采伐聯(lián)合機(jī)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)分析與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、集多功能于一體的采伐聯(lián)合機(jī)可以實(shí)現(xiàn)伐木、打枝、造材、截梢等作業(yè),是林業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化的標(biāo)志,但是在我國尚未有此類采伐聯(lián)合機(jī)械投入使用。依托“十一五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)2006BAD11A5)“多功能林木采育作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與開發(fā)”,課題組研制了我國首臺(tái)采伐聯(lián)合機(jī),本論文在分析采伐聯(lián)合機(jī)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)機(jī)理及電液比例系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)其控制系統(tǒng)進(jìn)行研究,以實(shí)現(xiàn)采伐聯(lián)合機(jī)的自動(dòng)智能控制。
　　 本文研究的主要目的是實(shí)現(xiàn)采伐聯(lián)

2、合機(jī)機(jī)械手定位、采伐、打枝和造材全過程的自動(dòng)化控制。首先,對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,并結(jié)合三維激光掃描儀所獲得的視覺信息以及傾角傳感器所獲得的角位移信息確定伐木頭運(yùn)動(dòng)軌跡；然后,對(duì)電液比例系統(tǒng)進(jìn)行分析,獲得電液比例閥電流值與運(yùn)動(dòng)軌跡之間的變化關(guān)系,并對(duì)電流按等時(shí)間間隔進(jìn)行離散；最后,將離散點(diǎn)輸入自行編制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行修正,同時(shí)把修正之后的離散點(diǎn)輸入自行研發(fā)的單片機(jī)控制器中,實(shí)現(xiàn)對(duì)電液比例閥的控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)伐木頭的自動(dòng)定位。為了進(jìn)

3、一步完成采伐、打枝和造材的自動(dòng)化控制,還需對(duì)多個(gè)換向閥進(jìn)行控制,本文將控制各換向閥的電壓值按等時(shí)間間隔進(jìn)行離散,將離散點(diǎn)輸入上述的單片機(jī)控制器中,在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)伐木頭定位的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)采伐、打枝和造材的自動(dòng)化作業(yè)。具體工作如下:
　　 敘述國內(nèi)外采伐聯(lián)合機(jī)及其機(jī)械手控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)我國林業(yè)機(jī)械的研制情況,確定實(shí)現(xiàn)采伐聯(lián)合機(jī)機(jī)械手智能化的研究方向。
　　 介紹采伐聯(lián)合機(jī)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu),運(yùn)用D-H法建立機(jī)械臂的桿

4、件坐標(biāo)系,根據(jù)其得到機(jī)械臂末端操作器坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣,即機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解；采用逆變換法,得到機(jī)械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的解析式,即機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解；并通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)得到機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)空間與關(guān)節(jié)空間的轉(zhuǎn)換。運(yùn)用拉格朗日法建立動(dòng)力學(xué)方程并求解各關(guān)節(jié)力矩。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃并用LSM Viflual Lab.軟件對(duì)機(jī)械手建模仿真,為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
　　 分析采伐聯(lián)合機(jī)機(jī)械手的液壓系統(tǒng),建立電液比例液壓系統(tǒng)模

5、型,對(duì)主油缸、副油缸負(fù)載進(jìn)行估算；建立采伐聯(lián)合機(jī)電液比例的狀態(tài)空間模型及離散模型,確立電液比例閥電流與伐木頭運(yùn)動(dòng)軌跡之間的變化關(guān)系并對(duì)電流值進(jìn)行離散,以便進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和控制策略的研究。
　　 為實(shí)現(xiàn)采伐聯(lián)合機(jī)的智能控制,建立采伐聯(lián)合機(jī)視覺系統(tǒng),運(yùn)用三維激光掃描儀獲取立木點(diǎn)云數(shù)據(jù)信息,并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化、分區(qū)與坐標(biāo)變換,計(jì)算判斷得出目標(biāo)立木位置、質(zhì)心處半徑和樹高等信息,為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。
　　 結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論

6、與機(jī)器人的現(xiàn)代控制理論,尋找模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的優(yōu)勢(shì),提出利用基于模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制采伐聯(lián)合機(jī)機(jī)械臂的新方法。由于路徑規(guī)劃和電液比例系統(tǒng)有較多的不確定性,所以依據(jù)路徑和電液比例閥特性所獲得的的電流值往往是有較大誤差的。為了減小誤差,提高控制的智能化水平,將這些離散的理論電流值輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行修正。利用單片機(jī)控制器讀取修正的離散值進(jìn)行伐木頭定位,其準(zhǔn)確程度大大提高。
　　 研制單片機(jī)控制器,利