多功能果園除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u28979第一章緒論 283491.1課題研究背景 2270991.2國(guó)內(nèi)外除草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 332291.2.1國(guó)外除草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 3230621.2.2國(guó)內(nèi)除草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 4319621.3課題研究的內(nèi)容 4117001.4除草機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 4244921.向多技術(shù)復(fù)合式發(fā)展 431682.向綠色環(huán)保方向發(fā)展 5199333.向智能化方向發(fā)展 517483第二章總體設(shè)計(jì) 5151662.1除草機(jī)器人作業(yè)的園藝要求 5263322.1.1果園雜草種類 553922.1.2果園種植特點(diǎn)及園藝要求 640892.2果園除草機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)確定 611832.2.1除草機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6216892.2.2主要技術(shù)參數(shù)確定 8326982.3關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì) 8318632.3.1機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8240512.3.2除草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 11326642.3.3草屑收集裝置 1483912.4機(jī)器人轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 14249782.5本章小結(jié) 1919997第三章避障裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19265963.1避障方案的選擇 19306643.2避障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1932294第四章除草機(jī)器人不同地形運(yùn)動(dòng)仿真與分析 2081604.1不同地形的仿真與分析 20223701.凸起地形 21269382.凹坑地形 2180093.坡面地形 22154284.2地形不同參數(shù)的越障仿真與分析 22250971.凸起地形 2230832.凹坑地形 23183754.坡面地形 241084第五章多功能果園避障除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26268995.1果園除草機(jī)器人控制系統(tǒng)功能要求 26287625.2控制系統(tǒng)框圖 26275995.3硬件選型 27280375.4驅(qū)動(dòng)選擇與電路設(shè)計(jì) 27215885.4.1行走電機(jī)驅(qū)動(dòng) 27172795.4.2轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng) 2853555.5控制原理 28263215.6PLC程序設(shè)計(jì) 2930155總結(jié)與展望 3030027總結(jié) 31565展望 31緒論1.1課題研究背景中國(guó)的蘋果種植面積占世界的40%以上，擁有著巨大的蘋果生產(chǎn)基地，在全世界擁有重要地位。自1991年以來，中國(guó)種植產(chǎn)業(yè)在20多年的時(shí)間里每年都取得了決定性的增長(zhǎng)，2003年確定了多個(gè)的組裝區(qū)，主要是在黃土高原和渤海灣，組裝數(shù)38,491,000袋，種植蘋果面積221500公頃，消費(fèi)量2750萬噸。蘋果樹已漸漸變成除了蔬菜、谷類之后的第三大作物。蘋果產(chǎn)業(yè)是北方果農(nóng)的基本糧倉(cāng)資產(chǎn)，是提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶收入和帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基石。隨著"三優(yōu)"果園栽培技術(shù)的優(yōu)化，果園綜合管理水平的提高和果園競(jìng)爭(zhēng)力的提升逐漸帶來了一系列好處。果園管理的重點(diǎn)已經(jīng)從樹枝等轉(zhuǎn)移到了地上。我國(guó)西北部的土壤侵蝕更為嚴(yán)重,使果園的土壤變得貧瘠。