水田平地机多体系统动力学建模与优化

摘要

在水稻种植及后期管理中，水田的平整度越高越有利于水稻生长、灌溉节水、肥料节省和提高水稻产量。水田激光平地机操作简单，性价比高，效果较好，适用于我国水田平整要求。为此，华南农业大学研发了水田激光平地机，它能在复杂水田环境下，根据车身受到干扰自动调整平地铲的高度与倾角，使之保持水平并维持设定高度，以达到平整水田的目的。而且经过大面积推广，精度可以控制在3cm以内，取得了良好的经济社会效益。但是也遇到一些问题，如在水田平地机实际工作中如果增加车速，平地效果不理想，目前只能在低速条件下使用，增加平地成本，降低工作效率。为提高它的稳定性和平顺性，多次根据平地机工作时状况尝试改进控制算法及机械液压结构，但效果一般。
　　通过对平地机在推广中遇到问题进行分析，发现平地机机械结构和单侧调平油缸驱动存在不足，为提高平地机高速时控制系统控制精度和稳定性，建立基于多体动力学知识的平地机模型及通过实验对模型验证分析，从理论和实验出发分析平地机设计存在的不足，分析对影响平地铲主要因素、次要因素。最后对水田平地机机械结构优化设计。本研究主要进行了以下几方面的工作：
　　1）平地机简化DAE（differential-algebraic equations）数学模型求解。针对课题组之前遵循先简后繁的原则，从结构和工作原理出发对水田平地机进行简化与假定，建立的平地机简化模型。本文利用Matlab的符号数学工具箱，自动将原始平地机DAE数学模型转换成Matlab求解器能直接计算的数学模型进行求解，避免课题组之前建模求解时复杂人工化简过程。
　　2）基于Maplesim建立平地机刚柔耦合动力学模型。通过对简化水田平地机动力学模型分析，平地铲运动受平行连杆变形影响较大，将平行连杆作为柔性体建立水田平地机模型。采用计算机辅助工程（CAE）建模避免直接的动力学建模对力学和数学知识要求较高限制，本文利用Maplesim建立刚柔耦合平地机模型，其中平行连杆采用多体库中柔性梁元件建立。
　　3）通过高速相机和AHRS实验验证模型准确性。
　　（1）本文采用高速相机对平地机平地铲实际工作状态质心位置及姿态进行计算分析。建立以平地机安装台架位置为原点的全局坐标系，构件质心为原点局部坐标系，采用图像分析软件TEMA对视频进行处理，得到标记点在全局坐标系下3D坐标，通过标记点在局部坐标系下已知的3D坐标，根据点在不同坐标系下坐标转换关系，求解得到构件欧拉角和其质心空间3D全局坐标。
　　（2）通过高精度AHRS测量平地铲标记点角度、角速度。通过实验结果与模型结果对比分析，验证模型准确性。
　　本文从水田平地机机械结构、工作原理出发，建立水田平地机多体动力学模型。利用高速相机、高精度AHRS等实验设备对模型进行验证，并利用建立模型对平地机机械结构进行分析，发现当前平地机机械结构存在不足，并找到主要影响因素平地铲转动惯量。通过对水田平地机结构优化设计（平地铲优化、液压马达替换调平油缸优化），为以后平地机控制做准备，提高水田平地机工作效率。

目录

声明

1前言

1.1研究意义

1.2平地机国内外研究现状

1.3代数-微分方程组DAE数值计算研究现状

1.4多体系统动力学研究现状

1.5物体运动参数测量方法研究现状

1.6技术路线

1.7本文主要研究内容

2建模及测量方法原理分析

2.1 Matlab求解DAE系统的流程分析

2.2 Maplesim建模方法原理介绍

2.3基于高速相机刚体空间运动参数测量方法分析

2.4基于惯性传感器刚体空间运动参数测量方法分析

2.5本章小结

3.1水田平地机DAE数学模型

3.2 Matlab求解平地机DAE数学模型

3.3 DAE数学模型对平地机参数设计灵敏度分析

3.4本章小结

4.1水田平地机模型分析和假设条件

4.2水田平地机建模总体方案设计

4.3本章小结

5水田平地机模型验证试验

5.1基于高速相机的平地机平地铲姿态测量及模型验证

5.2基于AHRS的平地机平地铲姿态测量及模型验证

5.3本章小结

6.1平地铲优化

6.2液压马达替换调平油缸优化

6.3调平系统机械结构优化验证

6. 4本章小结

7.1结论

7.2讨论

致谢

参考文献

附录A

一、攻读硕士学位期间参加的科研项目：

二、论文：

三、发明专利：

附录B

一、DAE模型数值计算程序

二、平地铲姿态和质心位置计算程序