林地作业车臂架轨迹规划研究

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我国林区地形多样、环境复杂,林业装备的机械化水平直接影响着林区作业的生产效率,随着我国林业战略的调整,需进一步提升林业机械化的水平。林地作业车具备良好的机动性,能够实现木材夹取、转运等工作,但通过人工操作具有一定的安全隐患且难以保证工作质量,因此对林地作业车进行轨迹规划研究具有十分重要的意义。为了提升林地作业车的工作效率,本文以林地作业车臂架系统为研究对象,基于机械臂运动学理论对臂架的轨迹规划进行研究分析,提出一种动态调整学习因子的粒子群算法对臂架关节轨迹运行时间进行优化,论文的主要研究内容以及结果如下:(1)根据林地作业车臂架结构,通过D-H法建立了臂架的运动学模型,对林地作业车臂架进行正逆运动学分析,运用Robotics Toolbox验证了臂架运动学模型的准确性,在Matlab软件中运用蒙特卡洛法对臂架末端工作装置的工作范围进行仿真分析,验证了工作范围的准确性。(2)研究了臂架在关节空间与笛卡尔空间的的轨迹规划方法,在关节空间中对臂架关节分别进行多项式插值、带抛物线的线性插值以及样条曲线插值轨迹规划,以关节2为例,对比分析了臂架在不同插值方法下的轨迹曲线,结果表明:3-5-3分段多项式插值既能够保证加速度大小又能够提升关节运行效率。(3)基于速度规划算法与插补算法对末端工作装置进行笛卡尔空间中的轨迹规划,通过推导雅可比矩阵以及驱动装置与关节运动的几何关系实现了笛卡尔空间、关节空间、驱动空间之间轨迹的相互转换,运用Matlab软件对臂架末端工作装置进行空间中的直线、圆弧轨迹仿真,结果表明:结合S型速度规划算法与插补算法能够有效保证臂架各关节以及驱动装置平稳运行。(4)研究了粒子群算法在轨迹优化中的应用,针对粒子群算法易陷入局部最优等问题,提出一种动态调整学习因子的改进方法,对臂架关节3-5-3分段多项式轨迹的运行时间进行优化,结果表明:改进粒子群算法优化效率更高,能够有效提升林地作业车的工作效率。
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