基于光伏新能源及群體智能的自主栽種灌溉植樹機

2022-08-29 02:21:28王婉婷王鵬

現代信息科技 2022年12期

王婉婷，王鵬

（北方工業大學電氣與控制工程學院，北京 100144）

0 引言

這是一款集種樹種草，根據土壤濕度進行節水灌溉，依靠鋰電池和太陽能同時供電的植樹機。本文設計的植樹機栽種的數量比人工栽種多141.6%，可以節約人力物力，提高栽種的速度。在節水節能、減少CO排放等方面上有重要意義。

1 設計方案

本文中設計生產的植樹機主要適合用于在林地、山區、沙地荒漠等環境復雜或多變惡劣的環境狀態下植樹，具備栽種樹苗、節水灌溉、無線通信等多種功能。植樹機由鉆孔機構、灌溉機構、推土機構、樹苗栽種機構組成，搭載追蹤式太陽能板，使用鋰電池和光伏發電雙重供電保障。

植樹機通過5G 通信技術，運動到指定作業區域。內置傳感器將環境數據傳送給工作站。土壤濕度傳感器檢測土壤濕度值轉化為電信號，單片機根據土壤濕度值控制植樹機上攜帶的水箱進行節水灌溉。植樹機前方攜帶的鉆頭挖掘土坑后，向前移動至樹苗下落通道出口與土坑位置相同時停下，同時裝有樹苗的轉盤旋轉一定角度使樹苗落下。推土機構推動隆起的泥土落入坑洞中填埋，本裝置的總體設計思路框圖如圖1所示。

圖1 總體設計思路

1.1 電器控制

選用STM32F4 和Arduino 作為主控板，使用直流無刷減速電機和PID 算法精確控制轉速及位置。

太陽能追蹤系統采用光電轉換模式，由傳感器感受光源，將識別的數據反饋到系統中，控制太陽能光伏板轉動，達到自動追蹤效果，同時將太陽能轉化為化學能為后續裝置供電。由太陽能光合硅能蓄電池組成的供電模塊，由太陽能追蹤系統高效收集光能，為13 V 光合硅電池供電，再由電源變壓器轉化為24 V 直流電。使用張力計式濕度傳感器，把檢測到的土壤濕度信號放大以后，進行傳送至單片機內部的交流/直流轉換電路，將得到的數據進行處理得到土壤的濕度值。中央處理器根據濕度值控制水箱電磁閥開關澆灌需要的水量。

1.2 機械結構

在控制系統調控下，機身運動到指定位置。打孔機構開始工作，打孔機構由升降機構，鉆頭，土壤濕度測試儀構成。

升降臺共有4 條橫梁，4 條側梁。下橫梁通過鋁型材和鈑金金屬連接件與電機架鏈接，上橫梁與電機架接觸，最大程度上將電機所受到的軸向力通過側梁與下橫梁共同作用，將力傳導至機架。

電機通過6 轉8 梅花聯軸器與8CM 高碳鋼鉆頭鏈接，鉆頭根部通過一個角接觸球軸承固定導向，電機如圖2中標號1、2、3 所示。

鉆頭在升降機構帶動下，向下運動，從而在地面上鉆出坑洞，同時土壤濕度測試儀前段插入土壤中，返回土壤濕度數據，如圖2（a）（b）所示，是鉆孔升降機構。

儲料倉由內外兩個轉盤，和轉盤上的物料存放桶組成，轉盤機構如圖2（d）所示。最大程度上合理運用空間，增大單次樹苗的攜帶數量，單次可攜帶64 棵樹苗。每個轉盤由獨立舵機驅動。打孔機構工作完畢后，車身向前移動固定距離，儲料轉盤轉動，物料存放桶與底盤的出料口配合后，土培與樹苗通過Y 型輸料管落入土坑中。

栽種機構工作完畢后，推土機構如圖2（c）所示，開始工作。推土機構：電機驅動相配合的齒輪齒條，齒條與滑槽鏈接，滑槽末端的鈑金推鏟在齒輪機構傳動下，推動泥土落入坑洞中。之后，電機反向轉動，帶動推土鏟復位。

圖2 機構示意圖

推土鏟復位后，車身再次向前移動固定距離，灌溉機構開始工作。灌溉機構由儲水倉和電磁水閥組成。車身停止運動后，電磁水閥打開，水倉中水流出，灌溉時間根據返回的土壤濕度做定量計算。內部結構渲染圖如圖3所示。

