智能樹木涂白機設計

周麗娜　劉文慶　劉峻伶

摘要：本文以智能機器給樹木涂白作業(yè)為研究目的，以組合涂刷運動系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、物料供電提示系統(tǒng)、智能軌道系統(tǒng)以及機械設備樹木涂料給料控制系統(tǒng)的方式進行設計。智能樹木涂白機可智能自動化進行樹木涂白，智能控制涂白液的輸出，涂刷自動進行樹木涂白作業(yè)。本文通過闡述智能樹木涂白機設計的思路，并進行實踐，希望通過對智能樹木涂白機的設計可減少人工工作壓力，減少涂料的浪費。

關鍵詞：智能;樹木涂白機;設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）05-0155-02

1樹木涂白機概述

樹木涂白機是用于對樹木進行涂白作業(yè)的機器，代替人工涂白，將人工涂樹作業(yè)動作轉移至輔助樹木涂白機作業(yè)。樹木涂白機可減少作業(yè)人員對于樹木涂白液的接觸次數(shù)以及減少作業(yè)人員的工作壓力。

2樹木涂白機現(xiàn)狀

現(xiàn)存的樹木涂白設備，大多設備體型過大，對于較為茂密的樹林以及車水馬龍的街道來說無法進入，并且單人操作不便，需2至3人一同操作使用機械設備，且需要一定的操作技術。雖亦有一些較為小型的機械設備，但其裝置內部結構亦過于繁雜，使得其體積對于單人操作也過于偏大，操作不便。同時現(xiàn)存大型設備涂白過程中，設備噴涂出的涂液量不易控制，會造成資源浪費以及污染環(huán)境。

3智能樹木涂白機設計思路

3.1功能設計

1）“邊噴液邊涂刷”功能。智能樹木涂白機涂樹過程體現(xiàn)自動涂樹以及控制物料，將噴液處與刷頭進行組合使用，減少人為“蘸取涂料”這一多余動作。

2）控制物料輸出功能。智能樹木涂白機通過樹木涂料給料控制系統(tǒng)地計算，控制涂白液的輸出。

3）智能提醒功能。當智能樹木涂白機監(jiān)測到涂劑及電量余量不足時，可由傳感器實時監(jiān)測盛裝涂料容器內涂劑的余量以及電池所剩電量，智能樹木刷白機可發(fā)出顏色及聲音警告提示作業(yè)人員及時為其補充。

4）識別樹木功能。智能樹木涂白機在使用過程中，樹木涂白機的識別系統(tǒng)會進行樹木識別，進而確定樹木位置進行作業(yè)。

3.2結構設計

智能樹木涂白機的整體結構主要由控制系統(tǒng)、視覺識別、涂白液放置區(qū)、供能系統(tǒng)、物料輸出，移動裝置六部分構成。

1）控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)可由系統(tǒng)編碼設計而形成，裝置上可設計人機交互操作觸摸屏，人通過屏幕可以與控制系統(tǒng)進行聯(lián)系，從而控制液體流量、樹木涂白高度、路線設計以及機器工作終止等。

2）視覺識別系統(tǒng)?？捎糜谳o助其他系統(tǒng)工作的完成，例如，識別樹木，從而進行樹木定位，進而完成樹木涂白的作業(yè);當涂劑及電量余量不足時，視覺識別系統(tǒng)會產生顏色以及聲音提醒作業(yè)人員。

3）涂白液放置區(qū)。機體內可合有涂液特定盛裝容器，即涂白液放置區(qū)，涂白液放置區(qū)安裝有SY-UQZ型磁浮球液位計，用于檢測裝料桶內涂白劑液面的高度。采取頂置安裝的方式，通過法蘭安裝于涂白劑裝料桶頂上，當磁浮球隨液位變化、沿導管而上下浮動時，由于磁性作用，浮球液位計的干簧受磁性吸合，把液面位置變化成電流信號輸出到觸摸屏上，同時觸摸屏上設定液面上、下限報警，通過視覺系統(tǒng)可見的顏色改變來增加或減少物料。

4）供能系統(tǒng)。其是由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池構成的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成。蓄電池可使用可替換蓄電池，防止在長期作業(yè)中斷電而導致工作無法繼續(xù)進行。采用太陽能發(fā)電符合綠色發(fā)展理念，節(jié)能環(huán)保，也使作業(yè)變得靈活方便。

5）物料輸出。物料輸出部分設計成輸出膠管及刷頭電的組合形式，刷頭為本機的噴涂裝置，采用刷頭與輸液管相組合的方式，邊噴液邊涂刷。刷頭可設置為兩個，皆置于圓形軌道上，涂樹作業(yè)時，兩個刷頭沿著圓形軌跡進行涂樹，由控制系統(tǒng)控制，軌道與刷頭向下移動再次重復動作，提高涂樹作業(yè)的工作效率。

6）移動裝置。移動裝置的設計采用履帶結構，履帶適用范圍廣，適宜樹木涂白機在各個場合移動使用，避免泥濘而使得樹木涂白機無法作業(yè)。

3.3系統(tǒng)設計

樹木涂白機器是由機械設備樹木涂料給料系統(tǒng)來操作控制，機械設備樹木涂料給料系統(tǒng)由機械設備涂刷運動系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、物料供電提示系統(tǒng)、智能軌道運動系統(tǒng)組成。

