【《果园除草机器人系统设计》14000字】

果园除草机器人系统设计摘要我国是世界上的果树种植大国，由于近年来，果园中果树的种植模式朝着标准化发展，果园中的除草方式也向着机械化发展，但是国内用于果园除草的机械类型较少，大多都是国外进口的产品，价格都比较昂贵。因此本毕业设计尝试设计一款果园除草机器人，能够实现在一定程度上帮助人们完成除草作业、减轻劳动强度、减少农药使用、提升果园管理机械的自动化与智能化水平。果园除草机器人系统设计主要分为两大部分：机械部分和控制部分。机械部分分为行走机构、升降装置及除草装置，行走机构由后轮驱动机构、前轮转向机构、车身固定安装板、扶手机构、电池组、控制柜组成，行走机构是果园除草机器人的基础部分，是果园除草机器人工作的前提，主要实现机器人的运动；升降装置包括电动推杆、刀盘架、三角形连接架，主要实现除草机器人除草装置的升降；除草装置由除草机构、避障机构组成，主要实现除草机器人除草功能。控制部分主要分为五个部分：行走电机正反转控制、故障报警检测控制、步进电机控制、蓄电池电量检测控制。对于步进电机的控制不能直接通过直流或交流来控制，需要选择相应的步进驱动器来控制。控制部分主要是通过传感器检测相应的模拟量，然后将模拟量输入PLC-200模拟量模块，通过PLC程序分别控制各开关量，从而控制各个器件，最终达到整个系统的协调控制。关键字：果园除草机器人，PLC—200，人机界面；目录25677_WPSOffice_Level1第一章绪论 115300_WPSOffice_Level21.1课题的研究背景与意义 14185_WPSOffice_Level21.1.1课题的研究背景 129024_WPSOffice_Level21.1.2课题的研究意义 18934_WPSOffice_Level31.2果园除草机器人的国内外研究现状 232182_WPSOffice_Level31.2.1国外研究现状 232182_WPSOffice_Level31.2.2国内研究现状 332182_WPSOffice_Level31.3除草机器人的整体方案设计 46028_WPSOffice_Level1第二章除草机器人机械部分设计 58681_WPSOffice_Level22.1整体机械结构设计 526273_WPSOffice_Level22.1.1除草机器人的结构组成以及工作原理 59744_WPSOffice_Level32.1.2技术参数确定 61352_WPSOffice_Level32.2关键零部件设计 621473_WPSOffice_Level32.2.1除草机器人行走机构设计 617819_WPSOffice_Level32.2.2转向机构设计 723318_WPSOffice_Level22.2.3齿轮的设计 9199_WPSOffice_Level32.2.4后轮驱动机构设计 118992_WPSOffice_Level32.2.5行走机构的整体装配图 147326_WPSOffice_Level32.3除草装置以及避障机构的设计 1430681_WPSOffice_Level32.3.1除草装置设计 1430681_WPSOffice_Level32.3.2避障机构设计 1530681_WPSOffice_Level32.4刀盘升降机构的设计 169567_WPSOffice_Level1第三章果园除草机器人控制系统设计 1920140_WPSOffice_Level23.1控制系统整体方案 1926550_WPSOffice_Level23.2硬件选择 1928781_WPSOffice_Level33.2.1传感器选择 1915840_WPSOffice_Level33.2.2PLC的选型 2011698_WPSOffice_Level33.2.3模拟量模块的选择 2026859_WPSOffice_Level33.2.4数字量模块的选择 207586_WPSOffice_Level33.2.5电池组的选择 2130980_WPSOffice_Level23.3驱动选择与电路设计 2111425_WPSOffice_Level23.3.1行走电机驱动选择 2120141_WPSOffice_Level23.3.2转向电机驱动选择 2220141_WPSOffice_Level23.3.3推杆切换电路设计 2420141_WPSOffice_Level23.4I/0分配 2520141_WPSOffice_Level23.5可编程逻辑控制器电路 2627290_WPSOffice_Level1第四章软件设计 2726003_WPSOffice_Level24.1程序设计流程图 276928_WPSOffice_Level24.2PLC梯形图编程 276928_WPSOffice_Level24.3人机界面设计 3217896_WPSOffice_Level1结束语 3614716_WPSOffice_Level1参考文献 38第一章绪论1.1课题的研究背景与意义1.1.1课题的研究背景作为苹果产量、种植面积、和销量均占在世界总量的50%以上的苹果生产和消费大国，我国在世界的苹果产业拥有着举足轻重的地位。