本文關(guān)鍵詞：鋤草機(jī)器人電液伺服控制及作物定位信息優(yōu)化方法研究

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【摘要】：非化學(xué)方式除草是摒棄化學(xué)除草劑、實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物有機(jī)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),機(jī)械鋤草相比其他鋤草方式可增加土壤曝光及水分滲透,達(dá)到松土和保墑的作用。由于株間苗草聚集,機(jī)械鋤草難度很大,目前主要依靠人工,勞動(dòng)成本高且效率低。智能鋤草機(jī)器人是一種能夠自動(dòng)識(shí)別苗草或作物行信息,并能控制株間鋤草手避苗鋤草且自主沿作物行導(dǎo)航的自動(dòng)鋤草裝備。本文以株間鋤草機(jī)器人為機(jī)械平臺(tái),重點(diǎn)對(duì)其液壓驅(qū)動(dòng)及伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),主要對(duì)機(jī)器視覺數(shù)據(jù)優(yōu)化、鋤草手液壓伺服運(yùn)動(dòng)軌跡控制及機(jī)器人行跟隨運(yùn)動(dòng)控制方法進(jìn)行研究。(1)針對(duì)鋤草機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)需求,對(duì)基于東方紅804拖拉機(jī)為配套動(dòng)力的鋤草機(jī)器人進(jìn)行液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)了橫移運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)向控制、導(dǎo)向輪升降、液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制等功能的液壓回路,計(jì)算并校核了油缸及液壓馬達(dá)的參數(shù)。設(shè)計(jì)了基于嵌入式系統(tǒng)的平行下位機(jī)液壓控制系統(tǒng),對(duì)機(jī)架水平調(diào)節(jié)、橫移自鎖和浮動(dòng)狀態(tài)切換及通信數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行研究。(2)針對(duì)機(jī)器視覺在非結(jié)構(gòu)工況下易受光照變化等影響,提出基于傳感器融合的作物信息優(yōu)化方法,通過設(shè)計(jì)基于里程傳感器融合的刀苗距模糊校正器,在Mamdani型模糊邏輯系統(tǒng)下對(duì)作物定位信息進(jìn)行校正,將里程值和視覺數(shù)據(jù)可信度進(jìn)行加權(quán),得到優(yōu)化后的作物定位數(shù)據(jù)。靜態(tài)試驗(yàn)表明,校正后的作物定位數(shù)據(jù)平均誤差從9.4mm降至5.9mm。(3)采用里程值補(bǔ)償機(jī)器前進(jìn)位移的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理耗時(shí)引起的系統(tǒng)實(shí)時(shí)性滯后的校正,當(dāng)圖像處理耗時(shí)嚴(yán)重時(shí),采用固定里程值對(duì)下一刻作物定位數(shù)據(jù)進(jìn)行估算和插補(bǔ),提高數(shù)據(jù)采樣頻率�；谕侠瓩C(jī)平臺(tái)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)表明,在1.1-1.7km/h的行進(jìn)速度下,校正+補(bǔ)償后作物定位數(shù)據(jù)的誤差為4.3～8.1mm,且作物定位信息插補(bǔ)使刀苗距采樣頻率提高了6倍左右。(4)對(duì)鋤草手連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)控制策略進(jìn)行研究,通過控制鋤草手在兩棵作物中旋轉(zhuǎn)一圈,實(shí)現(xiàn)避苗鋤草的運(yùn)動(dòng)軌跡,推導(dǎo)出轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)鋤草手相位反饋和作物定位信息變化的公式,通過對(duì)轉(zhuǎn)速公式離散化,分析數(shù)據(jù)誤差對(duì)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的影響。大田試驗(yàn)表明,該控制方法不適用株距變化較大的工況,300mm和600mm株距下的鋤草率分別為89.2%和62.3%,1～2km/h車速下,傷苗率小于10%。(5)對(duì)鋤草手間歇轉(zhuǎn)動(dòng)控制策略進(jìn)行研究,其中包括基于連續(xù)控制方法下的分段間歇轉(zhuǎn)動(dòng)控制和開關(guān)量間歇轉(zhuǎn)動(dòng)控制。通過設(shè)置閾值株距,實(shí)現(xiàn)在不同株距下對(duì)分段間歇控制方法的模式切換；開關(guān)量間歇轉(zhuǎn)動(dòng)采用單閾值刀苗距的判別方法,對(duì)鋤草手進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)一圈的開關(guān)量控制。大田試驗(yàn)表明,分段間歇轉(zhuǎn)動(dòng)方式會(huì)造成不可接受的傷苗情況；開關(guān)量間歇轉(zhuǎn)動(dòng)可適應(yīng)株距多變的工況,300mm和600mm株距下鋤草率分別為91.2%和89.9%,在1-2 km/h速度下,傷苗率小于10%。(6)研究了作物行跟隨運(yùn)動(dòng)控制策略,其中分為鋤草機(jī)器人導(dǎo)向控制和拖拉機(jī)輔助駕駛控制。導(dǎo)向控制分為以作物行偏差為基準(zhǔn)的小偏角控制和以當(dāng)前作物位置為基準(zhǔn)的大偏角控制,采用橫移偏差及行偏角信息融合方法對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行輔助駕駛。大田對(duì)比試驗(yàn)表明行跟隨控制可提高機(jī)器對(duì)作物行的跟隨性能,行偏差數(shù)據(jù)均方根誤差為31.45mm,較人工駕駛減少了28.08mm。
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242

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