摘 要

随着集成了多学科领域先进理论与技术的可移动机器人的迅速发展，以可移动机器人为基础的各种自动化设备也应运而生。现代化铁路线路的需求量大,而传统的人工拉线检测方法已不能适应铁路铺轨的检测要求。为满足铁路线路建设及运营维护的需要，提高铺轨效率，需采用检测功能及执行功能较高的设备——铺轨用巡线小车。本文主要研究铺轨用巡线小车如何沿既定路线走行问题，主要工作如下：

（1）设计PLC控制器控制巡线小车自动走行程序，完成小车前进、后退、左转、右转的功能实现，并能检测小车与拉线之间的偏转角度从而进行修正使之巡线走行。

（2）完成巡线小车基于组态的控制，使用三菱电机自动化GOT2000系列图形操作终端的画面设计软件GT Designer3进行组态图形的设计，使巡线小车的自动走行通过组态画面生动形象地显示出来。

（3）设计巡线小车自动走行电器设计，选出适合该系统的编码器等电器元件并利用EPLAN软件进行电气原理图的绘制，从而将电气系统表达出来。

（4）采用PID控制算法，小车巡线实际上使用的是传感器采集角度值，对采集的地面数据运用PID算法，通过设定合适的比例、积分和微分参数控制小车走行。

关键词：巡线小车；PID算法；三菱PLC；移动机器人

Abstract

With the rapid development of mobile robot that based on advanced theories and technologies in multidisciplinary field, all kinds of automation devices based on mobile robot have emerged. Nowadays, the demand of modern railway line is so large that the traditional method of manual pull detection has been unable to meet the testing requirements of railway track-laying. To meet the needs of construction and maintenance of railway line, we have to improve the efficiency of track-laying. Thus, it requires the use of detection equipment and higher executive function –the line patrol car used for laying train track. This thesis studies how the line patrol car travels along the route that has been set before. These main works are as follows:

(1)Design the program of PLC controller to make the line patrol car go along the route automatically. Complete the function of car forward, backward, turn left and right. Detect the deflection angle between the cable and the car so that the line patrol car walks along the line.

(2)Complete the line patrol car control based on configuration. Use the Mitsubishi Electric Automation GOT2000 series of graphic operator terminals GT Designer3 screen design software to configure graphic design so that the system can be displayed vividly on the screen.

(3)Design the electrical design of the line patrol car and select for the encoder system and other electrical components. Draw the electrical schematics with software EPLAN.

(4)Use PID control algorithm. The line patrol actually uses the sensor to acquire angle values. Apply the discrete PID algorithm on the data collected from ground. Control the car by setting appropriate proportional, integral and differential parameters.

Key Words： Line patrol car; PID control algorithm; Mitsubishi PLC controller; Mobile robot

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外现状分析 1

1.3主要研究内容 2

第2章 巡线小车走行机构电气控制需求分析 4

2.1总体方案设计 4

2.2电气理论基础 5

2.2.1机电液理论 5

2.2.2电液比例控制技术 5

2.3 PID控制理论 5

2.4 本章小结 7

第3章 巡线小车的硬件设计 8

3.1 电器元件选型 8

3.1.1 编码器选型 8

3.1.2 低压电器元件选型 8

3.2 PLC硬件 12

3.3 控制原理电路图 18

3.4 本章小结 22

第4章 巡线小车的软件设计及编写 23

4.1 手动及自动控制转换程序设计 23

4.2 传感器信号输入PID模块程序设计 25

4.3 PID模块控制转向程序设计 27

4.4 PID模块输出信号数模转换程序设计 33

4.5 本章小结 35

第5章 巡线小车基于组态的控制设计 36

5.1 组态的作用及意义 36

5.2 系统组态画面设计 36

5.3 本章小结 39

第6章 总结与展望 40

6.1 总结 40

6.2 经济性评价 40

6.3 展望 41

参考文献 42

致谢 43

附录 PLC控制程序 44

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

现代化铁路线路的需求量大,而传统的人工拉线检测方法已不能适应铁路铺轨的检测要求。为满足铁路线路建设及运营维护的需要，提高铺轨效率，需采用检测功能及执行功能较高的设备一一铺轨用巡线小车。

巡线小车即为移动机器人的一种形式，它进一步改进了移动机器人，以可见光摄像机、红外热成像仪、其它检测仪器作为载荷系统，以机器视觉—电磁场—GPS—GIS的多场信息融合作为机器人自主移动与自主巡检的导航系统，以嵌入式计算机作为控制系统的软硬件开发平台,具有障碍物检测识别与定位、自主作业规划、自主越障、等功能的移动机器人^[1]。

移动机器人是结合了众多学科知识及技术的创新产物。不仅集成了经典物理学的力学理论与运动学理论，更结合了计算机控制技术以及模式识别等先进理论技术，是一种现代化的自动化机器。随着科学技术的不断发展与进步，移动机器人也不断朝着智能化、自动化的方向发展。另外，当前信息技术的应用也进一步加快了移动机器人的革新进程。

而铺轨用巡线小车则是移动机器人的一种，它简化了移动机器人的功能，将重点放在移动机器人的一种行走控制方法——巡线上。它集成机械、电子、计算机控制于一体，应用于铁路路线的铺轨过程中,提高了铺轨的检测精度及可靠性,以保证无碴轨道施工质量及列车运行安全舒适。

1.2国内外现状分析

传统的铺轨方式，如人工拉线检测方法，不仅测量精度低，不能按既定路线铺设时重新铺设成本较高，浪费人力物力资源，尤其在无碴轨道的实施中更突出它的劣势。