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《山东农业大学》 2018年
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农业轮式机器人建模与控制研究

曹东  
【摘要】:随着我国经济的飞速发展和科学技术的不断进步,农业技术不断革新,农业生产模式发生了较大的变化,智能化成为了当今农业机械发展的主流趋势。随着信息技术的日益成熟,我国20世纪90年代开始了对精准农业的发展,农业机器人的应用和推广是精准农业发展水平的重要衡量标准之一。农业机器人是一种集各种新型科学技术于一身、能够代替人类完成农业生产任务的自动化或半自动化机器,它能够提高农业生产率、降低劳动者工作强度,是我国未来农业机械智能化发展的方向。随着农业机器人的发展,自由度越来越多、机械结构越来越复杂。机器人在实际工作过程中建模精度会因机械加工存在的不可避免的误差及外界干扰等因素受到影响,传统的数学建模方法已经不能满足精确控制的需求,建立精准的农业机器人模型、设计高效的控制算法在农业机器人研究中变得越来越重要。本论文是在国家自然基金项目“欠驱动农业轮式机器人广义动力学与实时控制研究(51205238)”的支持下进行研究的,主要研究内容如下:(1)在了解国内外农业机器人技术的基础上,确定了农业轮式机器人的设计方案,制定了研究技术路线。整体机械系统分成两部分,轮式移动平台和6自由度机械臂。轮式移动平台部分主要由前2轮转向机构、后2轮驱动机构、车身固定安装板、自动控制室和电源盒组成。6自由度机械臂部分均为转动关节,末端3关节按照满足Pieper准则设计。末端执行器通过变换可适用于采摘、喷药、信息采集等多种农业作业。(2)基于旋量理论研究了物体在二维和三维空间中位置和姿态的坐标描述,建立了机器人运动学模型,进一步对6自由度机械臂进行正运动学和逆运动学求解。设计了基于BP神经网络的机械臂逆运动学求解算法,降低了实际工作中因外界干扰给机械臂逆运动学求解带来的影响。利用Mathematica和MATLAB软件联合仿真验证了运动学计算程序的正确性和机械臂结构设计的合理性。(3)利用拉格朗日法对6自由度机械臂进行了动力学建模,结合RBF神经网络理论、PID控制理论和滑模变结构控制理论,设计了一种动力学控制算法,利用双轮移动机器人轨迹规划模型设计了基于滑模变结构控制理论的轮式移动平台路径规划算法,通过Simulink仿真验证了控制算法的正确性。(4)针对提出的机器人完成了配套控制系统的硬件和软件设计,上位机和下位机之间通过无线蓝牙进行数据交流,基于C语言在Keil软件中编写了STM32单片机控制程序,完成对机器人整体的控制。研制了农业轮式机器人样机,通过果蔬采摘试验发现不足并进行改善优化。
【学位授予单位】:山东农业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP242

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