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基于螺旋推进的平粮机器人结构设计及仿真优化

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基于螺旋推进的平粮机器人结构设计及仿真优化

作者：陈本灶杭州电子科技大学

学位级别：硕士

本文针对粮仓平粮和内部检测工作,设计了一种平粮机器人,采用螺旋叶片轮作为平粮机器人的推进方式,可以实现在粮仓表面自由、灵活的行走,结构简单,操作便捷,改变了传统粮仓粮面机器人工作和传统粮情检测方式的局限性,大大提高了粮面平... 详细信息

本文针对粮仓平粮和内部检测工作,设计了一种平粮机器人,采用螺旋叶片轮作为平粮机器人的推进方式,可以实现在粮仓表面自由、灵活的行走,结构简单,操作便捷,改变了传统粮仓粮面机器人工作和传统粮情检测方式的局限性,大大提高了粮面平整和粮仓内部粮情检测效率。本文主要以平粮机器人作为研究对象,开展以下几部分工作:第一,根据粮仓的实际工作环境和要求,确定了平粮机器人的运动和推进方式,对平粮机器人整体进行了结构设计,包括螺旋推进机构、控制系统以及车身等。对平粮机器人推进单元的运动学和动力学特性进行详细分析,主要分析了平粮机器人的运动和转向功能,并且建立了相应的转向动力学模型。第二,使用EDEM离散元和Recurn Dyn多体动力学仿真软件对平粮机器人进行耦合模拟仿真试验。得到当玉米颗粒含水量为15%时,螺旋叶片轮的螺旋升角、螺旋叶片高度和螺旋轴径对平粮机器人螺旋推进机构运动性能的影响结果。通过正交仿真试验分析,得到影响平粮机器人运动性能因素的重要程度从大到小分别为螺旋升角、螺旋叶片高度、螺旋轴径。然后分别进行了玉米颗粒含水率为20%和25%的平粮机器人运动仿真试验。得出在两种工况下,当平粮机器人螺旋推进结构运动性能最佳时,螺旋升角、螺旋叶片高度、螺旋轴径的具体取值。最后进行螺旋叶片轮安装位置确定仿真试验,根据实验结果,得出当左侧安装右旋螺旋叶片轮、右侧安装左旋螺旋叶片轮条件下,平粮机器人螺旋推进结构运动性能更好。第三,对平粮机器人进行样机实验,包括平粮机器人在粮面上的运动实验和平粮作业实验。得出当平粮机器人在玉米颗粒上进行直线行驶作业时,平粮机器人的沉陷量和滑转率会随着螺旋叶片轮的转速和前进速度的减小而减小;通过平粮实验得出,平粮机器人左右螺旋叶片轮的转速为2.00r/s左右时,其平粮能力最强,约为0.086KWh/t,爬坡时间短,爬坡能力强。

关键词：平粮机器人螺旋推进耦合仿真螺旋轴径粮仓作业

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螺旋驱动式平粮机器人姿态控制及系统设计

螺旋驱动式平粮机器人姿态控制及系统设计

作者：林吉照吉林大学

学位级别：硕士

随着人力成本大幅度提升,“机器替人”近乎一种风潮在中国逐渐形成。粮食行业也不例外,出现了招人难、用人也难的局面,特别在粮食进出仓环节的平粮作业。平粮作业面对规模大、松散和易塌陷的粮堆,人工作业难度较高,又缺少自动作业机械... 详细信息

