水果采摘机器人移动平台的设计与试验

发布时间：2020-10-10 19:07

　　 水果以及其制品是我国农业出口的优势产品,随着种植工艺的优化以及机械化程度的提高,水果生产总量逐年增加,品种结构不断改善,预计2016年将达到2.7亿吨。许多国家都加大了对智能化机械的研究,传统印象中“傻、大、粗”的农业机械也正在朝着智能化、产业化的方向发展。移动平台作为采摘机器人的基础,其结构强度和运动精度直接决定着机器人能否顺利工作,针对移动平台的研究越来越受到人们的重视。本课题在借鉴国内外的相关研究的基础上,并结合果园实际工作环境,借助CAE技术开发设计一款结构紧凑、布局合理、经济安全的移动平台,为之后的自主导航、智能采摘和在线分级奠定基础。其主要工作内容包括以下几个方面:1、制定了水果采摘机器人移动平台的设计指标和要求,完成了移动平台机械本体的设计。确定了移动平台的移动机构、轮子配置方案、轮子的类型、驱动方式等;设计了可实现手动和电控模式自由切换的转向机构以及防撞梁机构。2、对三种不同工况下车架的变形进行了有限元分析。将车架模型简化后导入ANSYS中,完成其材料参数设置、单元类型的选择、网格的划分等前处理过程,获得了移动平台在纯弯曲、弯扭联合、采摘运动等工况下等效应力云图和等效位移云图。结果表明:三种工况下,车架最大变形量为44.0mm,最大应力为209 MPa,小于材料的强度极限510 MPa。针对材料强度富余量大的问题进行了优化设计,选取平台机架在弯扭工况下变形量较大的7根梁进行截面尺寸优化,在低于强度极限允许下,优化后车架重量减少16.1 kg。3、对移动平台车架固有模态进行了求解,避免敏感外部激励引起共振。通过试验测得平台敏感共振频率为20～36 Hz,经过建模,加载外部预应力,求解等过程获得车架的前十二阶振动频率以及振型图。可得出最终结论:该车架结构设计合理,绕开了敏感激励区间,在实际工作中不会发生共振情况。4、对最为常见的最大转矩电流比矢量控制(MPTA)和Id=0控制进行了比较在MATLAB/Simulink模块中完成了电机瞬态过程仿真,得到两种控制方式下的响应曲线、力矩变化曲线等。结果表明:在水果采摘机器人移动平台特殊的工作环境下,采用MTPA控制的方式要比Id=0控制方式好,电机输出力矩响应快,同等输出力矩下电流要小,耗电量更小。两种典型控制方式的比较简单直观,对以后的工作实践具有一定的参考意义。5、针对移动平台的控制系统进行了研究,基于CAN总线技术设计了开放式控制方案,搭建相应的电气控制柜,选取合适的位置、角度、速度、GPS模块等传感器,编写了控制系统硬件框图和运动控制程序。针对移动平台机械本体设计了滑动率测试试验和直线追踪试验。结果表明:移动平台滑动率较大,在后续工作中需要格外注意;土壤路面下,直线追踪误差达到0.41 m,满足设计要求。
【学位单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：S225.93;TP242
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外农业机器人发展状况
        1.2.1 国外农业采摘机器人研究进展
        1.2.2 国内农业采摘机器人研究进展
    1.3 农业采摘机器人特点及存在的问题
        1.3.1 农业采摘机器人特点
        1.3.2 存在问题
    1.4 主要研究内容与方法
第二章 水果采摘机器人移动平台方案设计
    2.1 工作环境和设计指标
    2.2 总体设计方案
    2.3 转向机构设计与标定试验
        2.3.1 转向机构设计
        2.3.2 标定试验设计及分析
    2.4 防撞机构设计与试验
        2.4.1 防撞机构的设计
        2.4.2 机构参数测定试验
    2.5 其他工作部件
        2.5.1 供电装置
        2.5.2 制动系统
        2.5.3 三自由度机械臂
    2.6 整车结构
    2.7 小结
第三章 移动平台机架结构力学分析
    3.1 有限元分析前处理
    3.2 各工况车架变形分析
        3.2.1 纯弯曲工况分析
        3.2.2 弯扭联合工况分析
        3.2.3 采摘运动工况分析
    3.3 车架结构的轻量化
        3.3.1 优化分析方法的选择
        3.3.2 优化变量的设置
        3.3.3 优化结果分析
    3.4 本章小结
第四章 车架的模态分析
    4.1 外部激励频率测量试验
    4.2 模态分析前处理
    4.3 模态仿真结果分析
    4.4 本章小结
第五章 移动平台电机选型与瞬态过程分析
    5.1 电机功率计算及选型
        5.1.1 电机功率计算
        5.1.2 电机型号选择
    5.2 电机瞬态过程仿真与分析
        5.2.1 电机瞬态仿真模型的建立
        5.2.2 电机瞬态仿真结果分析
    5.3 小结
第六章 水果采摘机器人控制系统及试验
    6.1 移动平台控制系统设计方案
    6.2 传感器选型
        6.2.1 GPS导航模块
        6.2.2 角速度传感器
        6.2.3 限位开关
    6.3 CAN总线设计
    6.4 移动平台控制系统
        6.4.1 移动平台控制软件
        6.4.2 电气控制柜
    6.5 移动平台综合试验设计及分析
        6.5.1 试验路面特性
        6.5.2 滑动率试验设计及分析
        6.5.3 直线追踪试验设计及分析
        6.5.4 后续改进措施
    6.6 小结
第七章 总结与展望
    7.1 研究结论
    7.2 不足之处及建议
参考文献
研究生期间撰写和发表的论文及著作
致谢
附录A 控制柜补充内容
附录B 试验用路面特性测量试验数据

【参考文献】

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本文编号：2835463