基于模糊控制的剪枝机器人驱动系统的研究

论文摘要

本文针对我国目前人工林剪枝设备落后、劳动强度大、安全性差等问题,对剪枝机器人的驱动系统做了研究设计。该剪枝机器人能够准确地搜寻树上的枝丫和快速地完成剪枝操作,具有自动化程度高,操作简单,使用方便等特点。目前,随着人们对森林覆盖率社会意识的提高以及国家退耕还林等相关政策的出台,剪枝机械的研究、开发和应用已经成为林业发展的必需硬件设备,越来越受到国家的重视,有着极为广阔的市场前景。本文首先对剪枝机械的国内外研究和使用现状作了简单的介绍,进而阐述该课题的研究方向、方案的可行性、课题的主要内容和研究的创新之处。为实现整个系统的功能要求,对系统控制芯片和驱动电机的类型等进行了选择。确定了以TMS320LF2407ADSP为核心控制器,异步电机调速和模糊控制为剪枝机器人驱动系统的核心部分。本系统采用DSP作为模块的核心处理芯片,设计了基于DSP的剪枝机器人驱动系统。本文针对模糊控制下DSP驱动电机作了深入的理论和实践研究；搭建了一个基于DSP的机器人控制平台,其中包括：DSP最小系统、外围电路的设计、通讯接口电路、夹紧电机驱动电路设计,检测电路的设计等；控制系统的软件设计方法,然后概括了硬件电路设计中所必须考虑的抗干扰措施。介绍了软件控制的总体策略与控制结构,分块介绍了PWM产生程序、串口通讯程序、A/D转换程序及系统的主程序。最后,根据样机进行相关实验,并对系统结果进行了仿真,从而验证了该设计控制方案的正确性和可行性。仿真结果验证了本文提出的模糊控制器DSP控制技术的可行性,总结了作者的研究成果,并阐述需要进一步深入研究的工作。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义
• 1.2 国内外剪枝机械的发展
• 1.3 本课题所具备的技术要求
• 1.4 本课题创新之处
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 2 剪枝机器人驱动系统总体设计方案
• 2.1 驱动控制系统总体组成
• 2.2 剪枝机器人的结构设计
• 2.3 系统主要功能及工作原理
• 2.4 剪枝机器人电机的选型
• 2.5 本章小结
• 3 剪枝机器人电机调速系统的设计
• 3.1 电机调速系统的设计
• 3.1.1 矢量控制技术的发展
• 3.1.2 矢量控制技术的应用
• 3.2 异步电动机矢量控制理论
• 3.3 矢量变换的实现
• 3.4 转子磁链位置计算模块
• 3.5 电压空间矢量的脉宽调制
• 3.6 SVPWM仿真
• 3.7 本章小结
• 4 剪枝机器人模糊控制器的设计
• 4.1 模糊控制理论
• 4.2 模糊控制器的组成
• 4.3 模糊PID控制器设计
• 4.3.1 模糊子集及论域的确定
• 4.3.2 模糊子集隶属函数的确定
• 4.3.3 偏差和偏差变化的模糊化
• 4.4 模糊规则表的建立
• 4.5 剪枝机器人模糊控制器的设计
• 4.5.1 控制对象的运行规律分析
• 4.5.2 模糊控制器的设计
• 4.5.3 模糊控制规则表的确定
• 4.5.4 闭环控制
• 4.6 模糊控制系统软件设计
• 4.7 仿真结果及分析
• 4.8 本章小结
• 5 剪枝机器人DSP驱动系统的硬件设计
• 5.1 驱动系统硬件设计总体方案
• 5.2 驱动系统硬件设计
• 5.3 控制芯片选择
• 5.3.1 电机控制芯片TMS320F2407ADSP
• 5.3.2 串口通讯电路设计
• 5.4 剪枝机器人驱动系统主电路设计
• 5.4.1 电源设计
• 5.4.2 系统控制回路设计
• 5.4.3 检测电路部分设计
• 5.4.3.1 电压检测电路
• 5.4.3.2 电流检测电路
• 5.4.3.3 速度检测电路
• 5.5 保护电路
• 5.6 JTAG仿真接口设计
• 5.7 SVPWM控制模块
• 5.8 本章小结
• 6 剪枝机器人驱动系统的软件设计
• 6.1 系统控制软件的任务和设计方案
• 6.2 系统主程序设计
• 6.2.1 PWM中断服务程序
• 6.2.2 故障中断处理程序
• 6.3 电流采样程序模块
• 6.4 测速环节
• 6.5 剪枝机器人传感器运行的软件设计
• 6.6 剪枝机器人剪枝的软件设计
• 6.7 系统软件抗干扰设计
• 6.8 仿真模型的建立
• 6.9 试验结果
• 6.10 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