模拟深海环境下液压作业机械手控制系统研究与实现

发布时间：2019-10-02 17:02

【摘要】：随着人类社会的发展,陆上资源逐渐消耗殆尽。在此情况下,迫切需要加快对海洋资源的开发和利用。而海洋资源开发技术与装备是海洋资源勘探和开发必不可少的工具。开发应用于深海模拟环境中的作业机械手系统能为深海模拟环境提供良好的作业手段及作业工况模拟,也能促进我国在深海作业机械手系统技术领域开发能力的提高。本文分析了模拟深海环境作业机械手整体方案。分别对模拟深海环境的高压舱、机械手本体结构、机械手作业要求进行了研究。在此基础上,分析了机械手系统控制功能需求,制定了控制系统的原理和框架结构。根据机械手系统工作环境、功能需求和驱动方式,获取了相应技术参数,为控制系统的搭建做准备。论述了控制系统通信终端的通信方式和详细设计过程。对比分析了下位机PLC各种通信方式,选定通信方式和硬件组成。利用UDP通信建立了上位机和下位机PLC之间的网络通信,实现上位机对执行器的指令发送和下位机将传感器数据的上传。利用模拟量采集模块将4个安装在液压缸内的位移传感器的信号采集到PLC中,并实现数据处理与转换。分析了串行通信中的Modbus数据通信格式,利用Modbus数据通信采集了监控液压站的温度压力的变送器数据。最后利用上位机串口通信功能完成了工业控制手柄与上位机的通信连接,实现了工业手柄对机械手的直接控制。在VC++开发环境下,以MFC为基础利用C++开发设计了控制系统的通信程序和人机交互接口。用户能在远程工控机利用三维显示数据显示功能和控制输出功能对机械手运行姿态进行远程监测和控制。软件开发过程中,利用OpenGL图形接口将三维模型导入到VC中,并利用PLC上传的数据,实现了对三维模型的实时驱动。在机械手运动学基础上进行了直线轨迹规划分析研究。并对一段400mm竖直直线轨迹分别用类PWM循环启停法、自动跟踪法和路经点控制法三种方法进行实验。结果表明机械手在前两种方法下不稳定,在路经点控制法控制下,基本能实现机械手连贯运行,但仍然有个别点有短暂停滞现象。此外,还对机械手系统进行了分步调试和功能测试,对机械手负重能力、机械手手爪握力和扭矩的测试,对液压系统进行了压力测试,整体系统水下试验等。中间调试和最终水下试验结果表明,所设计系统能稳定有效满足机械手水下作业功能需求。
【图文】：

图 4.1 控制系统监控界面4.0 软件系统总体框架MFC 的响应机制都是以类为基础的，每一类数据通信均是通过其接口与MFC 框架其中一个类来实现数据交换的，如果其他类需要共享收到的数据，就需要通过一种机制将数据传递到其他类；软件系统要向外传递数据也是同样的过程，这就是 VC++消息驱动机制。控制系统总体框架如图 4.2 所示。串口通信直接与按钮控制区对应的窗口直接通信，其他类无需共享数据。但网络通信所得机械手位姿数据需要在多个窗口视图类中显示，而多个视图窗口类也需通过网络通信向下发送指令。

图 4.2 软件系统总体框架实际网络通信时，需要用到 PLC 上传数据的类有 4 个，即按钮控制窗口类CU1、功能控制窗口类 CD1、实时曲线显示类 CWendu 和三维显示窗口类C***View；需要通过套接字向 PLC 发送指令的类有两个，即按钮控制窗口类 CU1、功能控制窗口类 CD1。在网络通信中，一个套接字和对应的一个端口号绑定，而 PLC 端一旦端口设定后就无法修改，这样上位机就只能使用同一个套接字并只能绑定一个端口[47]。因此，不能只在其中一个窗口类中实施套接字的初始化和创建，否则另一个窗口类无法使用同一个套接字。为了程序的稳定和安全，采取一种更为直观的方式，即数据的发送和接收通过程序主框架类来完成。CMainFrame 类是整个程序的主框架，在 MFC 默认程序框架类的其他各类都能与之直接通信，这就为类之间的通信搭起了一座桥梁。套接字类直接接收数据，然后在套接字类定义 CMainFrame 类的一个对象，通过这个对象获取其类指针，再利用这个指针操作在 CMainFrame 类中定义的套接字类函数，就可以实现数据
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P742

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本文编号：2545025