沙漠地區(qū)植被種植機(jī)器人研究

吳卓霖 王朝 吳一玄 楊昊 李云鵬

摘? 要：沙土地植樹機(jī)器人是現(xiàn)階段防風(fēng)固沙的有效工具，可以極大地解放人的雙手，提高植樹效率。本文綜合比較了現(xiàn)階段各種植樹機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，并“取其精華，去其糟粕”，并由此設(shè)計(jì)出一款全新的、可以在沙土地上運(yùn)行的植樹機(jī)器人。

關(guān)鍵詞：防風(fēng)固沙? 自動(dòng)化? 植樹作業(yè)? 智能化? 一體化

引言

我國荒漠化面積占國土總面積的27%～32%，尤其在我國西北地區(qū)，土地荒漠化現(xiàn)象更為明顯，這給西北地區(qū)的發(fā)展帶來一定的困擾。防風(fēng)固沙的有效手段就是植樹造林種草。但是在艱苦環(huán)境中，植樹的人工成本會(huì)增加。為了減少成本提高種植效率，可以使用植樹機(jī)器人代替人們?cè)谏车氐绕D苦環(huán)境中繁重的人工勞動(dòng)，基于智能控制的沙地植樹機(jī)器人具有作業(yè)自動(dòng)化的特點(diǎn)，在工作過程中便于人為控制，并且能夠適應(yīng)沙地的特殊地理環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 植樹機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

盡管外國在上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始致力于林業(yè)機(jī)器人的研究，但是經(jīng)過幾十年的發(fā)展，大多數(shù)林業(yè)機(jī)械設(shè)備都被用于平原地區(qū)的生產(chǎn)作業(yè)。而國內(nèi)現(xiàn)有或已投入批量生產(chǎn)的大多數(shù)為大型或連接型植樹或坑穴開墾機(jī)械，如1W-50（30）型植樹挖坑機(jī)、4QZ-130 型振動(dòng)起苗機(jī)、新型液壓式植樹機(jī)、1W-70 型挖穴機(jī)、導(dǎo)苗管式樹苗移栽機(jī)等。其大多適用地區(qū)為遼寧、黑龍江、內(nèi)蒙等平原地區(qū)。而用于沙地地區(qū)的智能機(jī)械設(shè)備還不是很多，故而我們可以借鑒其工作的原理和運(yùn)作方法，對(duì)于沙地植樹機(jī)器人進(jìn)行進(jìn)一步的創(chuàng)新與研究。

加拿大在20世紀(jì)70年代開始致力于林業(yè)機(jī)器人研究。1974年前后， 加拿大開始研制自動(dòng)植苗機(jī)， 但到20世紀(jì)90年代中期， 植苗機(jī)的自動(dòng)化水平離機(jī)器人還相差太遠(yuǎn)。目前努力的目標(biāo)， 是利用傳感器自動(dòng)調(diào)整植苗機(jī)前端與地面障礙物的位置關(guān)系。如果做到這一點(diǎn)， 那么， 除了需要人工駕駛車輛之外， 其它操作的自動(dòng)化都易于實(shí)現(xiàn)[1]。

舒慶等[2]研發(fā)的生態(tài)恢復(fù)機(jī)器人，通過鋪設(shè)草方格來防風(fēng)固沙，依據(jù)沙地地貌通過PLC控制鋪設(shè)草方格機(jī)構(gòu)的高度和插入壓力，作業(yè)后將在沙地上形成草方格立體沙障，固沙能力很強(qiáng)，可提高鋪設(shè)效率161倍，降低鋪設(shè)成本80%左右。

2? 工作原理

沙漠植被種植機(jī)器人主要由智能控制系統(tǒng)、影像監(jiān)測系統(tǒng)、挖坑機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、種植輔助機(jī)構(gòu)等組成。其中，智能控制系統(tǒng)由單片機(jī)組成，此外機(jī)器人搭載stc模塊，可以通過連接網(wǎng)絡(luò)對(duì)多個(gè)設(shè)備進(jìn)行同時(shí)調(diào)整和設(shè)置;影像監(jiān)測系統(tǒng)配備外部攝像頭，通過圖傳系統(tǒng)查看種植具體情況，此為創(chuàng)新點(diǎn)之一;挖坑機(jī)構(gòu)采用鉆頭進(jìn)行鉆孔，鉆頭可替換以便于實(shí)現(xiàn)種植時(shí)，不同直徑孔洞的需求;傳送機(jī)構(gòu)使用履帶式傳動(dòng)，利用特有夾持裝置保證樹苗方向一致;種植輔助機(jī)構(gòu)主要包括培土機(jī)構(gòu)和儲(chǔ)水灑水系統(tǒng)，用以輔助種植，完成種苗后進(jìn)行培土、澆水以保證樹苗成活率。

