论文题目：果园株间除草机械臂的设计与控制研究
摘要：果园的大规模种植,带来了果园机械化的快速发展,在果园的日常种植管理中,果园除草是最重要的部分之一。在果园规模的增长以及劳动人口减少的背景下,发展果园除草机械,有利于减轻劳动强度以及提高生产种植效率。针对目前市场上果园除草机械使用场景大多数都是在行间工作,株间除草机械较少,大多由人工来完成株间除草作业。本文综合分析了国内外果园除草机械方向的研究成果,提出将机械臂应用于果园株间除草领域,设计一种果园株间除草机械臂,并且完成了机械臂的轨迹规划和轨迹跟踪控制的研究。论文的主要研究内容如下:（1）果园株间除草机械臂的设计。根据果园株间除草的作业要求,确定机械臂的主要设计指标,并在此基础上确定机械臂的结构方案;采用D-H法建立机械臂运动学模型,采用蒙特卡洛法分析其运动工作空间;基于灵活性指标-可操作度,以可操作度最大为目标,采用遗传算法对各个杆件长度进行优化,逆运动学分析验证优化后杆件尺寸的合理性。（2）机械臂的轨迹规划。按照机械臂工作空间上的不同,分别研究了关节空间下的三次和五次多项式插值法,以及笛卡尔空间下的圆弧和直线插补法;针对本文除草机械臂的实际作业情况,结合逆运动学分析,采用分段多次项插值的方法,实现机械臂的平稳运行,完成机械臂在关节空间下的轨迹规划。（3）机械臂系统动力学模型的建立。对除草机械臂进行动力学分析,采用拉格朗日法建立除草机械臂的系统动力学模型。（4）机械臂轨迹跟踪算法的研究。使用PID算法控制,在此基础上,引入模糊PID控制,对模糊PID的模糊规则和隶属函数以及解模糊的方式等进行设计;同时为了提高系统的轨迹跟踪性能,提出使用遗传算法对模糊规则以及隶属函数进行优化,在Matlab中迭代计算出最优的模糊规则和隶属函数,完成机械臂模糊PID控制器的设计。仿真对比各个控制方式的控制效果,以规划的轨迹作为理想输入,对比三种不同控制方式的轨迹跟踪精度,验证所设计的模糊PID控制系统具有控制的有效性和轨迹跟踪的精确性。
关键词：株间除草;机械臂;尺寸优化;轨迹规划;轨迹跟踪控制
学科专业：车辆工程（专业学位）
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景
1.2 论文研究意义
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 论文研究的主要内容和技术路线
1.4.1 主要内容
1.4.2 技术路线
第二章 果园株间除草机械臂结构方案设计与分析
2.1 果园株间除草机械臂结构方案设计
2.1.1 作业要求和目标分析
2.1.2 除草机械臂的结构设计指标
2.1.3 除草机械臂的结构方案确定
2.2 果园株间除草机械臂运动学分析
2.2.1 除草机械臂的正运动学分析
2.2.2 除草机械臂逆运动学分析
2.3 除草机械臂工作空间仿真
2.3.1 工作空间的定义
2.3.2 除草机械臂的工作空间分析
2.4 除草机械臂的尺寸优化设计
2.4.1 基于可操作度的尺寸优化
2.4.2 优化后工作空间的仿真验证
2.5 本章总结
第三章 果园株间除草机械臂的轨迹规划
3.1 关节空间下的轨迹规划
3.1.1 三次多项式插值法
3.1.2 五次多项式插值法
3.2 笛卡尔空间下的轨迹规划
3.2.1 空间圆弧轨迹规划
3.2.2 空间直线轨迹规划
3.3 除草机械臂的轨迹规划
3.4 本章小结
第四章 除草机械臂的动力学建模
4.1 机械臂动力学问题描述
4.2 拉格朗日法
4.3 除草机械臂动力学建模
4.4 本章小结
第五章 除草机械臂的轨迹跟踪控制研究
5.1 除草机械臂PID控制仿真
5.2 遗传算法优化模糊PID的控制算法
5.2.1 模糊控制概述
5.2.2 模糊PID算法
5.2.3 模糊控制的模糊规则和隶属度函数
5.2.4 改进型遗传算法
5.3 遗传算法优化模糊控制的实现
5.4 机械臂轨迹跟踪控制策略的仿真验证
5.5 本章总结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
致谢