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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林冠宇
研究生(外文):Guan-Yu Lin
論文名稱:應用於台灣溫室農業之噴藥機器人設計與分析
論文名稱(外文):The Specific Spraying Robot Design and Analysis for Greenhouse Agriculture in Taiwan
指導教授:呂志誠
口試委員:顏炳郎蕭俊祥
口試日期:2012-07-17
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:機電整合研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:85
中文關鍵詞:農業機器人特徵圖塊
外文關鍵詞:Agricultural RobotCharacteristic Blocks
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目前在一些先進國家中,農業機器人被廣泛地使用,藉此提高農業的勞動生產率,解決農業勞動力不足的問題;改善農業的作業環境,避免農藥、化肥等對人體造成傷害;提升作業質量等。但卻不容易找尋到一款適用於臺灣農業環境的機器人,本研究主要是針對臺灣農業環境進行分析,設計出一款適用於目前溫室農業的機器人,期望在未來可大大減少中毒事件的發生,還可解決日趨嚴重的農業勞動人力減少及老化的問題。本論文利用溫室農地有規律的環境分析出環境特徵,以這些特徵圖塊作為定位的基礎,朝向提高機器人對環境的適應性、簡化操作複雜度及降低成本的目標,以農民為使用者的原則做各種設計的考量,讓理論能盡量接近實際。以Parallax的Propeller 8核心單晶片做為控制核心,運作8個超音波來得知環境的特徵,並依照演算法的運行來完成巡場的動作,透過Encoder的回授,使輪胎能隨時依各種狀況來修正,保持車體定速前進來達到【定量】噴灑的功能。本研究目的希望能夠以台灣農民的需求為考量,著重於降低機器人成本及簡化操作的二大方向來努力。

In advanced countries, the agricultural robot quite extensive. It is to improve labor productivity, and solve the labor shortage. To improve the agricultural production environment, and to prevent pesticides, chemical fertilizers harm the human body. But it is not easy to find a robot for Taiwan''s agricultural environment. The research that analysis Taiwan''s agricultural environment, and design a greenhouse agricultural robot. Hope for the future can reduce the incidence of poisoning and solve the increasingly serious agricultural labor force decreased and the problem of aging. In this thesis, use the greenhouse agricultural land laws of the environmental analysis of environmental characteristics. These characteristics Block is as the basis of the positioning. Towards to improve the adaptability of the robot on the environment, and simplify the complexity of the operation and reduce costs. So that theory can be as close as possible to reality. The Propeller microcontroller is as a control center. I use eight ultrasonic distance sensor to know the characteristics of the environment. And follow the run of the algorithm to complete the actions of the marshals. Use the Encoder feedback, so that the tire to fix at any time in accordance with various conditions. Keep the body at constant speed ahead to quantitative spraying. The concept of characteristics Blocks used in the agricultural robot is a prototype. During the experiment will be subject to ultrasound error, control error, calculation error, and tire slip influence. In the future there is a lot to improve matters. But the focus is to consider the needs of farmers. Focus on lower costs
and streamline operations.

