一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能草方格鋪設(shè)車的設(shè)計(jì)

喻繼楊 張培琦 劉彥君

（重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶 400074）

目前，沙漠化治理方式可分為生物防治、封育修復(fù)和工程防治等[1]。生物防治是采用種植植被，涵固沙土的措施，而封育修復(fù)則是針對(duì)具有一定自我修復(fù)能力的區(qū)域?qū)嵭蟹忾]保護(hù)。以上措施均是以植被生長(zhǎng)為前提，但沙漠表層沙土流動(dòng)性大，植被根系難固定，則需采用防風(fēng)固沙措施，為植被根系生長(zhǎng)提供條件[2]。現(xiàn)有草風(fēng)格鋪設(shè)裝置存在工作效率低，智能化程度低，人員工作環(huán)境惡劣等問(wèn)題。而本文探索性地設(shè)計(jì)了一種可適用于不同沙漠工況下的智能草風(fēng)格鋪設(shè)車，可有效解決上述問(wèn)題，智能高效地完成鋪設(shè)作業(yè)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為控制系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)作為傳輸結(jié)構(gòu)，集自動(dòng)鋪草和輔助監(jiān)測(cè)于一體的全自動(dòng)沙漠治理裝置。鋪設(shè)車是由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，可實(shí)現(xiàn)整車行進(jìn)、草帶輸送、草帶剪切和草帶滾軋；控制系統(tǒng)主要功能：一是構(gòu)建控制端和執(zhí)行端的信息傳輸通路；二是以智能化算法為基礎(chǔ)操作機(jī)械結(jié)構(gòu)完成給定的工作任務(wù)?？蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、自主運(yùn)行和最優(yōu)鋪設(shè)路徑規(guī)劃。鋪設(shè)車系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 鋪設(shè)車系統(tǒng)組成框圖

2 主要機(jī)械機(jī)構(gòu)及其原理

工作時(shí)，整車向前行進(jìn)，草帶從存儲(chǔ)室到下方通道經(jīng)輸草機(jī)構(gòu)平鋪到工作面上，軋草機(jī)構(gòu)降下滾刀，持續(xù)將草帶滾軋入沙土，完成鋪設(shè)。結(jié)束時(shí)，由斷草機(jī)構(gòu)切斷草帶，再抬升滾刀。鋪設(shè)車三維模型圖如圖2 所示。

圖2 鋪設(shè)車三維模型圖

2.1 行進(jìn)機(jī)構(gòu)

行進(jìn)機(jī)構(gòu)用于承載整車重量、控制小車行進(jìn)和轉(zhuǎn)向。行進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 行進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 履帶行駛系

考慮到鋪設(shè)車的工作環(huán)境，故要求該部分實(shí)現(xiàn)在沙漠中的平穩(wěn)行進(jìn)，且具有不同沙漠工況的適應(yīng)性。設(shè)計(jì)采用履帶結(jié)構(gòu)并保證前進(jìn)方向上的抬升角度β=60°，既可以做到平穩(wěn)行進(jìn)避免陷車，還可提高翻越障礙物的能力[3]。

2.1.2 差速轉(zhuǎn)向系

采用雙電機(jī)獨(dú)立控制的差速轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主動(dòng)輪通過(guò)齒輪嚙合和傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)動(dòng)力輸出，其余帶輪配合軸承一同固定在各支撐軸上。直線行駛時(shí)，由兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩側(cè)履帶主動(dòng)輪，并通過(guò)速度控制模塊動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)兩側(cè)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)以v=0.2m/s 的速度同步。轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，利用差速原理，調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，以不同轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向和原地調(diào)頭。

2.1.3 主要傳動(dòng)部件設(shè)計(jì)

