作物表型信息获取机器人底盘设计与试验

为进一步提升农业机器人底盘田间适应性和行驶稳定性,面向我国山东地区小麦表型信息获取作业场景,设计了一种四轮独立驱动转向的农业机器人底盘。根据小麦种植农艺需求和行驶地形环境,确定了底盘总体布局方案和主要技术参数。分别开展了底盘驱动部件、转向部件以及摆臂平衡部件设计,并进行了参数校核和元件选型。建立了关键部件ANSYS有限元模型,分别进行了摆臂平衡机构的应力形变分析和车架振动模态模拟,仿真结果表明,摆臂平衡机构的强度和刚度均能满足设计要求,车架能够有效避免因地形激励产生的共振。建立底盘ADAMS动力学仿真模型,分别进行纵向、横向稳定性分析和单侧凸起、凹坑越障性分析,仿真结果表明,底盘横纵向稳定性能够满足设计要求,摆臂平衡机构能够有效补偿单侧障碍造成的质心高度变化,提高了底盘的行驶稳定性。田间试验表明,机器人底盘具有良好的行驶性能,硬质地面直线行驶平均偏驶率为0.51%,田间地面平均偏驶率为1.13%。原地转向中心点偏移量为3.1mm,阿克曼转向最小转向半径为1.125mm。纵向翻倾角为34°,横向翻倾角为28°。单侧越障最大高度为160mm,单侧跨坑最大深度为160mm。     

水田作业农业机器人平台设计

以水田作业环境和无人农机作业要求为依据,设计并搭建了一种采用电驱动的机器人移动平台,主要包含行走底盘和控制系统。行走底盘由主机架、电力驱动系统、行走总成、转向总成和提升机构等组成;控制系统以STM32F407IGT6为主控制器,利用测速编码器、角度传感器、AT9S遥控器及R9D无线模块等设备,实现了机器人平台的远程遥控行驶控制。平台搭载GPS-RTK导航系统进行了轨迹追踪试验,结果表明:水田作业机器人平台的远程遥控控制及轨迹追踪控制符合农机无人作业的要求。     

农用底盘轮距可调式转向机构

针对农用底盘轮距随农作物行距变化而适应性调整的技术需求,基于现有梯形转向机构、平行四边形机构,研究轮距调整联动转向原理,提出轮距调整和转向独立或同时进行的轮距可调式转向机构方案,确定关键参数和转向误差计算方法。设计了一种轮距可调式农用底盘,参照现有底盘相关参数并结合我国部分农作物行距分布情况,确定前桥轮距可调式转向机构关键参数并以最小轮距为基本轮距优化,分析不同轮距时的转向误差,计算结果表明:轮距调整后转向误差仍能满足农田作业转向要求。     

移栽机自动升降底盘设计与试验研究

针对旱地移栽机插深一致的需要,设计了一种基于双四杆机构的移栽机自动升降仿形底盘,包括底盘机架、导向轮、驱动轮、仿形机构、升降机构和液压控制回路等。对双四杆底盘升降机构进行理论分析,建立了底盘升降高度与液压缸伸缩量之间的数学模型。用Solid Works建立了该移栽机升降底盘的虚拟样机模型,并将虚拟样机模型导入ADAMS中,基于ADAMS/Hydraulics建立了移栽机自动升降底盘的机液联合仿真模型,进行机液联合仿真分析,得到了底盘高度、液压缸受力等相关参数变化。仿真结果验证了理论分析了的正确性,表明所设计的底盘升降机构和液压回路能够满足工作需求。以自制的2ZXW-2型穴盘苗自动移栽机为试验对象,以底盘和垄面间距稳定性及钵苗栽植深度均匀性作为评价指标,对样机仿形作业性能进行试验研究。试验结果表明:作业中底盘和垄面的间距能够基本保持稳定,钵苗栽植深度合格率为98%,栽植深度变异系数0.036,自动升降仿形底盘满足设计要求,很好地保证了钵苗栽植深度的均匀性。     

