VR技术在拖拉机零配件设计中的应用

为进一步提升拖拉机零配件的设计与改进效率,将VR技术应用于设计。在虚拟现实核心理念的基础上,选取通用拖拉机关键零配件进行参数设计,将数学模型与物理模型相结合,对整机的传动系统、执行部件进行建模,并通过VR装配调控技术,形成路径规划与装配流程搭建仿真试验平台。试验表明:在VR场景设置下的拖拉机零配件机械设计与装配整体效果良好,设计可视度较实体建模与装配改善效果可提升9. 1%,零配件位姿调控时间提升至0. 52s,调控精准,且大幅度节省设计与装配时间;同时,零件的装配约束度可达到93. 7%,满足设计要求,装配精度可达90%以上。此设计应用可为其他机具改进优化提供理论支撑,具有较强的应用价值。     

VR技术在农业机器人操作上的应用

为进一步提高农业机械对农作物收获的采摘效率和准确率,结合当前VR技术对农业机器人的操作过程进行了应用研究。在充分理解农业机器人操作原理的基础上,结合虚拟现实技术理论,从任务层、状态层与综合控制层形成基于VR技术的农业机器人操作控制流程,并选取机器人核心部件建立数学运动模型。同时,利用SolidWorks软件得到机器人物理模型,编制协调一致的作业软件控制程序,进行VR场景下农业机器人操作控制平台仿真试验。试验结果表明:在核心控制算法和指令动作反应算法的信息融合之下的农业机器人作业的避障率可达83%以上;在VR试验环境下,X向定位精度和Y向定位精度指标分别为97. 25%和96. 75%,整机准确避障率和路径执行准确率的指标分别为96. 95%和97. 05%,均满足设计要求。此研究思路可为农业机器人的深入研发提供一定参考。     

一种CDIO机理下的植保机路径追踪系统优化

为进一步提高农业无人植保机的作业运行效率,以CDIO设计理念为依托,针对其路径追踪系统进行优化设计。以构思、设计、实施、运行为主体思路,在理解植保机的路径控制及动力原理的基础上,设计CDIO机理下植保机路径追踪实施步骤,建立路径追踪控制模型。同时,从目标追寻与路径避障入手,对植保机路径追踪系统进行硬件配置,并采取嵌入式路径追踪系统软件控制。进行路径追踪系统运行试验,结果表明:以路径误差、避障成功率及整机作业效率等为主要评价参数,在同等试验条件下,基于CDIO设计机理植保机的整机作业效率可提高6.19%,作业路径追踪误差小于6.5%,避障成功率可提高10.92%。该设计思路具有一定的创新性,可为植保机的优化提供参考。     

果园株间除草自动避障装置的设计与试验

针对果园经济作物种植模式存在的果园行间和株间中耕除草劳动强度大、株间杂草清除困难、需进行人工二次补耕等问题,设计了一种株间自动避障除草装置。研究了避障装置的耕作要求,结合果园株间除草自动避障装置的工作原理,设计了整机的结构,并对液压控制系统进行了理论分析与设计,最终确定了果园株间除草自动避障装置的设计方案。试验结果表明:果园株间自动避障装置在正常作业速度3.5km/h下,碎土率为93.68%,耕作深度为14.64cm,株间漏耕率4.12%,避障通过率为100%,满足了设计要求,提高了果园机械作业效率。     

基于模糊控制算法的采摘机器人执行系统优化

为进一步提高我国采摘机器人的综合采摘效率，减轻人工作业劳动强度，针对当前采摘机器人的执行系统进行优化研究。以采摘机器人作业控制原理为切入点，选取模糊控制算法为优化核心，在合理分配权重的基础上，根据采摘作业特点搭建采摘执行系统的模糊控制算法模型，通过硬件配置与软件设计形成可执行的模糊控制体系，并进行优化试验。结果表明：基于模糊控制算法的采摘机器人执行系统较一般控制算法而言，轨迹跟踪精确度与平均避障准确率均可保持在96%以上，整机采摘成功率与综合效率分别相对提高了9.25%与8.94%;系统运行稳定且性能优越不仅可实现高效率的智能采摘，而且可为类似采摘或收获机械装备优化提供参考。     

