本發(fā)明屬于林業(yè)機械領(lǐng)域，尤其涉及一種爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法，用于爬樹修枝機器人的快速穩(wěn)定地爬升并同時完成側(cè)枝修剪工作。

背景技術(shù)：
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速生林是輪伐周期短的人工林，在工業(yè)造紙領(lǐng)域需求較大，由于其速生優(yōu)勢，材質(zhì)好，造林成活率高等優(yōu)良特性，因而有很好的經(jīng)濟價值。合理的修枝可以促進樹木的生長，提高樹木的通直度、圓度、抗彎強度及木材的韌性，改善林木的生長環(huán)境和林木防火條件,增強上部光合作用。我國速生林種植面積不斷擴大，但速生林的修枝方式落后，很多地區(qū)存在修枝方法不當(dāng)甚至不修枝等現(xiàn)象，其主要原因是速生林區(qū)剪枝機器相對比較落后。

針對爬樹修枝機器人存在動力分配不合理、無法實現(xiàn)爬行與鋸切狀態(tài)的及時調(diào)整、容易出現(xiàn)卡鋸現(xiàn)象、攀爬過程中夾緊力不足、容易打滑下落等問題，發(fā)明一種爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法，以達到爬樹修枝機器人在攀爬過程中合理分配動力并穩(wěn)定夾緊樹干以高效完成速生林修枝維護工作的目的，提高爬樹修枝機器人的工作效率，對于速生林產(chǎn)業(yè)發(fā)展有重要推動作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明為了解決爬樹修枝機器人存在動力分配不合理、無法實現(xiàn)爬行與鋸切狀態(tài)的及時調(diào)整、容易出現(xiàn)卡鋸現(xiàn)象、攀爬過程中夾緊力不足、容易打滑下落等問題，提供了一種爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法，以高效地完成速生林修枝維護工作。

一種爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制系統(tǒng)，包括：動力分配執(zhí)行裝置、電動推桿夾緊裝置、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)。

所述的動力分配執(zhí)行裝置包括：發(fā)動機、帶傳動、爬升輪、鏈傳動、鏈鋸、油門舵機、張緊電動推桿。

所述的發(fā)動機輸出軸一方面與所述的帶傳動相連，并將動力傳遞給所述的爬升輪，另一方面與所述的鏈傳動相連，并將動力傳遞給所述的鏈鋸；所述的油門舵機與發(fā)動機油門相連接，用于改變油門大小；所述的張緊電動推桿與帶傳動張緊輪相連，用于改變帶傳動的張緊大小。

所述的電動推桿夾緊裝置包括：夾緊電動推桿、夾緊支架、夾緊裝置、彈簧。

所述的夾緊電動推桿一端連接在所述的夾緊支架上，夾緊電動推桿另一端連接于所述的夾緊裝置上；所述的彈簧套裝在夾緊裝置上。

所述的控制系統(tǒng)包括：電源、控制器、控制終端。

所述的電源優(yōu)先選用24V直流電源；所述的控制器包括單片機與藍牙模塊；所述的單片機優(yōu)先選用ARM系列的STM32單片機作為主控制芯片；所述的藍牙模塊采用HC‐05藍牙模塊并與單片機相連接，傳輸距離可達10米；所述的控制終端優(yōu)先選用帶有無線通訊功能的智能手機；所述的控制系統(tǒng)由STM32單片機作為主控制核心，用于接收控制終端的無線信號和傳感系統(tǒng)的檢測信號，并將解析信號傳輸給動力分配執(zhí)行裝置和電動推桿夾緊裝置，從而實現(xiàn)對爬樹修枝機器人自主作業(yè)的自動控制。

所述的檢測系統(tǒng)包括編碼器、氣壓計。

所述的編碼器優(yōu)先選用600P/R增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在爬升輪附近適當(dāng)位置并通過信號線與控制系統(tǒng)相連，用于統(tǒng)計1秒內(nèi)所測得的脈沖數(shù)；所述的氣壓計優(yōu)先選用基于STM32單片機的高度氣壓計，通過信號線與控制系統(tǒng)相連，用于實時檢測爬樹機器人工作高度。

