沙漠灌溉小車設(shè)計方案研究

黎耕 薛琪琪 張鵬兵 陳蕾

摘要：基于目前沙漠植被智能灌溉處于半空白狀態(tài)，但是沙漠綠化和防沙治沙工作刻不容緩。沙漠植被在種植初期缺少及時合理的灌溉導(dǎo)致成活率低，種植的大量植被生長緩慢固沙作用不明顯，我們立足于當(dāng)前形勢下，利用目前所擁有的智能技術(shù)結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉知識，制作一款依靠太陽能發(fā)電、自動按時定量、合理、綠色環(huán)保、低人工干預(yù)的灌溉方式。并且采用靠近植物根系的節(jié)水灌溉方式，真正地做到節(jié)能與智能的完美結(jié)合。

關(guān)鍵詞：智能小車;沙漠灌溉;傳感器;環(huán)保

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）29-0256-03

2016年，螞蟻森林上線，用戶可以通過步行、網(wǎng)上繳費等其他行為降低碳排放，將被換算為“綠色能量”，“綠色能量”積累到一定量可以在網(wǎng)上種下一棵樹。網(wǎng)絡(luò)上的樹長大之后，公益組織會在沙漠化嚴(yán)重的地方種一棵真樹，鼓勵用戶的低碳行為同時達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的。2019年2月，盒馬接入支付寶螞蟻森林，在盒馬門店購物不使用塑料袋即可獲得綠色能量。據(jù)盒馬預(yù)計，此舉全年有望減少使用1277萬只塑料袋，創(chuàng)造的綠色能量可種植約1.5萬棵梭梭樹。2019年4月22日，支付寶宣布螞蟻森林用戶數(shù)達(dá)5億，5億人共同在荒漠化地區(qū)種下1億棵真樹，種樹總面積近140萬畝。龐大數(shù)量的樹苗灌溉是一個困難的問題，根據(jù)查閱資料，螞蟻森林目前沒有成型的灌溉體系，因而我們設(shè)計的這款小車是通過智能化控制解決植株灌溉問題。

1總體設(shè)計

1.1沙漠灌溉小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)

沙漠灌溉小車主要由機(jī)體結(jié)構(gòu)、控制結(jié)構(gòu)和運行結(jié)構(gòu)三部分組成如圖。機(jī)體結(jié)構(gòu)由機(jī)械臂，履帶底盤和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動部件組成。運行結(jié)構(gòu)主要包括超聲波傳感器和顏色識別傳感器?？刂平Y(jié)構(gòu)主要為太陽能電池板，arduino開發(fā)板和樹莓派核心主板組成。

本方案產(chǎn)品堅持以“高效、便捷”的設(shè)計理念，采用全智能沙漠灌溉小車自動化為一體的控制方式，通過由履帶和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動裝置，外搭載超聲波傳感器，F(xiàn)lash-LiderF4激光雷達(dá)和GPS模塊來實現(xiàn)多點導(dǎo)航。首先確定需要被灌溉植被的路徑，再利用顏色識別傳感器分辨出灌溉的植株。待灌溉目標(biāo)明確后，將采用地下滲透的方式進(jìn)行灌溉。在灌溉工作開始前，需要機(jī)械臂在被灌溉植被旁埋下一個可降解且色彩較鮮明的容器，選用此材質(zhì)和顏色的原因有兩點：一是可降解意味著對環(huán)境不會造成污染;二是色彩鮮明便于顏色識別傳感器的辨識。每棵植株定量灌溉，達(dá)到預(yù)設(shè)灌溉量后，灌溉系統(tǒng)停止工作，轉(zhuǎn)由驅(qū)動模塊工作，小車前進(jìn)，尋找下一棵需灌溉的植株。另外，在灌溉小車運行過程為減少車轉(zhuǎn)身，小車將搭載一個機(jī)械臂來保證其運作機(jī)理的正常進(jìn)行，進(jìn)而完成灌溉工作。根據(jù)查閱資料獲得螞蟻森林種較為整齊，所以我們選用單排劃片灌溉的方式。小車單次所載水量根據(jù)多次實驗得出，使其在載水灌溉完之后盡可能地靠近基站，便于其再次載水。

1.2工作部件構(gòu)成

1.2.1供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)由一塊12V320MA的光伏發(fā)電板，光合硅能12V7AH蓄電池和12V全自動充放電太陽能控制器組成。太陽能電池板其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換成電能?？刂破骺刂普麄€系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到充放電保護(hù)的作用。蓄電池為鉛酸電池，具有將產(chǎn)生的電能儲存的功能，人為控制選擇釋放時間。

1.2.2驅(qū)動部件

小車底座采用履帶底座，以便于適應(yīng)沙漠復(fù)雜地形。選用直流步進(jìn)電機(jī)2個，提供雙驅(qū)動，以獲得足夠的動力。直流步進(jìn)電機(jī)選用電子開關(guān)器件，相較與傳統(tǒng)電機(jī)它的優(yōu)點是高保障性，工作時無轉(zhuǎn)向電火花，較低的機(jī)械噪聲等。

電機(jī)驅(qū)動模塊選用L298N為控制芯片的模塊，VSS可接4.5-7V電壓。OUT 1，OUT 2之間接電機(jī)。輸人控制電平由特定的引腳接入，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

履帶底盤通過卷繞的履帶支撐地面，與地面接觸面積大，具有摩擦大，不易下陷等優(yōu)點。

2支持灌溉小車的核心部件

2.1超聲波傳感器和FlashLiderF4激光雷達(dá)