基于VR场景设计的采摘机器人协同作业分析

以进一步提高采摘机器人协同作业的可视性与效率为目标,将VR设计理念与采摘机器结合,针对VR场景下采摘机器人协同作业展开研究。通过考虑环境信息、植物成像、动态交互功能等基础条件,以采摘机器人各部件作业运动机理为依据,搭建采摘机器人VR场景,将采摘系统划分为多个子系统进行采摘作业的动作实现与路径调整,在数据、模型、知识等多部件协同控制支撑下进行VR场景采摘作业试验。结果表明:经系统协同感知与核心算法控制,采摘机器人各部件在自由度协调、对象及位置闭环调控条件下,得到理论计算定位与实际仿真误差控制在0～8mm范围内,机器人协同采摘的作业耗时最短为1.89s,平均耗时为2.06s,采摘成功率可达到96.8%,设计可行。VR场景设计下的采摘机器人整体协同作业分析保证了采摘机器人作业的柔韧度与协调性,对于采摘机器人部件结构改善及类似农机化设备的可视化开发具有很好的参考价值。     

农用拖拉机牵引装置智能化测试与改进

为进一步提升农用拖拉机牵引装置的牵引效率和整机作业效率,针对其牵引装置进行智能化测试与改进研究。在全面理解农用拖拉机牵引装置工作机理及组件结构的基础上,建立牵引系统理论模型,并对相关联的悬挂装置同步改进,将驱动、牵引、悬挂形成闭环且协调的智能控制系统,进行试验测试。测试表明:选定牵引效率、燃油消耗率(经折合换算后)、悬挂稳定保持率和拖拉机整机作业效率4个变量参数,改进后的优化效果分别达到+2.8%、-3.7%、+12.1%和+15.8%,改进效果明显,可为农用拖拉机或其他动力驱动机械的类似部件优化提供思路和参考。     

拖拉机队列自动控制系

为了提高拖拉机田间作业效率,开发了拖拉机队列自动控制系统。建立了拖拉机队列模型,设计了队列控制方法。首先应用三阶样条曲线拟合先行拖拉机的行驶位置点,动态生成跟踪拖拉机的参考路径。然后设计了最优路径跟踪器,用来引导跟踪拖拉机沿着参考路径行驶。在平坦的草地上进行了拖拉机队列的自动控制试验,试验结果表明,跟踪拖拉机能够成功沿着先行拖拉机的轨迹行驶,横向偏差的平均值和均方根值分别小于     

基于SPH法的船式拖拉机叶轮单轮叶驱动性能研究

叶轮是船式拖拉机独特的行走驱动装置,其设计参数对驱动性能和作业效率具有很大影响。为此,以课题组前期研发的HH709S型船式拖拉机叶轮为研究对象,采用光滑粒子流体动力学法,建立了轮叶-土壤的动力学仿真模型,并在此基础上对单轮叶与土壤的作业过程进行了分析。通过分析不同结构参数下单轮叶推进力做功及驱动效率的变化规律,为轮叶结构参数优化设计提供依据。研究结果表明:单轮叶结构优化后最大支撑力减小了3.83%,最大推进力提升了9.66%,推进力做功提升了13.72%,驱动效率提升了20. 35%,驱动性能得到了显著提高。     

基于四杆机构拖拉机液压悬挂挂接装置设计与试验

液压悬挂系统是实现拖拉机与作业机具连接的关键部件,在拖拉机出厂前常采用人工挂接方式检测液压悬挂系统的承载性能,存在耗时长、效率低、存在安全隐患等缺陷。在不改变现有油缸加载检测装置的前提下,根据四杆运动机构设计了一种用于大中型拖拉机液压悬挂系统检测的挂接装置。结合四杆结构特点及拖拉机液压悬挂检测相关规定,分析了挂接装置的运动规律。基于四杆机构,设计了液压悬挂挂接装置,并对关键部件进行强度校核。在实验环境下,重复测试已研制液压悬挂挂接装置的挂接性能。试验表明：挂接装置的平均挂接时间为68.6 s、挂接成功率为96.7%,远低于人工挂接操作时间,并具有良好的挂接成功率。研制的液压悬挂挂接装置结构简单、性能可靠,降低拖拉机液压悬挂的检测强度、提高检测效率,为国内外拖拉机生产厂家设计一种用于拖拉机液压悬挂自动化检测系统提供依据。     