近几十年来我们国家对果园的投入加大力度，果园经济成为了我们国家农村发展的主要产业，也是农村地区发展的重要组成部。我国主要分布在渤海湾、黄土高原、西南冷凉高地和黄河故道四大产区等地的苹果种植面积已超过66.7万公顷，其中，生态及气候优势更占优的渤海湾产区和西北黄土高原产区，两个区域的苹果种植面积已占据占全国的50%以上。而往后黄河故道产区位列第二梯队，西南冷凉高地苹果则由于产业基础薄弱，生产规模较小等因素，无法达到苹果生产优势区域的标准。多为丘陵山区果园产区的西北地区，地理状况有坡多平地少的特点；而已平原地区占多数的渤海湾地区，其种植模式以每家每户分散种植为主。果园四季的管理项目繁多，尤其是杂草的清理工作，每年大概需要清理4次左右，而目前大部分的果园除草作业需要人们的参与，有着效率低、成本较高、任务重等一系列问题，此外，由于今年我国城镇化提高，农村的人口数量下降，以及劳动力的不足，这已经成为制约我国苹果产业持续高效发展的主要阻碍。正是意识到果园除草的重要性，果农们纷纷尝试不同的除草方式，其中包含着物理除草、机械除草等方式。其中化学除草因其需要借助化学药品的原因不仅会影响环境的质量，也会降低食物的质量；生物除草指的是生草制果园模式，通过种植可抑制杂草生长的多年生的牧草，改善果园小气候，并能防止水土流失，保持土壤的营养成分。1.1.2课题的研究意义果园杂草是影响果树生长重大原因，是果树的大敌，它们不仅抢夺果树生长所必须的养分、水分等，还可以通过诱发病虫、影响光照等妨碍果树的生产。一般而言，杂草可致使果树减产10%～20%，尤其是草荒严重的果园，甚至可导致幼树不能适龄结果，即使结果了树势相对衰弱，寿命减少，果实小而品质差，病虫果率大幅上升，商品率低下。基于此，科学有效地控制草害是保证果树健康生长的必修课，是进一步促进果园发展、提高果品质量有效措施。传统种植模式下的果园一般有人工除草和化学除草等方式。随着最近几年科技的不断发展，果园除草机器人的设计发明不断出现，它帮助果农们完成除草的工作，并且减掉农药的数量，这样对果园有着很大的好处，提高了果园机械和智能水平。在此情况下，为了改善果园中除草机械的缺乏情况，本文尝试设计一款能够同时实现除草和避障这两种功能并且可以对不同的除草要求进行选择的果园除草机器人。1.2果园除草机器人的国内外研究现状1.2.1国外研究现状与国内相比较，除草机器人在国外的研究比较早、技术相对完善，但是其主要的研究方向用于田间除草合区草坪割草。美国伊利诺伊大学就研究出了如图1-1所示的四轮行走式除草机器人，该机器人的除草机构由5自由度的机器臂和末端执行器组成，其控制原理是控制器对机械臂发出控制信号，机械臂在接受到信号后并旋转运动到杂草的径部，用割草刀割断杂草，之后化学涂抹器将化学药物涂抹到杂草的断径上，以此来达到消灭杂草的目的。这种精确应用到杂草身上的方式，极大地减少了农药的使用情况，可以很好的减低农药对环境的污染。图1-1美国伊利诺伊大学的除草机器人图1-2荷兰GTM1350EVO除草机荷兰的威而德公司设计了一种可以乘坐的自走式除草机GTM1350EVO，如图1-2所示。设计的除草机体积小、质量较轻，且易于新手的操作，转弯时的转弯半径较小。在日常是生活中该机器人主要作为草坪的修剪工作，针对于不同的草坪可以选择相应的刀具以及相应的除草工作方式等。在日本筑水株式会自主研发生产了一款型号为筑水牌9GZ-221的可乘坐式除草机器人，如图1-3所示。除草机器人可以在杂草密集以及杂草的茎秆较粗的场地工作，具有在转向时转向灵敏度高，在行走时可以调速的范围较大等特点。 图1-3筑水牌9GZ-221除草机器人1.2.2国内研究现状和国外状况相较，国内对于智能除草机器人发展较晚，竞争力弱,种类少，水平低。还在实验室期，在关键技术方面研究多，精度、工作效率比发达国家差。南京林业大学的陈勇等同学在设计模糊控制导航、机器视觉自主导航以及在色彩特征识别杂草等理论的基础上研发了一种直接施药的除草机器人，这个机器人可以自己行走和自己除草，在割草刀切断草茎的时候，药物在杂草刀口上喷上除草剂，药效实验表明，除草剂的用量大概是常规化学除草用量的1/7。但是未在田间试验，还是在实验室样机阶段，性能暂未得到验证。图1-4南京林业大学的除草机器人图1-5沃德果园乘坐式除草机江苏沃德植保机械有限公司自己发明果园乘坐自走式割草机，如图1-5所示。