地空两用农业信息采集机器人设计与研究

摘要

物联网技术的普及为农业信息化的发展带来了新的契机，对农业信息采集技术及其装备提出了新的要求。针对当前农业信息采集技术及方式存在的问题，为获取更精确、全面的农田环境信息，作物生长信息，推进物联网农业发展进程，本文研制了一台地空两用农业信息采集机器人。
　　本文首先对地空两用机器人的功能、任务和应用环境进行了分析，根据分析的结果分别选择了地空两用农业信息采集机器人的地面行走机构和空中飞行机构，确定了机器人的总体结构方案，并确定了机器人的性能指标。根据机器人的总体结构方案和机器人的性能指标，分别对地面行走机构悬架结构和飞行机构的各个参数进行计算，并选择了电机的型号。
　　利用计算机三维建模软件，建立了轮胎-土壤力学模型，针对其静止和行走两种状态添加了不同的载荷，并利用有限元仿真分析原理对不同载荷下的模型进行了求解，分别得到轮胎和土壤的应力、位移和应变的值。利用Adams动力学仿真软件，建立了行走机构前悬架模型，并对模型施加了一个正弦激励，对其轮胎定位参数进行了运动学仿真分析，得到了各轮胎定位参数的变化量。
　　利用模块化的设计理念，根据地空两用机器人的设计方案和功能需求，分别对机器人控制系统的软硬件进行了模块化的设计，有效的减少了不同模块之间的干扰，保证机器人控制系统的稳定性和可靠性。
　　根据以上的设计与仿真分析，制作了一台样机，并对样机分别进行了运动性能测试和信息采集性能测试，从测试结果可以看出样机具备良好的行走和飞行能力，并且可以采集到相对准确、直观的农作物生长信息，可以为后续的农业生产活动提供良好的保证。

目录

摘要

1．1 引言

1．1．1 课题背景

1．1．2 课题意义

1．2 国内外农业信息采集研究现状

1．2．1 国外农业信息采集研究现状

1．2．2 国内农业信息采集研究现状

1．3 主要研究内容

2 地空两用机器人总体方案设计

2．1 地空两用机器人功能和应用环境分析

2．1．1 地空两用机器人功能分析

2．1．2 地空两用机器人任务分析

2．2 地面行走机构悬架结构选择

2．2．1 悬架概述

2．2．2 悬架的分类

2．2．3 独立悬架结构类型

2．2．4 机器人前悬架结构的确定

2．3 飞行机构结构选择

2．3．1 各类飞行模式的分析

2．3．2 飞行机构的确定

2．3．3 四旋翼飞行机构原理

2．4 地空两用农业信息采集机器人总体结构方案设计及主要性能指标

2．4．1 地空两用机器人总体结构方案

2．4．2 地空两用机器人性能指标确定

2．5 本章小结

3 地空两用农业信息采集机器人结构设计

3．1 地面行走机构悬架结构设计

3．1．1 地面行走机构悬架结构参数计算

3．1．2 地面行走机构电机的选择

3．2 空中飞行机构设计

3．2．1 电机及旋翼选型

3．2．2 机身结构设计

3．3 本章小结

4 地空两用农业信息采集机器人行走机构性能仿真分析

4．1．1 轮胎—土壤力学模型

4．1．2 轮胎-土壤力学参数确定及模型建立

4．1．3 轮胎-土壤有限元建模

4．1．4 静止状态时力学分析

4．1．5 运动状态时力学分析

4．1．6 有限元仿真结果分析

4．2 前轮定位参数对机器人行走性能的影响

4．2．1 轮胎外倾

4．2．2 主销后倾

4．2．3 主销内倾

4．3 机器人前悬架模型结构及拓扑关系

4．3．1 机器人前悬架模型的拓扑关系

4．3．3 机器人前悬架模型建立

4．3．2 机器人前悬架及相互约束关系

4．4 机器人前悬架模型仿真及分析

4．4．1 机器人前轮定位参数运动学仿真

4．4．2 悬架运动学仿真结果分析

4．5 本章小结

5 地空两用机器人控制系统设计

5．1 控制系统设计要求

5．2 机器人控制系统硬件设计

5．2．1 机器人主控板选择

5．2．2 高度传感器模块

5．2．3 IMU传感器模块

5．2．4 温湿度传感器模块

5．3 地空两用机器人控制系统软件设计

5．3．1 无刷直流马达的软件控制

5．3．2 圆周舵机的控制

5．3．3 高度传感器模块控制

5．3．4 温湿度传感器模块控制

5．3．5 IMU传感器模块控制

5．4 本章小结

6 机器人样机制作及实验研究

6．1 运动性能试验

6．1．1 行走性能试验

6．1．2 飞行性能试验

6．2 信息采集处理性能试验

6．2．1 温、湿度检测试验

6．2．2 图像采集试验

6．3 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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