菜苗移植入穴裝置機械手的設計與研究.pdf

2 0 2 0 3 2 科學技術創(chuàng)新 國外研發(fā)農產品移植機器起步很早 特別是在20世紀90 年代以后 急速發(fā)展的自動控制技術以及傳感器技術被應用到 相應的移植設備上面 使其機械化 自動化的程度越來越高 并 且全自動技術愈發(fā)穩(wěn)定及高效 越來越趨向于智能化 實用化 本文設計的菜苗移植入穴裝置 結合實際生產 對菜苗移植全 自動移植關鍵部件 夾持動作部分進行優(yōu)化設計以及實驗 研究 以期為全自動菜苗移植入穴裝置的研制提供相應的思路 與方法 1菜苗移植入穴裝置建模設計 菜苗移植入穴裝置主要由機械結構部分 夾持動作部分 輸送機構部分構成 結構如圖1所示 機械手部件設計圖如圖2以及圖3所示 夾持動作部分主 要是機械手模塊 機械手安裝于機架上并用于抓取輸送機構的 輸送端面上的菜苗至菜苗穴板 機械手可沿機架的長 寬 高度 方向運動 把它們分別定義為X Y Z軸方向 X軸電動機構用 于帶動抓取件沿機架的長度方向運動 Y軸電動機構用于帶動 抓取件沿機架的寬度方向運動 Z軸電動機構用于帶動抓取件 沿機架的高度方向運動 2夾持動作部分控制方案設計 基于菜苗移植入穴裝置的機構設計以及工作原理 它是代 替人工操作者把培育好的菜苗放置到穴盤中 比人工操作更加 有效率并且更節(jié)省勞動力 夾持動作這部分最重要的便是穴苗 的抓起與投放 穴苗的基質是土壤和營養(yǎng)液 有一定的強度 但 是穴盤的摩擦力并不大 這個過程的主導者便是夾持 根據(jù)表3和圖2分析 某城市5個區(qū)域道路交通安全狀況 水平差異較大 區(qū)域3安全水平相對值最大 區(qū)域4安全水平相 對值最小 因此需結合區(qū)域面積 人口數(shù)量 經濟發(fā)展狀況的相關性 加強交通安全隱患防范措施 注重駕駛員的管理 加強道路文 化建設 提高道路交通安全水平 4結論 依據(jù)道路交通事故四項數(shù)據(jù)與區(qū)域社會經濟的相關性 建 立具有3種不同類型的指標 構建了區(qū)域道路交通安全的模糊 綜合評價模型 運用模糊綜合評價模型計算了某城市5個區(qū)域 的道路交通安全水平 將定性分析轉化為定量評價 得到了理 想的評價效果 同時模糊綜合評價法能在復雜的系統(tǒng)中較準確 的反應出交通安全狀況 本文所使用的評價方法可操作性強 能客觀公正的評價區(qū)域道路交通安全水平 本文研究結果可用 作不同區(qū)域道路交通安全水平的橫向比較 也可做同一區(qū)域不 同時段的縱向比較 對及時改善道路交通環(huán)境 提高道路交通 安全管理水平提供理論依據(jù) 參考文獻 1 牛 會 永 基于灰色理論的城市道路交通安全評價研究 J 中 國 安全科學學報 2005 9 92 95 91 115 2 劉濤 李 曄 區(qū)域道路交通安 全水平綜合評價和預測 方法 J 同 濟大 學 學 報 自 然 科 學 版 2005 3 311 315 3 楊天 軍 張 曉 春 楊 曉 光 基 于 BP 神經網絡的城市 道 路 交通 安 全評 價 研 究 J 中 國 礦 業(yè) 大 學學 報 2005 1 40 43 4 馬社 強 邵 春 福 左 忠 義 馬 壯 林 基于主成分和聚類分 析的區(qū) 域道路交通安全綜合評價 J 武漢理工大學學報 交通科學 與 工 程 版 2010 34 6 1090 1094 5 Field wick R Brown R J The Effect of Speed Limits on Road Casualties J Traffic Engineering and Control 1987 28 DEC 635 640 6 馬 社 強 區(qū)域道路交通安全評價的理論與方法 D 北 京 北 京 交 通 大 學 2012 7 宇 仁 德 石 鵬 劉 芳 基于模糊理論的交通安全評價方法的研 究 J 數(shù) 學 的 實 踐 與認 識 2008 7 109 116 8 徐 斌 周 家 祥 朱 鳴 道路交通安全的模糊綜合評價研究 J 科 學技術與工程 2009 9 6 1647 1652 菜苗移植入穴裝置機械手的設計與研究 邱文驍 蔡佳麟 馬書美 李穎姍 蘇欣強 廣 州華夏職業(yè)學院 廣東 廣 州 510935 摘 要 