本發(fā)明屬于林業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，尤其涉及一種爬樹修枝機(jī)器人自主作業(yè)的控制方法，用于爬樹修枝機(jī)器人的快速穩(wěn)定地爬升并同時(shí)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(jì)價(jià)值。合理的修枝可以促進(jìn)樹木的生長，提高樹木的通直度、圓度、抗彎強(qiáng)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(qiáng)上部光合作用。我國速生林種植面積不斷擴(kuò)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(jī)器相對比較落后。

針對爬樹修枝機(jī)器人存在動力分配不合理、無法實(shí)現(xiàn)爬行與鋸切狀態(tài)的及時(shí)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(jī)器人自主作業(yè)的控制方法，以達(dá)到爬樹修枝機(jī)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(hù)工作的目的，提高爬樹修枝機(jī)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(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明為了解決爬樹修枝機(jī)器人存在動力分配不合理、無法實(shí)現(xiàn)爬行與鋸切狀態(tài)的及時(shí)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(jī)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(hù)工作。

一種爬樹修枝機(jī)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(jī)、帶傳動、爬升輪、鏈傳動、鏈鋸、油門舵機(jī)、張緊電動推桿。

所述的發(fā)動機(jī)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(jī)與發(fā)動機(jī)油門相連接，用于改變油門大?。凰龅膹埦o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(jī)與藍(lán)牙模塊；所述的單片機(jī)優(yōu)先選用ARM系列的STM32單片機(jī)作為主控制芯片；所述的藍(lán)牙模塊采用HC‐05藍(lán)牙模塊并與單片機(jī)相連接，傳輸距離可達(dá)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(jī)；所述的控制系統(tǒng)由STM32單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對爬樹修枝機(jī)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(jì)。

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(jì)1秒內(nèi)所測得的脈沖數(shù)；所述的氣壓計(jì)優(yōu)先選用基于STM32單片機(jī)的高度氣壓計(jì)，通過信號線與控制系統(tǒng)相連，用于實(shí)時(shí)檢測爬樹機(jī)器人工作高度。

本發(fā)明一種爬樹修枝機(jī)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(jī)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(jī)APP控制終端發(fā)出夾緊控制信號，HC‐05藍(lán)牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機(jī)，然后由單片機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)夾緊樹干的動作，此時(shí)高度氣壓計(jì)記錄初始海拔高度；

(3)使用手機(jī)APP控制終端發(fā)出攀爬上升信號，HC‐05藍(lán)牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機(jī)，然后由單片機(jī)解析信號并通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機(jī)，調(diào)整油門大小，同時(shí)單片機(jī)通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿縮短，此時(shí)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)攀爬上升的動作；

(4)爬樹機(jī)器人在攀爬上升過程中進(jìn)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(shí)碰到側(cè)枝，編碼器將減少信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)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(shí)張緊輪不起張緊作用，帶傳動暫時(shí)停止工作，動力主要分配到鏈鋸上，同時(shí)單片機(jī)通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機(jī)，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(jī)，單片機(jī)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(shí)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(shí)單片機(jī)控制油門舵機(jī)，調(diào)整油門大小，爬升輪繼續(xù)工作，爬樹修枝機(jī)器人高速攀爬上升，直到遇到下一個(gè)側(cè)枝后重復(fù)上述過程；

(5)爬樹修枝機(jī)器人在攀爬過程中，高度氣壓計(jì)實(shí)時(shí)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(gè)數(shù)n傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)值和測得值計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)對爬樹修枝機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定攀爬上升的工作；當(dāng)攀爬上升距離L達(dá)到側(cè)枝修剪的要求高度時(shí)，氣壓計(jì)將停止爬升工作信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)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(jī)器人實(shí)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(gè)數(shù),單位為個(gè)；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(jī)器人攀爬上升所用時(shí)間，由單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)器測得，單位為s；α為爬樹修枝機(jī)器人攀爬上升的理論螺旋升角，單位為度；μ為爬樹修枝機(jī)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(shí)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(jì)的爬樹修枝機(jī)器人自主作業(yè)的控制方法可快速準(zhǔn)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(jì)的爬樹修枝機(jī)器人自主作業(yè)的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)爬樹修枝機(jī)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(jī)遠(yuǎn)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(jī)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(jī)器人自主作業(yè)的控制方法原理框圖