在對(duì)比齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)后，設(shè)計(jì)采用齒輪傳動(dòng)，因其傳動(dòng)效率高，可達(dá)90%～95%、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、適應(yīng)變速變載荷工作、可傳遞大轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)：小齒輪齒數(shù)Z1=35、大齒輪齒數(shù)Z2=48、模數(shù)m=2、螺旋角α=20°，小齒輪選用40Cr，大齒輪選用45Cr，均采用調(diào)質(zhì)處理，7 級(jí)加工精度；傳動(dòng)軸應(yīng)滿足工作強(qiáng)度和剛度要求，故采用空心圓截面軸。對(duì)其應(yīng)力校核：危險(xiǎn)截面最大彎矩Mmax=98.1kN·m，利用Ansys 進(jìn)行有限元建模分析計(jì)算，危險(xiǎn)截面最大工作應(yīng)力σmax=151.85MPa，遠(yuǎn)小于空心圓截面鋼材的許用應(yīng)力，滿足使用條件。

2.1.4 整車受力及選材

由于沙漠地形起伏變化大以及滾軋深度下的沙土松緊不同，鋪設(shè)車工作時(shí)會(huì)承受交變載荷的沖擊，就要求行進(jìn)機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)剛度和吸震性，故設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度高、密度小，約為2.63～2.85g/cm3的鋁合金作為主體材料。

2.2 輸草機(jī)構(gòu)

2.2.1 功能及組成

為適應(yīng)滾軋作業(yè)特點(diǎn)和保證滾軋鋪設(shè)效果，即保證草帶能夠準(zhǔn)確地與滾刀前進(jìn)方向?qū)?zhǔn)，同時(shí)保證草帶的規(guī)整、平穩(wěn)輸出到工作面上，故采用輸草機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)草帶的存儲(chǔ)、導(dǎo)向和輸送。該結(jié)構(gòu)主要由儲(chǔ)草箱、導(dǎo)向槽、輸送滾筒、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和支撐件組成。

2.2.2 主要結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

由于該機(jī)構(gòu)依靠滾筒間擠壓而產(chǎn)生摩擦力輸送草帶，將會(huì)使?jié)L筒發(fā)生微變形，影響兩個(gè)滾筒間隙，故滾筒需滿足一定的強(qiáng)度、剛度條件，具備抗磨損能力。同時(shí)，考慮到滾筒布置形式和剛度要求，故外形尺寸和軸承跨距不宜設(shè)計(jì)過(guò)大。其設(shè)計(jì)參數(shù)：滾筒直徑D=10cm、軸承跨距L=75cm；支撐件用于承載重量、儲(chǔ)存草帶、固定機(jī)構(gòu)，考慮到鋪設(shè)車所受的變載沖擊，故要求支撐和固定件強(qiáng)度大，剛性好，避免位置偏移，可采用45 鋼材加工；驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速n=38.2r/min，額定扭矩T=9550P/n=9550×0.2/38.2≈50.26N·m。

2.2.3 機(jī)構(gòu)工作過(guò)程

當(dāng)裝置工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒隨動(dòng)，利用滾筒間的摩擦力輔助草帶規(guī)律輸送并準(zhǔn)確導(dǎo)向到工作面上。由控制模塊調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)輸送速度與行進(jìn)速度相匹配，避免草帶因速度過(guò)快而堆積，速度過(guò)慢而拉扯，維持平穩(wěn)輸送。輸草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 輸草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.3 斷草機(jī)構(gòu)

2.3.1 組成及原理

該機(jī)構(gòu)主要由矩形導(dǎo)軌、電動(dòng)推桿、鋸齒刀片以及滑塊組成。移動(dòng)側(cè)鋸齒刀片與電動(dòng)推桿相連接，可沿著導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)。固定側(cè)鋸齒刀片被固定在輸草機(jī)構(gòu)下方，配合移動(dòng)側(cè)刀片，將草帶切斷。

