马铃薯联合收获机输送臂运动防碰位置控制研究

马铃薯联合收获机输送臂运动防碰位置控制研究

0对马铃薯的防碰控制杏仁率是衡量甘薯收获质量的重要因素之一，也是衡量酪氨酸生产技术技术的重要指标之一。但在马铃薯收获的过程中,为了避免由于输送臂与马铃薯堆之间的距离不当而对马铃薯造成的伤害,驾驶员要不断地对输送臂的高度和水平位置进行调整,使输送臂的末端位置与马铃薯堆之间保持合适的距离。收获马铃薯时,输送臂的末端位置与收获的马铃薯之间的距离可保持在某个定值,如果距离过大,马铃薯在落入集装箱时互相之间容易产生碰撞而造成伤薯;如果距离过小,输送臂又可能会对马铃薯块产生碰撞,从而影响马铃薯的贮藏。目前,对于马铃薯的防碰控制有两种方式:一是在臂段上添加保护罩、气囊以及红外测距传感器装置,对碰撞进行实时探测,达到控制的效果;二是利用反馈装置获得部件的位置信息,通过预存的限位信息来判断是否会发生碰撞。本文根据第2种防碰思路,研究如何利用虚拟样机进行仿真,得到机构的限位数据,利用限位算法实现运动控制。1马铃薯输送臂模型由于ADAMS软件的实体建模功能不强,所以虚拟样机的建模在CAD软件Pro/E中完成,如图1所示。首先,建立马铃薯输送臂模型和车斗模型;然后,利用Pro/E和ADAMS软件多接口程序Mechanism/Pro来生成ADAMS可以读取的文件,将模型导入ADAMS环境下。2控制函数的调整将仿真分析、探测所得的点信息和数据拟合成为所关心的函数,并编制好先后判断顺序,输入单片机,实现控制效果。2.1车斗旋转点位置的确定输送臂与马铃薯和车斗发生干涉的主要原因是车斗内马铃薯位置升高和牵引车斗的拖拉机横向偏移,但是这些数值的变化都是有限的,都处在一定的范围之内,如果超出可以调节的范围就报警。图2为输送臂系统的简化图。图2中,长臂和短臂的端点用A,B来表示,以长臂L1的旋转点O为原点,y轴指向上方,x轴指向收获机的右侧,建立直角坐标系。由收获机和车斗的尺寸结构关系,可以计算出车斗中心线与大臂旋转点O的最佳距离为2250mm。工作时,车斗中心线的基准位置为(2250mm,0),允许车斗向两侧偏离的位置坐标为(1850,0)和(2850,0),即此两种情况为车斗在水平位置所允许的极限位置。本研究还假设收获机和车斗都在相对平缓的地面上工作,即车斗底部相对于收获机竖直位置相对不变,而且O点与车斗底部在同一水平位置。在垂直方向,将车斗高方向划分为m-1=10等份,其中m是马铃薯在竖直方向可能出现的位置,将马铃薯顶部可以横向移动的范围(1850,2850)也划分为n-1=10等份,那么可以得到m*n=11*11=121个空间状态,也就是121个(车斗偏移+马铃薯高)状态。2.2机械臂比的计算控制思路是利用运动学仿真分析得到机械臂端部,即B点在这121个状态下应该所处的合适位置,对应适当的两个角度θ1和θ2。对于二自由度的输送臂系统,主要考虑长臂的转动角度θ1、短臂相对于长臂的转动角度θ2。具体操作步骤是:对每一个车斗横向位置及其每一个马铃薯堆高度,转动机械臂,直到B点达到合适的位置(距离马铃薯堆顶垂直距离为30cm,且横向位置和小车中心线的横向位置相同)。这样可以得到一张11*11的表,横坐标是车斗中心线的位置,纵坐标是马铃薯的高度,表中的每一个值都是一个数对(θ1,θ2)。此项工作可以在Adams中完成,拟成的表格如表1所示。2.3马铃薯的高度由于设计的原因,输送臂端B点的纵坐标有其最小值,控制角度为(45°,45°)。当车斗内马铃薯的高度位置低于某一个值时,不能再次通过调节机械臂而使B点的纵坐标小于最低值。另外,为了在垂直方向保持输送臂端部与马铃薯之间的合理距离,只有当马铃薯的高度达到一定值时,B点的横坐标才能达到极限值。当y<800mm时,可以通过查表求得θ1和θ2;当800mm<y<1600mm时,θ1和θ2公式为θ1=1.3×10-6x-2-1.3×10-5y2-4.4×10-4xy-3.2×10-3x+2.1×10-3y+78.3θ2=8.4×10-6x2-4.37×10-6xy+8.2×10-6y2+4.7×10-3x+4.9×10-3y+53θ1与θ2拟合后的曲面如图3和图4所示。3建立列表中的制度3.1创建阶乘变量3.1.1e.torque2和2.2.22和3.2222.3.2.3.3e.torque2和2.2.222.22.5.2.22.22.5.2.5.2.2.2.2.3.