CN106249670B - 一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法 - Google Patents

一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法，包括动力分配执行装置、电动推杆夹紧装置、控制系统、检测系统。所述的动力分配执行装置包括发动机、带传动、爬升轮、链传动、链锯、油门舵机、张紧电动推杆；所述的电动推杆夹紧装置包括夹紧电动推杆、夹紧支架、夹紧装置、弹簧；所述控制系统用于接收手机和传感系统检测的信号，并将解析信号传输给动力分配执行装置和电动推杆夹紧装置，从而实现对爬树修枝机器人自主作业的自动控制；所述的检测系统包括编码器、气压计，用于实时检测爬树机器人的爬升速度和工作高度。本发明的控制方法使得爬树修枝机器人在攀爬、修枝过程中合理的分配动力并稳定的夹紧树干，从而高效的完成速生林修枝维护工作。

Description

一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法
技术领域：
本发明属于林业机械领域，尤其涉及一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法，用于爬树修枝机器人的快速稳定地爬升并同时完成侧枝修剪工作。
背景技术：
速生林是轮伐周期短的人工林，在工业造纸领域需求较大，由于其速生优势，材质好，造林成活率高等优良特性，因而有很好的经济价值。合理的修枝可以促进树木的生长，提高树木的通直度、圆度、抗弯强度及木材的韧性，改善林木的生长环境和林木防火条件,增强上部光合作用。我国速生林种植面积不断扩大，但速生林的修枝方式落后，很多地区存在修枝方法不当甚至不修枝等现象，其主要原因是速生林区剪枝机器相对比较落后。
针对爬树修枝机器人存在动力分配不合理、无法实现爬行与锯切状态的及时调整、容易出现卡锯现象、攀爬过程中夹紧力不足、容易打滑下落等问题，发明一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法，以达到爬树修枝机器人在攀爬过程中合理分配动力并稳定夹紧树干以高效完成速生林修枝维护工作的目的，提高爬树修枝机器人的工作效率，对于速生林产业发展有重要推动作用。
发明内容：
本发明为了解决爬树修枝机器人存在动力分配不合理、无法实现爬行与锯切状态的及时调整、容易出现卡锯现象、攀爬过程中夹紧力不足、容易打滑下落等问题，提供了一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法，以高效地完成速生林修枝维护工作。
一种爬树修枝机器人自主作业的控制系统，包括：动力分配执行装置、电动推杆夹紧装置、控制系统、检测系统。
所述的动力分配执行装置包括：发动机、带传动、爬升轮、链传动、链锯、油门舵机、张紧电动推杆。
所述的发动机输出轴一方面与所述的带传动相连，并将动力传递给所述的爬升轮，另一方面与所述的链传动相连，并将动力传递给所述的链锯；所述的油门舵机与发动机油门相连接，用于改变油门大小；所述的张紧电动推杆与带传动张紧轮相连，用于改变带传动的张紧大小。
所述的电动推杆夹紧装置包括：夹紧电动推杆、夹紧支架、夹紧装置、弹簧。
所述的夹紧电动推杆一端连接在所述的夹紧支架上，夹紧电动推杆另一端连接于所述的夹紧装置上；所述的弹簧套装在夹紧装置上。
所述的控制系统包括：电源、控制器、控制终端。
所述的电源优先选用24V直流电源；所述的控制器包括单片机与蓝牙模块；所述的单片机优先选用ARM系列的STM32单片机作为主控制芯片；所述的蓝牙模块采用HC‐05蓝牙模块并与单片机相连接，传输距离可达10米；所述的控制终端优先选用带有无线通讯功能的智能手机；所述的控制系统由STM32单片机作为主控制核心，用于接收控制终端的无线信号和传感系统的检测信号，并将解析信号传输给动力分配执行装置和电动推杆夹紧装置，从而实现对爬树修枝机器人自主作业的自动控制。
所述的检测系统包括编码器、气压计。
所述的编码器优先选用600P/R增量型旋转编码器，安装在爬升轮附近适当位置并通过信号线与控制系统相连，用于统计1秒内所测得的脉冲数；所述的气压计优先选用基于STM32单片机的高度气压计，通过信号线与控制系统相连，用于实时检测爬树机器人工作高度。
本发明一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法，其控制过程如下：
(1)将爬树修枝机器安装在待修剪树木上，打开电源，控制系统初始化完成；
(2)使用手机APP控制终端发出夹紧控制信号，HC‐05蓝牙模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整夹紧电动推杆的工作状态，爬树修枝机器人实现夹紧树干的动作，此时高度气压计记录初始海拔高度；