随着人力成本大幅度提升,“机器替人”近乎一种风潮在中国逐渐形成。粮食行业也不例外,出现了招人难、用人也难的局面,特别在粮食进出仓环节的平粮作业。平粮作业面对规模大、松散和易塌陷的粮堆,人工作业难度较高,又缺少自动作业机械。本文在研究了螺旋驱动式行走机构,及自动平粮作业控制系统的基础上,探索了实现粮堆粗平和粮面精平的自动化作业的技术路径。本文主要研究内容包括:(1)平粮机器人行走机构动力学与运动学分析。对平粮机器人行走机构进行动力学分析,分析螺旋驱动轮推进力与行驶方向的关系,构建其动力学模型;对平粮机器人行走机构进行运动学分析,分析螺旋驱动轮横向分速度和纵向分速度的变化对机器人运动规律的影响,并构建其运动学模型;通过试验确立驱动轮转速与机体速度的线性关系,量化电机编码器测速误差,并根据螺旋驱动轮螺距和螺旋升角的关系建立电机编码器测速模型,确定了运动学模型参数γ与角速度的线性关系。(2)平粮机器人自动平粮作业方案的设计。提出采用手自一体粮堆粗平作业算法和全区域“S”型路径规划粮面精平作业算法分别完成粮堆粗平作业和粮面精平作业;利用速度PID算法、位置PID算法以及角度/角速度串级PID算法精确控制机器人的行驶速度、行驶距离以及转向功能;通过Mahony互补滤波融合算法实时解算机器人的姿态角,静态下姿态角在-0.05°～0.2°之间波动,粮面行驶时姿态角在-4°～4°之间波动;基于扩展卡尔曼滤波算法融合编码器数据和IMU数据,获得准确的定位输出,数据融合后的机器人平均相对定位误差为2.7%左右;完成超声波测距模块的校准,当超声波中断触发距离为54.43 cm时可使机器人与粮仓墙壁保持50 cm安全距离。(3)平粮机器人控制系统的设计。基于Free RTOS实时操作系统,采用STM32主控芯片,完成平粮机器人控制系统的硬件设计和软件设计。控制系统硬件设计包含底盘运动控制单元、传感器单元、动作单元以及通信单元4个单元模块;基于Free RTOS实时操作系统进行控制系统的软件设计,通过对系统初始化任务、底盘运动控制任务、平粮装置控制任务、运动位姿分析任务、超声波避障任务及OLED显示任务6个任务进行统筹调度,使平粮机器人在粮面上自由行驶,并实现平粮机器人的粮堆粗平作业和粮面精平作业。(4)平粮机器人平粮作业试验。在完成控制系统搭建的基础上,为了测试平粮机器人的平粮作业效果,分别设计了平粮机器人的平粮能力试验、粮堆粗平作业试验和粮面精平作业试验。通过平粮机器人平粮能力试验,表明平粮机器人可通过自身重力和旋转运动将粮堆摊平,且平粮机器人旋转平粮面积与驱动轮长度成正比例关系,测得最佳爬坡行驶速度为0.274 m/s;通过平粮机器人粮堆粗平试验,验证了手自一体粮堆粗平作业算法的可行性,平粮机器人的平均粗平效率为0.0392 m/min,粗平作业后粮面最高点为80 mm,最低点为-26 mm,粮面高度数据极差为106 mm,粮面高度平均值为14 mm,作业区域粮面数据的方差为8 mm,粮面平整度较高。经平粮机器人精平作业试验,验证了全区域“S”型路径规划粮面精平作业算法的可行性,机器人与粮仓墙壁安全距离误差为6 cm,机器人转向平均误差为2.47°,平均精平效率为4.927 m/min,精平作业后粮面的高度差为5.5 mm左右,相较粮堆粗平作业后,粮面平整度有很大提高。

关键词：平粮机器人运动学分析融合定位运动控制平粮作业

复合式平粮机器人系统方案设计与关键技术研究

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武汉轻工大学学报 2019年第4期38卷 82-86页

作者：尹强童铭行胡凹伍骏波杨红军严清华张永林武汉轻工大学机械工程学院

平粮机器人是用于粮仓粮面平整的专用装备,其结构和性能对粮面平整效果起着至关重要的作用。本文综述了现有桁架式和移动式平粮机器人的不足,提出了一种复合式平粮机器人系统,详述了其系统方案设计和结构组成,并进行了关键技术的分析研... 详细信息

平粮机器人是用于粮仓粮面平整的专用装备,其结构和性能对粮面平整效果起着至关重要的作用。本文综述了现有桁架式和移动式平粮机器人的不足,提出了一种复合式平粮机器人系统,详述了其系统方案设计和结构组成,并进行了关键技术的分析研究,解决了当前平粮机构单一、平粮效率低、自动化程度不高等问题,为后续平粮机器人系统的实用化应用奠定了基础。

关键词：平粮机器人方案设计关键技术

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面向粮仓精准作业的平粮机器人设计与研究

面向粮仓精准作业的平粮机器人设计与研究

作者：古家鑫武汉轻工大学

学位级别：硕士

目前工人数量的下降和人工成本的提升在使各行各业自动化智能化脚步不断的加快,然而在粮食存储领域,自动化和智能化的程度相比其他热门领域比较落后,但粮食是民之根本,粮食储存是重中之重,需要提高粮食仓储作业的效率,降低工作强度,因... 详细信息

