沙漠地區植被種植機器人研究

吳卓霖 王朝 吳一玄 楊昊 李云鵬

摘? 要：沙土地植樹機器人是現階段防風固沙的有效工具，可以極大地解放人的雙手，提高植樹效率。本文綜合比較了現階段各種植樹機器人的優缺點，并“取其精華，去其糟粕”，并由此設計出一款全新的、可以在沙土地上運行的植樹機器人。

關鍵詞：防風固沙? 自動化? 植樹作業? 智能化? 一體化

引言

我國荒漠化面積占國土總面積的27%～32%，尤其在我國西北地區，土地荒漠化現象更為明顯，這給西北地區的發展帶來一定的困擾。防風固沙的有效手段就是植樹造林種草。但是在艱苦環境中，植樹的人工成本會增加。為了減少成本提高種植效率，可以使用植樹機器人代替人們在沙地等艱苦環境中繁重的人工勞動，基于智能控制的沙地植樹機器人具有作業自動化的特點，在工作過程中便于人為控制，并且能夠適應沙地的特殊地理環境，具有廣闊的應用前景。

1 植樹機器人國內外發展現狀

盡管外國在上個世紀70年代就已經開始致力于林業機器人的研究，但是經過幾十年的發展，大多數林業機械設備都被用于平原地區的生產作業。而國內現有或已投入批量生產的大多數為大型或連接型植樹或坑穴開墾機械，如1W-50（30）型植樹挖坑機、4QZ-130 型振動起苗機、新型液壓式植樹機、1W-70 型挖穴機、導苗管式樹苗移栽機等。其大多適用地區為遼寧、黑龍江、內蒙等平原地區。而用于沙地地區的智能機械設備還不是很多，故而我們可以借鑒其工作的原理和運作方法，對于沙地植樹機器人進行進一步的創新與研究。

加拿大在20世紀70年代開始致力于林業機器人研究。1974年前后， 加拿大開始研制自動植苗機， 但到20世紀90年代中期， 植苗機的自動化水平離機器人還相差太遠。目前努力的目標， 是利用傳感器自動調整植苗機前端與地面障礙物的位置關系。如果做到這一點， 那么， 除了需要人工駕駛車輛之外， 其它操作的自動化都易于實現[1]。

舒慶等[2]研發的生態恢復機器人，通過鋪設草方格來防風固沙，依據沙地地貌通過PLC控制鋪設草方格機構的高度和插入壓力，作業后將在沙地上形成草方格立體沙障，固沙能力很強，可提高鋪設效率161倍，降低鋪設成本80%左右。

2? 工作原理

沙漠植被種植機器人主要由智能控制系統、影像監測系統、挖坑機構、傳送機構、種植輔助機構等組成。其中，智能控制系統由單片機組成，此外機器人搭載stc模塊，可以通過連接網絡對多個設備進行同時調整和設置;影像監測系統配備外部攝像頭，通過圖傳系統查看種植具體情況，此為創新點之一;挖坑機構采用鉆頭進行鉆孔，鉆頭可替換以便于實現種植時，不同直徑孔洞的需求;傳送機構使用履帶式傳動，利用特有夾持裝置保證樹苗方向一致;種植輔助機構主要包括培土機構和儲水灑水系統，用以輔助種植，完成種苗后進行培土、澆水以保證樹苗成活率。

3? 工作過程

此裝備為沙土地植樹機器人，主要用于復雜的地形環境，并且能夠完成自動挖坑，送苗，灌溉以及培土的一系列操作。此裝置配備圖傳系統，可通過前面的攝像頭將其所捕捉的畫面送達到控制器顯示屏內，便于工作者時時觀看周圍情況，并可以由手機app或者遙控器兩種方式進行遠程操控，足以保證此機器在無人在附近的情況下自動完成工作。機器的前端為可伸縮替換鉆頭，我們可以根據植株的直徑來選擇不同的鉆頭以保證植株可以適應于種植坑。機器人會根據不同的植株要求來保證植株的間隔，機器人行進規定的距離后，則會在車斗內運出植株樹苗，并通過種植管順利的落到所挖的種植坑內。種植管也是可以替換的這樣才能保證樹苗會垂直的落到種植坑內，而不會傾斜，以至于影響存活率。在以上工作進程完成后，樹苗會通過種植管的軟簾脫離樹苗，這樣就完成了植株的種植。

4? 產品結構

4.1控制系統

本機器人采用嵌入式技術對其各個動作進行控制，如對傳送機構、挖坑機構、種植輔助機構進行控制，使其能夠執行相應的動作。機器人內含stc單片機，擁有完善的硬件系統，成為機器人重要的一個組成部分。在硬件的基礎上，可以通過用c語言或者匯編語言來對其進行編程，從而根據需求來控制機器人的各項運動，完成相應動作的執行以及調節執行機構運動速度的快慢程度，例如調節機器人的移動速度、傳送機構的傳送速度等，用以滿足不同的工作任務。此外，機器人搭載的stc模塊中包含無線網絡模塊，擁有遠程控制系統，使其能夠在人的操作下，通過手機application以及遙控器兩種方式進行遠程操控，以達到無人監管的情況下能夠保證工作進度。

4.2影像監測系統

本機器人含有機器視覺系統，可以代替人眼來做出測量和判斷，可以通過攝像頭將獲取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布信息，轉變成數字化信號，圖像系統對其進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果對機器人本體進行控制[3]。其相當于給機器人加了一雙眼睛，人的視覺系統是由眼球、神經系統及大腦的視覺中樞構成，機器視覺系統則是由圖像采集系統、圖像處理系統及信息綜合分析處理系統構成。