基于连杆控制机构的自走式大棚小型农用底盘的研究

针对我国农用底盘适用性差、操作不灵活及姿态可调性差等问题,设计了一种姿态可调并可四轮独立转向的小型农用底盘。该底盘主要由机架、高度调整机构、行走机构等组成。底盘上的两套电推杆装置可对各自底盘一侧的行走机构进行姿态上的调整,令整套装置能够根据地面高度进行实时姿态调整以保证机架的水平,同时可根据底盘承重的变化进行装置姿态的调整令装置具有变刚度的特点。其四轮独立转向机构可令底盘实现原地转向,使其在狭小空间内作业时具有较高的灵活性。通过仿真软件对相关机构进行了运动仿真,选择了合适的姿态调整方案。结果表明:该装置运动平稳、结构合理,得到的仿真数据可为今后的进一步研究提供依据。     

基于自抗扰控制的双重转向运动控制系统设计与试验

为进一步提升农业机器人底盘田间转向效率,设计了一种基于自抗扰控制的农业机器人底盘双重转向运动控制系统。根据苹果种植农艺需求和行驶环境,确定了底盘组成和主要技术参数,开展了硬件系统搭建和部件选型。建立了底盘4自由度动力学模型,明确了衡量转向效率的状态空间方程。提出了一种基于自抗扰控制的双重转向控制策略,建立了Simulink动力学仿真模型,并进行了转向仿真模拟。仿真结果表明,自抗扰双重转向运动控制模型横摆角速度为0.241rad/s,转弯半径为1.96m,扰动恢复时间为1.04s,相较于传统PID双重转向控制模型,该模型横摆角速度更大、转弯半径更小、恢复稳定状态更快。田间试验结果表明,底盘平均横向偏移距离为18.5cm,滑移率为4.84%,大半径转弯测试中双重转向控制底盘的转弯半径平均值相比阿克曼转向控制分别减少0.60、0.57m,平均转向时间减少4.70、3.41s。小半径转弯测试中双重转向控制底盘的转弯半径平均值比阿克曼转向控制分别减少0.52、0.49m,平均转向时间减少10.27、8.22s。     

农业轮式机器人底盘转向运动控制及试验

针对农业轮式机器人各转向轮协调控制问题,提出一种转向运动控制方法。基于轮毂电机驱动的四轮独立转向机器人底盘结构,采用PID控制方法,构建轮间跟随联动的转向协调控制策略;设计轮式机器人转向控制的硬件与软件系统,对PID控制参数进行整定;并进行样机台架试验及路面验证试验。结果表明：该方法能精准控制轮毂电机转速,最佳PI控制参数K_p为0.45,K_i为0.02;台架试验中,底盘启动时存在1°～3°转向误差,但随时间推移,各轮逐渐吻合阿克曼转向关系;路面试验中,转向角可随目标信号实时调整,保持阿克曼转向关系,转角误差2°～3°,转向时间小于3 s,满足本文轮式机器人的作业要求。     

基于Pro/E与ADAMS的喷杆喷雾机升降底盘设计及仿真

本文介绍了一种喷杆喷雾机升降底盘,包括升降机构与行驶机构。通过建立此种设备升降底盘升降机构的运动学与动力学的基本数学模型,研究基本参数对应的运动学与动力学。应用三维设计软件Pro/E对该底盘进行模型建立和组装,并键入ADAMS软件中对其运动学与动力学分别进行仿真分析。分析结果表明,该设计的喷杆喷雾机升降底盘升降装置的位移、速度和加速度以及液压缸的受力和所建立的对应理论数学模型的计算分析相一致,且此底盘最大距地的距离达到了约775.0mm,可进行调节的高度达到了约500.0mm,升降迅速可靠平稳,可以适应于不同作物在不同生长时期的喷雾作业,有效地提高了农用底盘的适应性、整体的喷雾效率与施药利用率。     

