全自動高效智能種樹小車

本文針對目前人工種樹效率低的問題，設計了一種全自助高效智能種樹小車。介紹了裝置的結構組成，剖析了裝置的運動機理。通過SolidWorks三維軟件對傳動部件進行了結構設計。利用藍牙模塊實現了種植過程的信息傳遞、發(fā)送命令等，物聯網機智云模塊可以實時上報種植數據至云平臺。制作了裝置模型樣機，試驗測試結果表明：該裝置完成一棵樹的種植時間需要約8.45s，完成區(qū)域10m×10m的土地種植時間需要約73.85s。裝置完全實現了自動運樹、挖坑、下樹、填坑、澆水等功能，為樹木自動種植領域的研究奠定了基礎

傳統(tǒng)的種樹機器，只能夠針對種樹中的某一個環(huán)節(jié)，無法真正實現全自動化種樹。例如郝朝陽等研究的基于51單片機的智能環(huán)湖種樹小車采用機械臂下樹，成本較高。隨著物聯網、數字技術和5G+技術的發(fā)展，種樹的水平有了進一步的提高。全自動化種樹不但能夠使種樹更加便捷，而且還能確保種樹的效率，因此全自動化種樹是解決土地荒漠化的必然趨勢。同時與5G技術和物聯網相結合，做到萬物互聯的理念。用戶可以通過遠程手機隨時隨地知道這片種樹區(qū)域種樹車的情況，也可以通過小車上的屏幕顯示了解情況，便于及時作出反應，極大地提高了工作效率。

01裝置工作原理 圖1所示為種樹車整體結構。當確定了種樹區(qū)域時，該區(qū)域內可以同時工作多輛種樹小車，在工作之前利用物聯網機智云云平臺下發(fā)每輛車的種植區(qū)域。此時種樹車向前運動至預定的區(qū)域，鉆頭利用GPS定位模塊確定種樹地點，鉆頭開始沿著光軸上下移動，根據種樹的類型，控制下挖的深度，挖出樹坑。與此同時，行星齒輪塔帶動樹夾開始轉動，當到達樹坑上方時，停止轉動。車繼續(xù)向前運動，按照預先設置的樹距，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動，推動樹苗剝離開樹夾，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。當樹落下的時候，會遮擋激光發(fā)射器發(fā)射出來的紅外線，接收器未接收到紅外線，將信息通過藍牙傳給推土機構，電推桿開始橫向運動，將鉆頭挖出的土重新匯聚到坑中時，垂直的電推桿在楔塊調整后的角度向下運動，實現壓土的功能。壓土結束后，啟動水泵實現澆水功能，保證了樹苗的存活。

圖1種樹車整體結構

在車體后部運樹、下樹、壓土，澆水的過程中，在車體的前部鉆頭位置，GPS定位模塊已經定位并挖好下一個坑洞，種樹小車向前移動，重復種樹的過程。這樣前后同時工作極大地提高了工作效率。每種完一棵樹，物聯網機智云模塊便會將剩余的樹苗信息和剩余的水量返回至云平臺，當樹苗余量和水量不足時，會發(fā)出報警信號，返回種樹的補給站進行補給。樹苗余量不足回到補給站時，對應的樹夾運動至上樹的機械臂對面，舵機和電磁閥接收到返回信號，電磁閥斷電，舵機帶動著曲柄連桿運動，打開正面的限位裝置，便于機械臂上樹。

在鉆頭上方安裝有圖像識別攝像頭，拍攝的視頻可以上傳到物聯網，利用opencv分析視頻和瞬時圖片，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。為了精準定位鉆頭所挖的洞，采用了GPS北斗定位模塊，鉆頭運動到預先設置的位置上下運動挖坑，樹苗的定位可以實時返回樹苗種植的位置，并且返回云平臺，在云平臺的種樹地圖上標注已種區(qū)域和未種植的區(qū)域，直觀明顯看出整個區(qū)域的種植情況。同時與5G技術和物聯網相結合，做到萬物互聯的理念。整體的監(jiān)測和信息傳遞采用了藍牙模塊和物聯網機智云模塊，物聯網部分可以與手機app進行實時的信息交流，以及上報種植數據至云平臺。