该机型结构紧凑，操作方便，除草效益高，在国内除草机械产品中排名靠前，但在西北山地丘陵地区果园杂草的割除过程中，它的轮廓宽，对于果树没有多大好处。1-驱动电机2-机器人本体3-动力电池组4-转向机构5-悬架机构6-除草机构图1-6新型果园除草机器人兰州理工大学的许杰同学设计了一款果园除草机器人，如图1-6所示，该除草机器人可以同时实现除草和锄地的功能，也可以只选择其中的一种功能。在除草过程中可以通过丝杆滑台来设置除草刀具的离开地面的高度，以此来控制机器人割除杂草的高度，转角电机在不运动时，割草电机的力矩通过齿轮传递至两个割草刀盘，完成割草作业。但款除草机器人的智能化水平相比较而言较低，没有自主避障功能。1.3除草机器人的设计内容这次课题研究的果园除草机器人用在苹果种植、梨树种植桃等方面，为了加强课题研究，把苹果树种植园作为研究对象，其主要的设计内容如下：根据苹果树种植园的的种植模式以及杂草有什么样的种类、生长特点等，果园除草机器人的总体结构的方案设计，主要有除草机构、避障机构、升降机构、转向机构、驱动机构等。根据除草机器人控制的要求，初步设计了机器人实现果园除草功能的特点。1.4除草机器人的整体方案设计本文关于果园除草机器人整体结构设计如图1-7所示。图1-7除草机器人整体结构设计果园除草机器人主要包括机械部分和控制部分，机械部分是机器人能够进行工作的基础，主要由行走机构、升降机构和除草机构组成。控制部分是实现除草机器人机械功能的关键部分，控制部分又分为硬件和软件两部分。第二章除草机器人机械部分设计2.1整体机械结构设计2.1.1除草机器人的结构组成此次课题所设计的果园除草机器人的机械结构主要包括除草装置、避障装置、升降机构、除草机器人行走机构、电池组以及控制箱等组成。设计的除草机器人其结构是小巧的，它的功能是比较齐全的。行走机构是除草机器人的本体框架，主要完成机器人在果园中行走的功能。其电池组、控制箱、除草装置以及转向装置等全都安装在机器人行走机构上。控制箱用于控制后轮驱动电机、转向电机、电动推杆、除草电机的转动来实现相应的功能，并通过传感器传递的信号来实现避障。电池组为除草机器人的运动以及除草刀具的转动提供动力。除草机构主要用于锄地以及割除果园中的自然和人工杂草。避障机构通过电动推杆来实现规避果树，以免对果树造成伤害，影响果树的生长以及果品质量；升降机构主要通过电动推杆来实现刀盘架的抬升与降落。2.1.2技术参数确定根据除草机器人在不同地区的使用情况，当地的果园种植的特点以及自然环境等，对除草机器人进行了总体的设计工作，制定了机器人的主要技术参数，如表2-1所示。表2-1果园除草机器人的主要技术参数项目参数整体尺寸(mm)1200×800×450作业方式旋转式切割作业速度(km/h)1.5Km/h除草深度(mm)20～50最大爬坡斜度35°总重不超过120kg2.2关键零部件设计2.2.1除草机器人行走机构的设计此次课题设计的果园除草机器人是在果树的行株间进行工作的，因此它的结构是移动机器人。目前的市场上可以见到的移动机器人的行走机构主要可以分为履带式、腿式以及轮式这三种。轮式机器人在使用过程中的缺点主要是越障的能力较低，其对不同地形的适用能力较差，但它具有速度快、工作的效率较高、运动过程中产生的噪声较低、结构比较简单且方便维修、可以承载较大的重量、机动性能较好等优点，其他的两种移动机构虽然都有自己优点，但其在果园中工作的缺陷也是相当的明显，因此选择轮式移动方式作为除草机器人的行走机构。单轮、两轮、三轮、四轮结构是日常生活中最常见的轮式机器人机构，然而在农业领域方面的机器人通常都是三轮或四轮式，如图2-1所示。三轮移动机器人如图2-1（a）所示，通常前面两个车轮作为驱动和转向机构，后面一个轮子作为万向轮使用，这样一来小车的大多数重量都集中到了前轮，前轮的磨损更快，在转弯过程中车身的平衡性较差。四轮移动机器人如图2-1（b）所示，前轮作为转向轮，后轮作为驱动轮，这样一来小车的使用寿命更长，车身承受的重量更加的均匀，在转弯过程中稳定性更好。所以此次设计选用四轮行走机构。（a）三轮机构（b）四轮机构图2-1行走机构2.2.2转向机构设计1.转向机构选择移动机器人在转弯时的车体转弯半径的大小主要取决于转向机构，其转过的角度直接影响着除草机器人是否能够完成转弯动作以及避障的功能。目前为止，循环球式、蜗杆曲柄销式和齿轮齿条式是轮式机器人最常见的机械转向机构。循环球式转向器：机械部分与液压部分是循环球式转向器的两大主要部分。循环球式转向器主要由蜗杆、扇形齿轮轴、钢球、转向器壳、钢球螺母、调整螺钉、向心推力轴承等组成。其内部的传动副有两对：第一对传动副由螺杆、螺母组成，另一对是由齿条、齿扇或曲柄销组成。