一种用于沙障铺设的机器人设计*

肖景强 ，王宇林 ，陈嘉俊 ，曾骏晖 ，吴彦夫

（广东海洋大学机械工程学院，广东 湛江 524088）

荒漠化是当前人类面临的重大生态问题，就目前国内荒漠化程度来说，我国是世界上荒漠化面积大、分布范围广、危害严重的国家之一。长此以往会对处于荒漠化附近的居民造成严重的经济损失，在其生活起居上也会有严重的影响。而目前国内的固沙设备相对落后，缺乏较为自动化、智能化的固沙设备[1]。本文根据荒漠化固沙设备的问题设计了一种用于沙漠治理的智能固沙机器人，该机器具有人工操作和智能操作两种模式，能够高效地规划草方格的种插路径，使得种插的覆盖面积更为合理。其目的是减少人力成本的投入，提高种插草方格的效率，为荒漠地带的绿植恢复奠定基础。

1 整体结构设计及工作原理

沙障铺设机器人整体结构设计如图1所示。机器人的结构组成包括行走机构、传送机构、轧草机构、视觉识别装置、激光雷达检测装置、主控装置、整体机架等[2]。该机器人主要用于荒漠化地区防风固沙的沙障铺设工作。在实际工作时，驾驶机器的工作人员通过遥控设备到达预设的工作区域，设备将会通过GPS定位模块检测设备当前的位置坐标，并且预设下一个目标点的坐标。在起始点和目标点之间各自建立一个关于x轴、y轴的坐标系，并且两个坐标系轴线延长相交，划定出设备的工作区域。上位机Jetson Nano通过激光雷达及视觉摄像头进行全图扫描，建立起一张栅格地图，扫过的区域里面对有障碍物的区域栅格设定为1，待工作区域设定为0，通过Boustrophedon算法及双向搜索算法为设备规划一条最优的路线。设备经过待工作区域0后将该区域设定为已工作区域，标志为1。待整个栅格地图所有栅格区域都为1后，设备在该区域的工作完成。然后，该机器人将以当前区域的目标点作为起始点，再次规划工作区域，对附近的区域进行铁轨式的沙障方格铺设。

图1 沙障铺设机器人整体结构

2 主要装置结构设计

2.1 横向送草装置设计

横向送草机构如图2所示，其主要由步进电机、同步带、传送带、取料排槽滚轴、电机、联轴器、折板等构成[3]。设备在取料时，中间一组彼此啮合的排槽齿会将秸秆从秸秆储料仓中卷出，由于取料排槽滚轴的快速转动，秸秆会被甩到铺平的折板上，并且折板和取料滚轴之间存在6 cm的间隙，秸秆堆叠过多后会在传送带的作用下，均匀横向地平铺在折板上。待铺匀后，步进电机会带动同步带将折板沿着特定的弯形轨道推出，使得折板平面变为折板曲面，并在轨道的终点处将触碰开关闭合，折板到达预设行程点。折板曲面上的秸秆由于接触摩擦不足，滑落至预设区域，被下方摄像头识别到后折板曲面收回，至此完成送草动作。

图2 横向送草机构

2.2 横向轧草装置设计

横向轧草机构如图3所示，其主要由轧草轮、联轴器、减速电机、电动推杆、滑块、电动推杆固定架等组成。当设备尾部的底部支架摄像头检测到横排秸秆对象时，电动推杆伸长推杆给轧草轮下压力。轧草轮在电机的转动下拖着滑块在滑轨上移动，横排的秸秆在轧草轮的压力作用下竖立起来，当电动推杆固定架左右两边的触碰开关先后往复触碰到后，标记轧草动作已经完成。此时，横向秸秆已经全部竖立起来，设备将继续执行向前直走命令。

图3 横向轧草机构

2.3 纵向送草装置设计

纵向送草机构如图4所示，其主要由舵机、引料板、传送带、取料排槽滚轴、联轴器、执行电机等组成[4]。设备在取料时，取料排槽滚轴的电机开始转动，并将储料仓内的秸秆通过一条10 cm宽的裂缝依次卷出。由于电机转动之后秸秆会掉落到传送带上，在传送带的作用下秸秆到达预定的槽口下方，然后将秸秆排列好，等待纵向轧草装置将其轧立起来。