本發(fā)明一種爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法，其控制過程如下：

(1)將爬樹修枝機器安裝在待修剪樹木上，打開電源，控制系統(tǒng)初始化完成；

(2)使用手機APP控制終端發(fā)出夾緊控制信號，HC‐05藍牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機，然后由單片機解析信號并通過電動推桿夾緊裝置調(diào)整夾緊電動推桿的工作狀態(tài)，爬樹修枝機器人實現(xiàn)夾緊樹干的動作，此時高度氣壓計記錄初始海拔高度；

(3)使用手機APP控制終端發(fā)出攀爬上升信號，HC‐05藍牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機，然后由單片機解析信號并通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機，調(diào)整油門大小，同時單片機通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿縮短，此時張緊輪起到張緊作用，動力主要分配到爬升輪上，爬樹修枝機器人實現(xiàn)攀爬上升的動作；

(4)爬樹機器人在攀爬上升過程中進行修枝工作，當(dāng)編碼器所測得的脈沖數(shù)急劇減少表明鏈鋸此時碰到側(cè)枝，編碼器將減少信號傳輸給單片機，單片機解析信號并通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿伸長，此時張緊輪不起張緊作用，帶傳動暫時停止工作，動力主要分配到鏈鋸上，同時單片機通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機，調(diào)整油門大小，鏈鋸高速鋸切側(cè)枝；當(dāng)編碼器所測得的脈沖數(shù)急劇增加表明側(cè)枝鋸切工作完成，編碼器將增加信號傳輸給單片機，單片機解析信號通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿縮短，此時張緊輪起張緊作用，帶傳動繼續(xù)工作，動力重新分配到爬升輪上，同時單片機控制油門舵機，調(diào)整油門大小，爬升輪繼續(xù)工作，爬樹修枝機器人高速攀爬上升，直到遇到下一個側(cè)枝后重復(fù)上述過程；

(5)爬樹修枝機器人在攀爬過程中，高度氣壓計實時記錄當(dāng)前海拔高度并得到相關(guān)高度差,編碼器將測得的脈沖個數(shù)n傳輸給單片機，單片機根據(jù)預(yù)設(shè)值和測得值計算得到爬升輪的轉(zhuǎn)速v，然后得到相應(yīng)的攀爬上升距離L，最后推算夾緊電動推桿所需壓縮的距離D，單片機解析信號并通過電動推桿夾緊裝置調(diào)整電動推桿的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對爬樹修枝機器人電動推桿夾緊裝置隨攀爬上升距離增加的自動控制，從而爬樹修枝機器人實現(xiàn)穩(wěn)定攀爬上升的工作；當(dāng)攀爬上升距離L達到側(cè)枝修剪的要求高度時，氣壓計將停止爬升工作信號傳輸給單片機，單片機解析信號并通過電動推桿夾緊裝置調(diào)整夾緊電動推桿的工作狀態(tài)，爬樹修枝機器人實現(xiàn)穩(wěn)定下降的工作；

其中，所述高度差Δh通過如下公式確定：

Δh＝h₂-h₁

上式中：h₁為初始海拔高度，單位為mm；h₂為當(dāng)前海拔高度，單位為mm。

其中，所述爬升輪的轉(zhuǎn)速v通過如下公式確定：

$v=\frac{n\mathrm{\π}D}{600}$

上式中：n為600P/R增量型旋轉(zhuǎn)編碼器1秒內(nèi)所測得的脈沖個數(shù),單位為個；D為爬升輪直徑，單位為mm。

其中，所述攀爬上升距離L通過如下公式確定：

$L=vt\×sin\mathrm{\α}\×\mathrm{\μ}\×\frac{4}{10}+\mathrm{\Δ}h\×\frac{6}{10}$

上式中：t為爬樹修枝機器人攀爬上升所用時間，由單片機內(nèi)部計時器測得，單位為s；α為爬樹修枝機器人攀爬上升的理論螺旋升角，單位為度；μ為爬樹修枝機器人攀爬上升過程中理論打滑率；