在应用中它的优点主要是，操纵起来简单轻便，磨损较小，寿命长等。缺点主要是它的结构与齿轮齿条相比较复杂，成本也较高高，在灵敏度方面也不如齿轮齿条式。2）蜗杆曲柄销式转向器：它得主动件为蜗杆，其从动件为曲柄轴的转向器。其工作原理是在转向时，通过转向盘转动蜗杆、嵌于蜗杆螺旋槽中的锥形指销一边自转，一边绕转向摇臂轴做圆弧运动，从而带动曲柄和转向垂臂摆动，再通过转向传动机构使转向轮偏转。3）齿轮齿条转向器：它是目前转向机构中最常见的一种转向器。一对相互啮合的小齿轮和齿条是齿轮齿条转向器的基本结构。工作原理主要是通过转向轴带动小齿轮的旋转，小齿轮再带动齿条做直线运动以此来完成转向动作。通过比较以上三种转向机构的特点，齿轮齿条转向机构具有的优点如下：①它的构造相比较前两种转向机构而言比较筒单,结构也比较轻巧；②它的质量较轻，体积也较小，传动效率高，主要适用于小型移动车体；③在转向时其转向的灵敏度较高，且转向时的阻力也较小；2.转向机构设计转向机构的整体装配图如图2-2所示，转向时的角度在±90°之间。1-轮胎2-转向节3-连杆4-桥体5-齿条6-齿轮7-齿条导轨图2-2转向机构三维图齿轮齿条链接在导轨上，导轨是直接固定安装在车身上的，齿条两端通过通过连杆与转向节相铰接。该转向机构初步选定位上图的三维图装配图，清晰明了的表达了它的工作原理。齿轮与齿条的相互啮合运动实现了将电机的转动转变为齿条的直线运动，电机的正反转决定着齿条向左或向右运动，从而实现除草机器人的左转或右转。3.转向电机的选型由于除草机器人的动能是来自电池组，所以机器人转向机构的转向电机选取齿轮永磁直流减速电机，其型号为DM08RB-120i90F，电机与减速器是一体结构，减少了部分的装配空间，达到了除草机器人结构小巧的要求，具体参数如下表所示：额定电压：24V；额定功率：120KW；额定扭矩：13N•m；额定转速：30r/min;减速比：60:1在原地转向时除草机器人的阻力矩达到最大值，通过查阅相关轮式机器人的资料得到了机器人在原地转向的阻力矩计算公式为：Tr=U3√G3上式中：U—轮胎与地面的滑动摩擦因数，取0.7；G—前轴所承受的重量，前轴要承受除草刀盘重量(单个6kg)、除草电机重量(单个1.2kg)、升降固定架重量(5kg)、刀盘悬架以及电动推杆的重量(25kg)，综上考虑，初步选择G的值为80kg；P—车轮轮胎的气压，取值为250KPa。将数据代入上式可得，Tr=10.6N•m。该转向电机的扭矩为13N•m大于除草电机原地转向的最大阻力矩，满足设计的要求。2.2.3齿轮的设计1.材料的选择齿轮的选择材料为：渗碳钢。选择渗碳钢作为齿轮材料的主要原因是耐磨且能够经受住动载荷的冲击。选择的热处理方法是：渗碳处理。图2-3齿轮三维图2.尺寸的设计初次选择的模数为m=4mm，在正常情况下齿轮的齿数一般为25个，齿轮的分度圆的螺旋角度一般为8～15度。本设计初次的选择的齿轮的齿数为Z1=25，齿轮的分度圆的螺旋角为10度。所设计的齿轮的直径：d=mz1cosβ=4×25cos10=101.54（公式所以我选取的齿轮直径d=100mm。选择齿轮的齿宽系数为：φ=1.2,齿宽公式b=φd=1.2×100=120，那么齿轮所选的宽度b=125。齿轮齿顶高的设计:ha1=ha×m=1x4=4;ha2=(ha-ha)m=3.7（公式2-3）齿轮的齿根高的设计：hf=（ha+c）m=（1+0.25）x4=5齿轮的齿高的设计：h1=ha1+hf=9h2=ha2+hf=8.7（公式2-4）3.校核设计通过查阅参考文献的表12.9，查阅到使用的系数为ka=1.35；查阅参考文献的图12.9，发现动载系数KV=1.1；查阅参考文献表12.10，查阅可得到齿轮间的载荷分配的系数为KHa=1.45。Ft=2T1d1=2×2×10^4100=400N(圆周力)KA×Fε=[1.88-3.2(1z1+1z2)]cosβ=1.72（端面重合度）Zε=4−ε3=0.87（重合度系数）（公式2-7KH∂=1Z2ε=1.32载荷的系数为k=KAkvKH∂Kha=2.84查阅参考文献表12.12，可发现弹性系数为ZE=189.8。查参考文献的表12.16，可得到节点区域系数为ZH=2.5。查参考文献的表12.14，可得到接触最小安全系数是ZN2=1.25。整体结构的工作时间为Th=10×360×2=7200小时。应力的循环次数为NL,且NL的范围为1×10NL1=60riknk=1nithi（T=60rn1thknk=1（T=60×1×1000×7200×（18.78×0.2+0.58.78×0.5+0.28.78通过计算可以发现应力的循环次数的正确的。