林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物仿真系统

摘要

本发明公开了一种林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物仿真系统，包括工业控制计算机、车载嵌入式计算机、车载PLC控制器；车载嵌入式计算机连接有激光测量系统，车载PLC控制器连接有操控手柄、方向盘、刹车踏板、油门踏板；工业控制计算机用于完成林木联合采育机的自主采伐作业任务的实时动态虚拟显示；车载嵌入式计算机包括控制输入采集模块、输出参数显示模块、立木激光测量算法模块和轨迹规划与控制算法模块；车载PLC控制器用于采集处理操控手柄、方向盘、刹车踏板、油门踏板控制输入量，同时输出实体林木联合采育机的液压油缸控制信号。本发明能验证林木联合采育机作业轨迹规划与智能控制方法、数据量处理能力大、交互能力高、成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种林业采育装备智能控制技术，尤其涉及一种林木联合采育机作业轨 迹规划与控制半实物仿真系统。

背景技术

林木联合采育机是一种高性能现代林业装备，可在人工干预下完成采伐、打枝、去 皮、造材等连续作业。在对林木联合采育机这种大型和复杂机电系统进行实验时，由于 存在危险性和花费高等问题，在开发阶段需要对关键控制技术进行仿真验证。纯粹的软 件仿真很难真正模拟实际林木联合采育机的特性。为保证林木联合采育机在样机实验初 期的安全性和经济性，需构建半实物仿真的实验平台进行实验。

现有技术中还没有一种能验证林木联合采育机作业轨迹规划与智能控制方法、数据 量处理能力大、交互能力高、成本低的实验平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种能验证林木联合采育机作业轨迹规划与智能控制方法、数 据量处理能力大、交互能力高、成本低的林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物仿 真系统。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物仿真系统，包括工业控制计算 机、车载嵌入式计算机、车载PLC控制器，所述车载嵌入式计算机连接有激光测量系统， 所述车载PLC控制器连接有操控手柄、方向盘、刹车踏板、油门踏板；

所述工业控制计算机用于完成林木联合采育机的自主采伐作业任务的实时动态虚拟 显示，包括虚拟林木联合采育机、虚拟立木和地面、虚拟动态显示模块、实验数据保存 模块、人机交互模块；

所述车载嵌入式计算机包括控制输入采集模块、输出参数显示模块、立木激光测量 算法模块和轨迹规划与控制算法模块；

所述车载PLC控制器用于采集处理所述操控手柄、方向盘、刹车踏板、油门踏板控 制输入量，同时输出实体林木联合采育机的液压油缸控制信号。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的林木联合采育机作业 轨迹规划与控制半实物仿真系统，由于包括工业控制计算机、车载嵌入式计算机、车载 PLC控制器，所述车载嵌入式计算机连接有激光测量系统，所述车载PLC控制器连接有操 控手柄、方向盘、刹车踏板、油门踏板，能验证林木联合采育机作业轨迹规划与智能控 制方法，可完成林木联合采育机自主作业的运动学计算、轨迹规划和通讯等复杂任务， 同时可完成林木联合采育机作业任务的实时动态显示和人机交互，具有大数据量处理能 力、高交互能力和较低成本的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物仿真系统的结 构框图；

图2为本发明实施例中林木联合采育机作业轨迹规划与控制算法的流程框图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物仿真系统，其较佳的具体实施 方式是：

包括工业控制计算机、车载嵌入式计算机、车载PLC控制器，所述车载嵌入式计算 机连接有激光测量系统，所述车载PLC控制器连接有操控手柄、方向盘、刹车踏板、油门 踏板；

所述工业控制计算机用于完成林木联合采育机的自主采伐作业任务的实时动态虚拟 显示，包括虚拟林木联合采育机、虚拟立木和地面、虚拟动态显示模块、实验数据保存 模块、人机交互模块；

所述车载嵌入式计算机包括控制输入采集模块、输出参数显示模块、立木激光测量 算法模块和轨迹规划与控制算法模块；

所述车载PLC控制器用于采集处理所述操控手柄、方向盘、刹车踏板、油门踏板控 制输入量，同时输出实体林木联合采育机的液压油缸控制信号。

所述虚拟林木联合采育机包括虚拟采伐臂、虚拟伐木头和虚拟车体，所述虚拟动态 显示模块能将虚拟林木联合采育机的作业运动和立木三维模型信息实时显示到液晶显示 器上，所述实验数据保存模块能实时保存虚拟林木联合采育机的采伐臂、车体和伐木头 的运动数据，所述人机交互模块能完成自主作业任务的控制参数输入。

