基于气动柔性驱动器的侧摆关节特性

基于气动柔性驱动器（FPA）提出了一种新型的气动侧摆关节,该关节用于农业机器人多指灵巧手设计。侧摆关节主要由两个FPA组成,向两个FPA内腔中通入不同压力的压缩气体,可以实现左右两个方向的侧摆运动。对单个FPA的自由端进行力平衡分析,建立了侧摆关节静态模型,并对模型进行简化。完成了侧摆关节静态特性试验,试验结果与仿真曲线基本吻合,验证了静态模型的正确性,但存在一定误差（最大静态误差为0.035 rad）,分析了误差原因;对侧摆关节进行了动态特性试验,试验结果表明对于不同的期望值角度阶跃信号,侧摆关节开环阶跃响应时间大约是2 s（稳态值的公差带?=5%）。该侧摆关节可以明显改善农业机器人灵巧手的工作空间,进一步提高农业机器人灵巧手的适应性和灵活性。     

黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究

为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器,首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。针对黄瓜抓持模型进行了力学分析,建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。最后,研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器,由抓持器和切割器组成,抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成,切割器由旋转气缸和刀片构成。该采摘执行器机械结构简单,输出力较大。试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%,黄瓜果柄割断成功率为100%,采摘时间为3 s。该采摘执行器采摘黄瓜效果良好,具有较好的实际应用前景。     

谷物联合收割机电控全液压转向系统建模与仿真

为研究谷物联合收割机视觉导航系统中电控全液压转向系统的操纵性能,该文介绍了联合收割机视觉导航系统结构,在建立了电控全液压转向系统各组成部分的数学模型基础上,构建了系统的仿真模型,并进行了Simulink 仿真。仿真结果表明：联合收割机的侧向速度和横摆角速度的稳态值与实车试验结果一致,横摆角速度稳态值约为-12.5°/s,侧向速度稳态值约为-0.25 m/s,二者的稳态误差小于5%;在信号瞬态响应过程中,仿真与实车试验的过渡时间相同,约为1.8 s,仿真试验的侧向速度及横摆角度的响应速度皆快于实车试验结果,但二者总体变化趋势相同。所建立的系统模型准确、可靠,较好地反映了联合收割机转向时动静态特性,为联合收割机视觉导航转向控制器设计提供参考依据。     

重型拖拉机电液提升器插装式比例提升阀性能仿真与试验

为更准确地反映重型拖拉机电液提升器比例提升阀的本质特性,该文剖析了比例提升阀中各液压组件的内部结构和工作机理,并应用现代控制理论状态空间法建立了基于边界条件的比例提升阀非线性数学模型,应用MATLAB/Simulink搭建其仿真模型,基于四阶龙格库塔算法对其动、静态性能进行了仿真分析,揭示了其内部阀芯的运动规律。仿真结果表明:在静态性能方面,比例提升阀平均负载补偿压力约为1.5MPa,流量基本稳定在62L/min附近,具有良好的负载压力补偿和稳态调速特性;在动态性能方面,比例提升阀系统输出流量波动受负载变化影响小,且具有良好的动态调速性能。基于闭心式负载敏感液压系统试验平台,开展了比例提升阀稳态流量特性和动态性能试验,试验结果表明:比例提升阀静态流量输出平稳,回程误差小于5%,当负载阶跃变化时,比例提升阀可实时进行压力补偿,补偿压力约为1.5 MPa,液压冲击小,具有良好的稳态调速特性,满足重型拖拉机电液提升器田间作业需求,该研究可为拖拉机液压系统关键零部件建模仿真和试验分析提供参考。     

东方红X-804拖拉机的DGPS自动导航控制系统

该文在东方红X-804拖拉机上开发了基于RTK-DGPS的自动导航控制系统。系统主要包括RTK-DGPS接收机、导航控制器、转向操纵控制器、电控液压转向装置和转向轮偏角检测传感器。其中转向操纵控制器、转向轮偏角检测传感器和电控液压转向装置构成转向轮偏角的闭环控制回路,该回路可根据导航控制器提供的期望转向轮偏角实现偏转角的随动控制。将拖拉机运动学模型和转向操纵控制模型相结合,建立了拖拉机直线跟踪的导航控制传递函数模型,模型的输入是横向跟踪误差,输出是期望的转向轮偏角。设计了基于PID算法的导航控制器,仿真分析了系统稳定性和动态响应性能,确定了PID控制参数的较佳取值。针对东方红X-804拖拉机转弯半径大的特点,采用跨行地头转向控制方式,提出了具体的控制流程及算法。田间试验结果表明：采用所设计的DGPS自动导航控制系统,在拖拉机行进速度为0.8 m/s时,直线跟踪的最大误差小于0.15 m,平均跟踪误差小于0.03 m,所提出的跨行地头转向控制方法对试验拖拉机具有良好的适用性。     

