高大树木修枝机控制系统设计与试验研究

摘要

树木修枝是森林抚育的主要措施，合理的修枝可以促进树木的生长，提高树木的通直度、抗弯强度及木材的韧性，增强上部光合作用，对树木的生长、成材有着非常积极的意义。传统的修枝工具有手锯、砍刀等，都比较落后，存在修枝质量差，劳动强度大，修枝高度达不到要求等问题。针对我国森林抚育面积广、修枝作业量大、修枝工具差，特别是高空剪枝作业中，缺乏适用的树木修枝装备的现状，研制一种新型高大树木修枝机装备及其控制系统。
　　本文主要进行高大树木修枝机的控制系统设计与试验验证。
　　（1）运用D·H参数法建立了机械臂的运动学模型，推导出正运动学方程，采用解析法求解其逆运动学模型，利用Matlab软件进行运动学的数值计算；利用Solidworks软件的三维模型，得到关节角与电动缸伸长量的对应关系，利用ADAMS软件进行关节角度与电动缸伸长量对应关系的反向验证；利用Matlab Robotics Toolbox进行机械臂正运动学和逆运动学的仿真与验证；利用SimMechanics进行修枝机操作空间的仿真与分析。
　　（2）研究修枝机控制硬件系统，确定控制硬件系统方案，修枝机控制系统采用RS-485总线通讯方式。修枝机控制硬件系统由工业平板电脑、摄像头、升降台系统硬件、回转台系统硬件、机械臂系统硬件和修枝锯系统硬件等组成。工业平板电脑是核心控制部件，实现视频显示和控制功能；摄像头包括无线数字摄像头和数字USB无线接收机，主要拍摄树枝位置；升降台系统硬件由RS-485继电器组成，控制升降台上升和下降；回转台系统硬件由PWM信号发生器、步进电机半闭环编码器和步进电机驱动器组成；机械臂系统硬件由伺服电机控制器组成；修枝锯系统硬件由RS-485继电器组成。
　　（3）设计修枝机控制方法，确定修枝机控制总体方案。主要包括：工业平板电脑人机交互界面设计、Modbus通讯协议介绍、控制系统初始化、回转台控制、伺服电动缸控制、修枝机械臂联动控制和末端修枝锯控制等。
　　（4）通过林间样机试验，验证高大树木修枝机控制系统的实际工作效果。通过工业平板电脑视频显示界面，观察树枝的位置；通过工业平板电脑控制界面，控制修枝机完成一系列修枝动作。
　　仿真和试验结果表明，本文所设计的高大树木修枝机控制系统能够控制修枝机进行修枝作业，实现预期的控制目标。