撫育機(jī)器人優(yōu)化性設(shè)計(jì)—基于MatLab

秦麗娜

(武漢商學(xué)院，武漢 430056)

0 引言

森林撫育是有效促進(jìn)林木生長(zhǎng)、提高林木產(chǎn)量及品質(zhì)的有效措施之一。近年來(lái)，為加快我國(guó)森林業(yè)的發(fā)展，森林年輕苗種的撫育采伐逐年受到重視，用于森林撫育采伐的工具或設(shè)備整體性能水平亟待提高。為較好地提高工作效率與降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，針對(duì)撫育機(jī)器人進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。動(dòng)作的精準(zhǔn)定位與撫育控制決定撫育機(jī)器人工作效率的高低，而本課題在移動(dòng)撫育機(jī)器人動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型及路徑規(guī)劃不同控制算法的基礎(chǔ)上，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)分析及最優(yōu)算法理論對(duì)撫育機(jī)器人的關(guān)鍵動(dòng)作部件[1-2]進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 動(dòng)作部件優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型建立

進(jìn)行撫育機(jī)器人動(dòng)作部件的理論模型構(gòu)建，首先要建立正確的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系(見(jiàn)圖1)，并結(jié)合正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程[3]之間的轉(zhuǎn)換機(jī)理(見(jiàn)圖2)，求解矩陣，則

Ti=Rot(z,θi)Trans(0,0,di)Trans(αi,0,0)
Rot(x,θi)=

在忽略不可避免的剛性影響因素前提條件下，對(duì)撫育機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行部件的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，則

(1)

圖1 撫育機(jī)器人動(dòng)作部件坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖Fig.1 Coordinate system brief diagram of the moving parts of the tending robot

圖2 正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解轉(zhuǎn)換關(guān)系簡(jiǎn)圖Fig.2 Simple diagram of the solving and transform relationship between the forward and inverse kinematics

式中n—廣泛意義上的坐標(biāo)系；

T—所建模型系統(tǒng)的動(dòng)能；

Qi—廣泛意義上的作用力；

U—相關(guān)勢(shì)能函數(shù)變量；

D—相關(guān)耗散函數(shù)變量。

1.2 物理模型優(yōu)化

撫育采伐機(jī)器人的工作過(guò)程：在駕駛控制室的識(shí)別檢測(cè)與控制指令發(fā)出后，撫育機(jī)器人通過(guò)連接傳遞的傳動(dòng)部件，其動(dòng)作部件如主臂、副臂及伸縮臂進(jìn)行森林撫育作業(yè)。此過(guò)程中，各臂桿的結(jié)構(gòu)與尺寸協(xié)調(diào)成為優(yōu)化動(dòng)作部件的核心。參照楊捷的基于MatLab平面機(jī)構(gòu)分析與解析理論[4]，利用繪圖軟件并根據(jù)機(jī)械機(jī)構(gòu)的靜態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)等原理確定關(guān)鍵參數(shù)[5]，給出三維模型優(yōu)化簡(jiǎn)圖，如圖3所示。進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，著重計(jì)算撫育機(jī)器人動(dòng)作部件的作業(yè)速度、加速度及各臂桿所承受的慣性力與慣性力矩之間的聯(lián)系，同時(shí)應(yīng)考慮避開(kāi)臂系的個(gè)別部位應(yīng)力集中等現(xiàn)象[6]，確保整個(gè)撫育動(dòng)作部件各關(guān)節(jié)之間連接準(zhǔn)確牢固，撫育作業(yè)順暢高效。

圖3 撫育機(jī)器人動(dòng)作部件三維模型簡(jiǎn)圖Fig.3 3D model brief diagram of the moving parts of the tending robot

2 基于MatLab參數(shù)優(yōu)化

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能撫育機(jī)器人的硬件主要由識(shí)別對(duì)象裝置、傳遞感知及準(zhǔn)確測(cè)量裝置和控制執(zhí)行主體部件等組成。圖4為擬優(yōu)化的撫育機(jī)器人動(dòng)作部件結(jié)構(gòu)框圖。在改進(jìn)機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)之后，對(duì)智能控制的硬件進(jìn)行選型與匹配測(cè)試，并輸入相關(guān)軟件程序進(jìn)行調(diào)試作業(yè)。

圖4 撫育機(jī)器人動(dòng)作部件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The structure diagram of the moving parts of the tending robot

在PWM調(diào)控之下，通過(guò)對(duì)各閥門(mén)控制的優(yōu)化得出動(dòng)作終端執(zhí)行部件伺服馬達(dá)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置，如表1所示。結(jié)合CAN總線及上位機(jī)的功能，在控制電路的環(huán)境之下，基于MatLab[7]，利用最小二乘法建立目標(biāo)函數(shù)及給定約束條件，對(duì)各比例控制閥、轉(zhuǎn)向控制閥等進(jìn)行替換，以期達(dá)到最佳動(dòng)作效果。

表1 撫育機(jī)器人動(dòng)作終端執(zhí)行部件參數(shù)設(shè)置表Table 1 The parameter setting table of the moving terminal execution part of the tending robot