番茄收获机械手轨迹跟踪模糊控制仿真与试验

针对番茄收获机械手动力学模型不精确和外界扰动问题,该文采用计算力矩-模糊补偿相结合的控制方法进行了番茄收获机械手轨迹跟踪控制研究。通过自适应模糊逻辑系统补偿机械手动力学模型中的不确定部分,模糊逻辑系统的参数基于Lynaponv稳定性理论自适应调节,并利用ADAMS与MATLAB进行仿真试验。结果表明,对比计算力矩法,计算力矩-模糊补偿控制算法中各关节轨迹跟踪误差明显减小且收敛趋势明显。关节1至关节7平均轨迹跟踪精度分别提高了70.29%、94.72%、0.61%、74.29%、89.75%、86.41%和67.14%。该控制方案中各关节控制力（矩）均呈规律性变化,增加扰动信号亦未使输出力（力矩）出现抖振和突变,启动力（矩）最大出现在移动关节2和转动关节4,分别为453N和98.33 N·m。研究结果可为番茄收获机械手轨迹跟踪控制系统的深入研究奠定基础。     

农业机器人新型肘关节的静力学性能分析

为了提高农业自动化程度,改善农业机器人的通用性与适应性,提高农业机器人工作时的承载能力和利用率,该文提出一种基于二自由度正交球面并联机构的农业机器人新型肘关节。新型肘关节由2条支链组成,其动平台相对于机架具有2个转动自由度。新型肘关节与其它机器人的肘关节相比,具有良好的运动性能和较大的工作空间。对新型肘关节进行静力学性能分析,首先采用虚功原理的方法建立新型肘关节的静力学传递方程,该方法简化了肘关节的静力学计算过程;其次,利用矩阵理论中的范数知识,将力雅克比矩阵引入到静力学性能评价指标中,定义了肘关节的静力学力矩传递性能评价指标和力矩输入均衡性评价指标,分析了肘关节的静力学特性,并绘制了肘关节的静力学性能评价指标在工作空间内的性能图谱。分析结果表明,农业机器人新型肘关节的力矩传递性能指标和力矩输入均衡性能指标都呈对称分布,静力学力矩传递性能随着转角的增大而降低,在初始位置附近约50%的工作空间内具有良好的静力学特性和运动稳定性。该研究为农业机器人新型肘关节的优化设计提供参考。     

机电式流量阀的模糊控制实现与测试

为在线混药式变量喷雾农药流量检测设计一种机电式流量控制阀和流量控制系统。采用模糊控制算法,依托STC12C5410AD单片机实现对农药流量的模糊控制。对所设计的系统进行静态跟踪测试和动态响应测试,静态跟踪误差为±3.0%;初始流量为1.5 mL/s,目标流量为3.1 mL/s,阶跃响应曲线上升时间为0.35 s,绝对稳态误差为 ±0.1 mL/s,相对稳态误差在±3.2%以内。测试结果表明该流量阀采用模糊控制,其控制性能,超调量、响应时间和稳态误差能达到变量喷雾的要求。     

强湍流相干结构对偏航风力机叶根载荷的影响

强湍流风对偏航状态风力机叶片的动态载荷会产生显著影响，叶片根部载荷的动态特性是影响风力机使用寿命和安全运行的关键因素。该研究采用NWTCUP（The NREL National Wind Technology Center Model）风谱模型耦合KHB（Kelvin-Helmholtz Billow）流动，构建了一种强湍流相干结构风况，利用FAST（Fatigue，Aerodynamics，Structures and Turbulence）程序计算了该风况下NREL 1.5 MW风力机在不同偏航角下的气动载荷，研究了KHB湍流相干结构对偏航状态下风力机叶根动态载荷的影响。研究表明，湍流相干结构会使风力机载荷的波动幅值和能量增加。偏航角的增大对叶根摆振力矩影响较小，但对叶根挥舞力矩影响较大，并使二者波动程度增强。湍流相干结构使叶根摆振力矩的最大值、标准差平均升高28.30%和0.64%，最小值和平均值平均降低27.28%和1.903%，叶根挥舞力矩的最大值、标准差和平均值平均升高36.27%、59.57%和2.906%，最小值平均降低89.83%。叶根载荷的小波分析表明，湍流相干结构对摆振力矩频域能量影响较小，且能量主要集中在低频段并与雷诺应力的u′w′、v′w′分量对应较好；对叶根挥舞力矩频域能量影响显著，且能量变化与雷诺应力的u′w′分量对应较好，随着偏航角的增大，叶根挥舞力矩频域能量整体升高。对叶片根部进行加固则可以有效提升叶片的使用可靠性。     