(3)使用手机APP控制终端发出攀爬上升信号，HC‐05蓝牙模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过动力分配执行装置控制油门舵机，调整油门大小，同时单片机通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆缩短，此时张紧轮起到张紧作用，动力主要分配到爬升轮上，爬树修枝机器人实现攀爬上升的动作；
(4)爬树机器人在攀爬上升过程中进行修枝工作，当编码器所测得的脉冲数急剧减少表明链锯此时碰到侧枝，编码器将减少信号传输给单片机，单片机解析信号并通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆伸长，此时张紧轮不起张紧作用，带传动暂时停止工作，动力主要分配到链锯上，同时单片机通过动力分配执行装置控制油门舵机，调整油门大小，链锯高速锯切侧枝；当编码器所测得的脉冲数急剧增加表明侧枝锯切工作完成，编码器将增加信号传输给单片机，单片机解析信号通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆缩短，此时张紧轮起张紧作用，带传动继续工作，动力重新分配到爬升轮上，同时单片机控制油门舵机，调整油门大小，爬升轮继续工作，爬树修枝机器人高速攀爬上升，直到遇到下一个侧枝后重复上述过程；
(5)爬树修枝机器人在攀爬过程中，高度气压计实时记录当前海拔高度并得到相关高度差,编码器将测得的脉冲个数n传输给单片机，单片机根据预设值和测得值计算得到爬升轮的转速v，然后得到相应的攀爬上升距离L，最后推算夹紧电动推杆所需压缩的距离D，单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整电动推杆的工作状态，实现对爬树修枝机器人电动推杆夹紧装置随攀爬上升距离增加的自动控制，从而爬树修枝机器人实现稳定攀爬上升的工作；当攀爬上升距离L达到侧枝修剪的要求高度时，气压计将停止爬升工作信号传输给单片机，单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整夹紧电动推杆的工作状态，爬树修枝机器人实现稳定下降的工作；
其中，所述高度差Δh通过如下公式确定：
Δh＝h2-h1
上式中：h1为初始海拔高度，单位为mm；h2为当前海拔高度，单位为mm。
其中，所述爬升轮的转速v通过如下公式确定：
上式中：n为600P/R增量型旋转编码器1秒内所测得的脉冲个数,单位为个；D为爬升轮直径，单位为mm。
其中，所述攀爬上升距离L通过如下公式确定：
上式中：t为爬树修枝机器人攀爬上升所用时间，由单片机内部计时器测得，单位为s；α为爬树修枝机器人攀爬上升的理论螺旋升角，单位为度；μ为爬树修枝机器人攀爬上升过程中理论打滑率；
其中，所述夹紧电动推杆所需压缩距离D通过如下公式确定：
D＝AL2+BL+C
上式中：A、B、C均为实数，且保证夹紧电动推杆所需压缩距离D与攀爬上升距离L满足二次函数关系。
(6)关闭电源，完成一颗树木的侧枝修剪工作。
本发明的有益效果在于：
1、本发明设计的爬树修枝机器人自主作业的控制方法可快速准确地调整爬行与锯切状态，动力分配合理，解决了修枝过程中容易出现卡锯现象等问题。
2、本发明设计的爬树修枝机器人自主作业的控制方法能够实现爬树修枝机器人对树干的自动加紧，并且加紧稳定，解决了爬升过程中容易打滑下落等问题。
3、本发明只需在爬树修枝工作的开始使用手机远程控制并发出相关控制信号，在爬树修枝过程中无需人为控制，操作简单便捷，自动化程度高。
附图说明：
图1为爬树修枝机器人自主作业的控制系统结构示意图
图2为爬树修枝机器人自主作业的控制方法原理框图
图3为爬树修枝机器人自主作业的控制过程流程图
发动机1、带传动2、爬升轮3、链传动4、链锯5、油门舵机6、张紧电动推杆7、夹紧电动推杆8、夹紧支架9、夹紧装置10、弹簧11、电源12、控制器13、编码器14、气压计15。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。
如图1所示，本发明一种爬树修枝机器人自主作业的控制系统。包括：动力分配执行装置、电动推杆夹紧装置、控制系统、检测系统。
所述的动力分配执行装置包括：发动机1、带传动2、爬升轮3、链传动4、链锯5、油门舵机6、张紧电动推杆7。
所述的发动机1输出轴一方面与所述的带传动2相连，并将动力传递给所述的爬升轮3，另一方面与所述的链传动4相连，并将动力传递给所述的链锯5；所述的油门舵机6与发动机1油门相连接，用于改变油门大小；所述的张紧电动推杆7与带传动2的张紧轮相连，用于改变带传动的张紧大小。
所述的电动推杆夹紧装置包括：夹紧电动推杆8、夹紧支架9、夹紧装置10、弹簧11。