因此,發(fā)展現(xiàn)代果園的必然前提必須是將綠色肥料返還田地。有許多用于果園可持續(xù)發(fā)展的高效土壤管理技術(shù)。它比花園草的生長(zhǎng)管理系統(tǒng)要好,后者涉及在果樹之間的條帶中種植多年生的優(yōu)良草類,然后在草長(zhǎng)到一定高度時(shí)在割下并覆蓋在土壤上。這樣做有很多好處:增加土壤肥力，防止水土流失，可以使得環(huán)境得到改善，并逐步提高產(chǎn)品品質(zhì)。在傳統(tǒng)的"雜草爭(zhēng)食水"的觀念和草種技術(shù)的不全面推廣的影響下,我國(guó)草種還沒有進(jìn)入高速型發(fā)展的階段,明確的農(nóng)業(yè)模式仍然是主流。果樹上肥料和水的流失主要涉及雜草在耕地和草果園中的過度生長(zhǎng),這大大降低了果樹的生長(zhǎng)和果實(shí)品質(zhì)。避免肥料和水流失的有效方法是及時(shí)修剪果園。在草地上,通常在穩(wěn)定后每年砍伐2至4次,并且要種植的草超過40厘米時(shí)必須砍伐。然而,傳統(tǒng)的割草工具和機(jī)器不容易掌握殘茬的高度,勞動(dòng)強(qiáng)度過高,并且整理效率低,這對(duì)水果的質(zhì)量影響更大。農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，合理的規(guī)模化栽培模式已漸漸成為大的趨勢(shì)，果園種植面積的不斷增加，隨之帶來的就是巨大的種植工作量。矮砧密集果園的栽培技術(shù)已逐步先進(jìn)。該技術(shù)具有行距寬、植被茂密、樹木矮小的特征，對(duì)操作機(jī)械很有幫助。使用機(jī)械除草代替化學(xué)除草、人工除草以及用塑料覆蓋物覆蓋等除草手段可以減少污染、降低成本等。對(duì)于發(fā)展先進(jìn)的現(xiàn)代化管理已經(jīng)成為全世界果農(nóng)們的積極渴望，也凸顯了現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迅速和科技水平的提高。1.2國(guó)內(nèi)外除草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀機(jī)器人視覺技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出圖像識(shí)別、定位等功能,早在1960年各國(guó)已經(jīng)開始了除草機(jī)器人相關(guān)技術(shù)方面的研究,而且也已經(jīng)在農(nóng)田中得到廣泛應(yīng)用。但果園除草機(jī)器人功能繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以研究過程比較緩慢,國(guó)內(nèi)外在這方面的研究進(jìn)展也各不相同。1.2.1國(guó)外除草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀最初的割草機(jī)是150年前在歐洲和美國(guó)制造的,是以人力為動(dòng)力的動(dòng)物驅(qū)動(dòng)的割草機(jī),主要用于花園耕種。隨著L型旋耕機(jī)的公認(rèn)發(fā)展,以往生產(chǎn)的除草機(jī)的大部分設(shè)備都是由L型旋耕機(jī)改進(jìn)而來。美國(guó)的除草機(jī)具技術(shù)幾乎是完整的,機(jī)具范圍廣泛,性能可靠,經(jīng)過多年的分析和推進(jìn),現(xiàn)在已經(jīng)形成了一套完整的保護(hù)性耕作除草機(jī)具,能夠很好地滿足作業(yè)要求的集合。美國(guó)DJ970叢式除草機(jī)的攪拌器有一個(gè)帶有異形彎曲的叢式切割器,在學(xué)徒時(shí)切割草的根部,以完成除草的控制。20世紀(jì)初,日本引入了歐洲除草技術(shù),并逐漸開發(fā)了一系列除草機(jī),以滿足農(nóng)業(yè)的需求。日本有許多類型的割草機(jī),從輕型到普通型到重型。工作部分使用除草盤,圓鋸盤和尼龍除草線來適應(yīng)不同高度分支的除草需求。1.2.2國(guó)內(nèi)除草機(jī)器人的研究現(xiàn)狀在西方國(guó)家的眼中，我國(guó)在此項(xiàng)領(lǐng)域內(nèi)并不占優(yōu)勢(shì),在各個(gè)方面都存在差距。在1960年末,中國(guó)首次推出了除草機(jī),以手扶拖拉機(jī)為動(dòng)力,操作簡(jiǎn)單。而在后面幾年,遼寧省法庫(kù)縣的農(nóng)機(jī)局推出了以東風(fēng)-2型農(nóng)機(jī)為動(dòng)力先導(dǎo),進(jìn)行改進(jìn),將其設(shè)計(jì)成可以應(yīng)用于除草的機(jī)子,功能多樣,完成了一次大的跨越。黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院工程分析研究所開發(fā)了以小型通用旋耕機(jī)為基礎(chǔ)的325-2中耕除草機(jī)。