并将其放到收集装置中，可稳定、快速地完成竞赛。

[1]徐玉如,苏玉民.关于发展智能水下机器人技术的思考[J].舰船科学技术,2008,30(4):17～21.

[2]李岳明.多功能水下机器人运动控制[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[3]徐常德,钟金福.潜水器机电设备及系统.上海:上海交通大学出版社,1991.

[4]马兴,童卓,周丽娟.基于VB的PC机与单片机间串口通信及程序设计[J].兵工自动化, 2010(10).

TP 242.3

B

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.023

杨海军，男，1976.05，硕士研究生，讲师，机械电子工程专业，现任教于 洛阳理工学院 毕业于太原理工大学。

机器人；控制系统；目标识别；PLC