通過無人機(jī)拍攝獲取需灌溉區(qū)域地圖。使用FlashLiderF4激光雷達(dá)進(jìn)行繪建地圖。樹莓派運行環(huán)境為Ubuntu，indigo版POS，樹莓派3。正常啟動并讓樹莓派與PC正常通訊，樹莓派修改hosts文件，并讓樹莓派獲取PC端的IP與主機(jī)名。在建圖前要對激光雷達(dá)F4與D1的坐標(biāo)進(jìn)行對齊?？刂艱1掃描地圖。掃描完成后，保存地圖。修改launch文件，引用保存好的地圖。以第一棵樹為起點，下一棵樹為目標(biāo)點，設(shè)置好目標(biāo)點后，Dashgo會計算路徑，自動控制小車移向目標(biāo)點。超聲波傳感器負(fù)責(zé)路徑上的簡單避障。超聲波傳感器先發(fā)送一個信號，信號行進(jìn)途中遇障礙后會反彈回來，再被超聲波傳感器接收，高電平持續(xù)時間為傳感器信號發(fā)送到接受的時間，所以測試的距離=（高電平時間*聲速）/2，再將距離換算成厘米（所用函數(shù)：dis-tance=pulsenlnf接收信號的引腳echo，HIGH）/58;聲速為340m/s）。

2.2pixy顏色識別及處理

Pixy使用的是基于色調(diào)過濾算法來識別物體，因而植株旁儲水容器選用色彩鮮亮的顏色。實現(xiàn)過程：首先給pixy供電，pixy的LED燈會規(guī)律的閃爍幾下。然后按住pixy頂部按鈕，約1秒鐘，LED會變亮，會按白色到紅色再到其他顏色的順序變化，在LED燈變?yōu)榧t色時放松按鈕，pixy會進(jìn)入lightpipe模式，LED的顏色就是pixy攝像頭所看到的圖像中間的部分。通過pixy返回的值定位所植株旁儲水容器，帶動機(jī)械臂轉(zhuǎn)動水泵工作，完成注水。

2.3樹莓派核心主板

小車的主控模塊選用樹莓派。樹莓派運行基于Linux的開源系統(tǒng)。樹莓派3代B型，性能相對于一般的嵌入式系統(tǒng)都較為強(qiáng)大。樹莓派有豐富的外部I/O口，結(jié)合樹莓派的I/O口Py-thon庫（GPIO庫），可以滿足發(fā)燒友各種奇妙設(shè)計的需求?；跇漭傻纳鲜鎏攸c，本系統(tǒng)將其作為遠(yuǎn)程控制沙漠灌溉小車的主控模塊。

2.4arduino開發(fā)板

選用arduino開發(fā)板作為機(jī)械臂的控制主板，其原因是該開發(fā)板的IDE是免費，開源的，具有13個數(shù)字10接口（D10數(shù)字輸入輸出口），輸出PWM接口6個，AUTO接口可用做模擬輸出口使用。庫函數(shù)種類繁多，選用JAVA開發(fā)的編程環(huán)境作為開發(fā)環(huán)境。機(jī)械臂選用3個數(shù)字舵機(jī)調(diào)節(jié)方向和高度，第一個控制方向，第二個控制高度，第三個搭載于最前端，用于在識別到植株后更進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。機(jī)械臂上連接有從水箱中引出的水管，位置調(diào)節(jié)完成后，完成灌溉。

2.5小車灌溉系統(tǒng)

小車搭載一個儲水水箱，內(nèi)置汲水水泵和水位傳感器。水位傳感器監(jiān)測水箱內(nèi)水位。小車識別到植株停好后，pixy顏色識別傳感器提供一個脈沖，樹莓派主板識別處理后，控制水泵工作，因為我們提前設(shè)置好每次的灌溉量，因而當(dāng)灌溉一定水量后，停止出水。系統(tǒng)關(guān)閉，執(zhí)行下一前進(jìn)工作指令。

2.6植株旁儲水容器

容器形狀如圖，選用沙漏型一方面是為了注水方便，且下部分便于儲水，最底部開若干小孔，采用低滲的方式實現(xiàn)根部灌溉，節(jié)約水資源的同時還能避免沙土結(jié)痂，塊化。顏色選用設(shè)定的明亮色，便于顏色傳感器識別。材質(zhì)用可降解材料，在結(jié)束灌溉工作后，自我降解，防止污染還能作為植株生長肥料二次利用。

3成果展示

通過系統(tǒng)組裝，成品如上圖所示，履帶底座確保復(fù)雜地形小車可以行走，太陽能電池板、控制器和蓄電池構(gòu)成供電系統(tǒng)。樹莓派控制小車的行駛，arduino開發(fā)板控制機(jī)械臂的動作和汲水水泵工作實現(xiàn)灌溉功能。模擬沙漠環(huán)境，多次實驗，小車在不同環(huán)境下工作正常，能夠完成實驗預(yù)設(shè)功能，因此該實驗具有可行性。

4結(jié)尾

在如今主流社會的趨勢下，環(huán)境問題與經(jīng)濟(jì)社會的矛盾逐漸激化，經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的同時，一定程度地影響了自然環(huán)境。因而發(fā)展兩者兼顧的共存模式是勢在必行的。螞蟻森林的出現(xiàn)極大地改善了我國西北環(huán)境，但惡劣環(huán)境使植株的生長面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。因而實行智能高效的科學(xué)灌溉是尤為重要的?？茖W(xué)灌溉能夠使泥土中各類元素的狀態(tài)保持一種穩(wěn)定的狀態(tài)，其特點是省水，省工等。近年來，人口數(shù)量的快速增加，環(huán)境所面臨的壓力越來越大，水資源的問題日益顯現(xiàn)，節(jié)水灌溉成為必然趨勢。可持續(xù)發(fā)展需要每個人參與其中。