它基于旋耕機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu),通過設(shè)計(jì)出新的局部零件來提高機(jī)器的效率,同時(shí)可以適應(yīng)不同地形。新型除草機(jī)具有很多智能化的操作,應(yīng)用廣泛,可以滿足不同的農(nóng)用操作?？偟膩碚f,我國(guó)的除草機(jī)從產(chǎn)品的質(zhì)量、技術(shù)水平上來說有了很大的提高。中耕除草機(jī)是我國(guó)目前使用較多的除草機(jī)。1.3課題研究的內(nèi)容設(shè)計(jì)多功能果園除草機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，主要是外形設(shè)計(jì)、避障方案選擇、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、扶手機(jī)構(gòu)等；確定刀盤安裝位置、電動(dòng)推桿的安裝尺寸、匹配驅(qū)動(dòng)力等參數(shù)；針對(duì)不同地形進(jìn)行仿真；設(shè)計(jì)出符合要求的控制系統(tǒng)；1.4除草機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)目前，中國(guó)的農(nóng)機(jī)化步伐穩(wěn)步前行，并且將會(huì)在一個(gè)加速發(fā)展的時(shí)期進(jìn)行。中國(guó)在除草機(jī)的自主研發(fā)上已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展和成就，但在個(gè)別技術(shù)上，比如提高工作效率、提升除草精度、降低活動(dòng)消耗、智能化水平等方面還需更進(jìn)一步。1.向多技術(shù)復(fù)合式發(fā)展多技術(shù)復(fù)合式的除草機(jī)提升技術(shù)結(jié)合了一系列除草機(jī)提升技術(shù)，如機(jī)械除草技術(shù)、生物除草技術(shù)、化學(xué)除草技術(shù)和一系列其他除草機(jī)提升技術(shù)，以一種多技術(shù)復(fù)合方式推進(jìn)除草機(jī)提升效果。此外，它還將在管理方面進(jìn)行聯(lián)合方向發(fā)展，以完成一個(gè)機(jī)器的多種用途，始終配套新機(jī)型。同時(shí)，一些創(chuàng)新的企業(yè)還致力于開發(fā)新產(chǎn)品，推進(jìn)原有產(chǎn)品的自動(dòng)化成果，以適應(yīng)草業(yè)加速發(fā)展的需要。目前，除草機(jī)已向品種齊全、操作簡(jiǎn)單、高智能、大型化、先進(jìn)化等方向發(fā)展。2.向綠色環(huán)保方向發(fā)展要在除草機(jī)械上應(yīng)用新的技術(shù)，使其變得更加節(jié)能環(huán)保，要積極學(xué)習(xí)和吸收先進(jìn)工藝，開發(fā)出新的除草機(jī)械。近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)越來越為減少環(huán)境的污染，而對(duì)耕地雜草的識(shí)別能力和對(duì)農(nóng)藝的關(guān)注已成為分析的熱點(diǎn)。3.向智能化方向發(fā)展推進(jìn)高效節(jié)能的農(nóng)機(jī)化操作的有效途徑就是使用智能、可靠的自動(dòng)化農(nóng)機(jī)設(shè)備，除草機(jī)也是如此?？萍甲兊迷絹碓桨l(fā)達(dá)，除草機(jī)械上也出現(xiàn)了各種先進(jìn)技術(shù)，如機(jī)器人視覺識(shí)別技術(shù)、GPS定位技術(shù)、自動(dòng)化耕地導(dǎo)航技術(shù)等，并且將電力、液體、氣體和除草裝置的有機(jī)結(jié)合的研究進(jìn)展趨勢(shì)大好，也漸漸受到了人們的關(guān)注和青睞?？傮w設(shè)計(jì)除草機(jī)器人作業(yè)的園藝要求2.1.1果園雜草種類雜草主要有茜草科的茜草、豬殃殃;蔡科的灰綠藜、藜;馬齒莧科的馬齒莧;大戟科的貓兒眼;禾本科的稗草、馬唐、牛筋草、狗尾草、野燕麥、蘆葦;旋花科的菟絲子、牽牛花;玄參科的婆婆納;莎草科的香附子、牛毛氈;桑科的萑草;錦葵科的茼麻;十字花科的播娘蒿、野油菜;;酢漿草科的酢漿草;車前科的車前草;莧科的刺莧;菊科的野艾蒿、蒼耳;蓼科的齒果酸模、蕎麥蔓等。從果園雜草除草的情況來看，十字花科、莎草科、禾本科和菊科是北方果園中多發(fā)的草類，是重點(diǎn)防治的對(duì)象。菊科雜草數(shù)量不及禾本科，但幅度廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，單棵植株較重。破壞性和害處更大的是莎草科雜草，主要是其碳含量高，繁殖力強(qiáng)，從而長(zhǎng)幅駭人。發(fā)生早的雜草在春初，品種少，活動(dòng)期短，如藝、薺菜等。如果發(fā)生的數(shù)量很大，則應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖钄嗪拖麥p。