所述的夹紧电动推杆8一端连接在所述的夹紧支架9上，夹紧电动推杆8另一端连接于所述的夹紧装置10上；所述的弹簧11套装在夹紧装置10上。
所述的控制系统包括：电源12、控制器13、控制终端。
所述的电源12优先选用24V直流电源；所述的控制器13包括单片机与蓝牙模块；所述的单片机优先选用ARM系列的STM32单片机作为主控制芯片；所述的蓝牙模块采用HC-05蓝牙模块并与控制终端无线连接，传输距离可达10米；所述的控制终端优先选用带有无线通讯功能的智能手机；所述的控制系统由STM32单片机作为主要控制核心，通过接收控制终端的无线信号和传感系统的检测信号，单片机解析信号并将信号传输给动力分配执行装置和电动推杆夹紧装置，从而实现对爬树修枝机器人自主作业的自动控制。
所述的检测系统包括编码器14、气压计15。
所述的编码器14优先选用600P/R增量型旋转编码器，安装在爬升轮附近适当位置并通过信号线与控制系统相连，用于统计1秒内所测得的脉冲数；所述的气压计15优先选用基于STM32单片机的高度气压计，通过信号线与控制系统相连，用于实时检测爬树机器人工作高度。
本发明一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法，其控制过程如下：
(1)将爬树修枝机器安装在待修剪树木上，打开电源，控制系统初始化完成；
(2)使用手机APP控制终端发出夹紧控制信号，HC-05蓝牙模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整夹紧电动推杆的工作状态，爬树修枝机器人实现夹紧树干的动作，此时高度气压计记录初始海拔高度；
(3)使用手机APP控制终端发出攀爬上升信号，HC-05蓝牙模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过动力分配执行装置控制油门舵机，调整油门大小，同时单片机通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆缩短，此时张紧轮起到张紧作用，动力主要分配到爬升轮上，爬树修枝机器人实现攀爬上升的动作；
(4)爬树机器人在攀爬上升过程中进行修枝工作，当编码器所测得的脉冲数急剧减少表明链锯此时碰到侧枝，编码器将减少信号传输给单片机，单片机解析信号并通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆伸长，此时张紧轮不起张紧作用，带传动暂时停止工作，动力主要分配到链锯上，同时单片机通过动力分配执行装置控制油门舵机，调整油门大小，链锯高速锯切侧枝；当编码器所测得的脉冲数急剧增加表明侧枝锯切工作完成，编码器将增加信号传输给单片机，单片机解析信号通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆缩短，此时张紧轮起张紧作用，带传动继续工作，动力重新分配到爬升轮上，同时单片机控制油门舵机，调整油门大小，爬升轮继续工作，爬树修枝机器人高速攀爬上升，直到遇到下一个侧枝后重复上述过程；
(5)爬树修枝机器人在攀爬过程中，高度气压计实时记录当前海拔高度并得到相关高度差,编码器将测得的脉冲个数n传输给单片机，单片机根据预设值和测得值计算得到爬升轮的转速v，然后得到相应的攀爬上升距离L，最后推算夹紧电动推杆所需压缩的距离D，单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整电动推杆的工作状态，实现对爬树修枝机器人电动推杆夹紧装置随攀爬上升距离增加的自动控制，从而爬树修枝机器人实现稳定攀爬上升的工作；当攀爬上升距离L达到侧枝修剪的要求高度时，气压计将停止爬升工作信号传输给单片机，单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整夹紧电动推杆的工作状态，爬树修枝机器人实现稳定下降的工作；
其中，所述高度差Δh通过如下公式确定：
Δh＝h2-h1
上式中：h1为初始海拔高度，单位为mm；h2为当前海拔高度，单位为mm。
其中，所述爬升轮的转速v通过如下公式确定：
上式中：n为600P/R增量型旋转编码器1秒内所测得的脉冲个数,单位为个；D为爬升轮直径，单位为mm。
其中，所述攀爬上升距离L通过如下公式确定：
上式中：t为爬树修枝机器人攀爬上升所用时间，由单片机内部计时器测得，单位为s；12.5为爬树修枝机器人攀爬上升的理论螺旋升角，单位为度；0.93为爬树修枝机器人攀爬上升过程中实际打滑率；
其中，所述夹紧电动推杆所需压缩距离D通过如下公式确定：
L＝4E-06D2+0.0163D-0.3829
公式推导如下：
(6)关闭电源，完成一颗树木的侧枝修剪工作。

Claims (1)

1.一种爬树修枝机器人自主作业的控制方法，其应用于一种爬树修枝机器人自主作业的控制系统；其特征在于：该系统包括动力分配执行装置、电动推杆夹紧装置、控制系统、检测系统；
