猕猴桃授粉机姿态控制系统研究

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猕猴桃精准授粉是产业发展的技术瓶颈,授粉喷头的稳定对靶决定花朵的花粉用量和授粉效果。猕猴桃果园地面凹凸起伏,引起作业平台偏斜,导致授粉喷头对靶失效,底盘调姿控制是提高授粉对靶精度的关键。本论文针对靶向授粉作业的底盘调平需求,根据田间作业中授粉机底盘姿态变化范围,设计双横臂悬架调姿态结构;采用互补融合滤波算法获取车架实时姿态,提出以中心点不动式运动解算算法,构建了底盘动态调控系统,初步实现了猕猴桃授粉作业平台的动态调平。主要研究内容如下:(1)猕猴桃授粉机调姿底盘结构设计。以棚架式猕猴桃果园行间地形参数为依据,通过计算,明确底盘控制的调姿范围:俯仰角调整范围为±6°,横滚角调整范围为±9°。调姿底盘悬架采用不等长双叉臂悬架,利用电动推杆连接车架与悬架,利用电动推杆的伸缩带动悬架摆动,实现姿态调整。该结构紧凑、稳定,可满足设计要求。底盘采用机械方式传动,由电机、变速器、差速器、传动桥和驱动轮等实现;采用转向梯形机构转向;底盘设计为轮式电机驱动的遥控控制行走底盘,由驱动电机和蓄电池启动。(2)授粉机车架姿态检测系统设计。猕猴桃授粉机车架为刚性结构,在车架中心布设姿态传感器,获取授粉机底盘实时姿态。本文利用Arduino mega 2560控制器和姿态传感器MPU6000实现车架姿态的获取。利用IIC通讯方式来传输MPU6000的姿态数据;利用四元数和互补滤波融合算法描述姿态,通过修正角速度误差、归一化加速度值、修正陀螺仪零偏、四元数更新、规范化处理和一阶互补滤波融合加速度计和陀螺仪数据,获得车架俯仰角、横滚角信息。(3)底盘姿态调整控制系统设计。完成硬件电路设计与硬件的选型与搭建,构建包括电源模块、控制器模块、姿态调整执行模块、姿态遥控控制模块在内的授粉机姿态调整控制系统。提出中心点不动式运动解算算法,根据俯仰角、横滚角的正负,分四种情况分别解算各推杆运动量。车架姿态调整时,以车架中心为各推杆最终运动目标,四推杆同时运动,采用PID双环控制方法,以传感器测得的姿态角和角速度数据为输入,计算推杆电机角度控制量,输出PWM波控制电动推杆,调整授粉机车架姿态。本文所设计的姿态控制算法系统可有效解决虚腿问题,调平速度快、实时性高。(4)姿态调整系统样机搭建与试验验证。搭建底盘调姿控制平台,由可调姿底盘和姿态调整控制系统组成。底盘由电动推杆、电机、传动系统、转向系统、悬架和车架构成。设计静态、动态姿态调整性能试验,验证了底盘控制系统姿态调整效果。授粉机静态环境下,车身横滚角的姿态调整范围为-9.93~9.17°,俯仰角的姿态调整范围为-5.04~7.48°,满足地面起伏坡度要求。授粉机以0.5m/s的速度行驶时,调平控制状态车架倾斜在2°内波动,花蕊在有效喷雾覆盖范围内,能保证充分授粉,满足授粉对靶需求。
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