春末、夏初雜草繁多，生命力強(qiáng)，不易死亡，造成土壤肥水流失嚴(yán)重，是阻斷和清除的重點(diǎn)，如雞初蒿、香蒲等。消除這些雜草的關(guān)鍵時(shí)期是六月至八月。在此期間，雜草生長(zhǎng)迅速，種子即將成熟。因此，及時(shí)，明智地清除雜草不僅可以促進(jìn)蘋果樹的生長(zhǎng)，而且可以減少雜草種子的數(shù)量。為下一年的防除創(chuàng)造有利的條件。2.1.2果園種植特點(diǎn)及園藝要求經(jīng)濟(jì)和科技的增長(zhǎng)帶來了更為先進(jìn)的種植技術(shù)，讓果園種植者的思想觀念也發(fā)生了變化。蘋果樹的種植方式也發(fā)生了深刻的變化,從落葉樹的稀疏種植階段到落葉樹的密植種植階段到短時(shí)種植。砧座密植階段，與密集的砧木和砧木種植技術(shù)相比,通過短砧木的密集種植技術(shù)種植的果樹具有更多的優(yōu)勢(shì),例如在相同的種植面積上具有較小的植物間距,較低的樹冠和較高的產(chǎn)量。它們逐漸被大多數(shù)水果種植者所接受,并且數(shù)量還在上升。在正常生長(zhǎng)的果園中,相鄰植株之間大多為(1.5?2)m,行距大多為(3.5?4)m,樹干高度控制在(50?60)cm以上。根據(jù)結(jié)果,分支略有下降。用合理的修剪方式遏制樹枝在側(cè)方的伸長(zhǎng),保持間距2m左右,行間修整雜草的寬度大約為(2至2.5)m。根據(jù)果園中雜草的種類特性和果園種植特點(diǎn)，必須有以下園藝要求：為了保障在冠層中平穩(wěn)移動(dòng)而不會(huì)損壞樹枝和果實(shí),應(yīng)盡可能減小雜草機(jī)器人的整體尺寸。盡可能減輕機(jī)器人的重量,以減少由機(jī)器人的工作過程引起的土壤壓實(shí)。除草機(jī)器人在工作時(shí),必須裝有剪草刀片,且殘茬高度范圍可調(diào)且均勻。在空地果園中,必須在割草的同時(shí)切根,以完全清除雜草。該機(jī)器人必須至少具有兩個(gè)刀具控制系統(tǒng),并且可以隨意切換。工作時(shí)穩(wěn)定性好,可靠性高,具有障礙物檢測(cè)和報(bào)警功能,可以檢測(cè)和避開樹干等障礙物。果園除草機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)確定2.2.1除草機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-2總裝圖1.扶手2.集草袋3.底座4.油箱5.工作軸6.輪胎工作原理：工作在果樹之間的空地上，修剪草地時(shí),首先通過螺旋滑動(dòng)裝置從地面調(diào)節(jié)切割刀片的高度,以確保殘茬的高度。轉(zhuǎn)角電機(jī)工作，來自割草機(jī)馬達(dá)的扭矩通過齒輪傳遞至兩個(gè)割草機(jī),以完成割草過程。在開墾果園中,需要對(duì)根部進(jìn)行切割和除草。首先,使用螺旋推桿機(jī)構(gòu)將切割盤放在地板上。一定高度時(shí),轉(zhuǎn)角馬達(dá)的作用是驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角板以指定角度旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，割草機(jī)的前部與地面平行，用于割草，而后部與地面成一定角度，用于割根和疏松土壤。當(dāng)檢測(cè)到障礙物或完成一部分工作時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向連桿，并提供避障和旋轉(zhuǎn)操作。2.2.2主要技術(shù)參數(shù)確定參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值整體尺寸（mm）1345*1000*475mm除草深度20~50mm整體質(zhì)量（KG）110KG額定電壓24V作業(yè)方式旋轉(zhuǎn)式切割驅(qū)動(dòng)輪距910mm作業(yè)速度（KM/h）1.8Km/h輪軸距490mm割幅1400mm表12.3關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)2.3.1機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于果園雜草控制機(jī)器人通常必須在成排的植物之間行走，因此可以稱為移動(dòng)果園雜草控制機(jī)器人。蛇式、跳躍式、復(fù)合式、鏈條式和輪子式是果園除草機(jī)器人對(duì)比其底盤結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)而進(jìn)行的分類。輪子式移動(dòng)機(jī)器人易側(cè)翻,控制和定位較差，難以在復(fù)雜環(huán)境中工作。通過設(shè)計(jì)緩沖系統(tǒng),可以使結(jié)構(gòu)更加合理,承載高,且擁有各種驅(qū)動(dòng)方法和良好的可操縱性?？