全液压山地手扶式苜蓿刈割压扁机设计与试验

为适应我国山坡、丘陵地带苜蓿收获特殊需求,提高苜蓿收获机械作业操作灵活性和安全性,提出了一款山地手扶式苜蓿刈割压扁机。该机采用全液压驱动,整机液压系统由行走驱动回路、工作装置升降控制回路及工作装置驱动回路3部分组成,可实现自走、工作装置升降和刈割压扁作业;工作装置升降机构采用平行四连杆机构,以保证工作装置升降过程中割刀刀盘倾角不变。同时,进行了样机试制与田间性能试验,试验表明:整机能够有效地实现苜蓿的刈割、压扁作业,爬坡度可达30%,行驶速度可达5km/h,能够实现单边制动转向及原地转向等功能,满足山坡、丘陵地带苜蓿收获的需求。     

自适应式丘陵山地拖拉机底盘传动及转向系统设计

针对丘陵山地拖拉机田间地头转向困难及已作业地块易被压紧压实的难题,设计了一种自适应式丘陵山地拖拉机底盘。其采用机械传动方式,发动机横向布置于车架上,动力由发动机一端经过皮带输送到变速器等传动部件用于底盘驱动行驶,另一端输出用于田间收割等作业。转向系统为断开式梯形结构设计,采用前轮偏转和四轮偏转两种转向方式,可实现全液压四轮异相位转向。结果表明：底盘最高及最低行驶速度分别为10.98 Km/h及0.91 Km/h,最大传动比为370.37,最小传动比为61.38,底盘前轮偏转时的最小转弯半径为2003mm,四轮偏转时的最小转弯半径为1494mm。该丘陵山地拖拉机具有良好的小地块作业适应能力。     

高地隙喷雾机自转向电动底盘控制系统设计与试验

针对传统机械传动式高地隙喷雾机底盘在水田环境行走时容易陷入泥泞和深沟的问题,设计了一种四轮独立电驱动自转向电动底盘。底盘转向机构由可自转向的前后桥构成,根据自转向机构特点,提出了底盘部分动力学建模方法,将未建模动态以及外部扰动合并为总扰动,构建扩张状态观测器（Extended state observer, ESO）,实时估计总扰动并进行扰动补偿,再对无扰动的线性模型设计串级比例控制器,进行模型参数辨识与控制验证。仿真结果表明,采用阶跃信号模拟扰动,ESO扰动观测值可在0.5s内收敛到实际扰动;扰动观测器收敛后,当期望转角从0°突加至20°时,得到转角跟踪控制响应曲线的上升时间为1.9s,超调量为2.3%。试验表明,喷雾机以1m/s的速度行驶在平坦路面时,前转向桥转角上升时间为3.1s,后转向桥转角上升时间为2.0s,说明本控制方法具有较好的控制效果;喷雾机在满载的情况下工作在泥泞田间时,可以越过宽20cm、深40cm的泥泞深沟,说明其在田间具有良好的通过性。     

农用柔性底盘前轮转向动力学研究

农用柔性底盘通过偏置转向轴转向,4个独立的电动轮既要用于行进,又要驱动转向,控制难度大.为探明柔性底盘前轮转向过程的转向特性,建立了7自由度整车动力学模型,并通过Matlab/Simulink软件建立相应的交互控制仿真模型,进行了不同车速下单轮驱动转向与双轮比例控制转向的仿真与分析,根据仿真结果制定了控制策略;在此基础...     

前桥摆转式四轮底盘转向系统的转向机理研究

四轮底盘在小地块水田作业时,减少地头空行转弯时间是提高作业时间利用率的重要环节。为实现四轮底盘小半径转弯,以提高水田播插底盘作业率为主要研究目标,对四轮底盘在90°、180°等不同转弯形式下进行分析,得出适合小地块水稻播插作业时以较小转弯半径的转弯方式;前桥摆转四轮底盘在转向时,通过控制前桥驱动轮的转动,使前驱动桥主动围绕着转向装置转动,可以带动底盘以任意角度转向。采用ADAMS软件对四轮底盘后轮轨迹进行模拟,在确保后轮完全不吃入已完成作业区的倒U转弯方式的情况下,提出设计前桥摆转式四轮底盘转向系统的可行性。     

