林木联合采育机运动分析与虚拟仿真系统研究

发布时间：2020-04-11 23:12

【摘要】：在对工程机械、空间机器人等大型和复杂机电系统进行实验时,由于存在危险性和花费高等问题,在开发阶段需要对关键控制技术进行仿真验证。在林木联合采育机实际操作中发现:伐木头对准和捕获立木的环节需要操作员做出大量的观测判断和反复对准,造成单位采伐周期内的无功时间加长;同时机械臂的往复对准运动和液压缸不合理动作轨迹,造成了系统的燃料损耗,增加了作业成本。本研究采用虚拟现实技术,对林木联合采育机进行运动分析与虚拟仿真系统研究。本文的主要研究内容包括以下三个方面:1.分析了林木联合采育机机械臂运动学特性,建立了机械臂的正运动学和逆运动学模型,获得伐木头位姿变量、各关节变量与各液压缸之间的转换关系,开展了机械臂路径规划的研究,使伐木头沿给定的路径以及基于激光测量数据自主完成立木的采伐作业。2.基于SoSolidWorks、Visual C++平台和OpeenSceneGraph(OSG)三维图形引擎开发了一套林木联合采育机动态虚拟仿真系统。该系统包含林木联合采育机作业环境及其机械臂的数学模型,可输入控制参数和指令,并实时显示和保存运动信息。使用该系统验证了机械臂作业的路径规划与控制策略的有效性。3.将操作手柄、方向盘和脚踏板的多路控制信号经CAN总线输入林木联合采育机的虚拟仿真模型,控制虚拟林木联合采育机各个关节的运动。实现人机交互。本研究是进一步提升林木联合采育机自动化程度和降低作业成本的有效途径,可为林木联合采育机的批量制造和推向市场奠定理论和技术基础。
【图文】：

林木,打枝,造材,驾驶员

轻作业强度，提高生产效率和林业经济发展有重要意义。逡逑北京林业大学课题组己研制成功了国内首台多功能林木联合采育机（郭秀丽，，逡逑２０１１），如图１－１所示。但在林区测试实验中发现：林木联合采育机的打枝、去皮、逡逑造材环节可快速完成，但伐木头捕获立木的环节由于视线被挡以及车底盘和机械臂的逡逑振动，需要操作员做出大量观测判断和反复对准，要求操作人员有丰富的采伐经验，逡逑并且造成不必要的时间和燃料损耗，大大制约了林木联合采育机推广应用（魏占国，逡逑２０１０）。亟待开展对驾驶员的技术培训，传统的培训方式存在以下问题：（１）操作复逡逑杂，培训难度高：（２）对林木联合采育机需要高昂的造价，成本高；（３）不能实时检测逡逑驾驶员的训练水平；（４）浪费林业资源（赵红艳，２０１０）。逡逑■邋＿逡逑（对准一？捕获—米伐）一＞—？—＞逦（打枝＿＞？去皮造材）逡逑图１－】我国首台林木联合采育机逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｃｈｉｎａ＇ｓ邋ｆｉｒｓｔ邋Ｌｏｇｇｉｎｇ邋ｈａｒｖｅｓｔｅｒ逡逑机器人仿真方式以经济性、可靠性、灵活方便为特点，常用于机器人的结构设计、逡逑功能研宄、性能评估和运行预测。随着建模和仿真技术的发展

运动平台

Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｆｏｒｅｓｔｒｙ邋ｔｒａｉｎｉｎｇ邋ｓｉｍｕｌａｔｏｒ邋ｏｆ邋ＪｏｈｎＤｅｅｒｅ邋ｃｏｍｐａｎｙ逡逑北欧的林木联合米育机技术发展以芬兰Ｐｏｎｓｓｅ公司为代表。Ｐｏｎｓｓｅ公司也开发逡逑了林业训练模拟机，如图１－５所示。ＰＯＮＳＳＥ模拟机提供了一个现代化的培训学习环逡逑境，包括收割机和短材集运机的操作和ＰＯＮＳＳＥ的Ｏｐｔｉ数据系统（Ｐｏｎｓｓｅ，邋２０１６）。逡逑一个Ｐｏｎｓｓｅ模拟机可以让学员体验到整个机器链的任何工作阶段，可以通过显示屏逡逑观察伐木点周围情况，也可以从不同的视角看周围风景。模拟机还提供可选设备，如逡逑三屏系统，校准测量卡尺和ＳｉｍＴｒａｉｎｅｒ培训管理系统。逡逑Ｍｅｖｅａ公司致力于提供先进的仿真方案、模型和仿真软件，使用技术包括动力学逡逑的实时控制仿真、多科技系统和虚拟工程，也会通过大屏幕、３Ｄ音效和运动平台增逡逑强现实。Ｍｅｖｅａ公司研发的仿真器包括林木机械、采矿机械、起重机和建设机械，其逡逑中在２０１４年完成的林木机械模拟机版本
【学位授予单位】：北京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP241;S776.2

【参考文献】