1）視覺識別系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)可以基于獲取深度信息的傳感器Kinect實現(xiàn)對于環(huán)境內的樹木深度感知其信息，幫助機器分析樹木位置、胸徑大小及表面粗糙程度等，識別出信息后將指令傳遞給控制系統(tǒng)。在粉刷樹木過程中視覺識別系統(tǒng)可以實時監(jiān)測工作完成度及完成質量，通過樹與涂料的色差進行識別涂樹完成度，再次將信息傳遞給控制系統(tǒng)。

2）機械設備涂刷運動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)在接受到識別系統(tǒng)發(fā)出的信息后，可根據(jù)識別的信息（樹木的半徑）以及人為輸入的涂樹高度自動計算出所要輸出物料的多少，將涂料準備好后運動系統(tǒng)開始粉刷工作。根據(jù)所識別到的信息對樹木進行刷頭沿圓形軌道運動，同時刷頭與圓形軌道進行向下運動來模擬作業(yè)人員粉刷動作。人工可以通過交互屏幕控制迷你PLC，迷你PLC所帶的電機模塊控制電機正反轉進行往復運動，通過轉速調節(jié)速度，在進行往復處加入限位開關，當接收到啟動命令時電機正轉觸點閉合，軌道進行向上運動，到達限位開關時，軌道進行向下運動再次到達限位開關，通過梯形圖設計邏輯關系，進行模塊化軌道的上下運動。

3）智能軌道運動系統(tǒng)。刷頭置于軌道上，特質刷頭的下方與軌道內側具有磁l生，在通電情況下，兩者相互作用，從而使特質刷頭在軌道進行運動。軌道由數(shù)個彎形軌道組合而成，可以人為進行拼接拆卸，根據(jù)樹的粗細不同，設計出五種半徑不同的軌道方式，尺寸設計分別是半徑為6厘米、12厘米、18厘米、25厘米、30厘米的軌道，軌道內側合有磁性液體傾角傳感器，磁性液體兼具磁性和流動性兩大物理特性，基于這兩個獨特的物理性質產生了磁性液體傾角傳感器。利用慣性質量塊的微小位移帶來的線圈電感變化，進行傾斜角度測量，便于更正運動軌跡。

4）人機交互系統(tǒng)。此系統(tǒng)需要人為協(xié)助進行工作，例如，人為在交互屏幕輸入涂樹高度進而輸出物料，以及非正常情況下暫停或開始作業(yè)以及行走路線等。

4智能樹木涂白機設計實踐

根據(jù)設計思路對機械設備樹木涂料給料系統(tǒng)、智能軌道運動系統(tǒng)進行設計實踐。

1）涂料的輸出。智能涂白機搭載機械設備樹木涂料給料控制系統(tǒng)，系統(tǒng)進行自動識別判斷所要粉刷樹木對象的粗細及表面粗糙程度進而輸出定量的涂白液，自動給料系統(tǒng)采用性能可靠的PLC和PROFIBUS現(xiàn)場總線技術。涂料給到電子秤進行計量，從而準確輸出物料量。以防止多余涂料造成的浪費，同時也減少了對環(huán)境的污染程度。

2）樹木的粉刷方式。圓形軌道繞在樹木周圍，兩個刷頭可沿著圓形軌道進行涂刷，兩個刷頭運動方向相反，當兩個刷頭相遇時，樹木的一層涂樹工作完成，刷頭如圖1所示。刷頭與軌道進行向下運動來配合來完成第二層的涂樹運動，重復以上工作，粉刷樹木的工作即可完成。輸出物料裝置與刷頭相結合，實現(xiàn)邊噴液邊涂刷的動作。根據(jù)樹木粗細的不同，人為采用不同直徑的圓形軌道進行粉刷。圓形軌道（圖2）為模塊化設計，通過樹的直徑來采取模塊數(shù)量，人工拼接圓形軌道，由于刷子的刷毛部分長度為5厘米，即軌道直徑誤差范圍在2厘米至6厘米之間。視覺系統(tǒng)可識別樹木涂刷是否完全，即樹木的各個縫隙都能夠填充均勻，保證一定的工作質量。

機體外部可設計為一個半圓柱體的外殼保護支撐，前方為可上下運動的圓形軌道及刷頭，此刷頭與輸液管連接，實現(xiàn)邊涂邊刷;涂白機整體結構如圖3所示;涂白機機體尺寸如圖4所示，高度為1400毫米，整機寬度設為為1100毫米，符合人機工程學尺寸，利于操作機器，識別處寬度設為為60毫米，視野寬大。

智能樹木涂白機作業(yè)前期，人工進行軌道的選取安裝以及涂料的增添，人為開啟機器，機器視覺系統(tǒng)識別樹木，識別后進行涂刷作業(yè)。

5結語

隨著現(xiàn)代科技的不斷進步，智能化操作方式的趨勢已勢不可擋，城市的不斷發(fā)展使道路兩旁的景觀樹木不斷增多，智能涂白設備下在此背景也應運而生。機器代替人工的使用大大增加了工作效率且工作完成質量也有所提升。綠色環(huán)保是當今發(fā)展的重點，此樹木涂白機的設計符合當下發(fā)展理念，既節(jié)省了人力物力財力，相比傳統(tǒng)涂白方式又減少了對環(huán)境的污染。