NL2=Nl1/i=2.17125×10^7（公式2-11）通过查阅参考文献表12.18，接触寿命系数ZN：可以发现ZN1=1.2,ZN2=1.3许用接触应力的符号为[σH][σh1]=σHlim1ZN1Sℎmin=710×1.21.25[σh2]=σHlim1ZN1Sℎmin=580×1.251.2对许用接触应力进行验算[σH][σH]=2KT1bd12×根据计算的最终结果可以看出，解除疲劳强度是准确的，所以齿轮的尺寸不需要在修改。4.齿根的弯曲疲劳强度的验算设计重合度系数的计算：Yε=0.25+0.75εδ=0.25+0.751.72=0.686齿轮间载荷分配系数的计算：KF∂==1/Yε=1/0.686=1.48b/h1=120/9=13.33齿向的载荷的分布系数是：kFβ=1.3那么载荷系数K为：K=KAKVKFβKF∂=1.35×1.1×1.3×1.48=2.9（公式2-16）齿形的系数YFa：通过查阅参考文献可以发现：YFa1=2.38；YF2=22.09应力修正的系数为Ysa：通过查阅参考文献可以得到:Ysa1=1.7;Ysa2=1.85齿根的弯曲疲劳极限为σFlim1=600Mpa，σFlim,2=2450Mpa。通过查表可得到齿根的弯曲最小的安全系数为SFlim1=1.6齿根的弯曲寿命系数为：YN1=0.98，YN2=0.99齿根的尺寸系数为：Yx=1。齿根的许用弯曲应力[σF][σF1]=σFlim1YN1YxSF[σF2]=σFlim1YN2YxSF对齿根的许用弯曲应力进行验算[σF]σF1=2KT1bd1m=2×2.84×2×104=6.568MPa<[σF1]（公式2-19）σF2=σHY=6.568×1.85×2.096.277MPa<[σF2]（公式2-20）经过验算可以得出，齿根的弯曲疲劳强度满足要求。2.2.4后轮驱动机构设计1.小车驱动方式选择前轮驱动与后轮驱动是轮式移动机器人最常见的两种驱动方式，由于前轮驱动具有操控性差、转向不足、前桥负荷较大以及结构复杂和制造维修成本高等缺点。相比较于前轮驱动，后轮驱动具有操控性好、结构简单、维修容易以及承载能力好等优点，所以选择后轮驱动方式。2.驱动机构排布方案选择直线排布、交错排布以及垂直排布这三种是常见驱动机构的排布方案，直线排布方案用的比较多。交错排布方案在相同的减速比以及输出转矩下，价格比较贵，定轴转速器的体积较大，不能满足所设计的机器人底盘安装尺寸小的要求；垂直排布的方案由于蜗轮蜗杆转速器自锁功能，在电源不足的话，会给除草机器人带来很多麻烦；与前两种方案相比，直线排布方案具有传动精度高，效率高的优点，所以本设计选用如图2-4中的直线排布方案。a.直线排布b.交错排布c.垂直排布图2-4驱动机构排布方案3.后轮驱动电机的选型果园除草机器人在果园中进行正常的行走的动力主要是通过后轮驱动电机来提供。在选择的过程中要想到除草机器人机器人在启动与正常行走情况下需要消耗的总功率。在机器人启动时，轮胎需要克服对地面的最大静摩擦力，其中最大静摩擦力与除草机器人对地面的压力成正比关系，机器人的具体参数如下:除草机器人的总重量m=120kg，车轮的直径为400mm，轮胎对地面的最大静摩擦系数ε=0.25。在静止状态下，除草机器人需要克服最大静摩擦力为：Fmax=εFn=εmg（公式2-21）将具体的参数代入上式，其中g=9.8m/s2,经过计算可以得到Fmax=294N。在启动过程中的摩擦力产生的扭矩为:Tf=Fmax×(D/2)(公式2-22)将Fmax=294N，D=400mm代入上式得，摩擦力产生的扭矩为58.8N•m。选用驱动电机的型号为DM08RC-170i130F24，具体参数如下表所示：电机型号额定电压额定转速额定功率每分钟转速DM08RC-170i130F2424V1800RPM200W30r/min驱动电机扭矩公式为：Tq=9549×Pe代入数据可得电机产生的扭矩为63.7N•m.由于地面摩擦力产生的扭矩小于驱动电机产生的扭矩，所以满足除草机器人的正常启动要求。4.减速器的选择由于驱动方式选择为直线型排布方式，所以选择行星减速器。如图2-5所示图2-5行星减速器行星减速器的工作原理：一个内齿圈与变速箱壳体紧密相连，齿圈的中心有一个由外部动力驱动的太阳能齿轮，两者之间是一组由三个齿轮组合在一个托盘上的行星齿轮。行星齿轮组浮在力轴、内齿圈和太阳齿支架上。整组行星齿轮系统会沿着外齿轮自行绕行转动，行星架架连接输出轴从而达到减速的目的。行星轮的输入轴连接电机，输出轴连接负载。5.联轴器选择联轴器在机械传动方面中有着非常广泛的应用，通常情况下主要是将轴与轴之间进行连接或将轴与其他旋转部件进行连接，起到传递运动和扭矩的作用。另一方面，联轴器还可以补偿两个旋转轴的相对位移量并起到缓冲以及安全保护的作用。