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、提高林木產(chǎn)量及品質(zhì)的有效措施之一。近年來，為加快我國森林業(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，針對撫育機(jī)器人進(jìn)行研究和開發(fā)勢在必行。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)行簡化，則

(1)

圖1 撫育機(jī)器人動(dòng)作部件坐標(biāo)系簡圖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)器人的工作過程：在駕駛控制室的識(shí)別檢測與控制指令發(fā)出后，撫育機(jī)器人通過連接傳遞的傳動(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)別對象裝置、傳遞感知及準(zhǔn)確測量裝置和控制執(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，對智能控制的硬件進(jìn)行選型與匹配測試，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，通過對各閥門控制的優(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)控制算法流程簡圖，如圖5所示。通過將預(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)仿真過程中，對動(dòng)作部件進(jìn)行實(shí)時(shí)軌跡跟蹤，繪制軌跡跟蹤的對比圖。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)。