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果园管理机器人平台的自动导航系统研究

作　者: 朱磊磊
导　师: 陈军
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 农业机器人 导航 曲柄滑块机构 模糊PID控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 130次
引　用: 2次
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内容摘要


为了提高果园精细作业的自动化程度、降低作业成本、推动机器人产品的应用,本研究开发了一种果园用履带式移动机器人,作为进行果园喷药和果实采摘等果园精细化作业的移动平台,所设计的果园机器人由机器人本体和机器人导航机构两部分组成。本研究采用基于曲柄滑块机构的导航方式,用直径4cm的胶皮管按预定轨迹铺设轨道,机器人工作时导向轮与轨道啮合,机器人本体、轨道及机器人导向机构共同构成曲柄滑块机构。主要取得的结论归纳如下:(1)提出一种基于曲柄滑块机构的机器人自动导航方式,建立了机器人运动学模型,计算分析了机器人导航系统各构件的运动特性。对机器人的行驶总阻力进行计算分析,确定机器人需要的驱动功率。(2)搭建了果园机器人移动平台,在机器人移动平台安装姿态角传感器、位置角传感器、电机驱动控制系统、单片机控制系统等。开发了基于VC++6.0和Keil uVision2软件的跟踪控制器。对位置角传感器和姿态角传感器进行标定,分析传感器标定结果,在控制器中对传感器采集信号进行处理,以提高传感器所采集信号的精度。(3)设计了基于单片机的控制系统硬件电路,包括电源电路部分和微控制器电路部分。详细介绍了各个部分的设计思想、电路原理图。(4)对机器人行驶性能进行一系列测试,标定了机器人直线行驶速度,分析了机器人在水泥地面直线匀速行驶时产生前滑移现象的原因。(5)在分析果园管理机器人行驶路径特点的基础上,对机器人行驶路径进行规划,设计了模糊PID控制器,进行了机器人直线跟踪和曲线跟踪试验。试验结果表明,机器人以0.15m/s的速度直线行走时,最大跟踪误差小于0.02m;机器人转弯半径为2m时,最大跟踪误差小于0.05m。所设计的模糊PID控制器能够满足机器人作业路径跟踪控制的要求。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第一章 绪论  9-15
  1.1 研究背景  9
  1.2 国内外研究现状  9-12
    1.2.1 果园机器人研究现状  9-11
    1.2.2 农业机器人机械接触式导航方法研究现状  11-12
  1.3 研究的目的和意义  12
  1.4 研究内容及技术路线  12-14
  1.5 本章小结  14-15
第二章 机器人移动平台总体设计及运动学分析  15-26
  2.1 基于PC 机的机器人导航控制系统  15-20
    2.1.1 计算机和电源  16
    2.1.2 电机选择  16-17
    2.1.3 数据采集卡  17-18
    2.1.4 角度传感器及其标定  18-20
    2.1.5 直流伺服电机驱动系统  20
  2.2 基于单片机的机器人导航控制系统  20-21
  2.3 导航机构设计  21-23
  2.4 机器人运动学分析  23-25
    2.4.1 机器人转向质心获取  23-24
    2.4.2 机器人运动学分析  24-25
  2.5 本章小结  25-26
第三章 机器人移动平台自动导航控制系统硬件设计  26-33
  3.1 系统简介  26-27
  3.2 系统主要构成器件简介  27
  3.3 硬件电路设计  27-32
    3.3.1 电源电路设计  27-29
    3.3.2 微控制器最小系统  29
    3.3.3 位置角、姿态角信号采集电路  29-30
    3.3.4 机器人速度显示电路  30-31
    3.3.5 通讯与停车电路  31-32
  3.4 本章小结  32-33
第四章 机器人导航控制及实验  33-48
  4.1 机器人行驶性能测试  33-36
    4.1.1 直线行驶速度标定  33-34
    4.1.2 水泥地面直线匀速行驶的前滑移现象分析  34-36
  4.2 机器人轨道跟踪模糊PID 控制器设计  36-43
    4.2.1 机器人直线行驶PID 控制  37-38
    4.2.2 机器人曲线行驶模糊控制器设计  38-43
  4.3 机器人导航控制系统程序设计  43-46
    4.3.1 导航控制系统主控程序设计  43-45
    4.3.2 机器人电机控制通信协议  45-46
  4.4 试验结果及分析  46-47
  4.5 本章小结  47-48
第五章 结论与建议  48-50
  5.1 结论  48
  5.2 建议  48-50
参考文献  50-55
致谢  55-56
作者简介  56

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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