本文關(guān)鍵詞：高大樹木修枝機控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究

  更多相關(guān)文章： 修枝機 機械臂 HD-參數(shù)法 聯(lián)動控制 控制系統(tǒng)

【摘要】：樹木修枝是森林撫育的主要措施,合理的修枝可以促進樹木的生長,提高樹木的通直度、抗彎強度及木材的韌性,增強上部光合作用,對樹木的生長、成材有著非常積極的意義。傳統(tǒng)的修枝工具有手鋸、砍刀等,都比較落后,存在修枝質(zhì)量差,勞動強度大,修枝高度達不到要求等問題。針對我國森林撫育面積廣、修枝作業(yè)量大、修枝工具差,特別是高空剪枝作業(yè)中,缺乏適用的樹木修枝裝備的現(xiàn)狀,研制一種新型高大樹木修枝機裝備及其控制系統(tǒng)。本文主要進行高大樹木修枝機的控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗驗證。(1)運用HD-參數(shù)法建立了機械臂的運動學(xué)模型,推導(dǎo)出正運動學(xué)方程,采用解析法求解其逆運動學(xué)模型,利用Matlab軟件進行運動學(xué)的數(shù)值計算;利用Solidworks軟件的三維模型,得到關(guān)節(jié)角與電動缸伸長量的對應(yīng)關(guān)系,利用ADAMS軟件進行關(guān)節(jié)角度與電動缸伸長量對應(yīng)關(guān)系的反向驗證;利用Matlab Robotics Toolbox進行機械臂正運動學(xué)和逆運動學(xué)的仿真與驗證;利用Sim Mechanics進行修枝機操作空間的仿真與分析。(2)研究修枝機控制硬件系統(tǒng),確定控制硬件系統(tǒng)方案,修枝機控制系統(tǒng)采用RS-485總線通訊方式。修枝機控制硬件系統(tǒng)由工業(yè)平板電腦、攝像頭、升降臺系統(tǒng)硬件、回轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)硬件、機械臂系統(tǒng)硬件和修枝鋸系統(tǒng)硬件等組成。工業(yè)平板電腦是核心控制部件,實現(xiàn)視頻顯示和控制功能;攝像頭包括無線數(shù)字攝像頭和數(shù)字USB無線接收機,主要拍攝樹枝位置;升降臺系統(tǒng)硬件由RS-485繼電器組成,控制升降臺上升和下降;回轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)硬件由PWM信號發(fā)生器、步進電機半閉環(huán)編碼器和步進電機驅(qū)動器組成;機械臂系統(tǒng)硬件由伺服電機控制器組成;修枝鋸系統(tǒng)硬件由RS-485繼電器組成。(3)設(shè)計修枝機控制方法,確定修枝機控制總體方案。主要包括:工業(yè)平板電腦人機交互界面設(shè)計、Modbus通訊協(xié)議介紹、控制系統(tǒng)初始化、回轉(zhuǎn)臺控制、伺服電動缸控制、修枝機械臂聯(lián)動控制和末端修枝鋸控制等。(4)通過林間樣機試驗,驗證高大樹木修枝機控制系統(tǒng)的實際工作效果。通過工業(yè)平板電腦視頻顯示界面,觀察樹枝的位置;通過工業(yè)平板電腦控制界面,控制修枝機完成一系列修枝動作。仿真和試驗結(jié)果表明,本文所設(shè)計的高大樹木修枝機控制系統(tǒng)能夠控制修枝機進行修枝作業(yè),實現(xiàn)預(yù)期的控制目標。
【關(guān)鍵詞】：修枝機 機械臂 HD-參數(shù)法 聯(lián)動控制 控制系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S776.2;TP273
【目錄】：

• 中文摘要6-8
• Abstract8-10
• 1 引言10-15
• 1.1 課題研究背景及意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外修枝機械研究現(xiàn)狀11-13
• 1.3 課題來源和研究內(nèi)容13
• 1.4 本文組成部分13-15
• 2 高大樹木修枝機運動學(xué)建模與分析15-39
• 2.1 機械臂運動學(xué)基礎(chǔ)15-19
• 2.1.1 機械臂位姿描述16-17
• 2.1.2 機械臂齊次坐標變換17-19
• 2.2 機械臂運動學(xué)分析19-28
• 2.2.1 HD - 坐標變換矩陣19-20
• 2.2.2 修枝機機械臂結(jié)構(gòu)20-22
• 2.2.3 機械臂正運動學(xué)問題22
• 2.2.4 機械臂逆運動學(xué)問題22-26
• 2.2.5 機械臂運動學(xué)計算26-28
• 2.3 關(guān)節(jié)角與電動缸伸長量對應(yīng)關(guān)系28-31
• 2.4 修枝機運動學(xué)仿真與分析31-39
• 2.4.1 機械臂正運動學(xué)和逆運動學(xué)仿真與驗證31-33
• 2.4.2 關(guān)節(jié)角與電動缸伸長量對應(yīng)關(guān)系仿真與反向驗證33-35
• 2.4.3 修枝機操作空間仿真與分析35-39
• 3 修枝機控制硬件系統(tǒng)39-51
• 3.1 控制硬件系統(tǒng)方案39
• 3.2 控制硬件通訊方式選擇39-40
• 3.3 控制硬件系統(tǒng)選型40-46
• 3.3.1 工業(yè)平板電腦40-41
• 3.3.2 攝像頭41-42
• 3.3.3 伺服電機控制器42-44
• 3.3.4 步進電機控制器44-46
• 3.3.5 繼電器控制器46
• 3.4 升降臺系統(tǒng)硬件46-47
• 3.5 回轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)硬件47-48
• 3.6 機械臂系統(tǒng)硬件48-49
• 3.7 修枝鋸系統(tǒng)硬件49-51
• 4 修枝機控制方法及軟件實現(xiàn)51-66
• 4.1 總體控制方案51-52
• 4.2 人機交互界面設(shè)計52-54
• 4.3 Modbus通訊協(xié)議54-58
• 4.3.1 PWM信號發(fā)生器通訊協(xié)議56
• 4.3.2 伺服電機控制器通訊協(xié)議56-57
• 4.3.3 RS-485 繼電器通訊協(xié)議57-58
• 4.4 控制系統(tǒng)初始化58-60
• 4.5 回轉(zhuǎn)臺控制60-61
• 4.6 伺服電動缸控制61-62
• 4.7 修枝機械臂聯(lián)動控制62-64
• 4.8 末端修枝鋸控制64-66
• 5 樣機試驗及結(jié)果分析66-69
• 5.1 樣機試驗66-67
• 5.2 結(jié)果分析67-69
• 6 總結(jié)與展望69-70
• 6.1 總結(jié)69
• 6.2 創(chuàng)新點69
• 6.3 展望69-70
• 參考文獻70-73
• 致謝73-74
• 攻讀碩士學(xué)位期間的成果74

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本文編號：657452