樹木防蟲噴涂智能小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：為預(yù)防和解決樹木病蟲害問題，針對(duì)樹木防蟲噴涂智能小車提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先，分析了現(xiàn)有樹木防蟲噴涂裝置的結(jié)構(gòu)缺陷，包括重量大，噴涂不均勻，設(shè)計(jì)不合理等問題。其次，通過分析樹木防蟲噴涂智能小車的工作原理和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，提出了一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，優(yōu)化了小車的驅(qū)動(dòng)、噴涂、控制三方面的功能。同時(shí)，改進(jìn)了噴涂罩的形狀和尺寸，增加了噴口的數(shù)量并使其更加貼合樹木表面，提高了噴涂的準(zhǔn)確性和均勻性。最后，利用solidworks軟件進(jìn)行建模設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性和效果。結(jié)果表明，優(yōu)化后的樹木防蟲噴涂智能小車具有更好的性能和工作效率，能夠更好地滿足樹木防蟲噴涂的需求。

關(guān)鍵詞：噴藥涂白；病蟲防護(hù)；Solidworks建模設(shè)計(jì)；智能小車；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基金項(xiàng)目：山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)2023年大學(xué)生科研項(xiàng)目。

作者簡介：李宗波（2003年—），男，本科在讀，主要學(xué)習(xí)新能源汽車工程技術(shù)方面的知識(shí)。

樹木是生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，它們?yōu)槿藗兊纳钐峁┬迈r空氣，美麗景色。然而，隨著城市化進(jìn)程的加快，樹木病蟲害問題日益嚴(yán)重，給城市綠化帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1]。因此，基于 Solidworks軟件設(shè)計(jì)出樹木防蟲涂白的智能防蟲小車，相比人工，首先，小車具有低能耗，高效率，大大節(jié)省了人力成本，小車搭載的360°環(huán)視攝像頭及各種傳感器，能夠更好地確定目標(biāo)樹木的位置和形狀，為確保涂白劑或藥液可以均勻涂灑在樹木表面奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其次，小車結(jié)構(gòu)由噴涂系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成。在小車結(jié)構(gòu)方面，小車前輪所采用的麥克納姆輪可以實(shí)現(xiàn)小車在樹木的狹小空間內(nèi)自由移動(dòng)，提高了小車的機(jī)動(dòng)性。內(nèi)嵌軟管式機(jī)械臂的采用，不僅能夠完成機(jī)械臂所承擔(dān)的工作，節(jié)省了空間，還提升了小車的整潔性與靈活性。在能源方面，小車為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在噪聲小的同時(shí)還減少了能源損耗，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念，有利于實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生。在設(shè)計(jì)方面，利用 Solidworks軟件對(duì)小車進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行有限元分析，對(duì)小車的各個(gè)部分進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，待裝配完成后，即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真過程[2]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在樹木噴藥涂白作業(yè)中，應(yīng)用最多的是手動(dòng)噴霧器和電動(dòng)噴霧器[3]。手動(dòng)噴霧器的優(yōu)點(diǎn)是可以手動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧壓力，但作業(yè)效率較低，且工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大[4]。電動(dòng)噴霧器具有體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，但在作業(yè)效率和準(zhǔn)確性方面與手動(dòng)噴霧器相差較大。因此，設(shè)計(jì)一款適用于樹木噴藥涂白作業(yè)的智能小車具有重要PupEu6+3bCCKbIZ9/pHWZw9F3CLmGq0+hLlPzY4CYec=意義。

1.2 國外研究現(xiàn)狀

國外在樹木噴藥涂白方面已有較為成熟的技術(shù)，例如德國的 Muhnhaber公司設(shè)計(jì)的一款帶有超聲波測距裝置的智能小車，可以實(shí)時(shí)檢測目標(biāo)樹直徑及車與樹的距離；美國 Motorola公司設(shè)計(jì)的一款可以通過紅外線檢測樹木周圍環(huán)境并調(diào)整噴霧壓力的智能小車，能夠根據(jù)障礙物的距離自動(dòng)調(diào)整噴霧壓力；意大利的 Wayne公司設(shè)計(jì)了一款采用超聲波測距技術(shù)、具有自動(dòng)調(diào)節(jié)噴霧高度功能的智能小車。但是，這些國外智能小車在我國并未得到推廣。