2.3.2 主要結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)由電動(dòng)推桿執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，推力大，性能可靠，能精確控制移動(dòng)側(cè)刀片在導(dǎo)軌上的位置、速度和行進(jìn)方向。其設(shè)計(jì)速度可在7mm/s～60mm/s 間調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)推力可在650N～75N 間變化，輸入功率Pin=25W，實(shí)際輸出功率Pout=24.3W；鋸齒刀片剛度大，耐磨性好，刃口鋒利，切斷時(shí)間短暫快速；矩形滾動(dòng)導(dǎo)軌噪音小，耐磨性好，負(fù)載能力強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度Ld=45cm，精度為H 級(jí)，滿足使用要求。由控制系統(tǒng)操作三者配合工作，以保證草帶快速切斷。

2.3.3 機(jī)構(gòu)工作過(guò)程

工作時(shí)，電動(dòng)推桿按照控制信號(hào)將推桿伸出，推動(dòng)移動(dòng)側(cè)鋸齒刀片，沿著矩形導(dǎo)軌做直線運(yùn)動(dòng)，推桿先處于高速小推力狀態(tài)，接近工作點(diǎn)時(shí)，變?yōu)榈退俅笸屏顟B(tài)，由功率公式Pout=Fv 可得推力F 與速度v 的大小。當(dāng)與固定側(cè)上下交錯(cuò)嚙合時(shí)，即可切斷上方輸草機(jī)構(gòu)的草帶，及時(shí)定位工作周期，結(jié)束當(dāng)前鋪設(shè)工作；結(jié)束時(shí)，電動(dòng)推桿按照控制信號(hào)將推桿收回，帶動(dòng)移動(dòng)側(cè)鋸齒刀片，遠(yuǎn)離固定側(cè)，返回初始位置，不影響草帶的再次輸送，避免草帶在輸送過(guò)程中因車身前進(jìn)而相對(duì)向后移動(dòng)導(dǎo)致的草帶和移動(dòng)側(cè)刀片碰撞。

斷草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 斷草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.4 軋草機(jī)構(gòu)

2.4.1 組成及功能

該機(jī)構(gòu)主要由前刀架、后刀架、滾刀、絲桿、步進(jìn)電機(jī)、支撐件、連接塊組成，軋草機(jī)構(gòu)依靠車身重力和牽引力綜合作用，通過(guò)滾刀將工作面上的草帶滾軋進(jìn)沙土10～15cm，表面外露20～25cm[4]。

2.4.2 主要結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)

刀架采用雙片設(shè)計(jì)，增大設(shè)計(jì)跨距Lk=15cm，減小側(cè)向擺動(dòng)和偏移，提高滾刀穩(wěn)定性；滾刀固定在刀架中間，刀架間采用多組M12 螺柱固定，保證滾刀滿足工作負(fù)載，行程軌跡精準(zhǔn)可靠。刀架校核：取工作負(fù)載Fp=150N，利用Ansys 進(jìn)行有限元建模分析計(jì)算，刀架危險(xiǎn)截面為三角內(nèi)彎拐點(diǎn)處，最大拉應(yīng)力σt=90.95Mpa，遠(yuǎn)小于鋁合金許用應(yīng)力[σt]=370Mpa，滿足使用條件。該機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)和絲桿配合工作，實(shí)現(xiàn)刀具的抬升和降下。步進(jìn)電機(jī)精度高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可靈活調(diào)整工作高度；而絲桿具備自鎖能力，且絲桿軸向剛度高，可承受較大負(fù)載，較好地固定機(jī)構(gòu)位置。彈簧減震器設(shè)計(jì)磅數(shù)為100磅，可吸收滾刀實(shí)際工作時(shí)因沙土松緊不同而受到的交變反力，避免異物直接沖擊，提高使用壽命。