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.3.2.3.2.3.2.3.2e1和2.2.2.2.2.2.2.3.2.3.2.3.2.3e.2222.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.3.2.2.2.3.2.2.2.2.3.2.2.3.2.2.3.2.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3.2.3创建力矩Torque_1和Torque_2,并创建状态变量.e.Torque_1和.e.Torque_2,分别把Torque_1和Torque_2的值赋给.e.Torque_1和.e.Torque_2。这样,将状态变量与力矩关联起来,力矩的取值将来自于状态变量Torque_1和Torque_2。3.1.2点与臂转轴位置用Measure方法建立“theta_1”和“theta_2”两个变量,表示输送臂两个连杆旋转过程中实际的角度值,分别用(Marker322,Marker310,Marker347)和(Markerend,Marker322,Marker310)来表示。其中:点Marker322位于大臂与小臂连接的轴中心,属于大臂;点Marker310位于下臂下面转轴中心,属于大臂;点Marker347位于大地(ground)上面,与点Marker310的y坐标值相等;点Markerend表示输送臂末端点,位于小臂转轴,属于小臂。当输送臂旋转时,用Measure菜单中Display可以显示角度值的变化。3.1.3角速度变量a2创建“dtheta_1”和“dtheta_2”两个角速度变量,其意义是角度对时间的倒数。因此,可以分别用大臂和小臂转轴上的旋转副沿z轴旋转式的角速度来表示。3.1.4建立末端坐标值变量用.e.x和.e.y来表示输送臂末端位置的坐标值,建立完状态变量后,可以对变量参数进行修改。3.2基于torque的torque用PlantInput来创建控制系统的输入变量,并指定为.control.PINPUT_Torque,包括Torque_1和Torque_2;用PlantOutput来创建系统输出变量,并指定为control.poutput_Control,包括theta_1和theta_2。3.3matlab信号机制ADAMS/Control模块支持同EASY5和MATLAB等控制系统设计分析软件进行联合分析。本文将控制模块选择为MATLAB,其样式为non_linear。ADAMS/Solver选为Fortran形式,设置完成后,在ADAMS的工作目录下将生成control_ann,control_ann.cmd和control_ann.adm等3个文件。启动MATLAB,在SIMULINK中建立控制系统模型。首先,应该将MATLAB工作目录设定为ADAMS导出路径,在MATLAB命令行模式中运行*.m文件,会生成输入变量、输出变量和工作目录等一系列系统变量;然后,在命令行模式中生成ADAMS_sub控制模块,通过添加ADAMS_sub子模块把SIMULINK中的控制系统模型与ADAMS中的机械模型连接起来,如图5所示。其中,S-Function方框表示ADAMS模型的非线性模型(即进行动力学计算的模型),State-Space表示ADAMS模型的线性化模型。在adams_sub中,包含有非线性方程,也包含有许多有用的变量。3.4实际角度与期望角度的差创建两个误差向量“.e.input_gang1”和“.e.input_gang2”,分别表示输送臂两个连杆在运行过程中实际角度与期望角度的差。各自的函数分别用Value(θ1)-Value(theta_1),Value(θ2)-Value(theta_2)来表示,然后创建“.e.input_gang1”和“.e.input_gang2”的微分向量,分别用“.e.input_dgang1”和“.e.input_dgang2”来表示。4输送臂位置控制精度基于该模型,对于系统中存在的各种非线性因素(如旋转过程中重心变化进而引起力矩的变化以及实际的作业环境等),对系统动态性能的影响进行了全面的仿真分析。在实际作业中,由于输送臂与马铃薯之间的距离控制精度要求不很高,所以它们之间的距离只要在允许的范围之内,就可以满足要求。图6为输送臂运动过程中θ1随时间的变化轨迹。曲线代表θ1随时间变化的理想值,“*”表示θ1的实际值。经计算,轨迹误差的平均值为0.01rad,最大距离误差为0.02rad。图