殷勁松，倪文彬

(南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院，江蘇泰州225300)

我國荒漠化面積占國土總面積的27.32%，植樹造林、種草恢復(fù)植被是防治荒漠化的最有效手段。因此，要想解決我國土地荒漠化問題，提高森林覆蓋率，改善生態(tài)環(huán)境，必須大力開展機(jī)械化和智能化植樹造林，提高植樹造林效率［1－4］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國森林覆蓋率為12.95%，遠(yuǎn)低于世界平均水平(31.3%)。近年來我國實(shí)施了植樹造林、防風(fēng)治沙、退耕還林等一系列政策。不論從我國國情還是從國家的有關(guān)政策而言，全自動植樹機(jī)都具有很大的市場潛力。本研究將一種全自動小型植樹機(jī)與無線控制技術(shù)相融合進(jìn)行探討。

1 總體設(shè)計(jì)

該小型全自動植樹機(jī)可分為機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分主要由儲樹盒、支架、挖穴裝置、填土裝置、各驅(qū)動電機(jī)組成?？刂撇糠挚煞譃橛布蛙浖糠?。硬件部分由核心電路板、直流電機(jī)驅(qū)動模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，軟件部分分為上位機(jī)程序和下位機(jī)程序。上位機(jī)程序負(fù)責(zé)自動搜索并選擇使用串口進(jìn)行連接，當(dāng)點(diǎn)擊功能按鍵時(shí)程序通過串口對外發(fā)送相應(yīng)指令。下位機(jī)程序負(fù)責(zé)解析收到的指令并執(zhí)行對應(yīng)的子程序，向指定端口發(fā)送PWM信號和普通數(shù)字信號，控制電機(jī)驅(qū)動各部件完成目標(biāo)動作。功能模塊劃分如圖1所示。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［5－8］

小型全自動植樹機(jī)的核心機(jī)械部分由儲樹盒、支架、挖穴裝置、填土裝置、電機(jī)組成，底盤以下裝有4個(gè)車輪，其中儲樹盒、支架、挖穴裝置和填土裝置主要由亞克力板經(jīng)激光切割制成，底板為保證足夠的強(qiáng)度并盡量減少底部車輪電機(jī)的負(fù)荷，采用不銹鋼板經(jīng)激光切割制成。該植樹機(jī)的三維造型及實(shí)物如圖2所示。

2.1 儲樹盒及支架的設(shè)計(jì)

由于該植樹機(jī)體積較小，而儲樹盒框格的尺寸必須足夠大，為提高儲樹盒樹苗的容納量，將其設(shè)計(jì)為多行多列且能沿x軸、y軸雙向移動的形式。在考慮其他零部件的尺寸后，將儲樹盒設(shè)計(jì)為5行3列的形式，儲樹盒及支架結(jié)構(gòu)如圖3所示。在儲樹盒(20)下部的前后端各有1個(gè)凸臺，后端的凸臺深入儲樹盒支架(17)后背板下部的凹槽中。在儲樹盒支架(17)的前端固定一滑軌，其上的滑塊(19)通過螺釘與儲樹盒(20)前端的凸臺連接固定。在儲樹盒(20)后部的大框格中設(shè)有電機(jī)盒(21)，N20電機(jī)(22)豎直放置其中，電機(jī)輸出軸上的齒輪(58)與儲樹盒支架(17)后背板上部的齒條嚙合，因此儲樹盒(20)可在儲樹盒支架(17)上左右移動。儲樹盒支架(17)的底部固定著齒條。在支架(2)頂部平臺的左右兩側(cè)各有一長槽，其正下方設(shè)有用于容納齒輪的凹槽，儲樹盒支架(17)底部的齒條與齒輪穿過長槽嚙合。支架(2)兩側(cè)均有電機(jī)盒，其中水平放置有N20電機(jī)(22)，輸出軸齒輪于凹槽內(nèi)帶動齒條使儲樹盒(20)前后移動。在支架(2)的后部設(shè)有一平臺，用于放置主控板和電機(jī)驅(qū)動板。

2.2 挖穴裝置的設(shè)計(jì)

挖穴裝置結(jié)構(gòu)見圖4:在支架(2)的內(nèi)側(cè)有1個(gè)N20電機(jī)(22)與齒輪(58)連接，水平放置。挖穴器(15)套在落苗通道外圍，其后部齒條與齒輪(58)嚙合。該電機(jī)工作時(shí)，挖穴器(15)可上下移動。挖穴器(15)的前部有1個(gè)N20電機(jī)(22)豎直固定，通過1對錐齒輪(60)帶動挖穴器擋板(16)旋轉(zhuǎn)。

2.3 填土裝置的設(shè)計(jì)

