曾佳航，劉俊豪，于孟鑫，穆德敏,2

一種智能高效水沖植柳機的設計

曾佳航1，劉俊豪1，于孟鑫1，穆德敏1,2

(1.沈陽工學院機械工程與自動化學院，遼寧 撫順 113122；2.沈陽工學院遼寧省數(shù)控機床信息物理融合與智能制造重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

近年來，我國的防沙治沙工程取得了巨大的成就，在沙漠地區(qū)植柳已成為防沙治沙工程中的主要措施。為了提高沙漠地區(qū)的植柳效率，采用高效水沖法替代人工挖坑，設計了一款智能高效水沖式植柳機。該設備通過雙齒條機構實現(xiàn)儲苗箱的更換，通過電動推桿推動單根儲苗管移動至植苗機構，可使移動式植苗機構完成植柳作業(yè)，完成種植后通過培土裝置將柳苗根部用沙土覆蓋，可實現(xiàn)植柳的挖坑、栽苗、培土、澆水全自動作業(yè)。實踐證明，該植柳機可有效提高柳苗的成活率，工作智能高效，一次往復運動可以種植兩棵柳苗，具有廣闊的市場應用前景。

高效水沖法；自動植樹；智能控制；太陽能供電

通過種植沙漠植物可以改善土地沙漠化，控制和固定流沙。沙漠中常用的種植方式是水沖法，一個人用高壓水槍挖坑，另一個人需要立即將樹苗插入，種植一棵樹木大概用時10s，傳統(tǒng)的水沖種植勞動強度大，種植效率低[1]。利用智能植樹機器人替代人力來進行來沙漠植樹作業(yè)是防沙治沙工程未來的發(fā)展趨勢[2-3]。智能高效水沖植柳機采用自動高壓水沖法挖坑，并實現(xiàn)了挖坑、澆水、栽苗全程智能作業(yè)。使用植柳機作業(yè)，每10s就可種植兩棵柳苗，耗水量僅2L，單次作業(yè)可種植100棵柳苗。相較于傳統(tǒng)種植方法，運用智能高效水沖植柳機可以節(jié)省大量人力，并且縮短工作時間，減少人力成本，增加柳苗成活率。

1　智能高效水沖植柳機總體方案

智能高效水沖植柳機由無線信號控制，采用高效種樹設計結構和高壓沖水，柳枝箱可自動更換，可實現(xiàn)挖坑、澆水、栽苗、培土等一系列環(huán)節(jié)全自動作業(yè)，并且操作簡單，維修方便，智能化程度較高，在保證栽種效率的同時，還可以節(jié)省大量的人力，具有較高的推廣價值，可廣泛應用于防沙治沙工程[4]。

機械部分主要由儲苗裝置、更換機構、移動機構、柳苗輸送機構、種植結構、培土機構以及各驅動電機組成?？刂撇糠挚煞譃橛布蛙浖糠帧Ｓ布糠钟珊诵碾娐钒?、直流電機驅動模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、5G模塊、紅外傳感器、超聲波傳感器組成，軟件部分由Arduino程序控制電機驅動各部件完成目標動作。結構如圖1所示。

1　直流減速電機；2　履帶式車輪；3　太陽能板；4　培土機構；5　種植機構；6　儲苗箱；7　齒輪齒條機構；8　步進電機；9　電動推桿；10　同步帶同步輪。

1.1　樹苗輸送及種植機構

通過電動推桿推動儲苗箱，使柳苗進入種植裝置內，利用紅外傳感器計量已種植的數(shù)量；通過齒輪齒條傳動，帶動種植機構上下運動，期間高壓水槍在Arduino程序控制下可以根據(jù)地形狀況和土壤松軟度自動調節(jié)出水流量，進行挖坑澆水作業(yè)，當種植機構到達指定位置后，測量沙坑的深度后并將柳苗落入坑內；通過機器的前進，為已種植的柳苗進行培土，可起到柳苗防倒伏、加固植株的作用，利于排水、灌水，促進柳苗根部生長。

1.2　儲苗裝置更換機構

智能高效水沖植柳機一次可攜帶更多的樹苗，作業(yè)方便快捷高效。在完成第一批植柳完成后，植柳機可根據(jù)設置自主移動至指定位置后，重復進行植柳作業(yè)。機身上部的儲苗箱通過電機帶動齒輪在雙齒條上雙向同步移動，使第二組儲苗管運行至工作位置，將空的柳苗箱更換成裝滿柳苗的儲苗箱，在電動推桿的作用下進行下一輪的植柳作業(yè)。

1.3　移動機構

智能高效水沖植柳機采用履帶式車輪，通過性強，負載大，通過伺服電機和減速器控制，可輕易通過松軟地面和較大的坡坎，十分有利于在沙漠環(huán)境下作業(yè)；通過差速式移動實現(xiàn)其自動轉彎，轉彎半徑小，轉向靈活；安裝有GPS定位系統(tǒng)，操作人員可實時監(jiān)控機具的位置。當柳苗種植完畢后，植柳機可自動返回基地補充柳苗；機身安裝有超聲波傳感器，可檢測并識別前方的障礙物，實現(xiàn)自主避障。