梢酝ㄟ^結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來調(diào)整機(jī)器人工作平臺(tái)的高度,以便最經(jīng)常使用。在本文中,果園除草機(jī)器人使用了帶輪子的移動(dòng)機(jī)制。盡管其他類型的移動(dòng)機(jī)器人都有其自身的優(yōu)勢(shì),但它們?cè)诠麍@環(huán)境中存在明顯的缺點(diǎn),因此無法使用。圖2-3底座圖2-4軸基座圖2-5軸下底座輪式移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)輪數(shù)包括單輪，兩輪，三輪，四輪和六輪結(jié)構(gòu)。其中，三輪和四輪結(jié)構(gòu)機(jī)器人是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中最常用的機(jī)器人。移動(dòng)全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人最常見的底盤結(jié)構(gòu)是四個(gè)輪對(duì)稱地布置在工作平臺(tái)的四個(gè)角上。圖2-6輪圖2-7底座但是,全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也有其缺點(diǎn)。大多數(shù)四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須提前一定的距離才能完成轉(zhuǎn)向,并且運(yùn)動(dòng)被限制在很小的空間內(nèi)。全輪驅(qū)動(dòng)布局需要向機(jī)器人結(jié)構(gòu)添加減震器系統(tǒng)，從而趨向穩(wěn)定。2.3.2除草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一般情況下對(duì)除草機(jī)械設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力傳遞方便、葉片更換容易、雜草控制效率高等，以減少?gòu)?fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用。其中，雜草切割片和雜草切割刀片通過螺釘連接,在操作過程中刀片碰到石頭,樹根等,損壞后易于更換。刀頭有六個(gè)螺孔，不同數(shù)量的刀片依據(jù)于不同環(huán)境下的操作。變速箱安裝在角板上,角板通過套筒與提升框架相連。扁平的四連桿機(jī)構(gòu)安裝在升降框架的右側(cè)。升降框架移動(dòng)雜草控制執(zhí)行器以及螺桿滑臺(tái)和滑軌，滑塊相互鏈接。升降架的垂直高度是通過調(diào)節(jié)螺桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和滑塊導(dǎo)軌而實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)角馬達(dá)連接在一端,另一端通過套筒連接到轉(zhuǎn)角面板。向下驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)雜草控制執(zhí)行器的角度，功能可以隨時(shí)切換。齒輪安裝在變速箱中，大小體積完全相同,通過嚙合傳遞動(dòng)力,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩個(gè)刀頭的相同速度和反向旋轉(zhuǎn)。圖2-8螺栓圖2-9螺母圖2-10刀片除草機(jī)器人的主刀在手推車的結(jié)構(gòu)下面，由一個(gè)帶有三個(gè)環(huán)形刀片的高空加速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些刀片呈等腰三角形，適當(dāng)?shù)亟邮茈姍C(jī)以較低的完成度進(jìn)行作業(yè)，并在低能力的電機(jī)下完成高空除草能力。電機(jī)上方是大刀升降機(jī)構(gòu)，由右側(cè)和右側(cè)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，在一個(gè)穩(wěn)定的行程內(nèi)將大刀向上和向下移動(dòng)，適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)除草的不同高度。在設(shè)計(jì)刀片時(shí),必須確定切削阻力,刀具邊緣角度i,刀具邊緣線的形狀,刀具加工的可行性,刀頭的拆卸和組裝以及是否易于更換。在滿足上述條件的情況下,刀片的故障處理也是很重要的。割草和切根是除草機(jī)器人最基本的兩個(gè)功能要求。除草頭采用殼體結(jié)構(gòu),平刀片與割頭用螺釘連接;刀片和刀頭的下水平面形成一定角度。當(dāng)切割刀片旋轉(zhuǎn)土壤和根部時(shí),拐角機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)切割刀片沿刀片的軸線旋轉(zhuǎn)傾斜,以使前刀片平行于地面進(jìn)行割草,而后刀片與地面成一定角度，土壤和后葉可以穿透土壤,切開根部并轉(zhuǎn)動(dòng)草。