采伐聯(lián)合機機械手運動分析與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、集多功能于一體的采伐聯(lián)合機可以實現(xiàn)伐木、打枝、造材、截梢等作業(yè),是林業(yè)機械現(xiàn)代化的標(biāo)志,但是在我國尚未有此類采伐聯(lián)合機械投入使用。依托“十一五”國家科技支撐計劃資助項目(項目編號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采伐聯(lián)合機,本論文在分析采伐聯(lián)合機機械手運動機理及電液比例系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對其控制系統(tǒng)進行研究,以實現(xiàn)采伐聯(lián)合機的自動智能控制。
　　 本文研究的主要目的是實現(xiàn)采伐聯(lián)

2、合機機械手定位、采伐、打枝和造材全過程的自動化控制。首先,對機械手運動學(xué)和動力學(xué)進行分析,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動軌跡；然后,對電液比例系統(tǒng)進行分析,獲得電液比例閥電流值與運動軌跡之間的變化關(guān)系,并對電流按等時間間隔進行離散；最后,將離散點輸入自行編制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行修正,同時把修正之后的離散點輸入自行研發(fā)的單片機控制器中,實現(xiàn)對電液比例閥的控制,進而實現(xiàn)伐木頭的自動定位。為了進

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

4、件坐標(biāo)系,根據(jù)其得到機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,即機械臂運動學(xué)正解；采用逆變換法,得到機械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的解析式,即機械臂運動學(xué)的逆解；并通過運動機構(gòu)運動學(xué)得到機械臂驅(qū)動空間與關(guān)節(jié)空間的轉(zhuǎn)換。運用拉格朗日法建立動力學(xué)方程并求解各關(guān)節(jié)力矩。對機械手的運動軌跡進行規(guī)劃并用LSM Viflual Lab.軟件對機械手建模仿真,為控制系統(tǒng)的設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　 分析采伐聯(lián)合機機械手的液壓系統(tǒng),建立電液比例液壓系統(tǒng)模

5、型,對主油缸、副油缸負(fù)載進行估算；建立采伐聯(lián)合機電液比例的狀態(tài)空間模型及離散模型,確立電液比例閥電流與伐木頭運動軌跡之間的變化關(guān)系并對電流值進行離散,以便進行參數(shù)估計和控制策略的研究。
　　 為實現(xiàn)采伐聯(lián)合機的智能控制,建立采伐聯(lián)合機視覺系統(tǒng),運用三維激光掃描儀獲取立木點云數(shù)據(jù)信息,并對點云數(shù)據(jù)進行簡化、分區(qū)與坐標(biāo)變換,計算判斷得出目標(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,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)合機機械臂的新方法。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)中進行修正。利用單片機控制器讀取修正的離散值進行伐木頭定位,其準(zhǔn)確程度大大提高。
　　 研制單片機控制器,利