轮式AGV沿葡萄园垄道行驶避障导航算法与模拟试验

针对轮式AGV沿葡萄园垄道循迹受到障碍物阻碍的问题,应用滚动优化原理提出了基于超声波测距与航向角检测的AGV防碰避障导航算法。采用交叉布置的8路超声波传感器检测垄道边界与障碍物,提出了同一障碍物匹配与类型判据及动态障碍物轨迹预测模型。以AGV横向位置偏差和航向偏角作为模糊控制器输入,获得AGV前轮期望导向角,为AGV绕行障碍物提供参考航向角。基于滚动优化原理提出了调节绕行偏角和调节车速的避障导航策略,设计了AGV绕行静态障碍物、减速或停车避让动态障碍物的导航算法。试验系统的上位机采用Lab VIEW开发的避障导航算法程序,实时将导航数据发送到下位机PLC来控制AGV转向。模拟试验结果表明,该导航算法实现AGV沿垄道预设路径纠偏行驶的同时,可导引AGV避免与垄道上的障碍物发生碰撞,验证了防碰避障导航算法的有效性,可为无人化轮式拖拉机等前轮导向车辆沿垄道循迹的防碰预警与避障技术提供参考。     

拖拉机半履带行走装置设计与试验

针对丘陵地区轮式拖拉机田间作业时爬坡能力差、作业效率不高的问题,研究开发了一种半履带拖拉机行走装置。该装置主要由行走支架、减速机构、履带驱动轮、导向轮、若干支重轮、橡胶履带以及张紧轮机构等部件组成,对有一定坡度的山地适应能力好、不易打滑。田间驱动性能试验表明:拖拉机前轮线速度和履带驱动轮的线速度相对误差控制在4%以内,符合动力机械田间作业性能要求。该履带行走装置的成功研制对推动丘陵山区农业机械化的发展有重要意义,也为其他企业或科研院校研制开发半履带拖拉机提供了参考。      

基于运动特性的农机导航控制方法

农业机械（农机）运动学模型的精度影响导航控制精度和稳定性,为提高农机路径跟踪控制器精度,提出了一种基于运动特性的农机导航控制器设计方法。该方法主要是对传统二轮车运动学模型建模方法进行改进,针对传统二轮车模型小角度近似替代（方向角等于横摆角）的缺点,采用加入侧偏角的方法优化农机运动学建模过程。采用相同的控制方法（状态反馈控制）和不同的运动学模型设计控制器进行对照实验。直线路径跟踪时,侧偏角对模型精度影响较小,引入侧偏角可以在一定程度上影响农机的跟踪精度;曲线路径跟踪时,侧偏角对方向角的变化影响较大,可以大幅影响路径跟踪精度。以安装有自动导航设备的拖拉机为实验平台进行实地实验,结果表明：直线行驶的最大横向误差平均值为0.0454m,绝对平均误差平均值为0.0149m,标准差平均值为0.0119m;曲线行驶的最大横向误差平均值为0.1613m,绝对平均误差平均值为0.0688m,标准差平均值为0.0434m;基于本文提出的优化模型设计的路径跟踪控制器对直线路径跟踪有一定提升,对曲线跟踪精度有大幅提升。     

基于非线性模型预测控制的农用拖挂车避障控制器研究

为实现农用拖挂车的避障控制,设计了一种基于非线性模型预测控制的避障控制器。考虑到农用拖挂车的避障控制需要同时顾及拖车与挂车的位姿状态,基于刚体运动学和非完整约束条件推导了农用拖挂车的运动学模型,并基于该运动学模型建立了农用拖挂车的位姿状态预测模型。在此基础上,基于改进的禁区惩罚函数设计了优化目标函数,从而完成了基于非线性模型预测控制的农用拖挂车避障控制器的设计。仿真结果表明,农用拖挂车避障控制器能够在较复杂工况下同时控制拖车与挂车实现避障,农用拖挂车各车桥端点轨迹与障碍物中心之间的最小距离减去障碍物半径与安全裕度之和的结果均大于或等于0 m。     