由于在联轴器的加工过程中存在着误差，根据对各种相对位移的补偿能力，可将其分为刚性和柔性两种。刚性联轴器在使用中表现出承载能力大、对中性能好以及拆装方便等优点，因此此次课题选择刚性联轴器。6.驱动机构整体装配图根据驱动机构排布方案的选择，此次设计选择直线排布方式，它的整体设计三维图如图2-6所示，主要包括电机、联轴器、轴承座等，其中左右轮距为800mm，轮胎的直径为400mm。轮胎2-轴承座3-减速器4-驱动器5-联轴器图2-6驱动机构三维图2.2.5行走机构的整体装配图行走机构的整体三维图如图2-7所示图2-7行走机构三维图2.3除草装置以及避障机构的设计2.3.1除草装置设计除草装置是除草机器人的重要组成部分，是实现除草功能的必要部件。参照圆盘式除草机，除草装置有两个固定的刀盘和两个避障刀盘组成，初步确定每个刀盘的直径为320mm；通过查阅相关的果园机械文献得知，圆盘式除草机械的刀盘转速通常在800r/min～1200r/min之间，在实际的应用过程中通常会受到果树根系、杂草的直径、土壤情况的影响，此次课题初步设计除草刀盘的转速为1500r/min；除草刀具是果园除草机器人的关键工作部件，根据设计的要求，目前市场上常见的除草刀具不能满足要求，通过在网络上搜索以及查阅相关的资料，本次课题选择采用的是立体圆弧曲面刀具，刀片在安装过程中采用双螺栓均匀地固定到除草刀盘上。单个除草装置的简要三维图如图2-8所示。图2-8单个除草装置三维示意图2.3.2避障机构设计避障机构如图2-9所示，电动推杆、转向连杆和避障刀盘是避障机构的主要组成部分，转向连杆的第一端与固定刀盘盖进行可转动地连接，另一端与避障刀盘盖相铰接；电动推杆与固定刀盘盖进行可转动的连接，与连杆也进行可转动的连接。此机构利用电动推杆来驱动避障刀盘盖相对于固定刀盘盖转动，从而实现在株间避障除草，可以防止对果树以及除草装置造成伤害，提升除草作业的效率。1.除草电机2.连杆3.固定刀盘盖4.电动推杆5.避障刀盘盖图2-9除草和避障机构避障原理：避障过程如图2-9所示，在除草机器人进行除草作业过程中，当激光扫描仪没有检测到果树时，电通推杆不工作；当激光扫描仪检测到有果树时，激光扫描仪控制器向电动推杆发出指令，电动推杆会进行工作，将接近于果树的除草刀盘通过连杆机构向前推出，以此来完成避障任务，避免了对果树以及除草机械的损伤。固定刀盘架2-转向连杆3-果树4-旋转刀盘盖5-电动推杆图2-10果园除草机器人的避障过程2.4刀盘升降机构的设计对于果园除草机器人而言，升降机构也是它的重要的组成部分，对提升除草机器人的智能化水平有着重要的作用。升降机构一方面可以实现除草刀盘的抬升和下降功能，适用于传统的果园进行清理杂草工作，可以根据用户的要求设定除草刀盘离开地面的高度，也可以合理的调节刀具进入土壤的倾斜角度，使切削力最小化。另一方面升降机构为用户对除草装置的检查以及更换相应的刀具或刀盘提供了很大的便利。电动推杆1、电动推杆2、连杆及连接架等是组成升降机构的几个重要成分，如下图的2-11所示。电动推杆1、电动推杆2和连杆都是通过铰接的方式与刀盘架和三角形连接架进行紧密连接的。升降机构的工作原理是通过控制电动推杆的伸缩来实现除草刀盘的升降，当电动推杆伸出时，除草刀盘处于升起状态；当电动推杆收缩回来是，除草刀盘下降下来，此时便可以进行除草作业了。并且在应用过程中用户可以将除草刀盘下降到自己所需要的位置，同时锄地的深度也可以进行调整，它的高度调节范围为0～120mm。图2-11升降机构考虑到升降机构与除草机器人行走机构以及除草刀盘的链接，在此次设计过程中设计了刀盘架和三角形连接架。刀盘架由升降机构进行铰接，三角形连接架的直角面与升降机构进行铰接，并将另一个直角面与机器人固定安装板进行焊接，这样可以有较强的承受力，刀盘架的三维图如图2-12所示，三角形连接架的三维图如图2-13所示。图2-12刀盘架三维图图2-13三角形连接架三维图2.5除草机器人的整体装配图果园除草机器人的整体装配图如图2-14所示。1-除草装置2-避障机构3-刀盘架4-升降机构5-连接架6-控制箱7-移动平台8-扶手机构9-电池组图2-14果园除草机器人整体图除草机器人的工作原理：除草机器人的动力主要由电池组提供，选择可调速的直流电机作为除草机器人的后轮驱动电机，电机主轴的转速在经过行星减速器作用后带动后轮的转动，从而实现机器人在果树行株间运动。当除草机器人处在不工作的状态或者处在故障状态，用户可以使用扶手机构对除草机器人进行操作，当除草电机处在不工作的情况下，除草机构离开地面一定的距离处于悬空状态，此时电动推杆处于工作状态，其伸出量处于最大值状态。当机器人在工作时，除草电机转动，升降电动推杆收回原来状态，除草电机带动刀具旋转，并跟着移动平台的向前运动，刀具在旋转状态下不断地切入土壤。