02裝置結構設計2.1行星齒輪轉動機構 上層行星齒輪通過帶動外環(huán)實現樹夾的轉動，下層行星齒輪為了解決齒輪轉動過程中電控部分接線的纏繞問題，在其上方設計有控制電池閥和舵機運動的單片機。兩層通過電機的兩軸連接，實現同向同步轉動。通過電機驅動太陽齒輪轉動，太陽齒輪帶動3個行星齒輪轉動，再帶動齒輪架轉動，經此過程實現樹夾的圓周運動，實現樹苗的儲存和運送。行星齒輪如圖2所示。

圖2行星齒輪轉動機構示意圖

2.2可開閉式電磁限位橡膠樹夾 橡膠的掛鉤當做樹夾，利用橡膠輪和橡膠墊的固定實現穩(wěn)定夾樹的功能。設計三面限位裝置包括左側面限位裝置、右側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。所述的左側面限位裝置配有開門舵機，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面限位裝置利用曲柄連桿與開門舵機連接，開門舵機和曲柄連桿的配合實現正面限位裝置的打開，打開之后可以實現機械臂上樹，上樹過程結束，關閉正面限位裝置，電磁開合裝置吸住正面限位裝置，實現限位的功能，如圖3所示。

圖3可開閉式電磁限位橡膠樹夾

2.3互相垂直電推桿推土結構 在車體后部合適高度處，確保電推桿完全伸出時能夠達到夯土的目的，左右分別設置一組電推桿組成推土裝置。每一組由兩個電推桿垂直連接組成，水平方向的電推桿下方固定了一個傾斜角度為30°的推土裝置固定塊，確保水平方向的電推桿能夠將樹周圍挖出的土聚集在一起。垂直于水平方向的電推桿頂端連接夯土板，可以根據土壤的平整程度自我調節(jié)壓土的角度，并且同時左右前后移動，實現聚土和壓土的功能，如圖4所示。

圖4互相垂直電推桿推土結構

03電控方案的設計 主控板選用ArduinoNano控制板，與電機驅動模塊、圖像識別攝像頭、GPS北斗定位模塊、電推桿、螺旋鉆頭、機智云物聯網模塊等外設相連，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，控制種樹各個過程的進行。

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，以此實現區(qū)域化的種植，便于多輛種樹小車同時工作而互不發(fā)生干擾。主控板通過圖像識別攝像頭拍攝的視頻可以上傳到物聯網，利用opencv分析視頻和瞬時圖片，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。

種樹小車電控設計主要分為兩部分：一部分為藍牙模塊實現了種植過程的信息傳遞，發(fā)送命令等；另一部分通過物聯網機智云模塊可以實時上報種植數據至云平臺。圖5為種樹小車控制框圖。

圖5種樹小車控制框圖

文中項目添加物聯網控制功能，如圖6所示。以ESP8266為媒介，借助node-red在線工具搭建物聯網平臺，PC端作為總控制臺接收各類傳感器反饋的數據用以監(jiān)測植樹機器人各項指標，保證機器人正常工作。
圖6物聯網控制框圖

04試驗測試 傳統(tǒng)的種樹機器，只能夠針對種樹中的某一個環(huán)節(jié)，無法真正實現全自動化種樹。相較于大型的植樹設備，該種樹小車在確保功能完整的情況下，合理設計，實現了體積最小化的目標。物聯網與機器視覺opencv的結合，確保了種樹過程信息的完整上報，特殊情況發(fā)生時便于及時調整。

通過分析，制作了一種全自動高效智能種樹小車實物模型如圖7所示，尺寸為500mm×300mm×315mm。對該實物模型進行了試驗測試，數據如表1所示，完成一棵樹的種植平均需要約8.41s，完成區(qū)域10m×10m的土地種植平均需要約73.85s。裝置在試驗測試過程中，種植過程順利。

圖7實物模型圖

表1試驗測試數據
05結論 該裝置能夠將種植、自動運樹、自動挖坑、自動下樹、自動填坑、自動澆水結合在一起，真正實現解放雙手，自動化種樹，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。合理的結構安排極大地提高了空間利用率，前后同時工作，提高了工作效率，適合大批量投入生產。