一種智能草方格鋪設(shè)小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)★

湯榮傳， 萬仁杰， 蘇景琳， 蘇新萍

（泉州職業(yè)技術(shù)大學(xué)， 福建 泉州 362200）

0 引言

我國是沙漠化[1]最嚴(yán)重的國家之一，沙漠化面積已占國土面積的27.3%，而且以大約2 000 km2/a 的速度擴(kuò)散，18 個(gè)省（市、區(qū)）近4 億人口遭受荒漠化的危害。全國每年因荒漠化危害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)540 億元，間接經(jīng)濟(jì)損失2 889 億元。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。上述治理方式都是以植被生長為前提，但沙漠表層風(fēng)速較高，沙子流動(dòng)性高，植被根系難以固定，則需采用防風(fēng)固沙措施。鋪設(shè)草方格[2]是最經(jīng)常使用的治理方法，但現(xiàn)有草方格鋪設(shè)方案多依賴于人工，智能化程度低且人員的工作環(huán)境惡劣。因此，設(shè)計(jì)了一種可以適應(yīng)多種沙漠條件下的智能草方格鋪設(shè)小車[3]，該小車能夠?qū)崿F(xiàn)U 型鋪設(shè)提升整體鋪設(shè)效率，智能高效的完成草方格鋪設(shè)作業(yè)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是以Arduino uno 控制板為控制系統(tǒng)，以物聯(lián)網(wǎng)為傳輸結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)鋪設(shè)和輔助監(jiān)測一體化的全自動(dòng)草方格鋪設(shè)小車。鋪設(shè)小車是由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)小車的行進(jìn)、草料的輸送、草料的鋪設(shè)；控制系統(tǒng)主要功能是構(gòu)建控制端與小車的實(shí)時(shí)通信；以智能算法結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)來完成給定的任務(wù)?？蓪?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、自主運(yùn)行鋪設(shè)[4]、反饋鋪設(shè)質(zhì)量，草方格鋪設(shè)小車系統(tǒng)組成框圖如圖1 所示。

圖1 草方格鋪設(shè)小車系統(tǒng)組成

草方鋪設(shè)小車采用的是新型U 型草方格一體化鋪設(shè)的方案，小車前進(jìn)時(shí)，前置送料機(jī)構(gòu)同步將草料送至鋪設(shè)機(jī)構(gòu)，縱向插刀向下工作，橫向送料機(jī)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行送料，橫向插刀向下插入，完成草方格鋪設(shè)。U型鋪設(shè)方式由推桿植草機(jī)構(gòu)和后端鋪設(shè)機(jī)構(gòu)組成如圖2 所示。

圖2 U 型鋪設(shè)方式

2 主要機(jī)械機(jī)構(gòu)原理及其實(shí)現(xiàn)

草方格鋪設(shè)小車由5 個(gè)機(jī)構(gòu)組成，分別是履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、前端下料機(jī)構(gòu)、前端草料傳送機(jī)構(gòu)、推桿植草機(jī)構(gòu)以及后端鋪設(shè)機(jī)構(gòu)。履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)小車的整體行進(jìn)；U 型草方格一體鋪設(shè)，主要是通過推桿植草機(jī)構(gòu)和后端鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的相互配合，完成草方格的鋪設(shè)。

2.1 履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

履帶能夠適應(yīng)各種地形，包括沙漠中的沙丘；履帶的接地面積大，能夠分散質(zhì)量，提高車輛的穩(wěn)定性，避免在沙漠中行駛時(shí)出現(xiàn)側(cè)翻等危險(xiǎn)情況；沙漠中的溫度往往很高，履帶能夠承受高溫，不易受損，能夠保證車輛的正常運(yùn)行。故選擇履帶作為鋪設(shè)小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在履帶結(jié)構(gòu)的前進(jìn)方向和后退方向設(shè)置了抬升角度為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[5]。采用雙電機(jī)獨(dú)立控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，利用差速原理來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。

2.2 前端下料機(jī)構(gòu)

由于該機(jī)構(gòu)依靠滾筒相互擠壓產(chǎn)生的摩擦力來輸送草料，滾筒上由突起的小點(diǎn)來增加摩擦力，將會(huì)使?jié)L筒出現(xiàn)微型形變，影響兩個(gè)滾筒的間隙，間隙變大摩擦力減小將會(huì)影響草料的輸送，即軸的跨距不宜過長，在輸送裝置的兩端以及中間各放置了1 個(gè)軸承進(jìn)行支撐，如圖3 所示。

圖3 前端送料機(jī)構(gòu)示意圖

當(dāng)裝置工作時(shí)，電機(jī)1 通過聯(lián)軸器帶動(dòng)大齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，帶輪1 與大齒輪同軸，帶輪1 帶動(dòng)帶輪2 進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，齒輪組帶動(dòng)滾筒進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生摩擦力來帶動(dòng)草料。