当碰到到树干时，避障电动推杆规避树干。除草机器人在完成单行除草任务之后，转向电机开始工作，它通过驱动齿轮齿条带动转向连杆从而实现转弯的动作。第三章果园除草机器人控制系统设计3.1控制系统整体方案供电电池组触摸屏PLC控制器显示面板直流驱动器步进驱动器推杆控制器传感器组电池检测行走电机转向电机机机推杆电机图3-1控制系统整体方案此次设计的是以PLC为控制核心构建的整个控制系统，该控制系统要控制相应的器件，需要先将相应传感器的信号检测出来并传给控制器，这样控制器就可以做出相应的判断，并由程序控制其输出相应功能的控制信号到不同的驱动器，控制信号发送给直流驱动器并被接收之后向行走电机发出控制命令，控制除草机器人的前向运动；转向电机选择的是步进电机，步进电机需要步进驱动器来控制，步进驱动器接收来自控制器的电脉冲信号后，就会驱动所控制的步进电机按照设定的方向转动对应的角度，实现了脉冲信号向运动量的一个转化；通过控制电动推杆可以实现除草机器人除草装置的升降以及除草过程中的避障操作；最终达到PLC控制机器人运动的目的。3.2硬件选型3.2.1传感器的选型1.电流传感器选择此次课题选择的电流传感器型号为WCS1800霍尔电流传感器模块。该模块的主要芯片为LM393运放，工作电压为DC5V，可预先设置限流值，实现过流保护的功能。特点有：①具有信号输出指示灯；②电流检测范围宽DC±35AAC：25A；③电流检测分辨率60mV/A；④输出过流信号指示；⑤带安装孔，方便固件安装。2.激光扫描仪选择此次课题选择激光扫描仪的型号为LiDARDelta2A，该激光扫面议自主研发了无线输电和无线通信技术，与传统的激光雷达相比具有可靠稳定的长时间运行能力，并且可以在二维平面的8米范围内进行360°范围内的激光测距扫描。主要参数有：量程：0.13m～8m；扫描频率：6.2Hz；激光功率：3mW（最大功率）；工作电压：5V；工作电流：500mA；工作环境温度：0～45°。3.角度传感器选择角速度传感器选择BL100-R高精度单圈绝对值角度传感器，采用变压器原理测角，无触点、长寿命，具有其它类原理测角无可比拟的可靠性。测量范围为0～360°、±180°，也可通过用户单独设定，无机械限位。工作电压：直流5V或9～30V可选；工作温度：-10～+70℃或-40～+85℃。3.2.2PLC的选型果园除草机器人系统所在的工作环境比较恶劣，对系统的干扰较大，所以选择西门子PLC-200系列，其选择的具体原因如下：该西门子200系列的PLC具有极高的可靠性；可以通过编程来实现各种各样的功能；它具有非常多的I/0接口单元；扩展非常容易，外加几个扩展模块就可以了；编程相比较简单易学；价格便宜，安装简单，维修方便；网络通信能力较强；因此PLC作为除草机器人控制系统的主控器有着不可替代的优势，其在保证除草机器人安全可靠运行的前提下，能够最大的发挥机器人的节能的效果。本次设计选用西门子S7-200PLC，其CPU主要有CPU221、CPU222、CPU224和CPU226这几种基本的型号。此次毕业设计选取CPU226,该CPU具有24个输入点和16个输出点。其西门子S7-200的示意图如图3-2所示。图3-2S7-200示意图3.2.3模拟量模块的选择在本次设计中选择型号为EM235模块作为模拟量扩展模块，该模块在使用中模拟量输入通道有4个，数字量通道有2个。3.2.4数字量模块的选择在本次设计中电动推杆选用数字量输出模块，选取的型号为EM223，具有16个数字量输出通道。3.2.5电池组的选择电源模块为除草机器人提供动力，是机器人机械机构与控制系统稳定工作的重要前提，可以使除草机器人做到长时间且灵活的工作。因此在设计的过程中选择一个好的电池组的重要性不言而喻，根据此次设计的要求，综合考虑各种情况选择容量与功率性能高的锂电池，为除草机器人提供能源。电池组在工作时有可能会出现过热情况，因此应该设计电池保护电路，以保证电池组安全、稳定、高效的运行，因此电池组在使用的过程中要时刻的监视它的状况，防止过充以及过防的状况出现在电池组的身上，从而保证电池组的使用寿命。3.3驱动的选择与电路设计3.3.1行走电机驱动选择此次课题选择直流电机作为机器人的行走电机。直流电机相应的控制原理：对于直流电机主要有两种控制方式：①电枢电压控制方式，即在定子磁场不变的情况下，通过控制施加在电枢绕组两端的电压信号来控制电动机的转速和输出转矩；②励磁磁场控制方式，即通过改变励磁电流的大小来改变定子磁场强度，从而控制电动机的转速和输出转矩。图3-3直流电机示意图此次课题选择型号为WJZF-30的驱动器模块作为行走电机的驱动器，该模块在实际应用中具有极强的驱动能力、抵抗外界干扰的能力也较强并且可以做到无极调速等优点。