基于機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能種樹小車
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前言：針對(duì)目前人工種樹效率低的問題，設(shè)計(jì)了一種全自助高效智能種樹小車。介紹了裝置的結(jié)構(gòu)組成，剖析了裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。通過SolidWorks三維軟件對(duì)傳動(dòng)部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
利用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了種植過程的信息傳遞、發(fā)送命令等，物聯(lián)網(wǎng)機(jī)智云模塊可以實(shí)時(shí)上報(bào)種植數(shù)據(jù)至云平臺(tái)。制作了裝置模型樣機(jī)，試驗(yàn)測試結(jié)果表明：該裝置完成一棵樹的種植時(shí)間需要約8.45 s，完成區(qū)域10 m×10 m的土地種植時(shí)間需要約73.85 s。裝置完全實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)運(yùn)樹、挖坑、下樹、填坑、澆水等功能，為樹木自動(dòng)種植領(lǐng)域的研究奠定了基礎(chǔ)。
1、裝置工作原理
圖1所示為種樹車整體結(jié)構(gòu)。當(dāng)確定了種樹區(qū)域時(shí)，該區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)工作多輛種樹小車，在工作之前利用機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)下發(fā)每輛車的種植區(qū)域。此時(shí)種樹車向前運(yùn)動(dòng)至預(yù)定的區(qū)域，鉆頭利用GPS定位模塊確定種樹地點(diǎn)，鉆頭開始沿著光軸上下移動(dòng)，根據(jù)種樹的類型，控制下挖的深度，挖出樹坑。
與此同時(shí)，行星齒輪塔帶動(dòng)樹夾開始轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)樹坑上方時(shí)，停止轉(zhuǎn)動(dòng)。車?yán)^續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，按照預(yù)先設(shè)置的樹距，確保樹夾夾的樹正好位于已挖好坑的上方。推樹的電推桿橫向運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)樹苗剝離開樹夾，在限位裝置的限制下，利用樹和樹底部本身的重力，豎直掉落在坑中。
當(dāng)樹落下的時(shí)候，會(huì)遮擋激光發(fā)射器發(fā)射出來的紅外線，接收器未接收到紅外線，將信息通過藍(lán)牙傳給推土機(jī)構(gòu)，電推桿開始橫向運(yùn)動(dòng)，將鉆頭挖出的土重新匯聚到坑中時(shí)，垂直的電推桿在楔塊調(diào)整后的角度向下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)壓土的功能。壓土結(jié)束后，啟動(dòng)水泵實(shí)現(xiàn)澆水功能，保證了樹苗的存活。
圖1 種樹車整體結(jié)構(gòu)
在車體后部運(yùn)樹、下樹、壓土，澆水的過程中，在車體的前部鉆頭位置，GPS定位模塊已經(jīng)定位并挖好下一個(gè)坑洞，種樹小車向前移動(dòng)，重復(fù)種樹的過程。這樣前后同時(shí)工作極大地提高了工作效率。每種完一棵樹，物聯(lián)網(wǎng)機(jī)智云模塊便會(huì)將剩余的樹苗信息和剩余的水量返回至云平臺(tái)，當(dāng)樹苗余量和水量不足時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，返回種樹的補(bǔ)給站進(jìn)行補(bǔ)給。樹苗余量不足回到補(bǔ)給站時(shí)，對(duì)應(yīng)的樹夾運(yùn)動(dòng)至上樹的機(jī)械臂對(duì)面，舵機(jī)和電磁閥接收到返回信號(hào)，電磁閥斷電，舵機(jī)帶動(dòng)著曲柄連桿運(yùn)動(dòng)，打開正面的限位裝置，便于機(jī)械臂上樹。
在鉆頭上方安裝有圖像識(shí)別攝像頭，拍攝的視頻可以上傳到物聯(lián)網(wǎng)，利用opencv分析視頻和瞬時(shí)圖片，可以得出樹苗種植情況的信息，主要包括是否垂直種植和土壤是否壓平。為了精準(zhǔn)定位鉆頭所挖的洞，采用了GPS北斗定位模塊，鉆頭運(yùn)動(dòng)到預(yù)先設(shè)置的位置上下運(yùn)動(dòng)挖坑，樹苗的定位可以實(shí)時(shí)返回樹苗種植的位置，并且返回云平臺(tái)，在云平臺(tái)的種樹地圖上標(biāo)注已種區(qū)域和未種植的區(qū)域，直觀明顯看出整個(gè)區(qū)域的種植情況。同時(shí)與5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，做到萬物互聯(lián)的理念。整體的監(jiān)測和信息傳遞采用了藍(lán)牙模塊和物聯(lián)網(wǎng)機(jī)智云模塊，物聯(lián)網(wǎng)部分可以與手機(jī)app進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交流，以及上報(bào)種植數(shù)據(jù)至云平臺(tái)。
2、裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
上層行星齒輪通過帶動(dòng)外環(huán)實(shí)現(xiàn)**樹夾的轉(zhuǎn)動(dòng)，下層行星齒輪為了解決齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中電控部分接線的纏繞問題，在其上方設(shè)計(jì)有控制電池閥和舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的單片機(jī)。兩層通過電機(jī)的兩軸連接，實(shí)現(xiàn)同向同步轉(zhuǎn)動(dòng)。通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)太陽齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，太陽齒輪帶動(dòng)3個(gè)行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)齒輪架轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)此過程實(shí)現(xiàn)樹夾的圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樹苗的儲(chǔ)存和運(yùn)送。行星齒輪如圖2所示。