其中，所述夾緊電動推桿所需壓縮距離D通過如下公式確定：

D＝AL²+BL+C

上式中：A、B、C均為實數(shù)，且保證夾緊電動推桿所需壓縮距離D與攀爬上升距離L滿足二次函數(shù)關(guān)系。

(6)關(guān)閉電源，完成一顆樹木的側(cè)枝修剪工作。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、本發(fā)明設(shè)計的爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法可快速準確地調(diào)整爬行與鋸切狀態(tài)，動力分配合理，解決了修枝過程中容易出現(xiàn)卡鋸現(xiàn)象等問題。

2、本發(fā)明設(shè)計的爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)爬樹修枝機器人對樹干的自動加緊，并且加緊穩(wěn)定，解決了爬升過程中容易打滑下落等問題。

3、本發(fā)明只需在爬樹修枝工作的開始使用手機遠程控制并發(fā)出相關(guān)控制信號，在爬樹修枝過程中無需人為控制，操作簡單便捷，自動化程度高。

附圖說明：

圖1為爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法原理框圖

圖3為爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制過程流程圖

發(fā)動機1、帶傳動2、爬升輪3、鏈傳動4、鏈鋸5、油門舵機6、張緊電動推桿7、夾緊電動推桿8、夾緊支架9、夾緊裝置10、彈簧11、電源12、控制器13、編碼器14、氣壓計15。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制系統(tǒng)。包括：動力分配執(zhí)行裝置、電動推桿夾緊裝置、控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)。

所述的動力分配執(zhí)行裝置包括：發(fā)動機1、帶傳動2、爬升輪3、鏈傳動4、鏈鋸5、油門舵機6、張緊電動推桿7。

所述的發(fā)動機1輸出軸一方面與所述的帶傳動2相連，并將動力傳遞給所述的爬升輪3，另一方面與所述的鏈傳動4相連，并將動力傳遞給所述的鏈鋸5；所述的油門舵機6與發(fā)動機1油門相連接，用于改變油門大?。凰龅膹埦o電動推桿7與帶傳動2的張緊輪相連，用于改變帶傳動的張緊大小。

所述的電動推桿夾緊裝置包括：夾緊電動推桿8、夾緊支架9、夾緊裝置10、彈簧11。

所述的夾緊電動推桿8一端連接在所述的夾緊支架9上，夾緊電動推桿8另一端連接于所述的夾緊裝置10上；所述的彈簧11套裝在夾緊裝置10上。

所述的控制系統(tǒng)包括：電源12、控制器13、控制終端。

所述的電源12優(yōu)先選用24V直流電源；所述的控制器13包括單片機與藍牙模塊；所述的單片機優(yōu)先選用ARM系列的STM32單片機作為主控制芯片；所述的藍牙模塊采用HC-05藍牙模塊并與控制終端無線連接，傳輸距離可達10米；所述的控制終端優(yōu)先選用帶有無線通訊功能的智能手機；所述的控制系統(tǒng)由STM32單片機作為主要控制核心，通過接收控制終端的無線信號和傳感系統(tǒng)的檢測信號，單片機解析信號并將信號傳輸給動力分配執(zhí)行裝置和電動推桿夾緊裝置，從而實現(xiàn)對爬樹修枝機器人自主作業(yè)的自動控制。

所述的檢測系統(tǒng)包括編碼器14、氣壓計15。

所述的編碼器14優(yōu)先選用600P/R增量型旋轉(zhuǎn)編碼器，安裝在爬升輪附近適當(dāng)位置并通過信號線與控制系統(tǒng)相連，用于統(tǒng)計1秒內(nèi)所測得的脈沖數(shù)；所述的氣壓計15優(yōu)先選用基于STM32單片機的高度氣壓計，通過信號線與控制系統(tǒng)相連，用于實時檢測爬樹機器人工作高度。

