【摘要】：隨著人類社會(huì)的發(fā)展,陸上資源逐漸消耗殆盡。在此情況下,迫切需要加快對(duì)海洋資源的開發(fā)和利用。而海洋資源開發(fā)技術(shù)與裝備是海洋資源勘探和開發(fā)必不可少的工具。開發(fā)應(yīng)用于深海模擬環(huán)境中的作業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)能為深海模擬環(huán)境提供良好的作業(yè)手段及作業(yè)工況模擬,也能促進(jìn)我國(guó)在深海作業(yè)機(jī)械手系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)能力的提高。本文分析了模擬深海環(huán)境作業(yè)機(jī)械手整體方案。分別對(duì)模擬深海環(huán)境的高壓艙、機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)、機(jī)械手作業(yè)要求進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上,分析了機(jī)械手系統(tǒng)控制功能需求,制定了控制系統(tǒng)的原理和框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)機(jī)械手系統(tǒng)工作環(huán)境、功能需求和驅(qū)動(dòng)方式,獲取了相應(yīng)技術(shù)參數(shù),為控制系統(tǒng)的搭建做準(zhǔn)備。論述了控制系統(tǒng)通信終端的通信方式和詳細(xì)設(shè)計(jì)過程。對(duì)比分析了下位機(jī)PLC各種通信方式,選定通信方式和硬件組成。利用UDP通信建立了上位機(jī)和下位機(jī)PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信,實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)執(zhí)行器的指令發(fā)送和下位機(jī)將傳感器數(shù)據(jù)的上傳。利用模擬量采集模塊將4個(gè)安裝在液壓缸內(nèi)的位移傳感器的信號(hào)采集到PLC中,并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換。分析了串行通信中的Modbus數(shù)據(jù)通信格式,利用Modbus數(shù)據(jù)通信采集了監(jiān)控液壓站的溫度壓力的變送器數(shù)據(jù)。最后利用上位機(jī)串口通信功能完成了工業(yè)控制手柄與上位機(jī)的通信連接,實(shí)現(xiàn)了工業(yè)手柄對(duì)機(jī)械手的直接控制。在VC++開發(fā)環(huán)境下,以MFC為基礎(chǔ)利用C++開發(fā)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的通信程序和人機(jī)交互接口。用戶能在遠(yuǎn)程工控機(jī)利用三維顯示數(shù)據(jù)顯示功能和控制輸出功能對(duì)機(jī)械手運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制。軟件開發(fā)過程中,利用OpenGL圖形接口將三維模型導(dǎo)入到VC中,并利用PLC上傳的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維模型的實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)。在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行了直線軌跡規(guī)劃分析研究。并對(duì)一段400mm豎直直線軌跡分別用類PWM循環(huán)啟停法、自動(dòng)跟蹤法和路經(jīng)點(diǎn)控制法三種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明機(jī)械手在前兩種方法下不穩(wěn)定,在路經(jīng)點(diǎn)控制法控制下,基本能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手連貫運(yùn)行,但仍然有個(gè)別點(diǎn)有短暫停滯現(xiàn)象。此外,還對(duì)機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行了分步調(diào)試和功能測(cè)試,對(duì)機(jī)械手負(fù)重能力、機(jī)械手手爪握力和扭矩的測(cè)試,對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了壓力測(cè)試,整體系統(tǒng)水下試驗(yàn)等。中間調(diào)試和最終水下試驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能穩(wěn)定有效滿足機(jī)械手水下作業(yè)功能需求。
【圖文】：

圖 4.1 控制系統(tǒng)監(jiān)控界面4.0 軟件系統(tǒng)總體框架MFC 的響應(yīng)機(jī)制都是以類為基礎(chǔ)的，每一類數(shù)據(jù)通信均是通過其接口與MFC 框架其中一個(gè)類來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的，如果其他類需要共享收到的數(shù)據(jù)，就需要通過一種機(jī)制將數(shù)據(jù)傳遞到其他類；軟件系統(tǒng)要向外傳遞數(shù)據(jù)也是同樣的過程，這就是 VC++消息驅(qū)動(dòng)機(jī)制。控制系統(tǒng)總體框架如圖 4.2 所示。串口通信直接與按鈕控制區(qū)對(duì)應(yīng)的窗口直接通信，其他類無(wú)需共享數(shù)據(jù)。但網(wǎng)絡(luò)通信所得機(jī)械手位姿數(shù)據(jù)需要在多個(gè)窗口視圖類中顯示，而多個(gè)視圖窗口類也需通過網(wǎng)絡(luò)通信向下發(fā)送指令。

圖 4.2 軟件系統(tǒng)總體框架實(shí)際網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，需要用到 PLC 上傳數(shù)據(jù)的類有 4 個(gè)，即按鈕控制窗口類CU1、功能控制窗口類 CD1、實(shí)時(shí)曲線顯示類 CWendu 和三維顯示窗口類C***View；需要通過套接字向 PLC 發(fā)送指令的類有兩個(gè)，即按鈕控制窗口類 CU1、功能控制窗口類 CD1。在網(wǎng)絡(luò)通信中，一個(gè)套接字和對(duì)應(yīng)的一個(gè)端口號(hào)綁定，而 PLC 端一旦端口設(shè)定后就無(wú)法修改，這樣上位機(jī)就只能使用同一個(gè)套接字并只能綁定一個(gè)端口[47]。因此，不能只在其中一個(gè)窗口類中實(shí)施套接字的初始化和創(chuàng)建，否則另一個(gè)窗口類無(wú)法使用同一個(gè)套接字。為了程序的穩(wěn)定和安全，采取一種更為直觀的方式，即數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通過程序主框架類來(lái)完成。CMainFrame 類是整個(gè)程序的主框架，在 MFC 默認(rèn)程序框架類的其他各類都能與之直接通信，這就為類之間的通信搭起了一座橋梁。套接字類直接接收數(shù)據(jù)，然后在套接字類定義 CMainFrame 類的一個(gè)對(duì)象，通過這個(gè)對(duì)象獲取其類指針，再利用這個(gè)指針操作在 CMainFrame 類中定義的套接字類函數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P742

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本文編號(hào)：2545025