填土裝置如圖5所示，在支架(2)前腿內(nèi)側(cè)有1個(gè)N20電機(jī)(22)水平放置，輸出軸朝內(nèi)與齒輪(58)相連接。填土裝置滑塊(48)上設(shè)有挖穴器齒條(29)，底部的填土裝置連接塊(49)與填土壓頭(50)連接。填土壓頭(50)底部為板狀牛角結(jié)構(gòu)，牛角朝向挖穴機(jī)構(gòu)一側(cè)。當(dāng)N20電機(jī)(22)工作時(shí)，填土裝置滑塊(48)在槽內(nèi)斜向往復(fù)運(yùn)動，填土壓頭(50)反復(fù)拍打地面將樹苗周圍三方向的泥土壓實(shí)。

使用SolidWorks Simulation模擬填土壓頭在實(shí)際使用時(shí)的受力情況，通過多次改進(jìn)使填土壓頭所受最大應(yīng)力減少約68.8%。改進(jìn)前后填土壓頭應(yīng)力分析如圖6所示。

3 控制電路的設(shè)計(jì)［9－14］

3.1 核心電路板

本設(shè)計(jì)采用基于ATmega 2560微控制器的Arduino Mega 2560作為主控板，它使用16 MHz主頻晶振，擁有16個(gè)模擬輸入端口，最大的特點(diǎn)就是具有多達(dá)54路數(shù)字輸入輸出端口，其中14個(gè)可作為PWM輸出口，特別適合需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)。

3.2 直流電機(jī)驅(qū)動模塊

3.2.1 Motor driver－ HR8833 雙路直流電機(jī)驅(qū)動模塊Motor driver－HR8833雙路直流電機(jī)驅(qū)動模塊的工作電壓為3.3 ～10.0 V，邏輯電壓為3.3 ～5.0 V，支持 PWM 調(diào)速，最大單路持續(xù)工作電流為1.5 A，可驅(qū)動雙路電機(jī)。該電機(jī)驅(qū)動模塊最大的特點(diǎn)是體型小巧，使用方便，在安裝時(shí)不會占用過多空間。由于N20電機(jī)最大堵轉(zhuǎn)電流只有0.3 A，因此在本設(shè)計(jì)中使用2個(gè)該模塊用于驅(qū)動4個(gè)N20電機(jī)。HR8833雙路直流電機(jī)驅(qū)動模塊原理如圖7所示。

3.2.2 Quad Motor Driver Shield for Arduino 四路直流電機(jī)驅(qū)動擴(kuò)展板 本設(shè)計(jì)選用的25GA370直流減速電機(jī)在達(dá)到電機(jī)功率點(diǎn)時(shí)電流為1.1 A，但堵轉(zhuǎn)電流為3.2 A，因此選擇了峰值電流達(dá)3.2 A的Quad Motor Driver Shield for Arduino四路直流電機(jī)驅(qū)動擴(kuò)展板進(jìn)行驅(qū)動(圖8)。

3.3 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

APC220無線數(shù)傳模塊是一款高度集成的半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用了循環(huán)交織檢錯(cuò)編碼，最大可以糾正24 bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤。APC220模塊使用GFSK調(diào)制方式，提供了UART和TTL電平串行接口，同時(shí)提供多個(gè)頻道以供選擇。它的傳輸距離較遠(yuǎn)，在開闊地可達(dá)1 000 m，完全滿足小型自動樹苗移栽機(jī)的實(shí)際使用需求。在使用APC220無線數(shù)傳模塊時(shí)，需要先將1對APC220分別與USB/TTL轉(zhuǎn)換器連接，插入計(jì)算機(jī)的USB口進(jìn)行參數(shù)配置，完成之后其中一個(gè)模塊仍與計(jì)算機(jī)連接，而另一個(gè)與主控板連接。圖9和圖10分別是APC220與計(jì)算機(jī)和單片機(jī)的連線圖。

4 軟件的設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

該上位機(jī)控制程序使用Winform技術(shù)開發(fā)。Winform基于.Net開發(fā)平臺，用于開發(fā)窗體和可視控件，創(chuàng)建基于Windows系統(tǒng)的應(yīng)用程序。圖11為C#上位機(jī)界面。

想要進(jìn)行串口通訊，首先要獲取可用的串口信息，通過列表方式讓用戶進(jìn)行選擇并連接。以下程序代碼通過try語句完成獲取工作，如果發(fā)生錯(cuò)誤，catch語句執(zhí)行，通過對話框提醒用戶“找不到通訊口”。圖12為C#上位機(jī)工作流程圖。

4.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

loop循環(huán)，即Arduino下位機(jī)程序中的主程序，首先檢測串口是否接受到數(shù)據(jù)，若有，則讀取并保存，再加以分析，根據(jù)不同的指令執(zhí)行對應(yīng)的子程序，從而實(shí)現(xiàn)用戶通過上位機(jī)按需選擇不同的功能執(zhí)行。

5 結(jié)語

該小型全自動植樹機(jī)綜合運(yùn)用機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動、單片機(jī)原理、上位機(jī)程序等多方面的知識和技術(shù)，使用開源平臺開發(fā)以便于后續(xù)的升級，同時(shí)機(jī)器具有通過安卓、iOS平臺控制的可能性，特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有利于為種植業(yè)自動化發(fā)展提供新的思路。