圖3 內部結構渲染圖

2 工作原理

2.1 自主栽種

本裝置中通過STM32F4 主控板對伺服電機進行編碼控制，由于栽樹鉆孔為連續的過程，設置系統到達的起點并將位置參數歸0，設置間隔點距離，開始自動運行程序。到達最佳鉆孔點后植樹機停止前進，給定伺服電機驅動器脈沖信號以控制角位移量，控制兩側伺服電機A、B 轉動固定的角度。植樹機實物如圖4所示。設定A、B 電機控制系統為單閉環負反饋控制，反饋為下降距離：如果A 轉動的角度大于B，則反饋閉環系統控制降低A 轉速，反之控制降低B 轉速，以保持電機A、B 以相同的速度下降?？刂沏@頭的伺服電機C 與A、B 同時開啟，帶動鉆頭逆時針旋轉，此時，在電機A、B 的作用下，鉆頭即可挖出土壤形成樹坑。當系統檢測到達下降額定深度時，電機C 停止旋轉，電機A、B 反轉以收回鉆頭，回歸原位后A、B 停止旋轉。放入樹苗完成后重復之前動作，直到完成系統設置的種植數量或者距離。鉆頭控制原理如圖5所示。

圖4 植樹機實物圖

圖5 鉆頭控制原理

2.2 節水灌溉

張力計式土壤水分傳感器，有個多孔瓷頭，它能夠直接或通過任何一根用來充或放水氣分的金屬管子與另一個真空表裝置相連接，該真空傳感器裝置被直接插入到了土壤表層上的另一個金屬鉆孔腔道中，多孔的金屬瓷頭能直接地與巖石表層土壤層緊密地貼合，真空表裝置就這樣設在于地面巖石之上。

首先需要通過土壤溫度檢測傳感器自動檢測出土壤濕度參數并同時輸出一個與其數值相對應位置的溫度模擬測量信號，然后再經過數字模擬A/D 信號的轉換輸出電路來將這個模擬溫度信號再轉換輸出至模擬數字信號，發送指令給單片機，通過鑲嵌狀的微控制器MCU 操作后傳送到采集單元，再經過GPPS 網絡傳輸到管理中心計算機上，就會自動呈現出關于濕度的數值情況。

GPRS 板塊收到利用串行口反饋的數據后，通過網絡關口將其傳輸到Internet 上，與Internet 相連的中心站計算機就會得到數據。

單片機將采樣值與程序中設置的樹苗生長需要的濕度進行對比，判斷灌溉量，發送信號控制水箱電磁閥門自動開關的時長，從而實現對灌溉水量的自動調節，最后達到節約水量的目的。

2.3 群體智能協作系統

為了提高栽種效率，建立以蟻群算法為基礎的群體調度系統，在一個區域內多臺植樹機相互協作，智能作業。

各臺植樹機（效用估計值大者獲得該任務的執行權）協同作業實現速度匹配，防止碰撞。合理有效地進行任務分配和調度，通過傳感器獲取環境信息，通過無線通訊技術與其他設備進行信息交互，最后通過數據運算自身環境信息，做出運動決策。我們選用蟻群算法解決最優路徑問題。

3 性能分析

太陽能追蹤系統采用光電轉換模式，由光敏電阻傳感器感受光源，將數據反饋到單片機中，并發出指令控制太陽能光伏板雙軸轉動，達到自動追蹤的效果。電源使用光合硅能蓄電池，由于自動追蹤的同時將太陽能轉化成了化學能儲存到了蓄電池中，從而實現循環結構。電池標準容量60 Ah，輸出標準電壓24 V，充電電流4 A，最大放大電能轉移過程中的流失率低至0.2%，能量增值效益達到8 ～30 倍，從而實現節約電能的目的。

以栽種吸收CO能力最強的毛泡桐樹苗為例，根據表1的數據，一公頃土地上50 臺植樹機同時工作，兩個月時間可以種植生態修復林10 公頃，每年可吸收二氧化碳1 236 噸，可減少全國每年0.93%的碳排放量。

表1 碳吸收相關數據

4 應用與市場

以一臺植樹機為單位進行計算，年節約電量168.5 kWh，年節約水量7 234.2 L，成本約3 200 元，以甘肅地區為例（具體水電費用各地不同），電費0.51 元/kWh，水費1.33 元/L，一年可以節約水電費成本9 707.4 元。分析結果表明，一臺植樹機的植樹效率是一個工人的1.4 倍，節省下來的年均人工成本是1.5萬元左右。如圖6所示是我們設計的植樹機和傳統人工栽種的開銷對比圖，可以看到在投入當年八月以后，植樹機的開銷成本就會低于傳統人工種植方案。所以，使用植樹機替代傳統人工的處理方法，可以大大節省人力和物力資源。