拖拉机驾驶机器人设计及换挡机械手控制方法研究

发布时间：2020-07-17 15:32

【摘要】：近年来,随着工业化、城镇化和农业现代化的迅速发展,以及解决三农问题的迫切要求,拖拉机作为主要农业机械,使用量日益增加,但我国拖拉机的自动化和智能化发展却相对滞后,全天候自主导航作业的智能拖拉机尚处于技术攻坚阶段。本文主要面向中小型马力拖拉机设计了一种拖拉机驾驶机器人,通过驾驶机器人各机械手/腿的运动,实现对拖拉机各执行机构的协调控制。论文的主要研究内容包括:(1)提出一种新颖的拖拉机驾驶机器人,设计拖拉机驾驶机器人系统架构,分别对驾驶机器人的各执行机构进行机械设计,并对要求较高的换挡机械手进行运动学和动力学分析,采用ADAMS工具对换挡机械手进行参数优化,对比优化前后换挡机械手的运动性能,并协同离合器作用进行优化后换挡机械手的运动仿真。(2)基于VS/LabVIEW软件平台设计拖拉机驾驶机器人上位机测控系统,通过ActiveX技术建立友好的人机交互界面,控制拖拉机驾驶机器人各机械手/腿的柔顺运动,以及各执行机构的力/力矩,位移/角度的实时采集。(3)重点对换挡机械手的控制方法进行研究,提出基于动态参数辨识的换挡机械手模糊自适应控制算法,首先通过滑动最小二乘法进行机械手“力-位置”模型的参数辨识,其次采用模糊控制器实现换挡机械手的模糊自适应控制,并通过力信号的小波入位检测判断换挡手柄是否成功入位。构建基于力反馈的换挡机械手模糊自适应PID控制系统,通过模糊控制器对PID参数的实时自整定,提高换挡机械手的运动平顺性。(4)为实现拖拉机驾驶机器人对给定速度的实时跟踪,提出一种模糊/PID动态切换控制方法,该方法根据所设定的切换律在系统与预设曲线偏差较大时采用模糊控制策略,在偏差较小时采用PID控制策略,从而实现在固定挡位下对油门机械腿的精确控制,实现良好的速度跟踪。(5)对研制的拖拉机驾驶机器人原理样机进行了实验研究。分别进行了换挡实验和速度跟踪实验。研究传统PID控制、模糊自适应控制、模糊自适应PID控制等不同控制策略,探究拖拉机驾驶机器人的换挡特性;通过模糊/PID动态切换控制方法,研究拖拉机驾驶机器人速度跟踪控制特性。研究表明模糊自适应PID控制方法的换挡稳态误差在6%以内,动态切换控制方法的车速跟踪误差在1Km/h以内,实验验证了所提控制方法的有效性和精确性。论文面向拖拉机结构特点及实时作业环境,开展了拖拉机驾驶机器人的研究,包括驾驶机器人机械设计、系统设计、机械手力学分析以及相关控制方法等,并通过实验验证了所提方法的有效性,为机器人技术与农业机械相结合提供了一种思路,对促进农业现代化和农业机械化水平有一定的现实意义。
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242;S219
【图文】：

驾驶机器人

人可实现人类驾驶员的一系列驾驶任务，驾驶舒适度以及冲击强度的检测。驾驶机器逡逑人己成为相对独立的机器人系统，由换挡机械手、油门机械腿、制动机械腿、离合机逡逑械腿以及转向机械手五个系统构成，每一个机械手／腿都可以单独安装到机器人本体上逡逑并完成相应的测试实验［，３］。当下国外公司己制造出不同类型的驾驶机器人，并己投放逡逑于市场，日本邋ＨＯＲＩＢＯ、Ｎｉｓｓａｎ邋Ｍｏｔｏｒ、ＡＵＴＯＭＡＸ、Ｈｏｒｉｂａ、Ｎｉｓｓａｎ邋Ｍｏｔｏｒ邋公司，德逡逑国邋ＳＣＨＥＮＣＫ、ＳＴＡＨＬＥ、ＷＩＴＴ邋公司，英国邋ＭＩＲＡ、ＦｒｏｕｄｅＣｏｎｓｉｎｅ邋公司，比利时的逡逑Ｋａｔｈｏｌｉｅｋｅ大学均拥有此技术［１４］。逡逑比如，德国ＳＴＡＨＬＥ公司设计生产的驾驶机器人（图１－１），日本Ｈｏｒｉｂａ公司逡逑ＡＤＳ－７０００驾驶机器人（图１－２），邋Ｃｈｒｙｓｌｅｒ公司研制的驾驶机器人（图１－３）均由执行逡逑机构、电机模块单元、工业控制计算机及相应的通讯接口构成，其中电机模块单元可逡逑接收输入信号，例如角度、汽车发动机转速等，并对相应信号进行预处理，通过控制逡逑相应执行机构的电机转速或转角，达到驾驶功能；其中电机模块单元可与工业控制计逡逑算机相互通讯。工业控制计算机提供友好的人机交互界面，可视化控制单元传来的数逡逑据，并可发送指令传递给控制器。逡逑

转向机,驾驶机器人,方向盘

逑瞧渥逡逑图１－２邋ＡＤＳ－７０００驾驶机器人逦图丨－３邋Ｃｈｒｙｓｌｅｒ公司驾驶机器人逡逑Ｆｉｇ．邋１邋－２邋ＡＤＳ－７００邋ｒｏｂｏｔ邋ｄｒｉｖｅｒ邋ｏｆ邋Ｈｏｒｉｂａ逦Ｆｉｇ．邋１邋－３邋Ｒｏｂｏｔ邋ｄｒｉｖｅｒ邋ｏｆ邋Ｃｈｒｙｓｌｅｒ逡逑英国ＡＢＤ公司和日本ＨＯＲＩＢＯ公司生产的驾驶机器人根据汽车操纵机构命名，逡逑包括转向机械手机器人、制动机械腿机器人、换挡机械手机器人，它们可以单独安装逡逑在实验车辆上进行操纵机构的单一控制，也可统一固定安装于基座上，施加相应控制逡逑策略，实现各机械手／腿的协调控制，完成一系列驾驶操作［１５］。英国ＡＢＤ公司设计研逡逑发的ＡＢＤ邋ＳＲ６０邋Ｔｏｒｕｓ圆环体转向机器人（图１－４），利用一直径空心机构把转向执行逡逑器夹在汽车方向盘上，使方向盘上的气囊可放在原处不动，避免了拆卸原有的方向盘逡逑或使方向盘气囊失效，保证了汽车的安全性，同时也减少了设置时间｜１６］。另外，转向逡逑电机使用了轴承摩擦非常低的直驱连续旋转无刷电机

制动机,机器人,制动踏板

拖拉机驾驶机器人设计及换挡机械手控制方法研究器人（图１－５）可控制车辆制动踏板的开度，用于车腿末端执行器可向制动踏板施加一定的力或位移输提高机械腿柔性，提高制动踏板的运动平顺性，减少安装有加速度传感器作为反馈来控制车辆减速，采用腿和转向机械手，实现大量、重复、精确的汽车实验，究［１９］。该制动机械腿机器人主要用于，闭环车速力／位检测；多机械手协调控制。逡逑

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