2.2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)定

針對(duì)撫育作業(yè)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)控制程序，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法的基礎(chǔ)上采用優(yōu)化獎(jiǎng)懲函數(shù)思想，選取RBF性能指標(biāo)函數(shù)，對(duì)機(jī)械壁精細(xì)控制調(diào)節(jié)，并在其指導(dǎo)下執(zhí)行動(dòng)作，則

撫育機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制算法流程簡(jiǎn)圖，如圖5所示。通過(guò)將預(yù)設(shè)目標(biāo)位置與實(shí)際撫育作業(yè)動(dòng)作部件的工作位置進(jìn)行對(duì)比判別，進(jìn)而執(zhí)行不同的控制指令，達(dá)到智能調(diào)控目標(biāo)。

圖5 撫育機(jī)器人動(dòng)作控制算法流程圖Fig.5 The flow chart of the moving control algorithm of the tending robot

同時(shí)，進(jìn)行加權(quán)矩陣調(diào)節(jié)，融入自適應(yīng)規(guī)律，使得控制更加精準(zhǔn)化、高效化。其核心加權(quán)函數(shù)矩陣為

撫育機(jī)器人的動(dòng)作部件主要執(zhí)行立木、修整、伐木、運(yùn)輸及堆放等。根據(jù)其作業(yè)林地的直線、弧線與自主識(shí)別路徑規(guī)劃與避障[8]及機(jī)器人在行進(jìn)工作中的平穩(wěn)性條件[9]，將所建仿真模型相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)輸入MatLab，根據(jù)其專業(yè)仿真及計(jì)算功能，對(duì)各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)軟件化程序設(shè)置。部分程序段編寫(xiě)如下：

#include < Servo.h >

Servo servo1, servo2,

servo3, servo4;

int val1,val2,i,j,pos,

sensor1=1,sensor2=2;

void setup()

{

servo1.attach(5);

servo2.attach(2);

…

pinMode( sensor1,OUTPUT);

serial.begin(115200);

}

Void loop()

{

servol.write(80);

…

i=analogRead( sensor1);

val1=(6950/(i-3))-4;

if(val1==12)

{

for(pos=80;pos<=114;pos+=1)

{

servo1.write(pos);

delay(30);

…

}

…

3 動(dòng)作部件試驗(yàn)仿真

在MatLab軟件環(huán)境下利用Robotics Toolbox進(jìn)行動(dòng)作部件試驗(yàn)仿真[10]，進(jìn)行最優(yōu)值求解前將前提條件與關(guān)鍵參數(shù)值按照仿真要求設(shè)置完畢，力求與森林實(shí)地作業(yè)環(huán)境相似及給定撫育作業(yè)要求相同；針對(duì)動(dòng)作部件的運(yùn)動(dòng)角度進(jìn)行輸出數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)將核心算法[11-14]與運(yùn)動(dòng)學(xué)求解互補(bǔ)，有效避免求解過(guò)程中的奇異點(diǎn)現(xiàn)象，可以整體把握仿真效果，提高運(yùn)算速度。由圖6可以看出：動(dòng)作參數(shù)θ3的試驗(yàn)值與期望設(shè)計(jì)值吻合較好。

圖6 動(dòng)作部件θ3試驗(yàn)與期望值輸出效果對(duì)比Fig.6 The output effect comparison between the testing and the expected values of the moving pact θ3

試驗(yàn)仿真過(guò)程中，對(duì)動(dòng)作部件進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡跟蹤，繪制軌跡跟蹤的對(duì)比圖。在給定路徑運(yùn)作時(shí)，仿真模型可做到準(zhǔn)確化執(zhí)行。由圖7可以看出：在初期動(dòng)作部件執(zhí)行動(dòng)作存在一定的機(jī)械誤差，不影響整體對(duì)比；后期兩者具有較強(qiáng)的吻合性，誤差范圍控制在5%左右，驗(yàn)證了優(yōu)化部件的可行性。

圖7 撫育機(jī)器人動(dòng)作部件仿真軌跡跟蹤對(duì)比圖Fig.7 The contrast figures of simulation trajectory tracking about the moving parts of the tending robot

4 結(jié)論

1)通過(guò)分析撫育機(jī)器人動(dòng)作部件的作業(yè)原理、構(gòu)件組成及各關(guān)節(jié)間的銜接條件，建立關(guān)鍵部件機(jī)械臂的三維仿真模型，并將機(jī)械臂控制的硬件如伺服馬達(dá)等進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。在傳感控制及識(shí)別技術(shù)的基礎(chǔ)上，借助于控制核心算法、獎(jiǎng)懲函數(shù)及MatLab工具等完成動(dòng)作部件的仿真運(yùn)行，并驗(yàn)證各環(huán)節(jié)優(yōu)化的合理性與仿真的可靠性。

2)此優(yōu)化撫育機(jī)器人的方法對(duì)森林撫育設(shè)備的其他控制部件改善有一定的借鑒作用，可對(duì)森林撫育機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃與智能準(zhǔn)確控制提供發(fā)展方向和理論應(yīng)用基礎(chǔ)。