3? 工作過程

此裝備為沙土地植樹機(jī)器人，主要用于復(fù)雜的地形環(huán)境，并且能夠完成自動(dòng)挖坑，送苗，灌溉以及培土的一系列操作。此裝置配備圖傳系統(tǒng)，可通過前面的攝像頭將其所捕捉的畫面送達(dá)到控制器顯示屏內(nèi)，便于工作者時(shí)時(shí)觀看周圍情況，并可以由手機(jī)app或者遙控器兩種方式進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，足以保證此機(jī)器在無人在附近的情況下自動(dòng)完成工作。機(jī)器的前端為可伸縮替換鉆頭，我們可以根據(jù)植株的直徑來選擇不同的鉆頭以保證植株可以適應(yīng)于種植坑。機(jī)器人會(huì)根據(jù)不同的植株要求來保證植株的間隔，機(jī)器人行進(jìn)規(guī)定的距離后，則會(huì)在車斗內(nèi)運(yùn)出植株樹苗，并通過種植管順利的落到所挖的種植坑內(nèi)。種植管也是可以替換的這樣才能保證樹苗會(huì)垂直的落到種植坑內(nèi)，而不會(huì)傾斜，以至于影響存活率。在以上工作進(jìn)程完成后，樹苗會(huì)通過種植管的軟簾脫離樹苗，這樣就完成了植株的種植。

4? 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

4.1控制系統(tǒng)

本機(jī)器人采用嵌入式技術(shù)對(duì)其各個(gè)動(dòng)作進(jìn)行控制，如對(duì)傳送機(jī)構(gòu)、挖坑機(jī)構(gòu)、種植輔助機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使其能夠執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。機(jī)器人內(nèi)含stc單片機(jī)，擁有完善的硬件系統(tǒng)，成為機(jī)器人重要的一個(gè)組成部分。在硬件的基礎(chǔ)上，可以通過用c語言或者匯編語言來對(duì)其進(jìn)行編程，從而根據(jù)需求來控制機(jī)器人的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，完成相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行以及調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的快慢程度，例如調(diào)節(jié)機(jī)器人的移動(dòng)速度、傳送機(jī)構(gòu)的傳送速度等，用以滿足不同的工作任務(wù)。此外，機(jī)器人搭載的stc模塊中包含無線網(wǎng)絡(luò)模塊，擁有遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，使其能夠在人的操作下，通過手機(jī)application以及遙控器兩種方式進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，以達(dá)到無人監(jiān)管的情況下能夠保證工作進(jìn)度。

4.2影像監(jiān)測系統(tǒng)

本機(jī)器人含有機(jī)器視覺系統(tǒng)，可以代替人眼來做出測量和判斷，可以通過攝像頭將獲取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行控制[3]。其相當(dāng)于給機(jī)器人加了一雙眼睛，人的視覺系統(tǒng)是由眼球、神經(jīng)系統(tǒng)及大腦的視覺中樞構(gòu)成，機(jī)器視覺系統(tǒng)則是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構(gòu)成。

此外，機(jī)器人還搭載了相應(yīng)的視頻傳輸系統(tǒng)，通過外置的攝像頭可對(duì)工作進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)的查看，可以由圖傳系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)已種植的植株是否發(fā)生倒斜、未栽種的情況對(duì)其進(jìn)行修正 。同時(shí)影像監(jiān)測系統(tǒng)可以采集相關(guān)環(huán)境信息及時(shí)對(duì)機(jī)器人的工作程序做出調(diào)整，使機(jī)器人的工作流程更加順暢。

機(jī)器人搭載了聯(lián)網(wǎng)模塊即使在遠(yuǎn)離工作地點(diǎn)的情況下，也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)其工作進(jìn)程和工作方式進(jìn)行調(diào)整以及更改。為了達(dá)到節(jié)省成本的目的，影像監(jiān)測系統(tǒng)采用了圖像信息壓縮技術(shù)，在以JPEG及MPEG的壓縮標(biāo)準(zhǔn)下，以適合網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸?shù)膲嚎s格式提供較好的圖像質(zhì)量。其次影像監(jiān)測系統(tǒng)搭載的攝像頭可通過自身的多方向旋轉(zhuǎn)拍攝不同方向的圖片，觀測已栽種的植株是否發(fā)生傾斜、未栽種等問題及時(shí)做出修復(fù)。

4.3挖坑機(jī)構(gòu)

本機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、伸縮桿、可更換鉆頭以及旋轉(zhuǎn)電機(jī)組成，在機(jī)器人第一部分移動(dòng)程序結(jié)束后本機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用下伸縮桿開始進(jìn)行向地面的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)伸縮桿上的鉆頭在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的作用下開始以一定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并在接觸到地面后開始下鉆。在達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的鉆孔深度后，旋轉(zhuǎn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電極反轉(zhuǎn)使伸縮桿進(jìn)行桿的收回防止影響到機(jī)器人的前進(jìn)。