隨著無土栽培這項新型現(xiàn)代農業(yè)技術的興起 大規(guī)模種植農作物不再是天方夜譚 引入現(xiàn)代農業(yè)自動化設備能夠大 大減 少人工工作強度以及提 高移植效率 且可減少菜 苗移植入穴的時間周期 降 低菜苗的損壞率 本文在 原先設計菜苗移植入穴 裝置的基礎上 改進其機械爪的控制系統(tǒng) 實現(xiàn)菜苗移植入穴裝置各個機構單元之間能夠穩(wěn)定可靠地協(xié)調配合運行 運用模糊 PID 控制實現(xiàn)系統(tǒng)的快速響 應以及取得更高的精度 和更快的調節(jié)時間 所設計 的機械爪裝置為農業(yè)現(xiàn)代化提供了一種全新的 思 路 與 方 法 關鍵詞 菜苗移植入穴裝置 機械手 控制系統(tǒng) 模糊 PID 控制 中圖分類號 S223 9 文獻標識碼 A 文章編號 2096 4390 2020 32 0017 03 轉下頁 17 科學技術創(chuàng)新 2 0 2 0 3 2 系統(tǒng)中的機械手 如果機械手的夾持力度過大則破壞了基質更 有甚者會將整個穴苗都毀壞 如果機械手的夾持力度過小 則 可能無法取出穴苗或者在取出的過程中導致穴盤的脫落 并且 該系統(tǒng)有非線性 不確定性 多變性和強耦合等特點 特別是在 其運動過程中 會有一些不確定非線性項 因此這個過程中需要 控制電機的機械手作用力能夠完美控制 在考慮系統(tǒng)的能控 型 實用性以及對菜苗標本夾持的準確性 通過對菜苗移植入 穴裝置夾持動作部分的運行分析 建立其系統(tǒng)控制程序框圖如 圖4所示 在圖4的程序框圖中 步進電機是動力輸出裝置 驅動器接 受控制器輸出的脈沖信號 繼而驅動步進電機的運行 步進電 機經過減速微調對機械手進行帶動動作 其偏移量會通過光電 傳感器反饋給控制器 控制器通過對反饋的數(shù)據(jù)與輸入的期望 數(shù)據(jù)相比較 獲得兩者之間位移的偏移量 從而調整輸入的脈 沖信號 實現(xiàn)夾持動作模塊位移量的精確控制 圖4夾持動作模塊系統(tǒng)框圖 3模糊PID控制器設計及仿真 在控制系統(tǒng)中 PID控制器是一種將比例 積分 微分等控 制結合起來的線性控制器 是國內外最早的控制策略之一 傳 統(tǒng)的PID控制器因為算法結構簡單 控制參數(shù)獨立 可靠性高 以及魯棒性好 故在機械 電子 化工 冶金等行業(yè)中得到了廣泛 應用 PID控制器的關鍵在于控制器參數(shù)的整定 由于系統(tǒng)中存 在非常多的不確定性 這種不確定性會導致模型參數(shù)發(fā)生變 化 所以更新算法 獲得最優(yōu)的參數(shù)組合 模糊控制 Fuzzy Control 是以模糊語言變量 模糊集合理論以及模糊邏輯推理為 基礎的計算機智能控制方法 是近些年快速發(fā)展起來的新型控 制器 該控制器能夠以控制系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)作為依據(jù) 運 用經驗參數(shù)來編制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則 并運用該規(guī)則完成系 統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)的模糊化處理以及模糊推理過程 而后計算機根據(jù) 實際響應 在線修正PID參數(shù) 最終獲得最適合系統(tǒng)的參數(shù)組 合 本文設計的模糊PID控制系統(tǒng)結構圖5所示 圖5模糊PID控制系統(tǒng)結構 在上述設計的系統(tǒng)中 我們把偏差e以及偏差的變化量ec 作為模糊控制器的輸入 通過反饋調節(jié)得到期望的誤差值 其 表達式為 U K p e K i edt K d de dt 用模糊規(guī)則整定出相應的 K p K i K d 計算出當前的K p K i K d 得到一組最佳的K p K i K d 使系統(tǒng)產生的誤差最小 響應速度最快 PID控制器不僅僅 1 機械 手 2 輸 送 機 構 3 穴 盤 4 菜 苗 5 穴 位 6 機 械手夾持電機 7 y 軸 電 機 8 x 軸電 機 9 主體 機 架 10 y 軸 導 向 桿 11 y 軸 導 向套 12 x 軸導 