刀片的尾部設(shè)計(jì)成階梯狀,并隨著刀頭的下部卡盤折起,以防止刀片繞螺栓軸線旋轉(zhuǎn)。藥劑噴灑系統(tǒng)噴霧裝置安裝在手推車的最初一層，包括一個(gè)12V的直流電荷泵、一個(gè)2L的水箱、3個(gè)噴霧口和一個(gè)水套口。集水池中的水通過負(fù)擔(dān)泵泵出，形成高空負(fù)擔(dān)水，從氣溶膠固定器中噴出，完成噴水。如果用戶在水箱中加入營(yíng)養(yǎng)劑或殺蟲劑，除草學(xué)徒就可以在補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)和清除昆蟲的同時(shí)進(jìn)行機(jī)械除草，與可接受的除草機(jī)相比，這大大提高了能力；如果僅靠自動(dòng)除草無法清除需要絕對(duì)根除的雜草，可以在集水盆中加入化學(xué)品，以彌補(bǔ)自動(dòng)除草的不足。2.3.3草屑收集裝置草屑收集裝置是根據(jù)真空吸塵器的功能原理設(shè)計(jì)的。它由一個(gè)收集箱組成,一個(gè)加速馬達(dá)和一個(gè)葉片組成。高速電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片,以完成有效的同化和壓力,這在積存箱中產(chǎn)生了排氣,并與室外的大氣產(chǎn)生了減弱的負(fù)擔(dān)偏差,從而在大氣壓力下將草屑吸入箱中。圖2-11集草袋2.4機(jī)器人轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-12（a）割草時(shí)，轉(zhuǎn)角電機(jī)和水平四桿機(jī)構(gòu)不工作，除草機(jī)水平放置，如圖（2-12）。工作時(shí)，轉(zhuǎn)角馬達(dá)開始驅(qū)動(dòng)連桿工作并移動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)固定并連接至翹板的角板旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，刀頭的底面與地面成一定角度。前刀片可割除雜草莖，后刀片可穿透地面，徹底割除雜草的根部，如圖（2-13）所示。圖2-13（b）機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件是四桿機(jī)構(gòu)，它能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度，起很大作用。將曲柄連接至電動(dòng)機(jī)軸,并且連桿連接至角板，實(shí)現(xiàn)其功能。四桿連桿機(jī)構(gòu)的起始位置在圖(c)中用實(shí)線表示,曲柄與車架之間的角度為,角板安裝在圖中的D點(diǎn)并與地面平行,即搖桿和機(jī)架成直角;旋轉(zhuǎn)后連桿機(jī)構(gòu)的位置在圖(c)中用虛線表示。曲柄角度為β,曲柄與連桿之間的角度為η,連桿與搖桿之間的角度為,搖桿與車架之間的角度。然后可以通過計(jì)算獲得角板的旋轉(zhuǎn)角度。圖2-14（C）由余弦定理可得四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)角線B’DB'D2B'D2四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)角線A’AC'2=AC'2由式（2-11）和式（2-12)可得:cosδ由式（2-13）和式（2-14)可得：cosη=式中，a、b、c、d分別為曲柄、連桿、搖桿和機(jī)架的長(zhǎng)度，曲柄旋轉(zhuǎn)的角度可以通過角度電動(dòng)機(jī)的角速度來計(jì)算,即;蹺板和框架之間的角度;曲柄和機(jī)器的初始位置,框架的角度是已知的,并且可以通過公式(2-13)和公式(2-14)獲得角度δ以及角度與角度之間的關(guān)系。角板的旋轉(zhuǎn)角度可以使用內(nèi)方角來計(jì)算,并且可以使用等式(2-13)和(2-14)來計(jì)算公式,即角板的旋轉(zhuǎn)角度。桿的旋轉(zhuǎn)角度可以通過控制角度電機(jī)的工作時(shí)間來獲得角板的精確旋轉(zhuǎn)角度。圖2-15己知:θ=?40°≤θ<40°;L=500mm;S=1765mm;R1=R2=L/sin根據(jù)余弦定理得：R3=R1當(dāng)取max時(shí)，車體前進(jìn)的速度v確定，時(shí)間t不斷增大，由式(2-17)計(jì)算可得：RR2.5本章小結(jié)本章分析了果園環(huán)境，初步確定了果園除草機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，解釋了除草機(jī)器人的主要組成和功能，并分析了工作原理。并設(shè)計(jì)出了機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)等機(jī)器人主體以及刀片等其他關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和計(jì)算，以及每個(gè)機(jī)構(gòu)的工作原理均已確定。