无人驾驶自走式旱地胡麻喷药车转向控制系统设计

针对胡麻密植程度高、不方便大型机械作业等问题,设计一款以直流无刷电机、电推杆为转向控制组件,基于STM32型单片机为控制核心的无人驾驶自走式旱地胡麻喷药车。该喷药车采用2.4 GHz无线电遥控装置与单片机之间的双向通行实现对喷药车行走速度、转弯半径和喷洒模式的控制。使用Keil uVision5软件编程,对喷药车各动作流程进行决策、控制。仿真结果表明,无人驾驶自走式旱地胡麻喷药车转向机构最大转向角度为左转35.9°、右转25.7°,实际使用转向角为±25°,最小转弯半径4 m,转向系统符合设计要求,为胡麻喷药车的智能避障、智能作业提供技术支持。      

基于优化人工势场法的插秧机绕障策略研究

针对水田中存在的壕沟、田埂、石块、电线杆等障碍物使得插秧机无法保证作业连续性和插秧直线性等问题,设计了基于优化人工势场法的插秧机绕障路径规划策略。通过增加插秧机实时位置与目标作业点的相对距离作为判断条件来动态改变势场大小,同时设立了虚拟局部目标点来弥补传统人工势场法目标点不可达和局部最小点的算法缺陷;将插秧机简化为二轮车模型,建立插秧机转向系统数学模型,得出插秧机速度、行驶航向角和前轮转角表达式,以横向偏差与航向偏差作为评判路径优化效果的因素。转向控制器以复合模糊PID算法控制插秧机的转角,不断减小理想前轮转角与实际转角的偏差,实现转角最优化;采用超声波传感器实时检测道路障碍物并结合RTK-GPS实时更新位置坐标,设计出插秧机绕障转向控制策略。通过Matlab对优化的人工势场法的避障路径控制策略进行仿真,仿真结果表明,当障碍物不在影响范围内,插秧机直线追踪的最大横向位置偏差为5cm,平均偏差约为2cm,最大避障横向偏差小于0.5m,优化后的算法具有较好的控制精度,可避免目标点不可达的问题。基于洋马VP6E插秧机作为实验平台进行了实车实验,实验结果表明,当插秧机以速度0.5、1.0、1.5m/s行驶时,左侧绕障的最大横向偏差均不大于1.2218m,航向偏差最大值为30.1491°,绕障前后直线追踪的平均横向偏差为0.025m,平均航向偏差为3.12°;右侧绕障的最大横向偏差均不大于1.2459m,航向偏差最大值为25.2294°,绕障前后直线追踪的平均横向偏差为0.023m,平均航向偏差为3.36°,所设计的避障方法可满足插秧机在农艺作业过程中的避障要求,具有很好的可行性与鲁棒性。     

基于神经网络PID的小麦收割机械式行走装置设计

为了提高联合收割机行进速度控制的响应精度、缩短控制过程的响应时间及提高收割机的作业效率,设计了一种新的小麦收割机械式行走装置。该装置利用新型液压-机械控制方案,结合神经网络PID控制器,提高了行走装置的响应速度和精度,并解决了收割机原地转向及特殊地块通过性较差的问题。行走系统采用双联集成变量柱塞泵和2个定量摆线马达的相互独立闲式液压传动系统,实现了收割机行走系统的无级调速。为了测试装置的有效性和可靠性,对PID控制器的响应精度和响应时间等进行了测试。通过测试发现:PID控制器的调节时间仅为0.02s,响应迅速,超调量低,响应精度较高,为小麦收割机现代化设计提供了较有价值的参考。     

大功率轮式拖拉机辅助燃油系统设计

大功率轮式拖拉机辅助燃油系统的设计要根据整机布置综合考虑。介绍了燃油系统的组成和工作原理,对燃油箱、散热器、滤清器、预热装置和预热管路进行了设计,为大功率拖拉机的正常工作提供保证。      

自动化控制技术在拖拉机上的应用研究

为进一步提高拖拉机的田间作业效率和拖拉机整机的作业性能,利用自动化控制技术,针对混合动力驱动控制的拖拉机控制系统进行改进。通过深入理解拖拉机的工作原理及特点,融入扰动观测机理、双重功率流理论和闭环调节功能,针对拖拉机的导航控制、变速设置和智能显示三大模块进行智能优化。测试结果表明:优化后的拖拉机导航系统误差率可降低2. 4%,变速控制灵敏度由89. 50%提高至92. 80%,智能显示准确率提高13. 67%,整车综合作业效率提高22. 26%。此结果表明:基于自动化控制技术的拖拉机控制改善效果可行,可为其他农用机械改进提供一定思路,具有较强的实际参考价值。