圖2 行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
（2）可開閉式電磁限位橡膠樹夾
橡膠的掛鉤當(dāng)做樹夾，利用橡膠輪和橡膠墊的固定實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾樹的功能。設(shè)計(jì)三面限位裝置包括左側(cè)面限位裝置、右側(cè)面限位裝置和正面限位裝置。在樹下落的過程中，與限位裝置的回彈碰撞可以有效控制樹的落下范圍。所述的左側(cè)面限位裝置配有開門舵機(jī)，右面?zhèn)让嫦尬谎b置配有電磁開合裝置，正面限位裝置與左側(cè)面限位裝置利用曲柄連桿與開門舵機(jī)連接，開門舵機(jī)和曲柄連桿的配合實(shí)現(xiàn)正面限位裝置的打開，打開之后可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂上樹，上樹過程結(jié)束，關(guān)閉正面限位裝置，電磁開合裝置吸住正面限位裝置，實(shí)現(xiàn)限位的功能，如圖3所示。
圖3 可開閉式電磁限位橡膠樹夾
（3）互相垂直電推桿推土結(jié)構(gòu)
在車體后部合適高度處，確保電推桿完全伸出時(shí)能夠達(dá)到夯土的目的，左右分別設(shè)置一組電推桿組成推土裝置。每一組由兩個(gè)電推桿垂直連接組成，水平方向的電推桿下方固定了一個(gè)傾斜角度為30°的推土裝置固定塊，確保水平方向的電推桿能夠?qū)渲車诔龅耐辆奂谝黄?。垂直于水平方向的電推桿頂端連接夯土板，可以根據(jù)土壤的平整程度自我調(diào)節(jié)壓土的角度，并且同時(shí)左右前后移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)聚土和壓土的功能，如圖4所示。
圖4 互相垂直電推桿推土結(jié)構(gòu)
3、電控方案的設(shè)計(jì)
主控板選用Arduino Nano控制板，與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、圖像識(shí)別攝像頭、GPS北斗定位模塊、電推桿、螺旋鉆頭、機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)模塊等外設(shè)相連，再通過激光發(fā)射接受器、水位檢測模塊等傳感器采集信息，控制種樹各個(gè)過程的進(jìn)行。
主控板通過GPS北斗定位模塊采集的信息確定具體種樹的位置，以此實(shí)現(xiàn)區(qū)域化的種植，便于多輛種樹小車同時(shí)工作而互不發(fā)生干擾。主控板通過圖像識(shí)別攝像頭拍攝的視頻可以上傳到物聯(lián)網(wǎng)，利用opencv分析視頻和瞬時(shí)圖片，可以得出樹苗種植情況的信息，主要包括是否垂直種植和土壤是否壓平。
主控板通過激光發(fā)射接受器返回的信息確定樹苗是否被種下，決定后續(xù)的壓土操作。種樹小車電控設(shè)計(jì)主要分為兩部分：一部分為藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)了種植過程的信息傳遞，發(fā)送命令等；另一部分通過物聯(lián)網(wǎng)機(jī)智云模塊可以實(shí)時(shí)上報(bào)種植數(shù)據(jù)至機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。圖5為種樹小車控制框圖。
圖5 種樹小車控制框圖
文中項(xiàng)目添加物聯(lián)網(wǎng)控制功能，如圖6所示。以ESP8266為媒介，借助node-red在線工具搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，PC端作為總控制臺(tái)接收各類傳感器反饋的數(shù)據(jù)用以監(jiān)測植樹機(jī)器人各項(xiàng)指標(biāo)，保證機(jī)器人正常工作。
圖6 物聯(lián)網(wǎng)控制框圖
4、試驗(yàn)測試
傳統(tǒng)的種樹機(jī)器，只能夠針對(duì)種樹中的某一個(gè)環(huán)節(jié)，無法真正實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化種樹。相較于大型的植樹設(shè)備，該種樹小車在確保功能完整的情況下，合理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了體積最小化的目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器視覺opencv的結(jié)合，確保了種樹過程信息的完整上報(bào)，特殊情況發(fā)生時(shí)便于及時(shí)調(diào)整。
通過分析，制作了一種全自動(dòng)高效智能種樹小車實(shí)物模型如圖7所示，尺寸為500 mm×300 mm×315 mm。對(duì)該實(shí)物模型進(jìn)行了試驗(yàn)測試，數(shù)據(jù)如表1所示，完成一棵樹的種植平均需要約8.41 s，完成區(qū)域10 m×10 m的土地種植平均需要約73.85 s。裝置在試驗(yàn)測試過程中，種植過程順利。
圖7 實(shí)物模型圖表1 實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)
5、小結(jié)
該裝置能夠?qū)⒎N植、自動(dòng)運(yùn)樹、自動(dòng)挖坑、自動(dòng)下樹、自動(dòng)填坑、自動(dòng)澆水結(jié)合在一起，真正實(shí)現(xiàn)解放雙手，自動(dòng)化種樹，在前面一系列工作完成之后，后綴水箱噴水，保證了樹苗的存活。合理的結(jié)構(gòu)安排極大地提高了空間利用率，前后同時(shí)工作，提高了工作效率，適合大批量投入生產(chǎn)。