2 前期調(diào)研和設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)研

2.1.1 調(diào)研樹木噴藥涂白技術(shù) 了解當(dāng)前樹木噴藥涂白技術(shù)的發(fā)展情況、應(yīng)用范圍和方法。研究不同噴涂技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，如傳統(tǒng)的手工噴涂和機(jī)械化噴涂等的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1.2 調(diào)研小車技術(shù) 了解小車技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用情況，研究現(xiàn)有的小車結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，例如無人駕駛技術(shù)、傳感器技術(shù)、軌跡規(guī)劃算法等。

2.1.3 分析目標(biāo)用戶需求 通過與樹木管理部門、農(nóng)業(yè)專家和種植戶進(jìn)行交流和訪談，了解他們對(duì)樹木噴藥涂白智能小車的需求和期望，了解他們的噴涂量和頻率需求，以及樹木種類和形狀的差異等。

2.2 設(shè)計(jì)

2.2.1 噴涂罩設(shè)計(jì) 噴涂系統(tǒng)優(yōu)化，改進(jìn)了噴嘴的分布情況，可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確均勻的樹木涂白工作，確保涂白劑可以均勻噴涂在樹木的表面。

2.2.2 車身設(shè)計(jì) 從材料，穩(wěn)定性和靈活性方面入手。前方設(shè)有麥克納姆輪，可以提高小車在狹小區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向能力。

2.2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 使用360°環(huán)視攝像頭、雷達(dá)、傳感器等構(gòu)件，通過利用圖像處理以及傳感器所測得的數(shù)據(jù)，由操作人員來調(diào)整噴霧壓力和流量，以滿足工作需要，同時(shí)可以幫助操作人員控制小車，提高樹木噴涂工作的準(zhǔn)確性。

2.2.4 能源系統(tǒng) 為了確保足夠的耐用性和工作時(shí)間，選擇高儲(chǔ)能的電池、高效的電機(jī)，以降低能源成本和對(duì)環(huán)境的影響。與內(nèi)燃機(jī)相比，使用電池和電動(dòng)機(jī)（如小型汽車的動(dòng)力部件）可以減少化工燃料的使用量、廢氣排放、降低能源成本，這符合中國的綠色可持續(xù)發(fā)展理念[5]。

3 方案與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

3.1.1 小車驅(qū)動(dòng)優(yōu)化 選擇低噪聲、高效率的電機(jī)和大儲(chǔ)能電池作為小車的主要驅(qū)動(dòng)能源，大大提升小車的動(dòng)力與續(xù)航能力，同時(shí)，優(yōu)化車輪設(shè)計(jì)，前輪采用麥克納姆輪，提升小車在狹小區(qū)域的工作效率，后輪采用雙輪胎，通過增加輪胎與地面的摩擦力，提高小車的越障能力和穩(wěn)定性[6]。

3.1.2 小車噴涂優(yōu)化 改變噴涂罩的形狀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了噴嘴的分布，使小車能夠?qū)崿F(xiàn)均勻、連續(xù)的涂白工作。同時(shí)，通過調(diào)整水泵的流量和壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴藥涂白效果的精確控制。

3.1.3 小車控制優(yōu)化 采用遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車噴涂工作的精確控制，由操作人員直接控制，其次，提高小車噴涂作業(yè)的精度和噴涂穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)噴涂均勻及降低誤差率。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）

3.2.1 噴嘴 將噴涂液體或噴涂霧化劑均勻地噴灑到目標(biāo)樹木表面。

3.2.2 噴涂罩 在噴涂過程中對(duì)樹木進(jìn)行遮蓋和保護(hù)，確保噴藥或涂白劑只能覆蓋到目標(biāo)樹木，減少噴涂對(duì)周圍環(huán)境的影響（圖2）。

3.2.3 機(jī)械臂 調(diào)整噴涂罩的位置，保證噴涂罩能夠全面環(huán)繞樹木。

3.2.4 360°環(huán)視攝像頭 提供全方位的視角和實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保障操作人員的視野寬闊和安全性。

3.2.5 麥克納姆輪 提供全向移動(dòng)能力和操控靈活性。

3.2.6 步進(jìn)電機(jī) 可將電能轉(zhuǎn)化為精確定量的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3.2.7 攪拌器 通過不斷旋轉(zhuǎn)，防止涂白劑凝固[7]。