图4 纵向送草机构

2.4 纵向轧草装置设计

纵向轧草机构如图5所示，其主要由轧草轮、电机、轧草力臂、电动推杆等组成。设备在纵向轧草时，待设备发出纵向轧草指令后，电动推杆伸长将轧草力臂下压，给轧草轮一定下压力，将铺在沙上的秸秆给竖立起来。同时在设备的移动过程中，轧草刀片轮的电机转动带动轧草刀片轮，使得前方的秸秆轧立起来。

图5 纵向轧草机构

3 控制原理设计

3.1 全局规划控制算法原理

基于Boustrophedon算法和双向搜索算法对设备进行路径规划，并搭载GPS定位器，在起始点和目标点之间各自建立一个关于x轴、y轴的坐标系，并且两个坐标系轴线延长相交，划定一个50 m×50 m的规划空间作为设备待完成的工作领域。上位机Jetson Nano通过激光雷达及视觉摄像头进行全图扫描，对该空间进行划分，建立起一张栅格地图，扫过的区域里面对有障碍物的区域栅格设定为1，待工作区域设定为0，设备经过待工作区域0后将该区域设定为已工作区域，标志为1[5]。考虑到植草机器人的体积大小问题，对栅格地图进行膨胀，减小误差，确定起始种植点，查找第一个0区域点，将其定为起始种植点，从起始种植点开始出发，判断下一个点位是否为非障碍物点位，记录每一个点位的坐标，将各个点位串连，还原坐标。理想情况下，障碍物为规则的，其具体实现为：根据选择的初始方向x轴进行覆盖栅格，碰到障碍物和边界时，先判断x轴的垂直方向即y轴方向是否存在障碍物，若没有障碍物点，植草机器人向y轴方向向上或向下移动一个距离；若有障碍物点，则不能进行移动，存在困区，进行回退操作，回到上一个栅格点，重复上述操作，判断y轴方向的障碍物点是否存在，判断结束后，接着往反方向开始新的覆盖，直至全部点位覆盖完全[6]。非理想情况下，障碍物存在凹陷即不规则，无法做到全方位覆盖，存在死区，设备到达目标点后，需重新规划出一条最短路径到达未覆盖区域（死区），路径规划方式与理想规则的障碍物方式等同。在一些转折点的区域，设备采取差速旋转方式，使轨迹更为渐缓，铺设的方格也更为合理。当规划的栅格地图上的0区域点都已完成铺设工作后，将会拓展到下一个目标点，并且将上一个目标点作为下一个工作区域的起始点，实现点与点之间的拓扑[7]。设备控制逻辑原理如图6所示，该设计满足工作的要求，同时能够达到设备自动化、智能化的效果。

图6 控制逻辑原理图

3.2 整体电路控制系统设计

设备开启，对Jetson Nano、STM32、ESP32主控进行初始化，摄像头开启，激光雷达开启，对周围进行扫描建立栅格地图，各传感器将目前检测到的实时数据传到ESP32进行数据滤波处理，筛选不稳定的数据[8]。发送端ESP32通过铱星9602模块A将数据发送到接收端的铱星9602模块B上，将数据上传给接收云端的ESP32，接收云端ESP32将数据再上传到服务器中[9]。MPU6050读取当前设备的俯仰角及欧拉角，并将数据传给Jetson Nano，Jetson Nano处理数据，规划路线，发出下一条指令给STM32用于执行相应动作的执行函数，STM32将要执行的信号和PWM脉冲电流传给驱动器，驱动器将脉冲信号放大驱动电机的转动，同时该系统还可进行人工手动操作，用户可在云端发出指令确定下一 个目标点，以合理调节铺设沙障的覆盖区域[10]。具体的电控原理如图7所示。

图7 整体电路控制系统原理图

4 结论

本文从实际出发，对设备在荒漠化地带的工作场景及具体用途进行了综合研究，分析了设备具体运动及工作的原理，同时对设备的结构进行了创新性的设计，引用了当前主流的算法并设计了相应的控制系统。本文设计的机器人有效地解决了当前种插草方格效率低、人力成本高等问题，对治理荒漠化以及绿色植被的恢复工作具有较为重大的意义[11]。