此外，機器人還搭載了相應的視頻傳輸系統，通過外置的攝像頭可對工作進度進行實時的查看，可以由圖傳系統發現已種植的植株是否發生倒斜、未栽種的情況對其進行修正 。同時影像監測系統可以采集相關環境信息及時對機器人的工作程序做出調整，使機器人的工作流程更加順暢。

機器人搭載了聯網模塊即使在遠離工作地點的情況下，也可以通過網絡傳輸對其工作進程和工作方式進行調整以及更改。為了達到節省成本的目的，影像監測系統采用了圖像信息壓縮技術，在以JPEG及MPEG的壓縮標準下，以適合網絡圖像傳輸的壓縮格式提供較好的圖像質量。其次影像監測系統搭載的攝像頭可通過自身的多方向旋轉拍攝不同方向的圖片，觀測已栽種的植株是否發生傾斜、未栽種等問題及時做出修復。

4.3挖坑機構

本機構由驅動電機、伸縮桿、可更換鉆頭以及旋轉電機組成，在機器人第一部分移動程序結束后本機構開始運作。在驅動電機的作用下伸縮桿開始進行向地面的運動，同時伸縮桿上的鉆頭在旋轉電機的作用下開始以一定的速度進行旋轉，并在接觸到地面后開始下鉆。在達到系統設定的鉆孔深度后，旋轉電機停止運動，驅動電機將電極反轉使伸縮桿進行桿的收回防止影響到機器人的前進。

為了良好的可更換性，挖孔機構的鉆頭選取了較細的螺旋型鉆頭，同時根據土壤干密度及打孔需求的不同在鉆頭更換箱內配備有許多不同型號的鉆頭，以滿足多種情況及多種孔深及打孔直徑的要求。

4.4傳送機構

傳送機構為送苗轉盤采用了履帶式，其包括動力軸和加持傳遞履帶構成。我們從車的頂部將幼苗放入規定的履帶中，并加入了一些簡單的夾持裝置，保證了樹苗垂直放置并固定了幼苗以防止幼苗在車輛的運行中發生跑位及錯位的現象，使幼苗按照一定的規律排列在履帶上。在鉆頭打好洞及車輛向前運行之后，隨著履帶的運動，位于前面的樹苗將進入規定的管道，由于重力的作用，幼苗順著管道落入種植坑內，傳送機構停止運動，直到下一個種植坑之前。我們在設計時會根據不同幼苗的直徑，設計出不同的滑軌，進而保證種植幼苗的多樣性，也適應不同的管道和鉆頭。

4.5種植輔助機構

1）培土機構

培土裝置包括多個徑向排列的鏟片，鏟片中心為轉動軸，轉動軸轉動帶動鏟片鏟起沙土。培土機構作為整個植樹過程的最后一個工序，有左右對稱的兩個培土輪一起轉到，由于鉆頭鉆過的土質較松，且培土輪轉動的速度不是很快，由培土輪轉動帶動的土掉入種植坑內，達到培土的目的，兩個轉動軸由電單獨驅動，保證了培土輪的獨立運作。

培土輪設置在機器人尾端植定位管道的下部兩側，其作用是在完成導苗后，將鉆頭打孔時所升土填回洞中，實現自動化一體化的導苗覆土工作。

2）儲水灑水系統

儲水箱位置如圖1所示（本實施例的車斗里有上下層，水箱在下層），初步設計容量為8L，既可以滿足一定工作時間的用水量，也不會因為負載過重而影響機器人總重。儲水箱設計為車身側方開口進行灌水，并在儲水箱底部連接車體，設置排水活塞，以防長時間不使用時，儲水箱內有水導致腐蝕變質。

5? 結語

本文設計的種植機器人是一種可以自動完成一系列植樹行為的機器人，主要用于沙土地植物的種植，并且對應不同的沙土地需種植不同的植株以適應環境，此時植樹機器人可以替換鉆頭和種植管以適應需求。但該沙漠種植機器人任然存在一些不足之處，比如單次樹苗搭載量有限，無自動裝載設備，以及水箱搭載量有限，如何進行更好的蓄水補充等問題，仍然是我們未來需要研究和不斷完善的方向。

參考文獻

[1]姜樹海.林業機器人的發展現狀[J].東北林業大學學報，2009，37（12）： 95-97.

[2]劉延鶴，傅萬四，張彬，常飛虎，周建波.林業機器人發展現狀與未來趨勢[J].世界林業研究，2020，33（01）：38-43.

[3]張秋菊，王金娥，訾斌.2016.機電一體化系統設計[M].北京：科學出版社.

作者簡介：

吳卓霖（2000.09--）男，黑龍江人，本科在讀，主要研究方向：機械工程及其自動化。

王朝 （2000.02--）男，黑龍江人，本科在讀，主要研究方向：機械工程及其自動化。

吳一玄（2001.08--）女，天津人，本科在讀，主要研究方向：機械工程及其自動化。

楊昊（2000.02--）男，新疆人，本科在讀，主要研究方向：機械工程及其自動化。

李云鵬（2000.10--）男，山西人，本科在讀，主要研究方向：機械工程及其自動化。

論文來源：中國礦業大學（北京）大學生創新訓練項目資助 項目編號202104065

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