所述控制输入采集模块用于处理车载PLC控制器的输入量，所述输出参数显示模块 完成伐木头的工作状态参数和立木的胸径、方位、间距参数的输出显示，所述立木激光 测量算法模块用于采集激光扫描的数据，获得立木的胸径、方位和间距参数，所述轨迹 规划与控制算法模块能基于激光测量数据完成虚拟林木联合采育机的作业轨迹规划与控 制算法。

所述操控手柄用于完成虚拟采伐臂和虚拟伐木头运动的人工控制量输入。

所述激光测量系统能获得采伐目标立木的激光点云数据，经车载嵌入式计算机上的 立木激光测量算法模块计算获得立木的胸径、方位和间距参数，为采伐臂的轨迹规划与 控制提供基本的测量反馈数据。

所述方向盘用于完成虚拟林木联合采育机车体的方向控制输入。

所述刹车踏板用于完成虚拟林木联合采育机车体的减速和制动控制输入。

所述油门踏板用于完成虚拟林木联合采育机车体的加速运动控制输入。

所述工业控制计算机与车载嵌入式计算机之间通过双冗余的外部CAN总线连接，所 述车载嵌入式计算机与车载PLC控制器间通过双冗余的内部CAN总线连接，所述激光测 量系统与车载嵌入式计算机间通过串口连接。

本发明的林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物仿真系统，能验证林木联合采 育机作业轨迹规划与智能控制方法，可完成林木联合采育机自主作业的运动学计算、轨 迹规划和通讯等复杂任务，同时可完成林木联合采育机作业任务的实时动态显示和人机 交互，具有大数据量处理能力、高交互能力和较低成本的特点。

本发明充分利用了分布式控制系统设计和半实物仿真系统设计的方法，将林木联合 采育机、立木、地面等采用虚拟仿真方式实现，而车载嵌入式计算机、车载PLC控制器、 方向盘、刹车踏板、油门踏板等采用与实验样车完全相同的电子部件实物实现。采用这 种半实物仿真系统，轨迹规划和控制算法以及车载控制系统的动态特性、静态特性和非 线性因素等能更接近实际地反映出来，可满足林木联合采育机作业任务的实验需求，保 证了实验过程的低成本、高安全性以及实验结果的高可信度。

本发明中一部分采用与样车相同的实物，其他部分则采用计算机仿真形式。采用半 实物仿真系统代替纯粹的软件仿真和实际样车系统，作业轨迹规划和控制算法以及车载 控制系统的动态特性、静态特性和非线性因素等能更接近实际地反映出来，同时具有良 好的人机交互性，实验次数不受限制，可以简化林木联合采育机的开发周期，节省开发 成本，提高实验安全性，也为林木联合采育机的驾驶员培训提供基本的实验条件。

具体实施例，如图1和图2所示：

在图1中，每个方框表示一个功能单元，林木联合采育机作业轨迹规划与控制半实物 仿真系统按其功能划分为：工业控制计算机、车载嵌入式计算机、车载PLC控制器、操控 手柄、激光测量系统、方向盘、刹车踏板、油门踏板。

工业控制计算机和车载嵌入式计算机之间通过双冗余的外部CAN总线连接，车载嵌 入式计算机与车载PLC控制器间通过双冗余的内部CAN总线连接，激光测量系统和车载 嵌入式计算机间通过串口连接。

其中，在工业控制计算机上运行采用Visual Studio 2008和Open Scene Graph开发 了的虚拟仿真软件，该软件包含虚拟林木联合采育机、虚拟立木和地面、虚拟动态显示 模块、实验数据保存模块、人机交互模块；其中虚拟林木联合采育机由虚拟采伐臂、虚 拟伐木头和虚拟车体构成；虚拟动态显示模块可将虚拟林木联合采育机的作业运动和立 木三维模型信息实时显示到液晶显示器上，实验数据保存模块可实时保存虚拟林木联合 采育机的采伐臂、车体和伐木头的运动数据；人机交互模块可完成自主作业任务的控制 参数输入，如自主作业指令、人工操控指令等。

车载嵌入式计算机发出虚拟林木联合采育机的车体、采伐臂、伐木头的运动参数指 令，车载嵌入式计算机采用工业嵌入式Cortex-A81.2GHz双核处理器，5.7寸TFT液晶 屏，具备1GB DDR2内存和16GB Flash固态硬盘，配备,CAN接口，支持CAN V2.0B， 具备RS232串口和RS485串口，USB2.0端口，超强的安全稳定可靠性，确保可在恶劣的 作业环境下稳定，不间断运行。

