基于显微视觉的宏/微双驱动微动台系统

提出了基于PZT的宏/微双重驱动精密定位机构,采用混合式步进电动机直接驱动宏动平台,实现系统大行程微米级精度定位,安装在宏动平台上的压电陶瓷驱动微动平台,实现纳米级的分辨率和定位精度,以高频响动态补偿系统的定位误差.采用显微视觉反馈控制微动台的移动和定位,实现定位机构的全闭环反馈控制.同时提出了带运动规划和估算的运动控制策略,提高了系统的运行速度.实验研究表明:系统的动态和稳定性能良好,该微动台的最大行程80 mm,定位精度1μm.     

压电型宏微双驱动精密定位系统点位协调控制

设计了基于压电型微驱动器的宏微双驱动精密定位系统,宏动台由伺服电动机直接驱动,微动台由压电陶瓷驱动器和弹性铰链构成,并由压电陶瓷驱动器驱动。微动台安装在宏动台上,微动台和宏动台是串联关系。宏动台用于实现大行程微米级定位,而纳米级定位由微动台实现。利用基于运动控制卡的开放伺服功能来协调宏微工作台之间的控制,而位置反馈由两个高精度光栅完成,精度检测由激光干涉仪完成。当宏动台运动结束后,微动台根据测得的定位误差做出补偿进给。实验表明,在行程100mm的范围内每隔1mm采集一点,误差控制在±100nm以内。     

平面宏动并联机器人动态模拟

针对宏微结合的宏动并联机器人建立了动力学模型,实现基于模型的滑模控制及仿真。首先,根据机构闭式约束等式,分析机构的逆位置和正位置,同时推导了机构的速度和加速度关系式。在此基础上,选择各杆件的关键点,建立各关键点的偏速度和偏角速度,利用Newton-Euler公式分析各杆件的惯性力和惯性力矩,考虑了微动平台对宏动机器人运动的作用,根据虚功原理建立了动力学方程。最后,应用动态补偿策略,设计了滑模控制器。仿真结果表明了方法的有效性。     

基于FPGA的步进电机驱动控制系统的研究与设计

【目的】步进电机具有定位精度高、无累计误差、易于开环控制等优点,但其实际运动与定位过程中易存在速度扰动的现象,需要加强对步进电机驱动控制的研究。【方法】研究团队设计了一款基于FPGA的步进电机驱动控制系统,详细分析了系统硬件设计和系统软件设计。整个控制系统由相应的主控制器、Netzer编码器、TMC5130驱动芯片电路等组成,通过各模块共同调节实现TMC5130驱动芯片驱动步进电机,实现了步进电机的开环控制和定位控制的应用,并且验证了该驱动芯片具有良好的运动特性。【结果】相较于其他芯片,该驱动芯片适用于具有高精度定位、静音运动控制系统的场合;基于FPGA的步进电机驱动控制系统抗干扰能力和稳定性较高,性能良好,适用于多个领域。     

基于机器视觉的甘蔗多刀切种装备设计与试验

针对目前甘蔗切种机伤芽率高、切种效率低的难题，设计了一台基于机器视觉的甘蔗多刀切种装备。装备采用传送链横向输送甘蔗，由相机采集整张甘蔗图像并识别茎节位置，根据农艺的要求确定双芽段蔗种切割点位置；上位机通过TCP通信将切割点位置发送给PLC,进而由PLC控制5把切刀横向定位及同步切割。由于装备的核心是采用机器视觉技术对甘蔗茎节进行识别，因而提出了一种基于机器视觉的甘蔗茎节实时识别新算法。试验结果表明：装备的茎节识别率为95.3%,切刀平均定位精度为0.07%,可满足优质双芽段蔗种的农艺需求。     

基于图像边缘检测技术的采摘机器人视觉系统设计

采摘机器人作业环境复杂,视觉系统往往不能准确对待采摘的果树或者果实进行准确的定位。为了提高采摘机器人视觉系统的定位精度,引入了图像边缘检测技术,通过提取待采摘果树或者果实的边缘,计算果实的位置坐标,为采摘机器人的自主行走定位和采摘作业提供可靠数据支持。为了验证方案的可行性,以待采摘果树的特征边缘提取为例,对系统的果树边缘提取的可行性及定位准确性进行了实验。实验结果表明:采用基于图像边缘检测技术的采摘机器人视觉系统可以成功地对果树进行定位,并输出果树的位置坐标,将位置坐标和实测位置坐标进行对比发现,其结果基本吻合,具有较高的定位精度。     

移栽机整排取送苗控制系统的设计与试验

针对目前全自动移栽机取送苗机构运动轨迹复杂、伤苗率高和工作效率低等问题,设计一种全自动移栽机整排取送苗控制系统。控制系统采用PLC作为控制核心控制步进电机和气缸驱动取苗机构完成整排穴盘苗的夹持、取送和苗盘的更换。根据装置工作要求,构建电气控制系统。通过台架试验,进行单因素试验验证,得到夹苗气缸的行程和压力分别为0.7 mm、0.6 MPa。在不同取送频率下对控制系统的定位精度以及整机的工作性能进行试验,试验结果表明:当取送频率为8次/min时取送效果最佳,此时取苗成功率为94.8%,送苗成功率为95.3%,综合损伤率为3.9%,说明该控制系统稳定可靠,定位精度高,满足穴盘苗整排取送的控制要求,可为穴盘苗的整排取送的实现提供参考。     