日光温室番茄采摘机器人设计与试验

针对目前日光温室中番茄采摘主要靠人工且费时费力的问题,设计并制作了一种可以应用于日光温室的番茄采摘机器人.该机器人能够在大棚垄道间巡检并自动识别成熟番茄,完成采摘、收集.本设计以STM32微控制器为主控制器,使用麦克纳姆轮全向移动平台作为机器人的移动底盘,采用由Raspberry Pi 4B控制器驱动的深度相机作为成熟...     

水稻插秧机电动方向盘系统设计及控制研究

以富来威2 ZG-6 DM型水稻插秧机为应用对象,设计了一款以步进电机作为动力源的电动方向盘集成系统,由摩擦式扭矩限制器、减速器、步进电机及驱动器、角度传感器、主控装置、通信模块、开关及传动机构组成.提出了步进电机转角与转速控制算法,构建了考虑转向阻力矩的电动方向盘转角闭环控制模型,并运用MatLab对此模型动态响应进...     

四轮转向液压底盘自动驾驶系统设计

针对“精准农业”的作业需求,为提高植保机械的作业精度,降低驾驶人员的工作强度,设计了一种四轮转向液压底盘自动驾驶系统。该系统主要由车载电脑、行车控制器、RTK-DGPS采集装置、电控液压转向装置及行车状态采集装置等组成。行车状态采集装置采集行车参数信息并基于i CAN通信协议进行系统通信。车载电脑根据导航控制模型和各传感器实时参数生成控制指令,行车控制器根据车载电脑指令根据四轮车运动模型生成电控信号,并通过各电磁阀控制液压马达和转向油缸实现对底盘4个轮的转向。试验结果表明:当底盘前进速度为2m/s时,平均跟踪误差不超过0.04m。     

偏置转向轴原地转向轮胎力学特性研究

农用柔性底盘原地姿态切换时车轮绕偏置转向轴原地滚动转向,为探明该过程的轮胎力学特性,对接地区域的滑移速度进行了运动学分析,据此将现有轮胎纵滑LuGre模型扩展成纵滑横滑联合的偏置转向轴原地转向LuGre模型;设计了相应测试装置,通过双因素试验测试了偏置距离和载荷对轮胎横向与纵向摩擦力的影响;根据实测结果对模型参数进行了辨识,利用辨识值对柔性底盘原地姿态切换过程中的轮胎摩擦力进行了仿真。结果表明:柔性底盘原地姿态切换时,轮胎受到阻碍滚动的纵向摩擦力和指向外侧的横向摩擦力,纵向摩擦力与载荷的1.82次方成正比,与偏置距离的1.61次方成反比;随着偏置距离的增加,横向摩擦力先增大、后减小,但变化较为平缓。轮胎横向与纵向摩擦力的实测结果和仿真结果吻合程度较高。本研究可为柔性底盘转向驱动力矩的估算和装置参数的优化提供依据。     

具有平衡摇臂悬架的丘陵山区动力平台转向系统

为适应丘陵山区地形和不同农作物的农艺特点,提出一种具有平衡摇臂悬架和H型传动的可变地隙和轮距的动力平台,该平台采用无转向梯形的四轮全液压转向,转向方式为同侧两车轮采用对称角度的偏转转向,以减小转弯半径并实现同辙转向。采用遗传算法优化左、右转向油缸的位移关系,以实现阿克曼转向。为避免运动干涉,参照同轴距普通拖拉机的最小转弯半径确定车轮极限转角。当变地隙后车轮绕主销偏转,平台的轴距发生改变和变轮距后轮距发生改变后,可根据几何关系重新确定车轮在水平面内有效转角与转向油缸位移的关系,讨论了变地隙和变轮距满足阿克曼转向的条件。实验结果表明,设计的转向系结构和转向策略是合理的和可行的。