基于性能指标的农用车辆路径跟踪控制器设计

该文以农用车辆为控制对象,设计了路径跟踪PID控制器。基于性能指标—ISE、IAE、ITAE和ITSE分别整定了PID控制器参数,给出了最优PID控制器,同时进行了仿真对比分析。仿真结果表明,以超调量和调节时间这2个时域指标为评价标准,基于上述4种性能指标准则,系统在所给控制器作用下均能获得令人满意的动态和稳态性能。ISE准则整定的PID控制器使闭环系统单位阶跃响应的超调量为25.55%,调节时间为5.07s。相比ISE准则,由IAE、ITAE和ITSE准则整定的控制器使闭环系统单位阶跃响应的超调量更小,为10.03%,调节时间更短,为3.95s。利用本文方法能够获得较好的PID控制器参数,可为农用车辆控制器设计提供理论依据。     

果园高位作业平台自动调平前馈PID控制方法

为提高果园高位作业平台自动调平控制系统性能,该研究基于已开发的果园高位作业平台调平机构,提出了前馈PID控制的自动调平控制方法。首先对果园高位作业平台自动调平控制系统进行动力学分析,建立被控对象数学模型。然后在数学模型的基础上设计前馈PID控制算法,并对控制系统进行仿真分析。仿真结果表明,前馈PID较传统PID的控制性能更优,系统上升时间缩短18%,调节时间缩短19%,稳态误差控制在0.6%以内。最后,搭建果园高位作业平台自动调平控制系统,并对调平系统进行静态与动态试验。试验结果表明：前馈PID控制的调平性能优于传统PID控制,静态调平中,前馈PID上升时间平均缩短20%,调节时间平均缩短30%,稳态误差控制在0.6%以内;动态调平中,果园高位作业平台以2 km/h的速度行驶于起伏较大的路面,工作台俯仰角绝对值差最大为2.99°,平均绝对误差为0.79°,均方差误差为0.58°,工作台倾角稳定在±3°以内,较好地实现了果园高位作业平台自动调平控制,满足果园作业需求。     

基于ATmega128单片机的开沟深度自控系统试验台的设计

为免耕播种机开沟深度自控系统开发做铺垫,该文设计了一种开沟深度自动控制系统室内试验台,该试验台由检测单元、控制器、驱动板、液压系统、调节机构、开沟器等组成,实现了开沟深度跟踪控制.试验结果表明:当开沟深度相对期望开沟深度过深或过浅50 mm时,其稳态响应时间分别为0.48与0.6s,误差均小于10mm;当地表模拟板起伏...     

开沟深度定压电液仿形控制系统设计与试验

为克服机械被动仿形中弹簧形变量变化导致开沟深度不一致的问题,该文采用主动仿形方法设计开沟深度定压电液仿形控制系统,该系统基于PLC控制单元,以压力传感器检测的开沟器入土压力与设定值的偏差作为控制信号,控制电液比例减压阀输出压力,保证开沟器入土压力恒定,主要由机械系统、液压系统、控制系统组成。基于理想土壤条件下一定开沟深度对应的仿形压力输出要求,确定了系统液压回路结构、液压元件型号与参数以及控制元件类型与参数、硬件连接方式等,并开发了相应的软件程序。分别建立电液比例减压阀、液压缸、平行四杆机构等系统组成环节的传递函数,得到系统闭环传递函数,利用MATLAB对系统进行稳定性判别与单位阶跃响应分析。仿真结果表明,控制系统运行稳定,超调量为5.02%,响应时间为0.25 s,稳态误差为0.79%。搭建液压试验台,采用液压缸模拟地表起伏状况进行仿形系统试验,结果表明,在20~200 N的开沟力、10~80 mm 的开沟深度时,系统的平均响应时间为0.27~0.36 s,最大响应时间为0.4 s;平均稳态误差为1.4~1.8 N,最大稳态误差为2.7 N,标准偏差为0.78%~6.94%。试验值与仿真结果相比,平均响应时间高出4%~44%,最小标准偏差与稳态误差相差0.01%,验证了系统模型的可靠性与准确性。本文设计的控制系统降低了基于压力传感器的电液仿形控制系统的响应时间与稳态误差,可为电液仿形控制系统参数设定与理论分析提供借鉴。     