基于单目视觉的农业机器人导航系统研究

机器人在农业生产、农产品运输等方面的应用程度,已逐渐成为农业智慧化水平的体现,而受农业环境复杂性的限制,机器人的导航路径规划及定位精度问题,仍是制约农业机器人应用的主要因素之一。为此,设计了一种基于单目视觉的农业机器人导航系统,通过摄像头采集农业机器人工作环境信息,建立机器人的视觉导航地图;采用级联分类器区域检测结合颜色标定的方法,使用户能够根据具体环境,自主规划机器人运动路径,实现机器人的实时定位与导航。实验结果表明:农业机器人沿用户自主规划的无轨道路径,可自动完成导航定位工作,并在路径各目标点获得了亚米级的定位精度,满足农业机器人的应用需求。     

基于信息化时代的农业收割机定位系统设计与试验

为了提高收割机的定位导航效率和精度,实现自主定位,基于信息化时代将云技术和无线通信技术引入到了导航系统的设计上,通过导航视觉系统图像的高速处理、无线传感节点通信、路径规划和追踪,实现了收割机的自主定位和导航。对不同作业块的导航定位精度和路径追踪的精度进行了测试,结果表明:采用自主定位系统可以成功地对作业区域的路径进行规划,并实现高精度的路径追踪,对于提高农机的智能化水平的研究具有重要的意义。     

混联机床并联轴定位精度的激光测量与误差补偿

在分析混联机床并联轴定位精度的激光干涉测量原理和方法的基础上,采用干涉法检测了并联轴Z向的定位精度和重复定位精度,做出了并联轴的平均偏差特性曲线,获得了其线性位移定位误差数学模型;利用最小二乘法得到了混联机床并联轴定位误差补偿模型和增量补偿特性曲线;推导了并联机构动平台位姿和各驱动杆杆长的求解过程,进而对混联机床并联轴定位精度进行了有效补偿,得到了一种并联轴定位精度激光干涉测量方法和误差补偿模型的建立方法.     

基于机器视觉和北斗定位的小麦变量喷雾系统研究

针对传统植保喷杆喷雾机作业时各喷头以同等药量喷洒的方式导致农药浪费、利用率低和污染环境等问题,以生长前期的小麦为研究对象,设计一种基于北斗定位系统和机器视觉的小麦变量喷雾作业系统。通过双平面高度投影法完成对感兴趣区域获取,研究了速度、植株密度对喷雾的影响,提出变量喷雾流量的控制方法。在定位系统规划的目标区域内,通过机器视觉处理实现变量喷雾,试验结果表明,相同机组速度下,植株密度稀疏区相对植株密度正常区的平均雾滴覆盖率平均减少12.06%;相同植株密度下机组前进速度0.75 m/s相对1.50 m/s的平均雾滴覆盖率平均增加3.94%。在满足喷雾标准的情况下,可以在不同速度、不同植株密度下实现变量喷雾。为验证目标区域边界行驶速度对等级变换准确度,进行定位传感器实时判断在目标区域边界喷头相对位置并控制开闭,试验结果表明,在行驶速度为0.50 m/s时准确度最高,区域边界行驶超出量误差平均值为48.72 cm;为验证行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响,使用北斗定位系统在目标区域边界开展行驶方式对喷雾等级变换准确度的影响试验,试验结果表明,驶入目标区域超出量误差平均值为7.20 cm。     

土地平整度传感测定评价系统的设计与实现

为了提高土地整理工作中三维地形信息测量的精度与效率,实现全程自动化采集数据,设计了一套土地平整度传感测定评价系统。该系统主要由单片机、步进电机、激光测距仪和二维机械平台组成。利用单片机控制步进电机,驱动滑块沿二维机械平台运动,获得测量点平面位置信息;利用激光测距仪获取测量点的高程信息,进而得到测量点的三维地形信息。用田块内所有测点相对高程的标准偏差值和田块内所有测点的相对高程与期望高程的绝对差值来评价土地的平整状况。在田间试验条件下,对该系统与定点人工测量方法获取的数据进行了比较,结果表明,系统工作稳定,其测量误差不大于5mm,可准确快捷地对农田平整度进行量化评价。     