第三章避障裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1避障方案的選擇除草機(jī)器人的障礙物阻擋功能是其對(duì)智能的吸收。HC-SR04加速傳感器安裝在機(jī)身的三個(gè)部位，這三個(gè)傳感器被用來分析摘要，讓其準(zhǔn)確通過路段，這樣它就可以在任何地形上發(fā)揮作用。通過連接測(cè)試，進(jìn)行校準(zhǔn)，并獲得了一個(gè)更合理，高效的避障裝置，從而得到機(jī)器人的自主導(dǎo)航功能。3.2避障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖3-1HC-SR04加速傳感器安裝在機(jī)身的三個(gè)部位，這三個(gè)傳感器被用來分析摘要，讓其準(zhǔn)確通過路段，這樣它就可以在任何地形上發(fā)揮作用。通過連接測(cè)試，進(jìn)行校準(zhǔn)，并獲得了一個(gè)更合理，高效的避障裝置，從而得到機(jī)器人的自主導(dǎo)航功能。第四章除草機(jī)器人不同地形運(yùn)動(dòng)仿真與分析4.1不同地形的仿真與分析在果園中選擇三種地形來模擬障礙物穿越，（a）為凸起地形，（b）為凹陷地形，（c）為坡面地形。圖4-1凸起地形參數(shù)B為100毫米,H35毫米和R30毫米。為了檢查越過障礙物時(shí)懸架的作用,模擬了有無懸架的機(jī)器人,并如圖所示更改了板的重心角。圖4-2從圖中可以看出，在坑周圍行駛時(shí)，板的重心會(huì)發(fā)生很大變化。使用懸架時(shí)，板的重心角度會(huì)略有變化。路過途中，在機(jī)器人整體重量的作用下，側(cè)傾角偏離在相反方向上。由圖可知，機(jī)器人的行進(jìn)方向已經(jīng)改變，并且差異很小。所以，懸架對(duì)移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜路段的穩(wěn)定性有重要影響。凹坑地形模擬中使用的坑的地形參數(shù)B為130毫米H為45毫米和R為30毫米。圖中顯示了帶和不帶懸架的機(jī)器人的仿真結(jié)果。圖(A)是當(dāng)使用懸架時(shí)用于改變板形心角的簡(jiǎn)化曲線,圖(B)是當(dāng)不使用懸架時(shí)用于改變板形心角的簡(jiǎn)化曲線。圖4-3從圖中可以看出，在坑周圍行駛時(shí)，平板的重心會(huì)急劇變化。使用懸架時(shí)，平板質(zhì)心的角度會(huì)略有變化。經(jīng)過坑后，由于機(jī)器人自身重量帶來的影響，側(cè)傾角偏離在相反方向。由圖可知，機(jī)器人的行進(jìn)方向已經(jīng)改變，并且使用懸浮偏航之間的差異很小。分析表明，機(jī)器人正在地面上的一個(gè)坑中行駛，并且懸架對(duì)保持機(jī)器人的穩(wěn)定性有明顯的影響。坡面地形模擬中使用的坡度地形參數(shù)H為50mm,θ為35°。與上面提到的兩個(gè)地形模擬一樣,此處還進(jìn)行了模擬分析,以確定是否正在使用懸架。仿真結(jié)果如圖所示。圖(a)和(b)顯示了在有和沒有懸架的情況下機(jī)器人在斜坡上的重心的變化。圖4-4由圖可知，在此類地面上行駛時(shí)，板的重心角度的幅度與斜坡波形一致，板的重心角度的變化較小。偏航角曲線表明，當(dāng)機(jī)器人的單個(gè)車輪駛過坡道時(shí)，行進(jìn)方向會(huì)偏離。有懸架時(shí)，有相對(duì)平滑的變化，并且波形也不一樣。所以，當(dāng)機(jī)器人行走在較為傾斜或不平坦的地板上時(shí)，懸架的存在與否對(duì)板的俯仰角和側(cè)傾角有很大影響。從上面的分析可以看出，該懸架被應(yīng)用于果園的除草機(jī)器人，因此隨著機(jī)器人穿越不同地形，板的重心角度會(huì)略有變化,運(yùn)行將更加平穩(wěn)。4.2地形不同參數(shù)的越障仿真與分析測(cè)量簡(jiǎn)化板的質(zhì)心角度的變化以測(cè)量整個(gè)機(jī)器人的穩(wěn)定性。僅對(duì)具有懸架的機(jī)器人進(jìn)行仿真分析。1.凸起地形地形尺寸參數(shù)R為100mm，H為15mm，35mm和55mm，相應(yīng)的R為10mm，30mm和50mm。通過仿真得到的重心角的曲線如圖所示。圖（a），（b）和（c）是平板的俯仰角，側(cè)傾角和偏航角的變化曲線。圖4-5圖4-6從圖中可以看出，當(dāng)除草機(jī)器人在凸形地形上行駛時(shí)，隨著凸形障礙物高度的增加，板的重心的俯仰角，側(cè)傾角和偏航角也逐漸增大。在凸面地面上行駛后，偏航角逐漸變化。。2.凹坑地形使用深度H和圓弧R的半徑作為變量來創(chuàng)建地形的模擬模型，并研究對(duì)機(jī)器運(yùn)行的影響。地形尺寸參數(shù)B為30mm，H30mm，45mm和60mm，相應(yīng)的B為100mm，130mm和160mm。仿真結(jié)果如圖所示。