目前工人数量的下降和人工成本的提升在使各行各业自动化智能化脚步不断的加快,然而在粮食存储领域,自动化和智能化的程度相比其他热门领域比较落后,但粮食是民之根本,粮食储存是重中之重,需要提高粮食仓储作业的效率,降低工作强度,因此研发一种用于粮仓精准作业的自动化甚至智能化的平粮机器人具有重要的应用价值。本文针对粮仓的作业环境和工作需求,进行平粮机器人研究,主要研究内容如下:(1)查阅并分析国内外平粮机的研究现状,明确本文所研究机器人的应用场景和功能需求,设计了一款桁架式平粮机器人。对机器人样机的移动机构、平粮执行机构和驱动系统进行了设计,并制作了原理样机。(2)基于图像技术和测距技术,建立粮面的曲面模型,获取粮堆表面特征信息,量化机器人的工作目标。设计机器人信息采集的路径,同时采用MATLAB软件进行编程实现,对采集得到的图像进行预处理,最后基于图像拼接和微元法对粮面特征信息进行处理得到机器人的目标平整高度,量化机器人的工作目标。(3)基于遗传算法获取机器人的最优路径,通过改变平粮执行机构,改善其工作范围,设计平粮机器人自动平粮方案。提出基于目标平整高度的区域分类方法,结合机器人刮板的高度和电机的功率,由三维地图生成为二维地图,通过遗传算法得到该二维地图的整体最优路径,并通过调整刮板夹角的朝向,实现多角度切换,便于实现双轴联动平粮和完成角落位置的平粮工作。(4)测试平粮机器人样机的平粮能力。通过设计粮堆粗平和粮堆精平两类试验测试机器人的平粮作业效果。试验证明平粮机器人具备良好的平粮能力,验证了基于机器视觉和路径规划的平粮方案的可行性。

关键词：平粮机器人机器视觉平粮高度路径规划

基于视觉SLAM的平粮机器人定位导航系统设计与实现

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基于视觉SLAM的平粮机器人定位导航系统设计与实现

作者：田进波东北大学

学位级别：硕士

在传统粮仓中,平粮工作都是由人工来完成,这样既耗时又耗力。现如今,移动机器人已经在各行各业中使用,但是在粮仓的平仓工作中使用则是少之又少。原因是不能解决在粮仓的复杂环境中机器人的定位导航问题,而定位和导航技术又是实现机器... 详细信息

在传统粮仓中,平粮工作都是由人工来完成,这样既耗时又耗力。现如今,移动机器人已经在各行各业中使用,但是在粮仓的平仓工作中使用则是少之又少。原因是不能解决在粮仓的复杂环境中机器人的定位导航问题,而定位和导航技术又是实现机器人的关键。随着计算机视觉技术的发展,视觉SLAM机器人系统中得以广泛使用。将深度相机作为传感器的视觉里程计技术能同时获取到环境的深度信息,采用密集点云匹配技术对位姿进行优化。但是由于对图像信息的依赖,在像粮仓这种特征点稀少和重复环境中会存在匹配失误,同时由于仅依赖单个传感器系统的累积误差无法修正。因此,本文针对平仓机器人中的这一问题进行研究,并完成以下内容:(1)结合粮仓实际问题,对平仓机器人的定位导航问题进行建模,进行分析和设计整体算法框架。(2)提出将惯性测量单元与视觉传感器进行融合的多传感器融合定位算法改进并通过加权平均和卡尔曼滤波的方式分别对位移和姿态进行融合。(3)实现多传感器融合的平仓机器人导航方法。在绘制的粮仓环境的栅格地图中,通过A*算法完成路径规划。该算法速度快,实时性高,满足机器人定位导航需求。综上,本文逐步实现了基于视觉SLAM的平仓机器人定位导航改进方法,并设计实验测试。实验结果表明该方法在各项性能指标上均具有较好的效果,具有实际应用价值。

关键词：平粮机器人深度相机惯性测量单元定位导航 ROS 多传感器融合

基于机器视觉的平粮机器人工作目标量化技术研究

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武汉轻工大学学报 2023年第3期42卷 99-107页

作者：尹强古家鑫张永林余忠杨红军杨柳武汉轻工大学机械工程学院武汉430023 荆州市宇中粮食机械有限公司荆州434000

目前工人数量的下降和人工成本的提升促使各行各业自动化、智能化开发不断地加快。平粮机器人是实现粮仓粮食表面平整的专用设备,其平整的目标高度是否明确对粮面的平整效果和效率有着很大的影响。本文综述了现有平粮机器人的不足,提出... 详细信息