為了良好的可更換性，挖孔機(jī)構(gòu)的鉆頭選取了較細(xì)的螺旋型鉆頭，同時(shí)根據(jù)土壤干密度及打孔需求的不同在鉆頭更換箱內(nèi)配備有許多不同型號(hào)的鉆頭，以滿足多種情況及多種孔深及打孔直徑的要求。

4.4傳送機(jī)構(gòu)

傳送機(jī)構(gòu)為送苗轉(zhuǎn)盤采用了履帶式，其包括動(dòng)力軸和加持傳遞履帶構(gòu)成。我們從車的頂部將幼苗放入規(guī)定的履帶中，并加入了一些簡單的夾持裝置，保證了樹苗垂直放置并固定了幼苗以防止幼苗在車輛的運(yùn)行中發(fā)生跑位及錯(cuò)位的現(xiàn)象，使幼苗按照一定的規(guī)律排列在履帶上。在鉆頭打好洞及車輛向前運(yùn)行之后，隨著履帶的運(yùn)動(dòng)，位于前面的樹苗將進(jìn)入規(guī)定的管道，由于重力的作用，幼苗順著管道落入種植坑內(nèi)，傳送機(jī)構(gòu)停止運(yùn)動(dòng)，直到下一個(gè)種植坑之前。我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)不同幼苗的直徑，設(shè)計(jì)出不同的滑軌，進(jìn)而保證種植幼苗的多樣性，也適應(yīng)不同的管道和鉆頭。

4.5種植輔助機(jī)構(gòu)

1）培土機(jī)構(gòu)

培土裝置包括多個(gè)徑向排列的鏟片，鏟片中心為轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鏟片鏟起沙土。培土機(jī)構(gòu)作為整個(gè)植樹過程的最后一個(gè)工序，有左右對(duì)稱的兩個(gè)培土輪一起轉(zhuǎn)到，由于鉆頭鉆過的土質(zhì)較松，且培土輪轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不是很快，由培土輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)的土掉入種植坑內(nèi)，達(dá)到培土的目的，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸由電單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，保證了培土輪的獨(dú)立運(yùn)作。

培土輪設(shè)置在機(jī)器人尾端植定位管道的下部兩側(cè)，其作用是在完成導(dǎo)苗后，將鉆頭打孔時(shí)所升土填回洞中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化一體化的導(dǎo)苗覆土工作。

2）儲(chǔ)水灑水系統(tǒng)

儲(chǔ)水箱位置如圖1所示（本實(shí)施例的車斗里有上下層，水箱在下層），初步設(shè)計(jì)容量為8L，既可以滿足一定工作時(shí)間的用水量，也不會(huì)因?yàn)樨?fù)載過重而影響機(jī)器人總重。儲(chǔ)水箱設(shè)計(jì)為車身側(cè)方開口進(jìn)行灌水，并在儲(chǔ)水箱底部連接車體，設(shè)置排水活塞，以防長時(shí)間不使用時(shí)，儲(chǔ)水箱內(nèi)有水導(dǎo)致腐蝕變質(zhì)。

5? 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的種植機(jī)器人是一種可以自動(dòng)完成一系列植樹行為的機(jī)器人，主要用于沙土地植物的種植，并且對(duì)應(yīng)不同的沙土地需種植不同的植株以適應(yīng)環(huán)境，此時(shí)植樹機(jī)器人可以替換鉆頭和種植管以適應(yīng)需求。但該沙漠種植機(jī)器人任然存在一些不足之處，比如單次樹苗搭載量有限，無自動(dòng)裝載設(shè)備，以及水箱搭載量有限，如何進(jìn)行更好的蓄水補(bǔ)充等問題，仍然是我們未來需要研究和不斷完善的方向。

參考文獻(xiàn)

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[2]劉延鶴，傅萬四，張彬，常飛虎，周建波.林業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與未來趨勢(shì)[J].世界林業(yè)研究，2020，33（01）：38-43.

[3]張秋菊，王金娥，訾斌.2016.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社.

作者簡介：

吳卓霖（2000.09--）男，黑龍江人，本科在讀，主要研究方向：機(jī)械工程及其自動(dòng)化。

王朝 （2000.02--）男，黑龍江人，本科在讀，主要研究方向：機(jī)械工程及其自動(dòng)化。

吳一玄（2001.08--）女，天津人，本科在讀，主要研究方向：機(jī)械工程及其自動(dòng)化。

楊昊（2000.02--）男，新疆人，本科在讀，主要研究方向：機(jī)械工程及其自動(dòng)化。

李云鵬（2000.10--）男，山西人，本科在讀，主要研究方向：機(jī)械工程及其自動(dòng)化。

論文來源：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目資助 項(xiàng)目編號(hào)202104065

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