一種智能草方格鋪設小車的設計與實現★

湯榮傳， 萬仁杰， 蘇景琳， 蘇新萍

（泉州職業技術大學， 福建 泉州 362200）

0 引言

我國是沙漠化[1]最嚴重的國家之一，沙漠化面積已占國土面積的27.3%，而且以大約2 000 km2/a 的速度擴散，18 個省（市、區）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濟損失高達540 億元，間接經濟損失2 889 億元。沙漠化治理方式可分為生物防治、封育修復和工程防治等。上述治理方式都是以植被生長為前提，但沙漠表層風速較高，沙子流動性高，植被根系難以固定，則需采用防風固沙措施。鋪設草方格[2]是最經常使用的治理方法，但現有草方格鋪設方案多依賴于人工，智能化程度低且人員的工作環境惡劣。因此，設計了一種可以適應多種沙漠條件下的智能草方格鋪設小車[3]，該小車能夠實現U 型鋪設提升整體鋪設效率，智能高效的完成草方格鋪設作業。

1 總體設計方案

本設計是以Arduino uno 控制板為控制系統，以物聯網為傳輸結構，能夠實現自動鋪設和輔助監測一體化的全自動草方格鋪設小車。鋪設小車是由機械系統和控制系統組成，能夠實現小車的行進、草料的輸送、草料的鋪設；控制系統主要功能是構建控制端與小車的實時通信；以智能算法結合機械系統來完成給定的任務。可實現遠程控制、環境數據監測、自主運行鋪設[4]、反饋鋪設質量，草方格鋪設小車系統組成框圖如圖1 所示。

圖1 草方格鋪設小車系統組成

草方鋪設小車采用的是新型U 型草方格一體化鋪設的方案，小車前進時，前置送料機構同步將草料送至鋪設機構，縱向插刀向下工作，橫向送料機構同時進行送料，橫向插刀向下插入，完成草方格鋪設。U型鋪設方式由推桿植草機構和后端鋪設機構組成如圖2 所示。

圖2 U 型鋪設方式

2 主要機械機構原理及其實現

草方格鋪設小車由5 個機構組成，分別是履帶驅動機構、前端下料機構、前端草料傳送機構、推桿植草機構以及后端鋪設機構。履帶驅動機構負責小車的整體行進；U 型草方格一體鋪設，主要是通過推桿植草機構和后端鋪設機構的相互配合，完成草方格的鋪設。

2.1 履帶驅動機構

履帶能夠適應各種地形，包括沙漠中的沙丘；履帶的接地面積大，能夠分散質量，提高車輛的穩定性，避免在沙漠中行駛時出現側翻等危險情況；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行。故選擇履帶作為鋪設小車的驅動機構。在履帶結構的前進方向和后退方向設置了抬升角度為60°，既可以做到平穩行進避免陷車，還可提高翻越障礙物的能力[5]。采用雙電機獨立控制的驅動系統，利用差速原理來實現轉彎功能。

2.2 前端下料機構

由于該機構依靠滾筒相互擠壓產生的摩擦力來輸送草料，滾筒上由突起的小點來增加摩擦力，將會使滾筒出現微型形變，影響兩個滾筒的間隙，間隙變大摩擦力減小將會影響草料的輸送，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 個軸承進行支撐，如圖3 所示。

圖3 前端送料機構示意圖

當裝置工作時，電機1 通過聯軸器帶動大齒輪運轉，帶輪1 與大齒輪同軸，帶輪1 帶動帶輪2 進行運轉，齒輪組帶動滾筒進行轉動，產生摩擦力來帶動草料。

2.3 前端草料傳送機構

該機構主要由保護套、皮帶傳送裝置、齒輪裝置以及支撐座組成。草料從下料機構落下到達傳送帶上經由傳送帶運輸至鋪設區域。運輸裝置主要運輸的是草料，在載荷方面不用進行太大的考慮。只需保證運輸帶的速度與履帶的前進速度達到一致，也就是保證前進速度與落草速度之間的平衡，電機輸出轉速后通過齒輪1 與齒輪2 來進行減速達到所設定的速度，如圖4 所示。

圖4 前端草料傳送機構示意圖

工作時，電機1 輸出轉速帶動齒輪1，齒輪1 帶動齒輪2，齒輪2 所在的軸上由皮帶運輸裝置的驅動輪，用來帶動皮帶運輸，帶到下料的目的。

2.4 推桿植草機構

該機構主要由電動推桿、滑臺、輪刀放置機構以及輪刀組成。通過推桿的上下移動來控制輪刀插入的深度，可以實現動態調節輪刀的刀身，來獲得更高的鋪設質量。電動推桿的行程為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小車的需求，如圖5 所示。

圖5 推桿植草機構示意圖

工作時，電動推桿向下運動，推動輪刀放置裝置向下運動，將輪刀插入地面，跟隨著小車的前進將草料傳送機構放置下來的草料壓入地面。

2.5 后端鋪設機構

該機構主要由絲桿滑臺、電機、儲料箱、舵機組成。通過絲桿滑臺來控制整個后端鋪設機構的左右移動，來實現縱向鋪設草方格，儲料箱內設置有滾筒也就是草料的下料裝置，通過電機帶動滾筒的嚙合來進行下料功能，如圖6 所示。

圖6 后端鋪設機構示意圖

工作時，電機2、絲桿滑臺和舵機同時運轉，來進行開溝和下料，到達縱向極限時電機2 停止運轉，絲桿滑臺反向運動，通過輪刀將草料壓入開好的溝內，完成一次橫向鋪設。

3 控制系統及其設計

3.1 控制系統的組成模塊

控制系統由一個Arduino uno 控制面板為主控制器，以及無線通信模塊來實現遠程通信。搭載北斗GPS 模塊，用來進行實時定位。搭載了L298N 電機驅動模塊用來驅動電機，如圖7 所示。搭載了ESP-32 CAM進行采集鋪設數據，將采集的圖片通過無線通信模塊上傳至局域網將數據儲存在云端，方便進行訪問。模塊電源模塊中的電池模塊和ADC 數模轉換模塊，檢測電池剩余電量，計算剩余續航里程。過充放保護模塊和穩壓模塊，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，反饋數據將用來進行路徑規劃；搭載了風速傳感器，該傳感器用來測定沙漠中的風速，一旦風速大于設定值，小車將停止工作進行避險。

圖7 電機控制示意圖

3.2 控制系統流程圖

草方格鋪設小車運動循環，如圖8 所示。

圖8 為草方格鋪設小車運動循環圖

4 實物制造

樣機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，價格也比較合理，故使用亞克力作為機器人的主框架。亞克力板由激光切割技術加工，然后拼接成型；在此基礎上進行控制系統的安裝調試、電機的安裝以及各種執行機構的安裝；其他部分零件采用3D 打印技術進行制作。

5 結語

土地沙漠化的治理仍是一個嚴峻的問題，主要治理方式仍采用鋪設草方格以達到防風固沙的作用，再進行植被修復實現土地沙漠化的治理。現有鋪設方式分為機械鋪設和人工鋪設，機械鋪設存在效率低下、自動化程度低的特點，人工鋪設又存在工作環境惡劣等特點。本文所設計的智能草方格鋪設小車，在彌補了現有鋪設設備缺點的同時，還增加了遠程控制、實時監測、自動避險等功能。本機功能滿足沙漠治理的實際需求，應用前景廣闊，能夠有效助理土地荒漠化的治理。