本發(fā)明一種爬樹修枝機器人自主作業(yè)的控制方法，其控制過程如下：

(1)將爬樹修枝機器安裝在待修剪樹木上，打開電源，控制系統(tǒng)初始化完成；

(2)使用手機APP控制終端發(fā)出夾緊控制信號，HC-05藍牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機，然后由單片機解析信號并通過電動推桿夾緊裝置調(diào)整夾緊電動推桿的工作狀態(tài)，爬樹修枝機器人實現(xiàn)夾緊樹干的動作，此時高度氣壓計記錄初始海拔高度；

(3)使用手機APP控制終端發(fā)出攀爬上升信號，HC-05藍牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機，然后由單片機解析信號并通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機，調(diào)整油門大小，同時單片機通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿縮短，此時張緊輪起到張緊作用，動力主要分配到爬升輪上，爬樹修枝機器人實現(xiàn)攀爬上升的動作；

(4)爬樹機器人在攀爬上升過程中進行修枝工作，當(dāng)編碼器所測得的脈沖數(shù)急劇減少表明鏈鋸此時碰到側(cè)枝，編碼器將減少信號傳輸給單片機，單片機解析信號并通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿伸長，此時張緊輪不起張緊作用，帶傳動暫時停止工作，動力主要分配到鏈鋸上，同時單片機通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機，調(diào)整油門大小，鏈鋸高速鋸切側(cè)枝；當(dāng)編碼器所測得的脈沖數(shù)急劇增加表明側(cè)枝鋸切工作完成，編碼器將增加信號傳輸給單片機，單片機解析信號通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿縮短，此時張緊輪起張緊作用，帶傳動繼續(xù)工作，動力重新分配到爬升輪上，同時單片機控制油門舵機，調(diào)整油門大小，爬升輪繼續(xù)工作，爬樹修枝機器人高速攀爬上升，直到遇到下一個側(cè)枝后重復(fù)上述過程；

(5)爬樹修枝機器人在攀爬過程中，高度氣壓計實時記錄當(dāng)前海拔高度并得到相關(guān)高度差,編碼器將測得的脈沖個數(shù)n傳輸給單片機，單片機根據(jù)預(yù)設(shè)值和測得值計算得到爬升輪的轉(zhuǎn)速v，然后得到相應(yīng)的攀爬上升距離L，最后推算夾緊電動推桿所需壓縮的距離D，單片機解析信號并通過電動推桿夾緊裝置調(diào)整電動推桿的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對爬樹修枝機器人電動推桿夾緊裝置隨攀爬上升距離增加的自動控制，從而爬樹修枝機器人實現(xiàn)穩(wěn)定攀爬上升的工作；當(dāng)攀爬上升距離L達到側(cè)枝修剪的要求高度時，氣壓計將停止爬升工作信號傳輸給單片機，單片機解析信號并通過電動推桿夾緊裝置調(diào)整夾緊電動推桿的工作狀態(tài)，爬樹修枝機器人實現(xiàn)穩(wěn)定下降的工作；

其中，所述高度差Δh通過如下公式確定：

Δh＝h₂-h₁

上式中：h₁為初始海拔高度，單位為mm；h₂為當(dāng)前海拔高度，單位為mm。

其中，所述爬升輪的轉(zhuǎn)速v通過如下公式確定：

$v=\frac{n\mathrm{\π}D}{600}$

上式中：n為600P/R增量型旋轉(zhuǎn)編碼器1秒內(nèi)所測得的脈沖個數(shù),單位為個；D為爬升輪直徑，單位為mm。

其中，所述攀爬上升距離L通過如下公式確定：

$L=vt\×sin12.5\×0.93\×\frac{4}{10}+\mathrm{\Δ}h\×\frac{6}{10}$

上式中：t為爬樹修枝機器人攀爬上升所用時間，由單片機內(nèi)部計時器測得，單位為s；12.5為爬樹修枝機器人攀爬上升的理論螺旋升角，單位為度；0.93為爬樹修枝機器人攀爬上升過程中實際打滑率；

其中，所述夾緊電動推桿所需壓縮距離D通過如下公式確定：

L＝4E-06D²+0.0163D-0.3829

公式推導(dǎo)如下：

(6)關(guān)閉電源，完成一顆樹木的側(cè)枝修剪工作。