高大树木修枝机控制系统设计与试验研究

发布时间：2017-08-11 17:45

  本文关键词：高大树木修枝机控制系统设计与试验研究

  更多相关文章： 修枝机 机械臂 HD-参数法 联动控制 控制系统

【摘要】：树木修枝是森林抚育的主要措施,合理的修枝可以促进树木的生长,提高树木的通直度、抗弯强度及木材的韧性,增强上部光合作用,对树木的生长、成材有着非常积极的意义。传统的修枝工具有手锯、砍刀等,都比较落后,存在修枝质量差,劳动强度大,修枝高度达不到要求等问题。针对我国森林抚育面积广、修枝作业量大、修枝工具差,特别是高空剪枝作业中,缺乏适用的树木修枝装备的现状,研制一种新型高大树木修枝机装备及其控制系统。本文主要进行高大树木修枝机的控制系统设计与试验验证。(1)运用HD-参数法建立了机械臂的运动学模型,推导出正运动学方程,采用解析法求解其逆运动学模型,利用Matlab软件进行运动学的数值计算;利用Solidworks软件的三维模型,得到关节角与电动缸伸长量的对应关系,利用ADAMS软件进行关节角度与电动缸伸长量对应关系的反向验证;利用Matlab Robotics Toolbox进行机械臂正运动学和逆运动学的仿真与验证;利用Sim Mechanics进行修枝机操作空间的仿真与分析。(2)研究修枝机控制硬件系统,确定控制硬件系统方案,修枝机控制系统采用RS-485总线通讯方式。修枝机控制硬件系统由工业平板电脑、摄像头、升降台系统硬件、回转台系统硬件、机械臂系统硬件和修枝锯系统硬件等组成。工业平板电脑是核心控制部件,实现视频显示和控制功能;摄像头包括无线数字摄像头和数字USB无线接收机,主要拍摄树枝位置;升降台系统硬件由RS-485继电器组成,控制升降台上升和下降;回转台系统硬件由PWM信号发生器、步进电机半闭环编码器和步进电机驱动器组成;机械臂系统硬件由伺服电机控制器组成;修枝锯系统硬件由RS-485继电器组成。(3)设计修枝机控制方法,确定修枝机控制总体方案。主要包括:工业平板电脑人机交互界面设计、Modbus通讯协议介绍、控制系统初始化、回转台控制、伺服电动缸控制、修枝机械臂联动控制和末端修枝锯控制等。(4)通过林间样机试验,验证高大树木修枝机控制系统的实际工作效果。通过工业平板电脑视频显示界面,观察树枝的位置;通过工业平板电脑控制界面,控制修枝机完成一系列修枝动作。仿真和试验结果表明,本文所设计的高大树木修枝机控制系统能够控制修枝机进行修枝作业,实现预期的控制目标。
【关键词】：修枝机 机械臂 HD-参数法 联动控制 控制系统
【学位授予单位】：山东农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S776.2;TP273
【目录】：

• 中文摘要6-8
• Abstract8-10
• 1 引言10-15
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外修枝机械研究现状11-13
• 1.3 课题来源和研究内容13
• 1.4 本文组成部分13-15
• 2 高大树木修枝机运动学建模与分析15-39
• 2.1 机械臂运动学基础15-19
• 2.1.1 机械臂位姿描述16-17
• 2.1.2 机械臂齐次坐标变换17-19
• 2.2 机械臂运动学分析19-28
• 2.2.1 HD - 坐标变换矩阵19-20
• 2.2.2 修枝机机械臂结构20-22
• 2.2.3 机械臂正运动学问题22
• 2.2.4 机械臂逆运动学问题22-26
• 2.2.5 机械臂运动学计算26-28
• 2.3 关节角与电动缸伸长量对应关系28-31
• 2.4 修枝机运动学仿真与分析31-39
• 2.4.1 机械臂正运动学和逆运动学仿真与验证31-33
• 2.4.2 关节角与电动缸伸长量对应关系仿真与反向验证33-35
• 2.4.3 修枝机操作空间仿真与分析35-39
• 3 修枝机控制硬件系统39-51
• 3.1 控制硬件系统方案39
• 3.2 控制硬件通讯方式选择39-40
• 3.3 控制硬件系统选型40-46
• 3.3.1 工业平板电脑40-41
• 3.3.2 摄像头41-42
• 3.3.3 伺服电机控制器42-44
• 3.3.4 步进电机控制器44-46
• 3.3.5 继电器控制器46
• 3.4 升降台系统硬件46-47
• 3.5 回转台系统硬件47-48
• 3.6 机械臂系统硬件48-49
• 3.7 修枝锯系统硬件49-51
• 4 修枝机控制方法及软件实现51-66
• 4.1 总体控制方案51-52
• 4.2 人机交互界面设计52-54
• 4.3 Modbus通讯协议54-58
• 4.3.1 PWM信号发生器通讯协议56
• 4.3.2 伺服电机控制器通讯协议56-57
• 4.3.3 RS-485 继电器通讯协议57-58
• 4.4 控制系统初始化58-60
• 4.5 回转台控制60-61
• 4.6 伺服电动缸控制61-62
• 4.7 修枝机械臂联动控制62-64
• 4.8 末端修枝锯控制64-66
• 5 样机试验及结果分析66-69
• 5.1 样机试验66-67
• 5.2 结果分析67-69
• 6 总结与展望69-70
• 6.1 总结69
• 6.2 创新点69
• 6.3 展望69-70
• 参考文献70-73
• 致谢73-74
• 攻读硕士学位期间的成果74

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 杨乾华;向北平;;电动绿篱修枝机的结构设计与研究[J];林业科技;2010年01期

2 辛继红,汤兴初,全腊珍,任述光,高英武;背负式可调高枝修剪机的研制[J];湖南农业大学学报(自然科学版);2003年01期

3 王月仁;;介绍几种国外油锯[J];林业机械;1979年03期

4 ;[J];;年期

中国重要会议论文全文数据库 前1条

1 陈伟武;方文熙;张德晖;王学銮;林兵;;太阳能果树修枝机设计[A];中国农业工程学会2011年学术年会论文集[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前1条

1 记者 周昆;气动修枝机提效近三倍[N];中国花卉报;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 付光华;高大树木修枝机控制系统设计与试验研究[D];山东农业大学;2016年

2 韩志强;修枝机手柄角度调节的人机特性研究[D];北京服装学院;2013年

，

本文编号：657452