3.2.8 抽水泵 將液體從低處抽取到高處，以實(shí)現(xiàn)液體的提升、輸送或排放。

3.2.9 電池 為電子設(shè)備、電路或系統(tǒng)提供可攜帶和可持續(xù)的電力供應(yīng)。

4 工作原理

該系統(tǒng)是以單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，當(dāng)小車移動(dòng)至工作區(qū)域后，由測距傳感器檢測車體與樹木的距離，根據(jù)檢測得出的信號(hào)判斷是否到達(dá)指定地點(diǎn)，待操作人員設(shè)置好參數(shù)后，控制器接收到指令，會(huì)控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械臂完成伸縮、抬升的工作過程，待機(jī)械臂調(diào)至合適位置，噴涂罩開合環(huán)繞包裹樹木，啟動(dòng)噴涂罩進(jìn)行工作，與此同時(shí)，攪拌器會(huì)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，以防止涂白劑凝固，避免增加涂白難度，涂白劑由水泵抽取，通過內(nèi)嵌軟管式機(jī)械臂流至噴涂罩（圖2），水箱內(nèi)安裝有液位傳感器，用于檢測涂白劑的液位信息[8]，當(dāng)涂白劑液位低于最小值時(shí)，液位傳感器會(huì)發(fā)出異常信號(hào)[9]。當(dāng)單片機(jī)接收到異常信號(hào)后，會(huì)控制噴涂機(jī)構(gòu)停止工作，此時(shí)，液位指示燈閃亮，提醒操作人員需進(jìn)行加液處理，涂白時(shí)長可由操作人員按照需求設(shè)定，待涂白工作結(jié)束后，由液體回收裝置將未附著在樹木表面的涂白劑收集并儲(chǔ)存在回收槽內(nèi)，回收的涂白劑會(huì)被二次利用，以免造成浪費(fèi)。在工作過程中，各個(gè)部分工作配合恰到好處，相輔相成（圖3）。

5 有限元分析

在三維設(shè)計(jì)軟件 SolidWorks中，利用其三維實(shí)體建模、裝配及動(dòng)畫設(shè)計(jì)等功能，可以快速構(gòu)建出各種復(fù)雜的機(jī)械零件模型，而且可進(jìn)行零件的結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。在 SolidWorks中進(jìn)行機(jī)械零件建模時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置零件的材料、裝配關(guān)系等信息，對(duì)簡化后的模型進(jìn)行分析。在 SolidWorks中完成小車的三維實(shí)體建模之后，通過 SolidWorks自帶的 SolidWorks Creation模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后將所劃分出的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到 SolidWorks軟件中，并完成適當(dāng)?shù)念A(yù)處理。

通過分析裝置的應(yīng)力分布情況，可以預(yù)測結(jié)構(gòu)在受力時(shí)的變形情況，從而為后續(xù)的施工和使用提供指導(dǎo)。合理控制應(yīng)力分布可以減小變形，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性[10]。

6 運(yùn)動(dòng)仿真

運(yùn)用SolidWorks軟件完成零件繪制，零件裝配過程以后，激活運(yùn)動(dòng)算例功能，能通過增減錨點(diǎn)等方式將裝配完整的各部件以動(dòng)畫形式進(jìn)行展示以及模擬小車的工作過程（圖4）。

7 結(jié) 論

樹木噴藥涂白智能小車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模為基礎(chǔ)的一項(xiàng)設(shè)計(jì)，主要是為解決樹木病蟲害等問題。小車的續(xù)航和效率方面相比人工，在續(xù)航方面，采用高儲(chǔ)能的電池和高效的電機(jī)配合使用，續(xù)航問題也得到了解決，在效率方面，改進(jìn)了噴涂罩，優(yōu)化了噴嘴及各部件，效率更高，耗時(shí)更少，人力資源需求大幅度減小，小車的運(yùn)行主要由操作人員遠(yuǎn)程控制，為方便人員操作，小車所搭載的各個(gè)傳感器發(fā)揮出了不同的作用，如測距傳感器用來檢測小車與樹木或障礙物的位置信息并轉(zhuǎn)化為信號(hào)，操作人員收到信號(hào)及時(shí)處理，大大減少了小車的作業(yè)事故。液位傳感器用來檢測水箱藥劑的位置，保證藥劑處于正常容量范圍內(nèi)，當(dāng)水箱藥劑液位過低時(shí)，液位傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)預(yù)警，與此同時(shí)，液位指示燈也會(huì)閃亮，提醒工作人員加水加藥等。通過各個(gè)組成部件的緊密配合，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)解決問題。同時(shí)為我國綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略貢獻(xiàn)力量。

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