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。     

一种新型可变直径轮的设计分析

提出了一种新型结构的可变直径轮,具有结构紧凑、越障能力强、运行平稳、轻便灵活等特点,作为一种特殊的行走机构,其运行过程中直接与障碍物发生作用时凭借良好的适应性有效提升了车辆的越障能力.在大轮状态下,轮缘会分段,运行时形成轮脚,减小了滚动阻力,相对于完整的轮缘对地面的附着性大大增强,提高了对机械的牵引力.因为直径可变运行过程中遇到特殊地形时可对车辆做一定限度的姿态调整,提高车辆的通过性和平稳性,将在国家基础设施建设、工农业生产、戈壁沙漠利用、探月工程以及国防军事等领域发挥重大作用.     

可变直径轮全地形车辆越障性能分析

阐述了后轮驱动及四轮驱动两种驱动方式下可变直径轮全地形车辆的越障性能.首先在RecurdynV7R5软件中建立可变直径轮与普通轮胎模型,并对其越障特性进行了分析.以此为基础建立了后驱及四驱车辆前后轮径变化对越障性能影响的力学模型,进行了理论计算,结果表明车辆驱动方式以及车辆轮径的变化对车辆的越障性能具有很大影响.又在RecurdynV7 R5软件中建立了后驱及四驱2种驱动方式下的整车模型,调整车轮直径模拟分析其越障性能,并与理论计算进行了对比.最后,实验验证了理论计算与仿真分析的结果是可信的.     

形态可重构移动机器人行走机构设计与分析

基于用移动机器人代替农民在农田复杂环境下进行劳作、减轻农民作业负担的理念,提出一种轮/履形态可重构移动机器人。该移动机器人由4个相同结构的轮/履形态可重构行走单元以及车体组成,具有轮式和履带式2种行走姿态,以便适应野外复杂地形。轮/履运动形态的可重构可以通过轮/履形态转换装置实现。建立了形态可重构单元的运动学模型、数学模型以及动力学模型,并推导了行走单元的数学模型,得到行走单元机器人在攀越台阶越障时机器人摆杆角度与台阶高度h的关系,以及能够攀爬的坡度范围。在Simulink以及ADAMS中建立了行走单元虚拟样机以及仿真环境,并设计了样机。通过对虚拟样机仿真以及Matlab理论值计算,末端速度和加速度的仿真值与理论值误差的数量级仅在10-8～10-6之间,验证了其数学模型以及运动学模型的正确性。     

轮履复合式农业机器人平台越障运动规划

介绍了轮履复合式农业机器人平台的结构及运动特点,对其越障过程进行了详细的分析和规划,建立了越障过程中初始姿态参数的约束方程。实物试验证明,按照本文的规划方法进行控制,农业机器人平台可顺利攀越温室大棚等环境中常见的障碍。     

新型农用机械行走机构设计与越障分析

介绍了一种新型的轮履复合农用机械行走机构—变体轮结构设计方案,对组成变体轮的履带节单元的工作原理进行了详细的叙述,使得传统农用车辆的行走机构有了新型可重构的特性。同时,着重介绍了变体轮整体结构和轮履变形机理。将变体轮应用到农用机械上与其它单纯轮式或履带式的农用车辆进行对比,凸显出了较大优势;划分了基于变体轮的农用车辆所面临的障碍地形(沟壑类障碍以及坡面类障碍),分析了其最大的越障能力,包括跨越最大壕沟的宽度、最高沟壑高度以及最大坡面角度,为未来农用车辆变体轮的广泛应用提供了充分的理论方案和可行性分析。     

履带车辆松软路面通过性分析

在车辆地面力学的研究中,我们通常采用衡量土壤强度的方法来评估车辆在松软土壤的机动性能。我国主要采用贝克压力——沉陷及摩尔库仑理论来衡量土壤的强度及车辆的通过性。但车辆行驶地域的随机性很大,而且土壤成分的不均匀及土壤的含水量会对预测车辆通过性产生很大障碍,因此对于WES法的研究具有重要的意义。通过对圆锥指数法的研究,建立了判断车辆通过性的标准以及如何利用圆锥指数求得履带车辆挂钩牵引力,为预测车辆的机动性能提供了依据。     

行星履带式农用动力底盘设计与越障性能研究

针对丘陵山区等复杂农田地面环境,设计一种由4组行星履带驱动装置驱动行走、作业的农用动力底盘。分析了该底盘行星履带驱动装置的结构特点,平坦道路上行走、田间仿形以及过埂翻转越障的结构变化过程和运动条件,以及仿形越障和翻转越障通过原理,计算了行星履带式农用动力底盘的仿形越障极限高度和理论翻转越障极限几何高度。试验结果表明：底盘样机具有仿形越障和翻转越障能力,满足在凹凸不平的丘陵山区等复杂农田地面中行走及田间作业的要求。     