所述的动力分配执行装置包括：发动机、带传动、爬升轮、链传动、链锯、油门舵机、张紧电动推杆；所述的发动机输出轴一方面与所述的带传动相连，并将动力传递给所述的爬升轮，另一方面与所述的链传动相连，并将动力传递给所述的链锯；所述的油门舵机与发动机油门相连接，用于改变油门大小；所述的张紧电动推杆与带传动张紧轮相连，用于改变带传动的张紧大小；
所述的电动推杆夹紧装置包括：夹紧电动推杆、夹紧支架、夹紧装置、弹簧；所述的夹紧电动推杆一端连接在所述的夹紧支架上，夹紧电动推杆另一端连接于所述的夹紧装置上；所述的弹簧套装在夹紧装置上；
所述的控制系统包括电源、控制器、控制终端；所述的电源选用24V直流电源；所述的控制器包括单片机与蓝牙模块；所述的单片机选用ARM系列的STM32单片机作为主控制芯片；所述的蓝牙模块采用HC-05蓝牙模块并与单片机相连接，传输距离可达10米；所述的控制终端选用带有无线通讯功能的智能手机；所述的控制系统由STM32单片机作为主控制核心，用于接收控制终端的无线信号和传感系统的检测信号，并将解析信号传输给动力分配执行装置和电动推杆夹紧装置，从而实现对爬树修枝机器人自主作业的自动控制；
所述的检测系统包括编码器、气压计；所述的编码器选用600P/R增量型旋转编码器，安装在爬升轮附近适当位置并通过信号线与控制系统相连，用于统计1秒内所测得的脉冲数；所述的气压计选用基于STM32单片机的高度气压计，通过信号线与控制系统相连，用于实时检测爬树修枝机器人工作高度；
其控制过程如下：
1）将爬树修枝机器人安装在待修剪树木上，打开电源，控制系统初始化完成；
2）使用手机APP控制终端发出夹紧控制信号，HC-05蓝牙模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整夹紧电动推杆的工作状态，爬树修枝机器人实现夹紧树干的动作，此时高度气压计记录初始海拔高度；
3）使用手机APP控制终端发出攀爬上升信号，HC-05蓝牙模块接收到控制信号并将信号传输给单片机，然后由单片机解析信号并通过动力分配执行装置控制油门舵机，调整油门大小，同时单片机通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆缩短，此时张紧轮起到张紧作用，动力主要分配到爬升轮上，爬树修枝机器人实现攀爬上升的动作；
4）爬树修枝机器人在攀爬上升过程中进行修枝工作，当编码器所测得的脉冲数急剧减少表明链锯此时碰到侧枝，编码器将减少信号传输给单片机，单片机解析信号并通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆伸长，此时张紧轮不起张紧作用，带传动暂时停止工作，动力主要分配到链锯上，同时单片机通过动力分配执行装置控制油门舵机，调整油门大小，链锯高速锯切侧枝；当编码器所测得的脉冲数急剧增加表明侧枝锯切工作完成，编码器将增加信号传输给单片机，单片机解析信号通过动力分配执行装置控制张紧电动推杆缩短，此时张紧轮起张紧作用，带传动继续工作，动力重新分配到爬升轮上，同时单片机控制油门舵机，调整油门大小，爬升轮继续工作，爬树修枝机器人高速攀爬上升，直到遇到下一个侧枝后重复上述过程；
5）爬树修枝机器人在攀爬过程中，高度气压计实时记录当前海拔高度并得到相关高度差, 编码器将测得的脉冲个数n传输给单片机，单片机根据预设值和测得值计算得到爬升轮的转速V，然后得到相应的攀爬上升距离L，最后推算夹紧电动推杆所需压缩的距离D，单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整电动推杆的工作状态，实现对爬树修枝机器人电动推杆夹紧装置随攀爬上升距离增加的自动控制，从而爬树修枝机器人实现稳定攀爬上升的工作；当攀爬上升距离L达到侧枝修剪的要求高度时，气压计将停止爬升工作信号传输给单片机，单片机解析信号并通过电动推杆夹紧装置调整夹紧电动推杆的工作状态，爬树修枝机器人实现稳定下降的工作；
其中，所述高度差通过如下公式确定：
上式中：为初始海拔高度，单位为mm；为当前海拔高度，单位为mm；
其中，所述爬升轮的转速V通过如下公式确定：
上式中：n为600P/R增量型旋转编码器1秒内所测得的脉冲个数,单位为个；d为爬升轮直径，单位为mm；
其中，所述攀爬上升距离L通过如下公式确定：
上式中：t为爬树修枝机器人攀爬上升所用时间，由单片机内部计时器测得，单位为s；α为爬树修枝机器人攀爬上升的理论螺旋升角，单位为度；为爬树修枝机器人攀爬上升过程中理论打滑率；
其中，所述夹紧电动推杆所需压缩距离D通过如下公式确定：
上式中：A、B、C均为实数，且保证夹紧电动推杆所需压缩距离D与攀爬上升距离L满足二次函数关系；
6）关闭电源，完成一颗树木的侧枝修剪工作。
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