电动方向盘插秧机转向控制系统设计

电动方向盘作为农机导航系统的转向执行机构在中小型旱地拖拉机上已有应用,但在水田农业机械等转向阻力大的农机上的适应性尚有待研究。该文以井关PZ-60型水稻插秧机为平台,采用电动方向盘作为转向执行机构,对插秧机自动转向控制进行了研究。构建了插秧机转向机构的系统模型,采用系统辨识试验获得了系统模型参数。设计了基于PID的嵌套转向控制算法,采用Simulink仿真模型验证了算法的可行性。分别进行了幅值10°的正弦波、水田小角度转向(直线行驶跟踪)和水田大角度转向(调头)控制性能试验,试验结果表明:插秧机正弦波转向跟踪平均绝对误差为0.301 5°,平均延时0.3 s;在泥底层平坦和不平坦的水田中直线行驶时的转向角跟踪平均绝对误差分别为0.354°和0.663°,平均延迟时间均为0.6 s,角度跟踪偏差最大分别为1.4°和3.6°,深泥脚转向阻力大时有1.4 s的控制滞后;插秧机以28°转向角调头时调节时间为2.5 s,稳态误差为0.6%。研究表明,电动方向盘转向系统具有较好的动态响应和控制稳定性,适用于插秧机作业的自动转向控制,满足插秧机自动导航作业要求。     

基于模糊双曲正切模型的车辆路径跟踪算法

为了实现铰接式车辆无人驾驶技术。针对路径跟踪问题,该文提出了基于模糊双曲正切模型的铰接式车辆路径跟踪控制算法。首先根据实地试验测得铰接式车辆的横向偏差、横向偏差变化率、航向角偏差、航向角偏差变化率和转向角的样本数据,建立其模糊双曲正切模型。在此基础上,采用改进的自适应反向传播(back propagation,BP)神经网络对模型进行参数辨识,并推导了基于Cauchy鲁棒误差估计器的权系数调解率公式。然后设计基于极点配置方法的控制器,得到转角的反馈控制率。从试验数据可以看出:车辆横向位置偏差、航向角偏差、转角控制量分别控制在0.008 m、0.07 rad(0.5°)、0.21 rad(12°)附近,各向偏差均稳定,误差控制在1%以内。该种路径跟踪控制算法的研究可为铰接式车辆无人驾驶提供参考。     

基于GNSS姿态与电机编码器的农机转向角度测量系统研制

典型的农业机械自动驾驶系统需要在车辆转向轮上安装角度传感器测量转向角度,存在安装不便与可靠性差问题。该研究提出一种基于GNSS模块和电机编码器组合的转向轮转向角度测量系统。该系统通过组合利用GNSS姿态测量值与运动模型得到转向轮期望角度,利用电机转向速度和全液压转向阀的传递模型推算转向角度变化值,经卡尔曼滤波融合解算得到车辆转向轮的实时转向角度。与霍尔式绝对角度传感器对比的动态测试结果表明,该系统在直线行驶时的测量标准方差小于0.91°,在转向轮-10°～+10°区间,测量标准方差小于1.0°;直线自动驾驶作业时的导航误差小于2.5 cm,曲线作业自动驾驶的导航误差小于9.0 cm,满足农机自动调头等场景应用。     

基于超宽带无线定位的农业设施内移动平台路径跟踪研究

为实现农业设施内车辆自动导航,提出了一种基于超宽带(ultrawideband,UWB)无线定位的路径跟踪方法。运用4个基站组建UWB无线定位系统,采用加权最小二乘法(weighted least squares, WLS)法解超静定方程组,提高了移动标签的定位精度。重新定义前视距离,根据车体航向与前视直线的夹角界定车体偏差程度,并提出基于动态前视距离的改进型纯追踪模型。在MATLAB 2016a软件环境下的仿真说明该文算法优于采用固定视距的传统纯追踪算法,并进行实车试验。结果显示,在UWB定位系统的引导下,车体在不同初始状态下均能很好地收敛到期望直线,当速度为0.5 m/s时,在4种初始状态下进行直线跟踪,稳态偏差为5.4～8.4 cm,稳态偏差均值为6.3 cm。在矩形路径跟踪时,当横向偏差和航向偏差均为0的初始状态下,全程平均偏差为20.6 cm,跟踪偏差主要出现在90°转向处,最大偏差为85.5 cm,说明改进后的纯追踪算法的路径追踪质量均优于采用固定视距的传统纯追踪模型,能满足农业设施内移动平台自动导航的需求。该方法可为农业设施内车辆导航提供新思路。