新型轮履复合车辆动力系统匹配设计

提出一种新型轮履复合变体轮行走机构,在对其进行动力学分析的基础上,对变体轮改装的某国产全地形车进行了四轮独立电驱动系统参数匹配设计。结合Recurdyn和Matlab/Simulink平台建立了基于电机转矩控制的联合仿真模型,分别对轮、履式的极限工况下的驱动性能进行了分析。通过国内首台轮履复合原理样车的实车实验,验证了匹配方案及虚拟样机模型的合理性,为轮履复合车辆的后续研究及同类型行走机构车辆的设计研究提供了依据。     

方捆机捡拾器高度自动仿形装置参数分析与试验

设计了一种弹簧力平衡式方捆机捡拾器高度自动仿形装置。通过对仿形装置的静力学和运动学分析,以仿形轮在垂直方向受力和仿形误差最小作为仿形性能的评价指标,建立了捡拾器运动参数λ、铰接仿形轮的可调节摆臂长度L和起伏地面的幅值H对仿形性能的影响关系。初选多组参数,按照评价指标获得了捡拾器运动参数和仿形装置结构参数的较优组合。通过仿形装置的运动分析表明,当机组前进速度vt为5~7.9 km/h,铰接仿形轮的可调节摆臂长度L为358 mm,仿形装置能满足地形起伏幅值H为±(8~12)cm的作业要求。样机的田间测试表明,仿形装置能够适应起伏均匀的地块,使捡拾器弹齿尖端具有合适的离地高度,仿形误差可以控制在-4~18mm。     

农田精准平整过程中三维地形实时测量方法研究

为提高农田平整作业过程中平后区域田面地形实时测量精度，本文提出一种农田精准平整过程中三维地形实时测量方法(Real-time 3D terrain measurement, Rt3DTM)。以安装有GNSS双天线和姿态传感器的支撑轮式旱地平地机为地形测量平台，利用卡尔曼滤波器融合GNSS与加速度提高定位精度，通过建立平地铲运动学模型获得支撑轮底点的车体坐标，结合平地铲位姿信息对支撑轮底点进行世界坐标解算，并利用最邻近插值法生成地形图。静态试验表明，Rt3DTM方法能准确解算支撑轮底点坐标，平面测量均方根误差小于10 mm,高程测量均方根误差不大于20 mm。水泥路面试验结果表明，在3组不同车速下测量同一段水泥路面三维地形，与真值的高差均方根误差均小于30 mm。田间试验结果表明，Rt3DTM测量的高程均方根误差为16.5 mm,平整度为16 mm,小于30 mm的高差分布列为95.8%,相比机载GNSS测量方法的均方根误差准确性提高29.5%,平整度准确性提高11.1%,高差分布列准确性提高9.5%。提出的Rt3DTM方法能实时准确地获取平整作业过程中平后区域的地形信息，为无人化农田平...     

推拉式气垫运载平台转向运动分析

针对一种新型的仿生步行气垫车－推拉式气垫运载平台，就其特殊形式的行走机构和车辆非连续运动的特点，研究其转向运动规律。采用力学分析和数学分析相结合的方法，得到气垫平台步进转向角α与左右油缸行程差的关系曲线，并应用最小二乘法拟合出输入输出关系方程式。最后，给出了软、硬地面条件下车辆转向运动试验结果及比较分析。     

悬挂式割草机折叠机构优化与液压仿形系统研究

为了增强割草机在复杂地形条件下的作业能力,开展了割草机折叠机构优化与液压仿形系统研究,使折叠机构具备±30°的摆动范围,液压仿形系统可顺利通过250mm的凸起路面。通过对折叠机构不同工况的姿态分析以及运动学、有限元分析,试制出适用于幅宽3.2m割草机的折叠机构,通过野外试验验证了折叠机构具备±30°的摆动范围。研制液压仿形系统,解决折叠机构刚性连接的问题,通过ADAMS-AMESim联合仿真技术验证液压仿形方案的可行性,结果表明液压仿形系统通过250mm波形路面过程中,蓄能器气囊体积变化范围为0.4～0.7L,切割器接地压力变化范围为1700～2500N。将试制的仿形系统搭载在折叠机构上,在安徽省芜湖市三山区进行田间试验,结果表明：样机能顺利完成割草机折叠动作,满足各种工况下的力学和强度要求;切割器具备了±30°以内的摆动范围;搭载仿形系统的试验样机可以顺利通过250mm高度的波形凸起路面,提高了割草机在丘陵山区作业的地形适应能力,可为悬挂式割草机折叠机构的设计、割草机接地仿形技术提供参考。     