目前工人数量的下降和人工成本的提升促使各行各业自动化、智能化开发不断地加快。平粮机器人是实现粮仓粮食表面平整的专用设备,其平整的目标高度是否明确对粮面的平整效果和效率有着很大的影响。本文综述了现有平粮机器人的不足,提出一种基于机器视觉的平粮机器人工作目标量化方法。通过RGB-D相机进行数据采集,基于图像拼接和矩阵运算获取整个大型粮仓的粮面信息,再通过微元法得到平粮机器人的目标平整高度,解决了目前在平粮过程中平粮机器人工作目标不明确、依赖于人的主观感觉控制机器人工作的问题,提高了粮面平整的效率和效果,强化了机器人的自主性,有助于实现平粮机器人的智能化工作。

关键词：机器视觉图像拼接平粮机器人平粮目标

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基于粮面形貌的平粮方法研究

机械制造与自动化 2024年第4期53卷 161-164页

作者：范明明臧铁钢郭城王悦南京航空航天大学江苏南京210016

为了实现粮仓内粮堆的快速平整,提出一种基于粮面形貌的平粮方法。根据粮面形貌的高度标准差制定粮面平整性指标,并将其作为平粮作业完成的判断依据;为了让平粮机器人能够实现自动化、智能化作业,提出采用基于蚁群算法和多运输调度的粗... 详细信息

为了实现粮仓内粮堆的快速平整,提出一种基于粮面形貌的平粮方法。根据粮面形貌的高度标准差制定粮面平整性指标,并将其作为平粮作业完成的判断依据;为了让平粮机器人能够实现自动化、智能化作业,提出采用基于蚁群算法和多运输调度的粗平路径规划算法及全区域“S”型细平路径规划算法,分别完成粮堆的粗平操作和细平操作。通过仿真环境进行路径规划实验,结果表明了所规划路线的有效性和最优性。

关键词：平整性指标平粮机器人路径规划

基于多传感器融合的LSD-SLAM方法研究与实现

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基于多传感器融合的LSD-SLAM方法研究与实现

作者：刘金东北大学

学位级别：硕士

随着自动化技术的发展，智能机器人在各行各业得到广泛应用。其中，在粮食仓储行业中，使用智能机器人代替人工进行平仓工作成为一种现实需求。机器人完成平仓工作的前提为解决粮仓环境的感知问题。粮仓环境封闭，光线单一，粮堆为半流... 详细信息

随着自动化技术的发展，智能机器人在各行各业得到广泛应用。其中，在粮食仓储行业中，使用智能机器人代替人工进行平仓工作成为一种现实需求。机器人完成平仓工作的前提为解决粮仓环境的感知问题。粮仓环境封闭，光线单一，粮堆为半流体，机器人这种特殊的环境中定位与地图重建面临巨大的挑战。　　针对平粮机器人在粮仓环境下定位的需求，提出了一种UWB传感器和惯性测量单元(IMU)融合的三维定位方案，利用扩展卡尔曼滤波算法实现机器人位姿的估计。针对机器人在粮仓环境下地图重建的需求，利用LSD-SLAM进行粮仓环境地图重建，由于LSD-SLAM得到的地图存在尺度缺失，再利用UWB/IMU定位信息辅助LSD-SLAM定位与地图重建，将LSD-SLAM得到的位姿和点云地图转换到真实世界尺度。　　首先，本文设计了一种针对粮仓环境的基于UWB传感器的三维定位方案，并且设计实验测试该方案定位性能。测试结果表明在静止状态下的定位误差RMES 为 0.0505 米。　　然后;针对该方案中存在的动态性能差，定位频率低的问题，设计了一种基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的UWB/IMU三维定位方案。建立平粮机器人定位和状态估计的数学模型，利用扩展卡尔曼滤波算法对UWB和IMU数据融合，使机器人在存在传感器测量误差的情况下得到一个良好的定位信息，同时提高系统的定位频率。设计实验验证了该算法的可行性，然后在真实环境中测试了算法的定位效果，结果表明在z轴方向位置偏差的标准差为0.0535米，实验结果符合预期。　　最后，为完成LSD-SLAM重建出的粮仓地图与真实世界尺度统一的需求，设计LSD-SLAM与UWB/IMU融合定位方案。对整个系统中使用的各个坐标系定义说明，设计LSD-SLAM与UWB/IMU定位系统结合的具体方案，通过实验测试方案性能。结果表明通过多传感器融合方法，改进了 LSD-SLAM系统中尺度缺失的问题，完成平粮机器人粮仓环境下的定位与地图重建需求。

关键词：平粮机器人三维定位地图重建多传感器融合