基于plc的平面运动控制研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于plc的平面运动控制研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

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，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）、西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 3 页 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]。 国内外研究状况 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、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 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 4 页 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 THMR— V（ TsingHua Mobile Robot V）。 如图 11 所示。 图 11 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 2020 年 6 月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。 这种无人驾驶的智西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 5 页 能汽车可以用于景区观光、盲人驾驶等领域。 论文主要工 作 综上所述，研究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。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 6 页 第 2 章 智能小车总体设计 运动 功能 分析 毕业设计 要求 完成的 是 智能小车 的运动控制。 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 V ，路径半径 R ，路径长度 S。 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。 模型建立 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 R 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 小车车身驱动 方法，有很多种。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 7 页 （ 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 21 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， 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 8 页 图 21 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。 图 22 智能小车的模型尺寸 d ： 驱动轮的直径； L ： 两驱动后轮的间距。 在实际的机械设计过程中， mmd 120 ， mmL 350。 路径模型 在实际存在的路况中，路径都是一次、二 次或者更高次的曲线。 即使在绝对直线的路径中（实际上是不存在的），小车由于路面不平整、自身机械各部分的阻力的不同等多种原因，小车也不可能走直线。 但对于我们日常生活中所要求达到的精度，大部 分 的情况是可以进行简化的，而由此带来的误差是可以忽略的。 在智能小车的 路径 模型建立过程中，为了方便我们对小车两个轮子的控制，可以将小左轮 右轮 左电机 右电机 万向前轮 机架 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 9 页 车的行走路线更加简化 —— 简化成直线和圆弧。 即我们可以近似地认为，小车在行走的过程，要么走直线，要么走圆弧。 实际存在的路径可能是更高次的曲线，但都可以通过直线和圆弧来近似逼近 ，即所有的路径中一条由很 多条直线段与圆弧相切组成的。 对小车的路径进行分析，小车要到达任何一点，要么走直线，要么走圆弧。 通过直线、圆弧的几何分析，可以知道，直线是半径为无穷大的圆弧。 因此可以将小车的 运动 作统一分析。 小车的 运动路径 可以 归纳为 以下三种情况： （ 1） 直线情况， R ； （ 2） 一般的转弯， NR （ ),0( N ）； （ 3） 原地转动， 0R。 R —— 路径的半径。 运动模型 小车行走模型建立的前提是：（ 1） 小车在行走时无滑动 ；（ 2） 小车在平面上行走。 在到达平面上的任何一点，小车必须至少具备直线运动和圆弧运动（转弯）两种功能。 智能小车要求 能 在平面上精确地到达一点或者沿着要求的某条路径到达某一个点，至少需要 2 个自由度。 对应到平面上的运动可以简化成三种运动： （ 1） 直线运动（包括后退） 这种运动是小车只沿着某一个方向运动，但车体相对于原来的位置没有角度的转动。 这种情况是小车的目的地与小车的行驶 方向刚好是在一条直线上的 ，如图 21 的 A点与 B 点。 小车的初始位置为 O 点。 如果小车的目的点是 A 点时，小车可以直线到到达；如果小车的目的点在 B 点时，小车可以直线后退的方式到达。 图 23 智能小车直线运动示意图 （ 2） 原地转弯运动。 西南交通大学本科毕业设计（论文） 第 10 页 图 24 智能小车原地转弯运动示意图 有些时候只需要对小车的方向进行一定的调整，而不需要其进行位移。 于是就需要原地转动。 （ 3） 圆弧运动 在小车行走的过程中，有很多 时候小车不仅需要发生位移。