2.3 前端草料傳送機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要由保護(hù)套、皮帶傳送裝置、齒輪裝置以及支撐座組成。草料從下料機(jī)構(gòu)落下到達(dá)傳送帶上經(jīng)由傳送帶運(yùn)輸至鋪設(shè)區(qū)域。運(yùn)輸裝置主要運(yùn)輸?shù)氖遣萘希谳d荷方面不用進(jìn)行太大的考慮。只需保證運(yùn)輸帶的速度與履帶的前進(jìn)速度達(dá)到一致，也就是保證前進(jìn)速度與落草速度之間的平衡，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速后通過齒輪1 與齒輪2 來進(jìn)行減速達(dá)到所設(shè)定的速度，如圖4 所示。

圖4 前端草料傳送機(jī)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，電機(jī)1 輸出轉(zhuǎn)速帶動(dòng)齒輪1，齒輪1 帶動(dòng)齒輪2，齒輪2 所在的軸上由皮帶運(yùn)輸裝置的驅(qū)動(dòng)輪，用來帶動(dòng)皮帶運(yùn)輸，帶到下料的目的。

2.4 推桿植草機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)推桿、滑臺(tái)、輪刀放置機(jī)構(gòu)以及輪刀組成。通過推桿的上下移動(dòng)來控制輪刀插入的深度，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輪刀的刀身，來獲得更高的鋪設(shè)質(zhì)量。電動(dòng)推桿的行程為100 mm，推力為50 N，速度為15 mm/s，可以通過程序控制桿的伸出長度，該推桿能夠符合鋪設(shè)小車的需求，如圖5 所示。

圖5 推桿植草機(jī)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，電動(dòng)推桿向下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)輪刀放置裝置向下運(yùn)動(dòng)，將輪刀插入地面，跟隨著小車的前進(jìn)將草料傳送機(jī)構(gòu)放置下來的草料壓入地面。

2.5 后端鋪設(shè)機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要由絲桿滑臺(tái)、電機(jī)、儲(chǔ)料箱、舵機(jī)組成。通過絲桿滑臺(tái)來控制整個(gè)后端鋪設(shè)機(jī)構(gòu)的左右移動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)縱向鋪設(shè)草方格，儲(chǔ)料箱內(nèi)設(shè)置有滾筒也就是草料的下料裝置，通過電機(jī)帶動(dòng)滾筒的嚙合來進(jìn)行下料功能，如圖6 所示。

圖6 后端鋪設(shè)機(jī)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，電機(jī)2、絲桿滑臺(tái)和舵機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，來進(jìn)行開溝和下料，到達(dá)縱向極限時(shí)電機(jī)2 停止運(yùn)轉(zhuǎn)，絲桿滑臺(tái)反向運(yùn)動(dòng)，通過輪刀將草料壓入開好的溝內(nèi)，完成一次橫向鋪設(shè)。

3 控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的組成模塊

控制系統(tǒng)由一個(gè)Arduino uno 控制面板為主控制器，以及無線通信模塊來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。搭載北斗GPS 模塊，用來進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。搭載了L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如圖7 所示。搭載了ESP-32 CAM進(jìn)行采集鋪設(shè)數(shù)據(jù)，將采集的圖片通過無線通信模塊上傳至局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在云端，方便進(jìn)行訪問。模塊電源模塊中的電池模塊和ADC 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，檢測電池剩余電量，計(jì)算剩余續(xù)航里程。過充放保護(hù)模塊和穩(wěn)壓模塊，控制充放電速度并延緩壽命下降。搭載了超聲波傳感器，該傳感器用來測量車體與障礙物之間的距離，反饋數(shù)據(jù)將用來進(jìn)行路徑規(guī)劃；搭載了風(fēng)速傳感器，該傳感器用來測定沙漠中的風(fēng)速，一旦風(fēng)速大于設(shè)定值，小車將停止工作進(jìn)行避險(xiǎn)。

圖7 電機(jī)控制示意圖

3.2 控制系統(tǒng)流程圖

草方格鋪設(shè)小車運(yùn)動(dòng)循環(huán)，如圖8 所示。

圖8 為草方格鋪設(shè)小車運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖

4 實(shí)物制造

樣機(jī)采用亞克力板作為主用材。亞克力具有很好的耐磨性、表層硬度、光澤和抗高溫能力比較高，價(jià)格也比較合理，故使用亞克力作為機(jī)器人的主框架。亞克力板由激光切割技術(shù)加工，然后拼接成型；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行控制系統(tǒng)的安裝調(diào)試、電機(jī)的安裝以及各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝；其他部分零件采用3D 打印技術(shù)進(jìn)行制作。

5 結(jié)語

土地沙漠化的治理仍是一個(gè)嚴(yán)峻的問題，主要治理方式仍采用鋪設(shè)草方格以達(dá)到防風(fēng)固沙的作用，再進(jìn)行植被修復(fù)實(shí)現(xiàn)土地沙漠化的治理。現(xiàn)有鋪設(shè)方式分為機(jī)械鋪設(shè)和人工鋪設(shè)，機(jī)械鋪設(shè)存在效率低下、自動(dòng)化程度低的特點(diǎn)，人工鋪設(shè)又存在工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)的智能草方格鋪設(shè)小車，在彌補(bǔ)了現(xiàn)有鋪設(shè)設(shè)備缺點(diǎn)的同時(shí)，還增加了遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)避險(xiǎn)等功能。本機(jī)功能滿足沙漠治理的實(shí)際需求，應(yīng)用前景廣闊，能夠有效助理土地荒漠化的治理。