基于DGPS与双闭环控制的拖拉机自动导航系统

以东方红X-804型拖拉机为平台,设计了一种基于RTK-DGPS定位和双闭环转向控制相结合的自动导航系统,研究提高农业机械导航控制精度的方法。阐述了导航系统整体设计方案,以RTK-DGPS和AHRS500GA分别提供位置信息和辅助修正信息实现准确定位,以电控液压转向系统实现转向控制。分析了整体控制的策略,建立了路径跟踪的传递函数模型,阐述了双闭环转向控制算法的建立过程,以及控制器的硬件实现。试验结果表明:GPS定位数据经过校正后,平均偏差降低至0.031 m;双闭环控制算法提高了自动转向系统性能,稳态时方波信号以及正弦波信号的跟踪误差平均值为0.40°;在拖拉机田间作业跟踪过程中,路径跟踪误差平均值不超过0.019 m,转向轮偏角跟踪误差平均值为0.43°,标准差不超过0.041 m。     

基于直流电机驱动电路的移动式采摘机器人设计

基于直流电机驱动策略,采用STM32微处理器,搭建了采摘机器人运动控制系统,并基于H桥功率驱动电路及PWM脉宽调速策略,实现了采摘机器人电机驱动调速系统。试验结果表明:该采摘机器人在行走和转弯测试中,误差较小,能够满足设计要求,对直流电机在其场合的驱动控制具有一定的参考价值。     

荔枝采摘机械手视觉定位系统设计

建立了基于双目立体视觉的荔枝采摘机械手视觉定位系统.通过对成熟荔枝颜色特征的分析,选取YCbCr颜色模型进行处理,利用Otsu算法结合模糊C均值聚类法(FCM)对荔枝果实和果梗进行了分割,实验结果表明:有效识别果实和果梗的正确率为94.2％.通过计算果实质心与果梗的距离最大值确定荔枝采摘点,利用基于色调空间的彩色图像匹配法和极限约束法进行果梗采摘点的立体匹配,实现了采摘点的空间定位.通过定位误差分析,采用直线插值法进行定位误差补偿,定位实验结果表明:定位的深度误差小于10 mm,能满足荔枝机械手视觉精确定位的要求.     

城市园林自动修剪机器人动力学仿真研究

园林修剪的意义在于提升整体城市绿化与规划水平。为此,在深入理解城市园林自动修剪机器人的整体结构与工作原理的基础上,结合机构部件的运动学规律,得出修剪机器人的动力学理论模型,并根据修剪机器人各关节的工作空间,通过驱动函数与下位机程序控制,开关量输出至修剪机器人各运动执行部件开展修剪仿真作业试验。结果表明:利用机构的运动定位与补偿功能,可实现修剪机器人各关节作业定位的准确性,定位误差控制在6%左右;不同轨迹跟踪,多次目标函数优化,便于掌握各关节臂的运动角度与作业过程中的扭矩变化情况,了解自动修剪机器人实际运动轨迹及各主要执行关节扭矩与剪切力,可为相似修剪机器人的开发与改进提供一定思路。     

基于嵌入式监控的双差速驱动果蔬采摘机器人设计

为了提高采摘机器人的转弯性能和自动寻迹能力,利用双差速驱动系统建立了速度协同约束的非线性运动模型,并进行了线性优化,提出了一种基于嵌入式监控图像采集反馈信息的闭环控制模型,提高了采摘机器人移动和转弯寻迹的灵活性。针对采摘机器人双差速的路径寻迹问题,建立了机器人输入、输出的非线性运动模型,并分析了冗余运动约束和系统运动约束条件,通过控制姿态偏差和距离偏差,结合嵌入式监控系统的反馈信息,实现机器人移动和寻迹的反馈调节。对采摘机器人的采摘性能进行了测试,测试项目主要包括寻迹能力和路径规划的耗时。通过测试发现,机器人可以实现较高精度的路径寻迹功能,路径规划耗时短,系统稳定性好。     

基于稳定性的并联机构自适应控制

针对并联机构存在参数变化及不可预测的未建模误差的特点,提出一种基于模型的参考自适应控制策略。将机构系统的参数变化及未建模误差看成对实际系统的扰动,建立理想的参考模型,依靠系统状态及其误差构造自适应反馈律,利用稳定性理论推导自适应控制律,使得实际机构与参数模型具有相同的动态特性。实例显示,自适应控制器对参数变化及未建模误差引起的运动误差具有很好的抑制作用,保证机构对规划的目标运动具有很高的跟踪精度。     

基于无线传感网络的智能旋耕机定位系统设计

精确定位是实现智能旋耕机自主作业的关键技术。为此,利用无线传感器网络设计了智能旋耕机的定位系统,主要由部署在旋耕机上的移动定位节点、上位机和Zig Bee无线传感器网络组成。无线网络主要由坐标位置已知的锚节点和移动的定位节点组成。移动的定位节点以低功耗芯片LPC2148作为控制核心,通过接收信号强度指示RSSI原理进行测距,利用3个CC2530模块分别采用三边测量法确定3个未知节点的位置,最后采用三点求质心法进一步提高了定位的精度;同时,借助无线传感器网络实现了与上位机的实时通信。测试结果表明:设计的智能旋耕机定位系统能够实现精确定位,且工作稳定可靠,对农田内8个随机位置坐标上的测量平均误差仅为0.242m,能够为智能旋耕机自主导航作业提供技术保障。