圖（a），（b）和（c）是平板的俯仰角，側(cè)傾角和偏航角的變化曲線。圖4-7圖4-8從圖中可以看出,當(dāng)機(jī)器人在坑的底部移動(dòng)時(shí),隨著坑的寬度和深度的增加,板的重心的俯仰角,側(cè)傾角和偏航角逐漸增大,增加。礦場(chǎng)的兩個(gè)參數(shù)值越大,重心角度的變化越大,偏航也越嚴(yán)重。當(dāng)車輪通過凹坑時(shí),車輪向上和向下伸出時(shí),重心角度變化曲線會(huì)更加嚴(yán)重。坡面地形創(chuàng)建了山坡地形的仿真模型，并將深度梯度θ用作變量來研究其對(duì)機(jī)器運(yùn)行的影響。地形尺寸參數(shù)H為50mm，θ為20°，35°和50°。仿真結(jié)果簡(jiǎn)化了板的重心角的曲線，如圖所示。從圖中可以看出，除草機(jī)器人在單輪平坦道路上行駛時(shí)，坡度越大，板的重心越大，坡度越大，重力角越大。雜草控制機(jī)器人的范圍。對(duì)穩(wěn)定性的影響越大，偏航就越強(qiáng)。圖4-9圖4-10總之，當(dāng)雜草控制機(jī)器人在果園中工作時(shí)，車輪將越過障礙物。機(jī)械手板的重心越大，偏航越嚴(yán)重，與實(shí)際操作工具相對(duì)應(yīng)。機(jī)器人車。將懸架機(jī)構(gòu)加入機(jī)器人結(jié)構(gòu)后，板的重心角幅度明顯減小，可以有效提高其運(yùn)動(dòng)過程的穩(wěn)定性，并且懸架具有明顯的優(yōu)勢(shì)。多功能果園避障除草機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1果園除草機(jī)器人控制系統(tǒng)功能要求多功能果園避障除草機(jī)器人控制系統(tǒng)功能要求如下：①能夠滿足基本的智能化操作，除了除草之外還應(yīng)包括啟動(dòng)停止、前進(jìn)、后退、加減速、轉(zhuǎn)彎、避樹，并且移動(dòng)靈活。②爬坡功能：有一定程度的爬坡功能。③緊急停止功能：面對(duì)突發(fā)狀況，可以做到緊急停止，關(guān)閉系統(tǒng)等，以減少損失。④自檢功能：會(huì)對(duì)低電量、零件損壞、系統(tǒng)故障等發(fā)出警告，以保證除草效率。⑤輔助照明裝置：在光線較暗的地方或者晚上進(jìn)行照明，提高效率。5.2控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)使用了SIMATICS7-200SMART系列的PLC進(jìn)行編程控制。它會(huì)識(shí)別傳感器模塊的輸入信號(hào)并進(jìn)行識(shí)別演算，從而利用程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制，并將相應(yīng)功能的控制信號(hào)輸出到各種驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)除草機(jī)器人接收到控制信號(hào)之后，就開始驅(qū)動(dòng)各個(gè)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)左右行走電動(dòng)機(jī)和推桿電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)，最后機(jī)器人開始了相應(yīng)地運(yùn)動(dòng)。圖5-15.3硬件選型硬件的選擇至關(guān)重要，就好比人的大腦一樣。它的主要作用是接收信號(hào)，收集并準(zhǔn)確計(jì)算信息，然后通過分析給出相應(yīng)的指令，從而達(dá)到機(jī)器人正常工作的目的，也確保了機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)準(zhǔn)確，快速地達(dá)到設(shè)定的操作目標(biāo)。這是除草機(jī)器人實(shí)現(xiàn)除草控制，避開障礙物，行走和轉(zhuǎn)彎等基本功能的重要機(jī)制。5.4驅(qū)動(dòng)選擇與電路設(shè)計(jì)5.4.1行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖5-25.4.2轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)利用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，型號(hào)為DM542，使用直流24V電源,精度高、定位準(zhǔn)，低速運(yùn)行時(shí)較為穩(wěn)定，噪音和振動(dòng)低。并且體積小,可以使用驅(qū)動(dòng)器上的選擇器設(shè)置不同電流進(jìn)行輸入。DM542驅(qū)動(dòng)器功率接口為+V，電壓一般保持在16-50V，最大電流為5A。GND表示直流負(fù)極，作用是連接驅(qū)動(dòng)器電源；5.5控制原理圖5-35.6PLC程序設(shè)計(jì)圖5-4圖5-5總結(jié)與展望總結(jié)(1)果園