基于强化学习的采摘机器人采摘臂避碰设计

首先介绍了采摘机器人采摘臂避障问题和强化学习理论,并将强化学习方法应用到采摘臂避障问题中,构建了一平面3自由度的采摘机器人采摘臂的多Agent避碰系统。笔者研究目标是通过Agent感知采摘臂连杆与障碍物之间最小距离d和采摘臂姿态偏差角θ两方面信息,然后进行避障规划,在复杂未知环境中使其找到合适路径采摘目标。在NET平台上进行了基于强化学习的采摘臂避障系统平台的开发与仿真,对采摘臂避障系统的避障能力进行了测试分析。仿真实验表明:采摘臂避障避碰系统避障能力比较强,能够在复杂环境中采取避障措施,并准确达到指定位置。     

丘陵山地拖拉机机身自平衡机构稳定性分析

针对丘陵山地拖拉机坡地适应性差,易翻倾,通过性差等问题,设计一种具有自动调平机构的504型丘陵山地拖拉机。整机采用机械传动,四驱轮式行走系统,两侧独立传动转向系统,平行四杆自动调平机构,可实现拖拉机姿态自动仿形调平。基于SolidWorks对拖拉机进行整机三维建模,运用ADAMS软件对虚拟样机进行侧倾稳定性动态仿真分析。结果表明: 自动调平机构调平动作范围732 mm,可在25°的坡地上保证车身横向水平。上坡极限翻倾角及下坡极限翻倾角均为45°,上坡纵向滑移角为33.69°,下坡纵向滑移角为16°,前后驱动轮越障高度为214 mm。调平状态下车身的最大侧倾角为37.5°,与理论计算35.93°非常接近。该机前后驱动桥均可进行独立调平,保证机身始终处于水平姿态,能够满足丘陵山地生产作业要求。     

结合载荷相关性分析下摆臂快速模拟试验研究

以某轻卡麦弗逊前悬架左下摆臂为分析对象,通过在通县试验场进行摆臂结构及轮心载荷的采集,通过ncode软件对已测载荷谱进行分析提取处理,进而进行六分力载荷与摆臂应变载荷的相关性分析,确定造成摆臂损伤的轮心主导失效载荷,进一步确定摆臂载荷与轮心载荷的回归方程。通过载荷回归前后的损伤对比以及功率谱密度分析,进一步验证了方程的准确性,实现载荷降维。最终,通过摆臂实测载荷实现摆臂加速谱的编制。     

软地面半履带式气垫车的功率分析

在分析了半履带式气垫车垂向受力和行驶阻力的基础上,得出了功率消耗和地面土壤参数的关系,求得了风机最佳转速。在不同土壤条件下,控制风机工作在最佳转速,可使半履带式气垫车功率消耗最小。提出了一种在气垫车行驶过程中测算土壤参数近似值的方法,该近似值经修正后可为功率控制提供土壤信息。     

多类农田障碍物卷积神经网络分类识别方法

针对农田作业场景中可能会遭遇更大生命财产损失的人和其他农业车辆等动态障碍物, 提出了一种基于卷积神经网络的农业自主车辆多种类障碍物分类识别方法。搭建了包括1个输入层、2个卷积层、2个池化层、1个全连接层和1个输出层的卷积神经网络识别模型;建立了人和农业车辆的障碍物数据库,其中包括训练集和检测集;利用5×5卷积核对训练样本进行卷积操作,将所获取的特征图以2×2邻域进行池化操作,再次经过3×3卷积核的卷积操作和2×2池化操作后,通过自动学习获取并确定网络模型参数,得到最佳网络模型。试验结果表明,障碍物的检测准确率可达94.2％,实现了较好的识别效果。     

适应泥脚变化的可调式深泥田耕作机的研制

对传统船形耕作机进行了改进设计,在变速箱输出端增加可摆动的臂式传动箱,由臂式传动箱将动力传递给驱动轮,并由液压装置无级控制其摆动角度,改变驱动轮的位置,以适应泥脚深度的变化。驱动轮为具有可折叠楔形轮齿的铁轮和橡胶轮的组合,保证稳定的驱动力。采用四轮配置,设计快速拆装前导向轮机构,使耕作机适用于泥田与运输作业,提高综合利用效能。田间试验表明,耕作机适应的最大泥脚深度达75cm。     

四川盆地丘陵区条田规划与工程设计研究

针对丘陵山区条田规划和工程设计研究不足的问题,借助ArcGIS对条田建设的工程数据及图件进行处理和分析,建立重庆市合川区大石镇高川等4个村以及重庆市开县厚坝镇大坝等4个村田面平整、灌排畅通及道路完善的高标准条田.研究结果表明:条田建设是以道路和沟渠分割的格田为基础,根据地形条件、耕作方式、农业种植习惯及社会经济状况等确定田块规模;地形坡度较大的地区,适宜局部平整,而地形坡度相对平缓的地区,适合大规模的耕作区划分;地形起伏较大,条田规划应首要满足灌溉和机耕的要求,田间灌渠采用横向布置形式;当地势平坦时,应更多考虑排水问题,田间灌渠采用纵向布置形式.因此,通过条田规划与工程设计实现了四川盆地丘陵区高标准农田的基本建设,达到了土地资源的高效利用.