新型果园除草机器人机械结构与控制系统设计

摘要

我国苹果种植面积、产量和消费量均占世界总量的40%以上。随着苹果种植面积的逐年增加、规模化的发展以及我国人口老龄化的趋势，果园除草面积增加与直接参加农事劳动力不足之间的矛盾日益突出。目前，我国苹果种植向矮砧密植模式发展，果园地面生草栽培技术逐渐推广但仍以清耕模式为主。国内外现有的大结构大功率的除草机械不适用，人工除草方式效率低。基于以上状况，设计新型果园除草机器人，以满足果园不同栽培模式的除草要求，对促进果园规模化发展、提升综合管理水平具有重要意义。 根据园艺技术要求，提出了具有割草和断根除草两种功能的机器人方案。完成除草机器人总体结构方案设计，在Pro/E中建立机器人各零部件的三维模型并完成整体装配，主要包括三轮结构的机器人本体、割茬高度调节机构、转向机构、割刀角度调节机构和除草机构。为了使机器人能更好的适应果园不平整地形，在两前轮与车架连接处加入了独立悬架结构，后轮与车架连接处设计减震弹簧。 设计了碟式结构的除草刀盘和三种不同刃线形状的除草刀片，分析了机器人作业过程的运动规律，并使用ADAMS软件对虚拟样机进行了作业路径的仿真模拟，验证了理论分析的正确性，得到了作业轨迹疏密程度与机器人前进速度和刀盘旋转速度的对应关系。模拟了除草机器人在果园常见的凸起、凹坑、坡面三种地形越障性能及不同参数的障碍物对机器人运行平稳性的影响，结果显示悬架机构对保持机器人平稳性有明显效果。对除草刀盘进行模态分析，结果显示机器人工作过程中不会因外界激振引发共振。 使用非线性显式动力学分析软件LS_DYNA对三种不同刃线形状刀具除草切削土壤过程进行了模拟仿真，通过对切削过程、刀具应力变化、刀具功耗和所受阻力分析，得出圆弧型除草刀平均功耗和切削阻力最小。通过平面圆弧刀和立体曲面圆弧刀仿真分析对比，立体圆弧刀平均功耗和阻力分别比平面圆弧刀高出27.5%和51.9%，在满足除草要求的前提下，平面圆弧刀结构为设计的最佳选择。 采用Arduino开发平台，通过控制系统硬件和软件程序设计，开发了除草机器人控制系统的核心Arduino主控板、电机驱动模块、超声波避障模块、无线电通信模块，使机器人障碍物检测、报警，远程操控行走、转向等功能有了实现基础。在MATLAB/Simulink中建立控制系统电机的仿真模型并完成仿真，验证了系统模型的正确性。

目录

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 课题的研究意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 除草机器人国外研究现状

1.3.2 除草机器人国内研究现状

1.3.3 机器人运动控制技术发展趋势

1.4 课题研究目标与主要内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 主要内容

第2章 果园除草机器人的总体设计

2.1 除草机器人作业的园艺要求

2.1.1 果园杂草种类

2.1.2 果园种植特点及园艺要求

2.2 果园除草机器人整机设计及关键参数确定

2.2.1 除草机器人总体结构设计

2.2.2 主要技术参数确定

2.3 关键零部件设计

2.3.1 机器人底盘结构设计

2.3.2 除草机构设计

2.4 机器人悬架设计

2.5 本章小结

第3章 除草机器人运动过程分析

3.1 除草机器人越障分析

3.1.1 仿真模型的建立

3.1.2 不同地形的仿真与分析

3.1.3 地形不同参数的越障仿真与分析

3.2 切割装置运动分析

3.2.1 除草刀片的运动分析

3.2.2 除草刀具的ADAMS运动仿真分析

3.3 除草刀具模态分析

3.3.1 模态分析的理论基础

3.3.2 模态分析

3.4 本章小结

第4章 除草刀切削过程有限元建模与仿真分析

4.1 LS_DYNA软件介绍

4.1.1 LS_DYNA软件简介

4.1.2 LS_DYNA分析的一般步骤

4.2 土壤切削动力学求解原理分析

4.2.1 大变形动力学数值求解方法

4.2.2 各向同性线弹性材料模型理论

4.3 切削仿真模型建立与结果分析

4.3.1 除草刀有限元模型

4.3.2 土壤材料模型

4.3.3 割刀-土壤模型建立

4.3.4 LS_DYNA切削仿真中参数与边界条件设置

4.3.5 仿真结果与分析

4.3.6 平面圆弧刀与立体圆弧曲面刀对比分析

4.4 本章小结

第5章 除草机器人控制系统设计

5.1 控制系统的总体设计

5.2 控制系统硬件设计

5.2.1 Arduino主控板

5.2.2避障模块

5.2.3 电机驱动模块

5.2.4 无线电通信模块

5.2.5 控制系统硬件线路连接

5.3 控制系统软件设计

5.3.1 机器人运动和除草作业部分

5.3.2 避障检测报警部分

5.3.3 无线遥控部分

5.4 控制系统建模仿真

5.4.1 直流电机的数学模型

5.4.2 电机仿真模型建立与分析

5.4.3 机器人驱动电机联合仿真

5.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文及其他成果