苹果树冠层仿形作业臂的设计与研究

作     者：姜春淼 

作者单位：石河子大学 

学位级别：硕士

导师姓名：纪超;张惠

授予年度：2023年

学科分类：09[农学] 0904[农学-植物保护] 

主      题：苹果树 仿形机械臂 动力学模型 动力学仿真 位置式PID 

摘      要：我国是苹果生产大国,新疆是我国重要的苹果种植省份,机械化是林果产业的重要发展趋势。随着苹果产量提升,农业现代化、农机智能化发展,亟待开发适用于标准化苹果园的多自由度作业臂,解决现有机具在果园农药喷雾、整形修剪等方面存在的不足,本文通过设计苹果园多自由度仿形作业臂,为实现果园仿形喷雾与修剪奠定基础,提高果园作业装备对不同树形规格和农艺特征的适应性,提升农药利用率、果树修剪效率以及果园机械化水平与作业质量。本课题通过查阅文献,总结国内外关于果树冠层仿形机械研究现状。通过实地调研,以标准化果园果树冠层外形主要参数为依据,结合国内外研究现状,确定仿形作业臂总体设计方案;进一步对作业臂零部件进行设计与校核,仿真分析作业臂动力学特性,验证结构设计的合理性,通过拉格朗日方程法建立作业臂动力学模型,求解作业臂运动所需驱动力或力矩;并开发树冠形信息获取与仿形定位控制系统,采用超声波传感器,通过RS485通信协议实现超身边传感器测量数据与主控芯片实时传输,比较作业臂目标距离与当前距离,通过位置式PID控制器驱动直流电机运动到目标距离,实现作业臂果树冠层仿形;完成软硬件系统集成试制和作业臂样机仿形试制与试验。实地测得标准化苹果园树高为3000～5000 mm,冠幅为1500～3000 mm,行距为3000 mm或4000 mm;采用双摇臂式为仿形总体方案,完成仿形作业臂零部件设计与选型。测得作业臂最大作业高度为5370.94 mm,单侧可仿形幅宽为2812.47 mm,水平可伸缩范围为1780～2506 mm。单侧作业臂具有5个旋转自由度,3个平移自由度;采用ANSYS/Work Bench确定仿形作业臂装配体前6阶固有频率分别为13.083 Hz,13.454 Hz,15.867 Hz,21.858 Hz,48.552 Hz,57.726 Hz,修剪作业时激振频率为39.9 Hz,不会产生共振;采用拉格朗日方程法建立了仿形作业臂动力学模型,确定各关节所需驱动力与关节(角)速度、(角)加速度的关系,为作业臂运动控制与轨迹规划奠定基础;ADAMS仿真结果表明各关节(角)加速度、受力变化较为平缓,无冲击产生。对作业臂仿形控制系统进行开发,完成了硬件选型与软件设计,PID参数整定为K=100,K=0.1,K=500。试制样机并安装控制系统,样机试验结果表明,满足标准化苹果园果树农艺要求;作业臂从初始状态到完成仿形的时间为15.71 s,仿形效率有待提高,后续可考虑更换驱动电机提高运行速度;完成仿形后,作业臂与冠层之间平均距离,树冠轮廓点与作业臂轮廓间距的标准差为33.7,与目标距离500 mm相差6.7%,仿形精度满足设计要求。