2.4.3 機(jī)構(gòu)工作過(guò)程

工作時(shí)，步進(jìn)電機(jī)按照控制信號(hào)，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，使連接塊以20mm/s～45mm/s 的速度相對(duì)絲桿移動(dòng)，使后刀架向電機(jī)移動(dòng)，后刀架通過(guò)彈簧減震器，使前刀架繞固定軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，滾刀隨前刀架旋轉(zhuǎn)下降高度到預(yù)定工作深度，最后固定滾刀工作位置；結(jié)束時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，滾刀抬起，高于底面，便于裝置行進(jìn)；過(guò)程中，絲桿自鎖，將滾刀固定在預(yù)定工作深度，保證鋪設(shè)深度相同。

軋草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 軋草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 控制系統(tǒng)及其工作

3.1 組成模塊及其工作

本裝置控制系統(tǒng)可分為傳感器模塊、通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、監(jiān)測(cè)模塊和控制模塊。

3.1.1 IMU 慣性導(dǎo)航模塊采用I2C 接口和STM32 控制板進(jìn)行通信傳輸并選用測(cè)量頻率1Hz～1000Hz，輔助裝置沿規(guī)劃路徑行進(jìn)，初步判斷裝置是否正常工作。

3.1.2 通信模塊將裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)行可視化處理，以便實(shí)時(shí)檢查狀態(tài)。

3.1.3 驅(qū)動(dòng)模塊按照設(shè)定的PID 算法控制各電機(jī)執(zhí)行操作。

3.1.4 電源模塊中的電池模塊和ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，檢測(cè)電池剩余電量，計(jì)算剩余續(xù)航里程。過(guò)充放保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊，控制充放電速度并延緩壽命下降。

3.1.5 監(jiān)測(cè)模塊獲取環(huán)境數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)圖像，將程序燒錄至ESP32-CAM 開發(fā)板，再將JPG 圖片上傳至局域網(wǎng)，后通過(guò)串口獲取地址，訪問(wèn)進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制頁(yè)。

3.1.6 控制模塊接收并解析遠(yuǎn)程控制指令。

3.2 工作控制流程

系統(tǒng)工作時(shí)，上位機(jī)與下位機(jī)初始化，以物聯(lián)網(wǎng)為信息載體，由下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)出的目的地信息，通過(guò)路徑規(guī)劃算法選擇最佳鋪設(shè)路徑，再通過(guò)下位機(jī)實(shí)時(shí)接收各傳感器采集的數(shù)據(jù)判斷裝置運(yùn)行狀態(tài)和位置，控制裝置沿規(guī)劃路徑工作。工作過(guò)程中，下位機(jī)控制裝置鋪設(shè)草方格并傳輸實(shí)時(shí)圖像和關(guān)鍵數(shù)據(jù)至上位機(jī)。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化處理，方便操作人員掌握狀態(tài)，及時(shí)確定和解決故障。如果突發(fā)異常，則通過(guò)報(bào)警裝置及時(shí)通知相關(guān)人員。

4 結(jié)論

如今，土地沙漠化治理依舊形勢(shì)嚴(yán)峻，主要治理方式仍采用鋪設(shè)草方格以防風(fēng)固沙再進(jìn)行植被修復(fù)實(shí)現(xiàn)沙漠治理。現(xiàn)有的機(jī)械化設(shè)備存在效率低下、自動(dòng)化和智能化程度低、需依靠人力勞動(dòng)的現(xiàn)狀[5]。本文所設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的草風(fēng)格鋪設(shè)車，在彌補(bǔ)了現(xiàn)有鋪設(shè)裝置缺點(diǎn)的同時(shí)，還考慮了遠(yuǎn)程操作、實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警反饋的工作需求以及工況的多樣性和復(fù)雜性。同時(shí)，本設(shè)計(jì)制造成本低，滿足沙漠治理實(shí)際需求，應(yīng)用前景廣闊，能有效助力我國(guó)應(yīng)對(duì)土地沙漠化問(wèn)題、推進(jìn)沙漠生態(tài)修復(fù)進(jìn)程、加快構(gòu)建“美麗中國(guó)”。