电动夹钵式取苗装置设计与控制系统研究

作     者：鲁丁 

作者单位：石河子大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王卫兵

授予年度：2022年

学科分类：0828[工学-农业工程] 08[工学] 

主      题：自动移栽机 取苗装置 自适应控制 神经网络 取苗试验 

摘      要：近些年来,人们对蔬菜的需求量增大,而新疆拥有庞大蔬菜种植面积,但是现有的育苗移栽技术主要还是依靠人工完成,这大大限制了新疆地区农业的发展。目前,国内移栽机的研发还处于萌芽阶段,且难以适用于新疆地区,而取苗装置的研发是解决目前移栽困境的重要手段,一种优秀的取苗装置能够大大缓解新疆地区人工不足的现状。对此,本文结合课题组已有的相关研究基础及其具体的农艺要求,设计了一种取苗装置并对其控制系统进行研究,研究内容主要包括:(1)取苗机械手的结构设计和关键尺寸参数优化。首先分析了苗盘规格和幼苗形态参数,依据取苗作业需求设计了取苗机械手,并分析了其工作原理,明确了目标函数。由取苗装置的安装尺寸以及取苗作业参数得到机械手尺寸参数优化的约束条件,使用GA-NP算法求解得到参数,并进行了运动学仿真,仿真结果表明机构各项指标都满足移栽作业要求。(2)自适应控制器的设计与仿真。利用自适应控制算法,对取苗机械手的夹取动作进行控制。构建了取苗装置上步进电机的状态空间控制模型,建立自适应控制器,通过神经网络对误差进行修正,来逼近控制对象;通过Lyapunov函数证明并推导自适应律;以RBF的逼近误差作为主要评价指标,利用粒子群算法确定自适应控制参数的最佳组合;建立仿真模型进行控制系统仿真,以正弦函数作为激励,对比PID和自适应RBF神经网络控制器的控制效果,仿真结果表明自适应控制器具有更高的控制精度。(3)取苗装置控制系统设计与试验平台搭建。首先分析了控制需求,根据取苗装置的控制需求确定了以stm32作为下位机实现伺服控制和pc作为上位机实现数据处理的控制方案。完成了对取苗控制系统关键部件的选型,包括控制器、电机、电机驱动器和丝杠等的选型,并以此为基础设计了stm32的接线图。最后在硬件设计后对软件进行设计,主要包括:主程序的设计,利用Qt完成取苗控制系统上位机的软件设计包括界面设计和数据通信协议应用设计;利用C语言和keil＿v5软件完成了取苗控制系统下位机的软件设计包括电机的驱动与数据的采集和数据交换的功能。搭建了取苗装置的试验平台,并进行取苗试验,性能试验的结果表明取苗装置取苗速度为50株/分钟时,总体表现良好符合预期,满足实际作业要求。