一种智能草方格铺设小车的设计与实现★

汤荣传， 万仁杰， 苏景琳， 苏新萍

（泉州职业技术大学， 福建 泉州 362200）

0 引言

我国是沙漠化[1]最严重的国家之一，沙漠化面积已占国土面积的27.3%，而且以大约2 000 km2/a 的速度扩散，18 个省（市、区）近4 亿人口遭受荒漠化的危害。全国每年因荒漠化危害造成的直接经济损失高达540 亿元，间接经济损失2 889 亿元。沙漠化治理方式可分为生物防治、封育修复和工程防治等。上述治理方式都是以植被生长为前提，但沙漠表层风速较高，沙子流动性高，植被根系难以固定，则需采用防风固沙措施。铺设草方格[2]是最经常使用的治理方法，但现有草方格铺设方案多依赖于人工，智能化程度低且人员的工作环境恶劣。因此，设计了一种可以适应多种沙漠条件下的智能草方格铺设小车[3]，该小车能够实现U 型铺设提升整体铺设效率，智能高效的完成草方格铺设作业。

1 总体设计方案

本设计是以Arduino uno 控制板为控制系统，以物联网为传输结构，能够实现自动铺设和辅助监测一体化的全自动草方格铺设小车。铺设小车是由机械系统和控制系统组成，能够实现小车的行进、草料的输送、草料的铺设；控制系统主要功能是构建控制端与小车的实时通信；以智能算法结合机械系统来完成给定的任务。可实现远程控制、环境数据监测、自主运行铺设[4]、反馈铺设质量，草方格铺设小车系统组成框图如图1 所示。

图1 草方格铺设小车系统组成

草方铺设小车采用的是新型U 型草方格一体化铺设的方案，小车前进时，前置送料机构同步将草料送至铺设机构，纵向插刀向下工作，横向送料机构同时进行送料，横向插刀向下插入，完成草方格铺设。U型铺设方式由推杆植草机构和后端铺设机构组成如图2 所示。

图2 U 型铺设方式

2 主要机械机构原理及其实现

草方格铺设小车由5 个机构组成，分别是履带驱动机构、前端下料机构、前端草料传送机构、推杆植草机构以及后端铺设机构。履带驱动机构负责小车的整体行进；U 型草方格一体铺设，主要是通过推杆植草机构和后端铺设机构的相互配合，完成草方格的铺设。

2.1 履带驱动机构

履带能够适应各种地形，包括沙漠中的沙丘；履带的接地面积大，能够分散质量，提高车辆的稳定性，避免在沙漠中行驶时出现侧翻等危险情况；沙漠中的温度往往很高，履带能够承受高温，不易受损，能够保证车辆的正常运行。故选择履带作为铺设小车的驱动机构。在履带结构的前进方向和后退方向设置了抬升角度为60°，既可以做到平稳行进避免陷车，还可提高翻越障碍物的能力[5]。采用双电机独立控制的驱动系统，利用差速原理来实现转弯功能。

2.2 前端下料机构

由于该机构依靠滚筒相互挤压产生的摩擦力来输送草料，滚筒上由突起的小点来增加摩擦力，将会使滚筒出现微型形变，影响两个滚筒的间隙，间隙变大摩擦力减小将会影响草料的输送，即轴的跨距不宜过长，在输送装置的两端以及中间各放置了1 个轴承进行支撑，如图3 所示。

图3 前端送料机构示意图

当装置工作时，电机1 通过联轴器带动大齿轮运转，带轮1 与大齿轮同轴，带轮1 带动带轮2 进行运转，齿轮组带动滚筒进行转动，产生摩擦力来带动草料。

2.3 前端草料传送机构

该机构主要由保护套、皮带传送装置、齿轮装置以及支撑座组成。草料从下料机构落下到达传送带上经由传送带运输至铺设区域。运输装置主要运输的是草料，在载荷方面不用进行太大的考虑。只需保证运输带的速度与履带的前进速度达到一致，也就是保证前进速度与落草速度之间的平衡，电机输出转速后通过齿轮1 与齿轮2 来进行减速达到所设定的速度，如图4 所示。

图4 前端草料传送机构示意图

工作时，电机1 输出转速带动齿轮1，齿轮1 带动齿轮2，齿轮2 所在的轴上由皮带运输装置的驱动轮，用来带动皮带运输，带到下料的目的。

2.4 推杆植草机构

该机构主要由电动推杆、滑台、轮刀放置机构以及轮刀组成。通过推杆的上下移动来控制轮刀插入的深度，可以实现动态调节轮刀的刀身，来获得更高的铺设质量。电动推杆的行程为100 mm，推力为50 N，速度为15 mm/s，可以通过程序控制杆的伸出长度，该推杆能够符合铺设小车的需求，如图5 所示。

图5 推杆植草机构示意图

工作时，电动推杆向下运动，推动轮刀放置装置向下运动，将轮刀插入地面，跟随着小车的前进将草料传送机构放置下来的草料压入地面。

2.5 后端铺设机构

该机构主要由丝杆滑台、电机、储料箱、舵机组成。通过丝杆滑台来控制整个后端铺设机构的左右移动，来实现纵向铺设草方格，储料箱内设置有滚筒也就是草料的下料装置，通过电机带动滚筒的啮合来进行下料功能，如图6 所示。

图6 后端铺设机构示意图

工作时，电机2、丝杆滑台和舵机同时运转，来进行开沟和下料，到达纵向极限时电机2 停止运转，丝杆滑台反向运动，通过轮刀将草料压入开好的沟内，完成一次横向铺设。

3 控制系统及其设计

3.1 控制系统的组成模块

控制系统由一个Arduino uno 控制面板为主控制器，以及无线通信模块来实现远程通信。搭载北斗GPS 模块，用来进行实时定位。搭载了L298N 电机驱动模块用来驱动电机，如图7 所示。搭载了ESP-32 CAM进行采集铺设数据，将采集的图片通过无线通信模块上传至局域网将数据储存在云端，方便进行访问。模块电源模块中的电池模块和ADC 数模转换模块，检测电池剩余电量，计算剩余续航里程。过充放保护模块和稳压模块，控制充放电速度并延缓寿命下降。搭载了超声波传感器，该传感器用来测量车体与障碍物之间的距离，反馈数据将用来进行路径规划；搭载了风速传感器，该传感器用来测定沙漠中的风速，一旦风速大于设定值，小车将停止工作进行避险。

图7 电机控制示意图

3.2 控制系统流程图

草方格铺设小车运动循环，如图8 所示。

图8 为草方格铺设小车运动循环图

4 实物制造

样机采用亚克力板作为主用材。亚克力具有很好的耐磨性、表层硬度、光泽和抗高温能力比较高，价格也比较合理，故使用亚克力作为机器人的主框架。亚克力板由激光切割技术加工，然后拼接成型；在此基础上进行控制系统的安装调试、电机的安装以及各种执行机构的安装；其他部分零件采用3D 打印技术进行制作。

5 结语

土地沙漠化的治理仍是一个严峻的问题，主要治理方式仍采用铺设草方格以达到防风固沙的作用，再进行植被修复实现土地沙漠化的治理。现有铺设方式分为机械铺设和人工铺设，机械铺设存在效率低下、自动化程度低的特点，人工铺设又存在工作环境恶劣等特点。本文所设计的智能草方格铺设小车，在弥补了现有铺设设备缺点的同时，还增加了远程控制、实时监测、自动避险等功能。本机功能满足沙漠治理的实际需求，应用前景广阔，能够有效助理土地荒漠化的治理。