新型道路無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)

邴貞淳 王娜 王海艷 王靖霖 姜云春

摘要：本文以節(jié)能環(huán)保為前提，以城市道路綠籬帶的養(yǎng)護(hù)需求為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)產(chǎn)品可以提高城市道路綠籬帶修剪作業(yè)效率和修剪質(zhì)量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度;它改善了現(xiàn)有綠籬修剪機(jī)只能單面修剪、手持、低效以及適應(yīng)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，能夠同時(shí)進(jìn)行多面修剪、且修剪高效、可以適應(yīng)對(duì)不同寬度和高度的綠籬帶進(jìn)行修剪。綠籬機(jī)主要有修剪裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置組成。綠籬機(jī)的控制裝置，選用STM32單片機(jī)為主控制芯片，對(duì)綠籬機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)綠籬機(jī)進(jìn)行了軟件程序設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：城市道路綠籬;修剪機(jī);無線遙控

0前言

城鎮(zhèn)化發(fā)展過程中的綠化建設(shè)程度，既反映該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平又反映其精神文明的總體程度，同時(shí)也反映我國總體的小康水平社會(huì)的進(jìn)程[1]。城市綠化建設(shè)工程的最主要的表現(xiàn)就是城市道路綠籬帶的建設(shè)，它已經(jīng)成為了城市建設(shè)中重要的一部分，與人民的日常生活密不可分。

現(xiàn)在市場(chǎng)上進(jìn)行售賣的綠籬修剪器械多數(shù)是手持式的以汽油為燃料源的器械，或者是以卡車為載具的大型修剪器械，而且現(xiàn)在的綠籬修剪器械大多都是單面修剪的修剪器械，修剪的效率并不高[2]。同時(shí)，這些修剪器械都是需要人工進(jìn)行操作的，一個(gè)人操作的時(shí)間和精力都是有限的，不能長時(shí)間地高效率作業(yè)。還有在作業(yè)的過程中，工作人員伴隨有一定的噪音危害、氣體污染和意外受傷的可能。

本設(shè)計(jì)為了解決這些問題，使用無線遙控的方式控制綠籬機(jī)，不但可以大大延長有效作業(yè)的時(shí)間和作業(yè)的效率，更能保障操作人員的身體健康和生命安全。所以，在城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展中，無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究有著重要意義。

1 設(shè)計(jì)要求及目標(biāo)

依據(jù)對(duì)工作環(huán)境及植被種類的分析，無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)的功能要求如下：

（1）修剪能力：要求能夠?qū)Σ煌G籬帶進(jìn)行修剪。

（2）刀具可調(diào)整：工作過程中能夠根據(jù)工作環(huán)境的實(shí)際情況，在一定程度調(diào)節(jié)刀具的高度。

（3）穩(wěn)定性與靈活性：綠籬機(jī)需要具有一定的爬坡能力，且在爬坡工作狀態(tài)下不會(huì)發(fā)生打滑、傾翻等現(xiàn)象;綠籬機(jī)還需要具有原地回轉(zhuǎn)的能力，滿足快速行進(jìn)的需要。

（4）減少工作人員和危險(xiǎn)：不需要工作人員時(shí)刻跟車操作，在較遠(yuǎn)距離內(nèi)通過遙控板進(jìn)行操控。

2 新型道路無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)設(shè)計(jì)方案

基于上述對(duì)作業(yè)對(duì)象、作業(yè)環(huán)境、作業(yè)需求進(jìn)行的分析，對(duì)綠籬機(jī)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)中，綠籬機(jī)的結(jié)構(gòu)可分成修剪裝置、驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置三部分。修剪裝置包括修剪刀具、升降平臺(tái)及往復(fù)伸縮電機(jī)。驅(qū)動(dòng)裝置采用輪式結(jié)構(gòu)，由底盤、電機(jī)支架、橡膠輪胎及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。控制裝置由STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、無線遙控模塊、電源等組成。

（1）修剪裝置。本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)有兩組修剪裝置，包括一個(gè)平放在頂部修剪裝置與一個(gè)豎放在側(cè)面的修剪裝置，在這兩個(gè)修剪裝置中，各有一對(duì)鋸齒刀具完成修剪工作。如果平放在頂部修剪裝置的修剪高度大于豎放在側(cè)面的修剪裝置的修剪高度，會(huì)使得綠籬帶的上面和側(cè)面相交的邊線處的綠籬枝葉出現(xiàn)修剪不徹底的情況，所以平放在頂部修剪裝置應(yīng)該低于豎放在側(cè)面的修剪裝置的修剪高度，這樣的刀具放置方法可以保證邊線處的綠籬枝葉得到更好的修剪，以達(dá)到更完美的修剪作業(yè)。