车载嵌入式计算机采用WinCE操作系统，通过软件完成控制输入采集模块、输出参 数显示模块、立木激光测量算法模块和轨迹规划与控制算法模块，其中控制输入采集模 块主要负责处理车载PLC控制器的输入量；输出参数显示模块完成虚拟伐木头的工作状态 参数和立木的胸径、方位、间距等参数的输出。

立木激光测量算法模块主要负责采集激光扫描的数据，经聚类算法和最小二乘拟合 算法获得采伐目标立木的胸径、方位和间距等参数，为采伐臂的轨迹规划和控制提供基 本的测量参数。

轨迹规划与控制算法模块主要基于激光测量数据或人工输入数据，完成虚拟林木联 合采育机的多自由度采伐臂捕获立木的轨迹规划与控制算法。

整个轨迹规划与控制算法的流程如图2所示，轨迹规划与控制算法首先由激光获取实 际立木的方位数据，在工业控制计算机上显示立木虚拟模型，后续流程分为自主作业和 人工操控两部分。

在自主作业时，为保证伐木头到达期望的捕获位置，需要进行多次规划。本发明采 用了“规划一次、走十步”的循环控制方法，实现伐木头对目标立木的逐步逼近。首 先，虚拟车体自主移动，使虚拟采伐臂和虚拟伐木头处于接近目标立木的位置；然后， 根据虚拟伐木头相对立木的方位数据，在笛卡尔空间进行轨迹规划，并进行运动学反 解，获得各规划点虚拟采伐臂的运动参数；然后车载嵌入式计算机分别通过外部CAN总 线和内部CAN总线将各规划点虚拟采伐臂的运动参数值传送给工业控制计算机上虚拟林 木联合采育机和车载PLC控制器；虚拟采伐臂运动前10个规划点，并同步动态显示；完 成前10个规划点运动后，后续的规划点舍弃；经10个控制周期后，如虚拟伐木头未到达 可捕获立木区域则返回开始新的规划周期，直至逐步逼近目标立木。如虚拟伐木头到达 可捕获立木的区域，车载嵌入式计算机分别通过外部CAN总线和内部CAN总线向虚拟伐 木头和车载PLC控制器发送指令完成捕获立木和采伐任务。

在人工操控时，首先人工操控方向盘、刹车踏板和油门踏板，完成虚拟车体移动； 然后人工操作操控手柄，控制虚拟采伐臂的运动，然后车载嵌入式计算机分别通过外部 CAN总线和内部CAN总线将虚拟采伐臂的运动参数传送给工业控制计算机上的虚拟林木 联合采育机和车载PLC控制器；然后虚拟采伐臂的运动，并同步动态显示，如伐木头到达 可捕获立木的区域，车载嵌入式计算机分别通过外部CAN总线向虚拟伐木头和内部CAN 总线向车载PLC控制器发送指令完成捕获立木和采伐任务。

车载PLC控制器用于采集处理所述操控手柄、方向盘、刹车踏板、油门踏板控制输 入量，通过内部CAN总线接收车载嵌入式计算机发出的运动参数，同时在实体林木联合 采育机测试时，可以输出实体林木联合采育机的液压油缸控制信号。

操控手柄主要通过安装在上面的各个开关量按键、模拟量按键和操作杆的前后左右 位移完成虚拟采伐臂和虚拟伐木头运动的人工控制量输入；

激光测量系统采用二维激光扫描仪，扫描距离范围为8米，扫描角度范围为100度， 可获得采伐目标立木的激光点云数据，经车载嵌入式计算机上的立木激光测量算法模块 计算获得立木的胸径、方位和间距等参数，为采伐臂的轨迹规划与控制提供基本的测量 反馈数据；

方向盘输出PWM信号给车载PLC控制器，主要完成虚拟林木联合采育机车体的方向 控制输入；

刹车踏板输出开关信号给车载PLC控制器，主要完成虚拟林木联合采育机车体的减 速和制动控制输入；

油门踏板输出模拟信号给车载PLC控制器，主要完成虚拟林木联合采育机车体的加 速运动控制输入；

工业控制计算机和车载嵌入式计算机之间通过双冗余的外部CAN总线连接，车载嵌 入式计算机与车载PLC控制器通过双冗余的内部CAN总线连接，采用双冗余的内部CAN 总线和外部CAN总线可保证林木联合采育机控制系统数据传输可靠性的要求。激光测量 系统和车载嵌入式计算机之间通过串口连接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替 换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的 保护范围为准。