摘 要 i
ABSTRACT ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表 目 錄 vi
圖 目 錄 vii
第一章 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 1
1.3 農業機器人之技術研究回顧 2
1.3.1 機器人應用於農業的現況 3
1.3.2 噴藥機器人綜合分析 9
1.4 農業機器人之其他相關議題 9
1.4.1 溫室農業的趨勢發展 9
1.4.2 農業就業人口之減少問題 9
1.4.3 農業勞動力老化問題 10
1.4.4 中毒問題分析 10
1.5 研究方向與目的 10
第二章 溫室環境分析及機器人設計 12
2.1 溫室環境分析 12
2.2 機構設計 13
2.2.1 高度考量 13
2.2.2 環境考量 13
2.2.3 感測器選用考量 13
2.2.4 機器人示意圖 14
2.3 電路設計 14
2.4 定位法則原理與機器人運動分析 15
2.4.1 定位法則原理 16
2.4.1.1 辨識圖塊的方法 17
2.4.1.2 行進模式分析 22
2.4.1.3 行進模式流程圖 24
2.4.2 農業機器人運動分析 27
2.4.2.1 慣性考量與移動方式 27
2.4.2.2 四輪全向車控制原理 30
2.4.2.3 定速前進及偏擺修正控制 32
2.4.2.4 偏擺角度及偏移距離 34
2.4.2.5 行進方向切換 35
第三章 農業機器人設備說明及組裝流程說明 37
3.1 設備說明 37
3.1.1 控制器(Propeller) 37
3.1.2 超音波(PING) 39
3.1.3 馬達驅動器(HB-25) 40
3.1.4 馬達(IG-42) 41
3.1.5 編碼器(Encoder) 42
3.1.6 全向輪(Omniwheel) 43
3.2 機構組裝流程 44
第四章 農業機器人各功能測試分析 49
4.1 硬體特性測試及分析 49
4.1.1 超音波測試 49
4.1.2 馬達及馬達驅動器測試 54
4.1.2.1 馬達空轉特性測試 54
4.1.2.2 四輪定速回授控制 57
4.1.2.3 車體直線定速運動時的四輪狀態分析 61
4.2 車體運動於各圖塊運動測試 67
4.3 自動循航移動 70
第五章 結果與討論 81
第六章 結論與未來展望 83
參考文獻 84


[1]邱奕志 教授,農業機器人研究發展現況,國立宜蘭大學生物機電學系,2008。
[2]Prof. Kondo編著, Agri-Robot (II) Mechanisms and Practice,2001。
[3]Maruyama公司,http://www.maruyama.co.jp/products/03/index.html。
[4]盛中德 教授,設施栽培自動化專輯-設施栽培之噴藥與施肥自動化,國立中興大學農業機械工程學系,http://agriauto.bime.ntu.edu.tw/printed/agrijournal/no.11/11-05.PDF。
[5]VISSER公司,http://www.visserite.com/index.php?id=74&L=0%22%20onfocus%3D%22b。
[6]YAMAHA公司,http://www.yamaha-motor.jp/sky/index.html。
[7]G. Belforte 等人編著,Robot Design and Testing for Greenhouse Applications,2006。
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[9]行政院農業委員會台中區農業改良場,2005,http://tdares.coa.gov.tw/view.php?catid=55。
[10]陳世銘 教授,2007 農業資訊科技應用研討會論文集,國立臺灣大學生物產業機電工程系,2007,http://www.taita.org.tw/event/20071129/download/2/2_1.pdf。
[11]富士重工業株式會社,http://www.fhi.co.jp/news/09_10_12/09_11_20_1.html。
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[15]By Helder P. Oliveira, Armando J. Sousa, A. Paulo Moreira and Paulo J. Costa,Modeling and Assessing of Omni-directional Robots with Three and Four Wheels, 2009。
[16]Propeller datasheet,http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/prop/Web-PropellerManual-v1.2.pdf。
[17]PING datasheet,http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/acc/28015-PING-v1.6.pdf
[18]HB-25 datasheet,http://www.parallax.com/Portals/0/Downloads/docs/prod/motors/HB-25MotorController-V1.2.pdf
[19]馬達 datasheet,http://www.shayye.com.tw/products.html。
[20]Encoder datasheet,http://www.shayye.com.tw/products.html。
[21]全向輪 datasheet,http://www.kornylak.com/wheels/transwheel.html。
[22]Oliveira, H.; Sousa, A.; Moreira, A. & Costa, P. (2008), Dynamical models for omni-directional robots with 3 and 4 wheels, Proceedings of the 5th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, pp. 189-196, 2008.
[23]Maxon Motor, Maxon Motor Catalogue, http://www.maxonmotor.com , 2009。
[24]Salih, J.; Rizon, M.; Yaacob, S. ; Adom A.; & Mamat, M. (2006), Designing Omni-Directional Mobile Robot with Mecanum Wheel, American Journal of Applied Sciences, vol. 3(5), pp. 1831-1835, 2006.
[25]A. D. Rodić,CONTEMPORARY ROBOTICS,2009。
[26]Conceicao, A.; Moreira, A. & Costa, P. , Model Identification of a Four Wheeled Omni-Directional Mobile Robot, Proceedings of the 7th Portuguese Conference on Automatic Control, Instituto Superior Tecnico, Lisboa, Portugal, 2006。


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