圖3為爬樹修枝機(jī)器人自主作業(yè)的控制過程流程圖

發(fā)動機(jī)1、帶傳動2、爬升輪3、鏈傳動4、鏈鋸5、油門舵機(jī)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(jì)15。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種爬樹修枝機(jī)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(jī)1、帶傳動2、爬升輪3、鏈傳動4、鏈鋸5、油門舵機(jī)6、張緊電動推桿7。

所述的發(fā)動機(jī)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(jī)6與發(fā)動機(jī)1油門相連接，用于改變油門大小；所述的張緊電動推桿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(jī)與藍(lán)牙模塊；所述的單片機(jī)優(yōu)先選用ARM系列的STM32單片機(jī)作為主控制芯片；所述的藍(lán)牙模塊采用HC-05藍(lán)牙模塊并與控制終端無線連接，傳輸距離可達(dá)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(jī)；所述的控制系統(tǒng)由STM32單片機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)對爬樹修枝機(jī)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(jì)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(jì)1秒內(nèi)所測得的脈沖數(shù)；所述的氣壓計(jì)15優(yōu)先選用基于STM32單片機(jī)的高度氣壓計(jì)，通過信號線與控制系統(tǒng)相連，用于實(shí)時(shí)檢測爬樹機(jī)器人工作高度。

本發(fā)明一種爬樹修枝機(jī)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(jī)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(jī)APP控制終端發(fā)出夾緊控制信號，HC-05藍(lán)牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機(jī)，然后由單片機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)夾緊樹干的動作，此時(shí)高度氣壓計(jì)記錄初始海拔高度；

(3)使用手機(jī)APP控制終端發(fā)出攀爬上升信號，HC-05藍(lán)牙模塊接收到控制信號并將信號傳輸給單片機(jī)，然后由單片機(jī)解析信號并通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機(jī)，調(diào)整油門大小，同時(shí)單片機(jī)通過動力分配執(zhí)行裝置控制張緊電動推桿縮短，此時(shí)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)攀爬上升的動作；

(4)爬樹機(jī)器人在攀爬上升過程中進(jìn)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(shí)碰到側(cè)枝，編碼器將減少信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)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(shí)張緊輪不起張緊作用，帶傳動暫時(shí)停止工作，動力主要分配到鏈鋸上，同時(shí)單片機(jī)通過動力分配執(zhí)行裝置控制油門舵機(jī)，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(jī)，單片機(jī)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(shí)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(shí)單片機(jī)控制油門舵機(jī)，調(diào)整油門大小，爬升輪繼續(xù)工作，爬樹修枝機(jī)器人高速攀爬上升，直到遇到下一個(gè)側(cè)枝后重復(fù)上述過程；

(5)爬樹修枝機(jī)器人在攀爬過程中，高度氣壓計(jì)實(shí)時(shí)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(gè)數(shù)n傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)值和測得值計(jì)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(jī)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(shí)現(xiàn)對爬樹修枝機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定攀爬上升的工作；當(dāng)攀爬上升距離L達(dá)到側(cè)枝修剪的要求高度時(shí)，氣壓計(jì)將停止爬升工作信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)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(jī)器人實(shí)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(gè)數(shù),單位為個(gè)；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(jī)器人攀爬上升所用時(shí)間，由單片機(jī)內(nèi)部計(jì)時(shí)器測得，單位為s；12.5為爬樹修枝機(jī)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(jī)器人攀爬上升過程中實(shí)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。