（2）驅(qū)動(dòng)裝置。本設(shè)計(jì)是無線遙控電動(dòng)，只需要考慮驅(qū)動(dòng)裝置的可靠性與簡(jiǎn)單易用性，驅(qū)動(dòng)裝置無須有太過強(qiáng)大的動(dòng)力和功能。綠籬機(jī)的整體負(fù)載在40千克左右，所以采用純電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它的優(yōu)點(diǎn)是成本較低，安裝簡(jiǎn)易，使用方便，傳動(dòng)效率較高。

根據(jù)綠籬機(jī)實(shí)際需要，本設(shè)計(jì)為四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，四個(gè)橡膠輪胎分別由一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，動(dòng)力傳遞相互不干擾，直接由驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳遞到橡膠輪胎，傳動(dòng)鏈短，效率高，驅(qū)動(dòng)方便靈活。

（3）無線遙控裝置。Wi-Fi模塊是基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的無線局域網(wǎng)技術(shù)，所使用的協(xié)議是802.11標(biāo)準(zhǔn)，在2.4Ghz頻段工作，所支持的速度最高達(dá)54Mbps，傳輸距離大概為100m，其他設(shè)備通過連接無線通信模塊產(chǎn)生的Wi-Fi，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。根據(jù)新型無線遙控綠籬機(jī)的具體設(shè)計(jì)和其工作情況，選擇Wi-Fi模塊作為本設(shè)計(jì)的無線遙控模式。

3 新型道路無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)的控制裝置是整個(gè)綠籬機(jī)的核心部分所有指令都由這里接受和發(fā)出，因此控制裝置的可靠性和穩(wěn)定性就很重要了。本設(shè)計(jì)選用WiFi連接，整個(gè)無線遙控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的接受到外界控制器發(fā)出的指令，并準(zhǔn)確傳達(dá)給中央控制器，具有反應(yīng)快，接受范圍廣，延時(shí)低的特點(diǎn)。Wi-Fi模塊是基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的無線局域網(wǎng)技術(shù)，所使用的協(xié)議是802.11標(biāo)準(zhǔn)，在2.4Ghz頻段工作，所支持的速度最高達(dá)54Mbps，傳輸距離大概為100m，其他設(shè)備通過連接無線通信模塊產(chǎn)生的Wi-Fi，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。

（1）首先，打開電源開關(guān)，12V電源向電路板供電，一部分流向4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2個(gè)升降電機(jī)，2個(gè)往復(fù)伸縮電機(jī);一部分降壓到3.3V，流向STM32控制芯片和Wi-Fi無線遙控模塊。

（2）打開手機(jī)遙控App，進(jìn)行與綠籬機(jī)Wi-Fi無線遙控模塊的配對(duì)。

（3）配對(duì)成功后，通過手機(jī)遙控App發(fā)送指令，Wi-Fi無線遙控模塊接收指令，STM32控制芯片執(zhí)行指令，最后綠籬機(jī)各個(gè)部分完成相應(yīng)的動(dòng)作。控制系統(tǒng)工作流程如圖所示。

4 新型道路無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)系統(tǒng)調(diào)試

新型道路無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)系統(tǒng)升降平臺(tái)共有兩組，采用推桿電機(jī)作為它的升降動(dòng)力。該裝置由一件12V平底電動(dòng)推桿電機(jī)作為動(dòng)力源，其行程為205mm～305mm，速度12mm/s;其升降平臺(tái)為200*200mm的不銹鋼升降臺(tái)。

現(xiàn)組裝、調(diào)試情況良好，升降功能均能實(shí)現(xiàn)，調(diào)試實(shí)物如圖5所示。

將所有的程序下載到STM32單片機(jī)中，將所有的硬件部分組裝完成，檢查軟硬件的情況。手機(jī)遙控系統(tǒng)如圖6所示。

綠籬機(jī)修剪過程如圖7所示。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)的機(jī)械部分進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)，并搭建好了綠籬機(jī)的實(shí)物，其次是完成了綠籬機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。最后的測(cè)試結(jié)果證實(shí)了本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性及可行性。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：2021年山東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱：新型道路無線遙控電動(dòng)綠籬機(jī)（S202113320048）