向 桿 13x 軸 導 向 套 14 護 翼 15 機械 手 支 架 16 z 軸 電 機 圖1菜苗移植入穴裝置3D主視圖 圖3夾持動作部分示意圖 圖2機械手3D設計圖 18 2 0 2 0 3 2 科學技術創(chuàng)新 對機械手的定位精度輸出更加高的控制精度 而且對輸出的機 械手力度得到更滿意的控制效果 從而有效降低菜苗穴盤的損 壞率以及提高穴盤移植的準確率 模糊PID控制算法流程圖如 圖6所示 依據(jù)建立好的數(shù)學模型 運用Matlab中Simulink的模塊庫 建立步進電機控制系統(tǒng)模糊PID參數(shù)模型 輸入信號設定為幅 值是1的階躍信號 模糊控制器接受偏差e以及偏差的變化量 ec 基本域為 3 3 利用模糊算法在線修正PID控制器的三個 參數(shù)Kp Ki Kd 以期獲得更好的仿真曲線圖 圖6模糊PID控制算法流程圖 圖7步進電機控制系統(tǒng)響應曲線圖 運行Simulink中搭建的仿真模型 設定仿真時間為1s 將 輸出的模糊PID仿真系統(tǒng)響應曲線圖與傳統(tǒng)PID曲線圖放置 同一坐標分析 如圖7所示 單一PID控制器上升時間大約是 0 085s 在電機達到穩(wěn)定運行狀態(tài)之時 調節(jié)時間為0 3s 超調量 約為20 而模糊PID控制器曲線上升時間大約是0 13s 調節(jié) 時間為0 21s 超調量約為3 響應曲線能夠快速地到達穩(wěn)定狀 態(tài) 由圖像以及相應的數(shù)據(jù)可得出結論 運用模糊PID控制器 控制的步進電機系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的PID系統(tǒng)更具有調節(jié)時間 更快捷 超調量更小 系統(tǒng)穩(wěn)定性更可靠 使系統(tǒng)響應曲線更為 平穩(wěn) 因此 將模糊PID控制器應用于菜苗移植入穴裝置機械 手夾持動作模塊中 其優(yōu)越性更為明顯 4結論 為了實現(xiàn)菜苗移植入穴裝置各個機構單元之間能夠穩(wěn)定 可靠地協(xié)調配合運行 本文在原先設計菜苗移植入穴裝置的基 礎上 結合實際生產 重新設計并改進其機械爪模型以及夾持 動作模塊的控制系統(tǒng) 在夾持動作模塊中引入模糊算法以及 PID控制器 采用反饋調節(jié)的方法提高機械手的控制精度 并在 Matlab中的Simulink仿真環(huán)境下建立模型 輸出相應的響應曲 線 通過響應曲線表明 盡管傳統(tǒng)的PID控制器能夠有較快的 響應速度 但是它的上升過程以及超調量相對模糊PID控制器 來說是不夠理想的 具體表現(xiàn)在較大的超調量以及較為緩慢的 上升過程 模糊PID不但能夠使得系統(tǒng)有較低的調節(jié)時間以及 較高的穩(wěn)態(tài)精度 而且能夠使得系統(tǒng)響應曲線更為平穩(wěn) 有較 小的超調量 可以有效降低夾持動作系統(tǒng)因慣性而產生的過沖 現(xiàn)象 因此 運用模糊PID控制器為全自動菜苗移植入穴裝置 夾持動作系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要的作用 參考文獻 1 馬 貴 飛 馬 履 中 楊 文 亮 蘋果采摘機器人機械手運動學分析 與 仿 真 J 農 機 化 研究 2010 7 2 陳明 霞 張 寒 王 曉 文 李 徐 勇 基 于 迭 代 學 習 PID 算 法 的 蘋 果 采摘機器人設計 J 農 機化 研 究 2020 42 6 83 86 129 3 何亞 凱 蔬菜穴盤苗高速栽植自動取苗系統(tǒng)設計與 研究 D 中 國農業(yè)機械化科 學研究院 2018 4 胡滿 紅 李 虹 飛 基 于 模 糊 PID 的采摘機器人機械手控制 系統(tǒng) 設 計 J 農 機 化 研 究 2021 43 5 245 248 262 5 劉 凡 楊 光 友 楊 康 農業(yè)采摘機器人柔性機械手研究 J 中 國 農 機 化 學 報 2019 40 3 173 178 基金項目 2019 年廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項目 菜苗移植入穴裝置 2019GKQNCX091 19