在行走电机的控制过程中，其转速的控制主要通过EM235扩展模块将数字量输出信号传送到驱动模块以此来实现该功能。行走电机的正反转主要通过控制器的Q1.4和Q1.5的输出端口来控制继电器KM5和KM6的切换来完成。行走电机电路连接图如图3-4所示。图3-4行走电机电路连接图3.3.2转向电机的驱动选择转向电机选择的是二相步进电机，其型号为57HS22，示意图如图3-5所示。步进电机的控制原理：在实际应用中步进电动机通常采用开环控制，在实际工作中是将控制器发出的脉冲信号转换为对应的角位移量。简而言之就是在步进电机接收到脉冲后，将输出量的形式转换为电机轴的转动量。当驱动器接收来自控制器或者其他脉冲发生器的脉冲信号的时候，步进电机就会按照转动信号给定的方向转动一个角度，这个角度就是“步距角”。步距角的计算公式为：步距角=180°其中P—定子绕组相数；N—转子齿数。图3-5步进电机示意图步进电机在使用的过程中具有许多的优点，例如步进电机与其他种类的电机性比较而言，它的寿命更长，而且在使用过程中响应的速度快，启动与停止的响应性能好，其调速范围较宽，控制精度较高。步进电机在应用过程中不能做到直接的与交流或直流电源相连接，它需要选择响应的步进驱动器来控制步进电机。在步进驱动器接收到控制器发出的脉冲信号之后，驱动器就会驱动步进电机按照用户所设定的方向转动相应的角度，以此完成了脉冲信号量转变成为了运动量。在可以细分步距角的步进驱动器发明出来之前，人们通常选用不同相数的步进电机来实现对步距角的要求，但在细分驱动器发明出来之后，用户可以通过设置驱动器上的拨码开关来实现步距角的细分，从而达到改变步进电机相应角位移的大小。此次课题选择的步进驱动器型号为DM542，该驱动器具有定位精度高、低速运行平稳等特点，采用直流24V供电，其电气指标如表3-1所示。CPU与驱动器的接线原理图如图3-1所示。表3-1驱动电气指标说明DM542最小值典型值最大值单位输出电流(峰值)1.0-4.2A输入电源电压20VDC24VDC/36VDC50VDCV控制信号输入电流71016mA步进脉冲频率0-200KHz绝缘电阻500MΩ图3-6转向电机驱动连接原理图3.3.3推杆切换电路设计除草机器人选用直流型电动推杆，通过控制电动推杆的前后伸缩，从而实现除草电机的抬升与下降以及实现避障动作，因此可以通过控制供电线路的正负极性来实现推杆的伸缩。电动推杆的控制电路如图3-7所示。图3-7电动推杆切换电路3.4I/0分配CPU根据对系统的I/O信号的分析，分配I/O端口如表3-2,3-3所示。表3-2输入I/O分配表I/O端口功能描述I/O端口功能描述I0.0启动按钮I0.4转向左极限I0.1停止按钮I0.5转向右极限I0.2急停按钮I0.6转向中位I0.3复位按钮表3-3输出I/O分配表I/O端口功能描述I/O端口功能描述Q0.0转向电机脉冲信号Q1.1除草头2Q0.1转向电机方向信号Q1.2除草头3Q0.2工作状态指示灯Q1.3除草头4Q0.3停止状态指示灯Q1.4左行走电机方向Q0.4复位状态指示灯Q1.5右行走电机方向Q1.0除草头1模拟量输出模块选用的EM235模拟量输入/输出模块，该模块在应用过程中可以使用模拟量输入通道有4个，同时可以使用的模拟量输出通道有2个，如表3-4所示。表3-4EM235I/O输入/输出点I/O端口功能描述I/O端口功能描述AIW0电压检测AQW0左行走电机/模拟量AIW2左角度传感器AQW2右行走电机/模拟量AIW4右角度传感器3.数字量输出模块选用的EM223数字量扩展模块，以此来控制电动推杆，它在使用过程中可以使用的输出点有16个，如表3-5所示。表3-5EM223I/O输出点I/O端口功能描述I/O端口功能描述Q12.0左电缸1+Q12.6右电缸1+Q12.1左电缸1-Q12.7右电缸1-Q12.2左电缸2+Q13.0右电缸2+Q12.3左电缸2-Q13.1右电缸2-Q12.4左电缸3+Q13.2右电缸3+Q12.5左电缸3-Q13.3右电缸3-3.5可编程逻辑控制器电路图3-8可编程逻辑控制器电路可编程逻辑控制器为本系统的核心部件，相当于系统的大脑，首先PLC要接的线有DC24V电源线，其作用是电源线为PLC进行供电，使其能够正常的工作。设置的可编程逻辑控制器电路的接线图如图3-4所示。第四章软件设计4.1程序设计流程图果园除草机器人的程序设计流程图如图4-5所示。图4-1程序控制流程图4.2PLC梯形图编程这次设计所选择的主控系统为可编程逻辑控制器PLCS7-200系列，PLCS7-200有着很多的优点，例如:第一，使用很可靠，第二，性价比也比较高。它的编程的软件界面如下图4-2所示。图4-2软件编程界面首先进行编写的是除草机器人工作指示