1.4　控制系統(tǒng)

智能高效水沖植柳機具備手動和自動兩種工作模式。在手動模式下，操作人員通過手機與機具的5G模塊連接，對機具進行手動控制，信號傳輸快，基本不會有延時，操作人員還可通過手機操作系統(tǒng)實時監(jiān)測機具狀況；在自動模式下，機具可執(zhí)行設定好的程序，無需手動操作。全車的動力源為鋰電池，沙漠環(huán)境下陽光充足，并且采用太陽能板為鋰電池進行充電，大大提高其續(xù)航能力，節(jié)省電量[5]。

2　智能高效水沖植柳機控制系統(tǒng)設計方案

操作人員首先打開智能高效水沖植柳機的電源，待系統(tǒng)完成自檢等準備工作后，可通過手機APP選擇手動或自動模式，控制種植機構移動到指定位置，電動推桿推動儲苗裝置將柳苗推入種植槍中，種植槍和抽水泵同時工作，挖坑并將柳苗種入坑中，在完成培土后駛往下一個位置繼續(xù)作業(yè)。當樹苗種植完畢后，植柳機可依照程序自動返回，補充柳苗和水。

3　智能高效水沖植柳機主要創(chuàng)新點

(1)智能高效水沖植柳機集挖坑、澆水、栽苗、攏土于一體，挖坑栽苗同時進行，全自動化作業(yè)，無需人工輔助工作，極大地降低了人力成本，具備耗時短、能耗小、效率高等諸多優(yōu)點。

(2)采用水沖法，一次可種植兩棵柳苗。植柳機的水槍槍體上設有小孔，能夠有效地防止泥沙順著水流反沖；可科學、合理地設定栽種柳苗行距和株距，保證每棵柳苗都能得到充足的陽光和養(yǎng)分。

(3)采用單齒輪雙齒條機構，具備傳動準確、效率高，結構緊湊、工作可靠、節(jié)省能耗等優(yōu)勢。

(4)采用履帶式車輪，具備驅動力大、負載大、靈活性好、適應地形能力強且轉彎半徑小的優(yōu)點；使用5G模塊，不僅可以使植柳機具備自動避障功能，還便于讓操作人員實時監(jiān)測具體位置、樹苗種植、耗水等情況。

(5)機身上裝有太陽能充電板，可以利用沙漠地帶充足的太陽光給電池充電，大幅提高續(xù)航能力，降低用電成本。

4　智能高效水沖植柳機實物展示

通過三維建模軟件對智能高效水沖植柳機進行多次建模、仿真和有限元分析，通過數(shù)次改進方案，再根據(jù)實際情況進行材料的篩選以及各種精密計算和程序的編寫，按照一定比例縮小制造出實物，如圖2所示。本智能高效水沖植柳機每10s可種植兩棵柳苗，耗水量2L，機器單次作業(yè)可種植100棵樹。

圖2　智能高效水沖植柳機實物

5　總結與展望

近年來，我國實施了植樹造林、防風治沙、退耕還林等一系列環(huán)保綠色工程，其中防沙治沙是我國西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設的重點工程。實踐證明，運用該款新型智能高效水沖植柳機進行沙漠植柳作業(yè)不僅可以增加柳苗的成活率，還可以節(jié)省大量人力成本和時間成本，有利于減輕工作人員勞動強度，提高植柳作業(yè)質量和經(jīng)濟效益。

[1] 劉百合.國內外植樹造林機械[J].農業(yè)機械,2000(8):32- 33.

[2] 葛文杰,趙春江.農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究與應用現(xiàn)狀及發(fā)展對策研究[J].農業(yè)機械學報,2014,45(7):222-230,277.

[3] 胡靜濤,高雷,白曉平，等.農業(yè)機械自動導航技術研究進展[J].農業(yè)工程學報,2015,31(10):1-10.

[4] 劉晉浩,王丹.談國內外人工林撫育機械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].森林工程,2006, 22(3): 12-14.

[5] 武廣濤.超聲技術用于選擇式植樹機智能植苗作業(yè)的研究[D].北京:北京林業(yè)大學,2006.

Design of an intelligent and efficient machine for the water washing and planting of willow

ZENG Jiahang1, LIU Junhao1, YU Mengxin1, MU Demin1,2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Shenyang Institute of Technology, Fushun, Liaoning 113122, China; 2. Liaoning Key Laboratory of Information Physical Fusion and Intelligent Manufacturing of CNC Machine Tools, Shenyang Institute of Technology, Fushun, Liaoning 113122,China)

In recent years, great achievements have been made in China's desertification prevention and control projects. Willow planting in the desert area has become the main measure of desertification prevention and control projects. In order to improve the efficiency of willow planting in desert areas, a high-efficiency water-flushing method was used to replace manual digging, and an intelligent and high-efficiency water-flushing willow planting machine was designed. The equipment can realize the fully automatic operation of digging pits, planting seedlings, cultivating soil, and watering for willow planting. The replacement of the seedling storage box is realized through the double rack mechanism. Push a single seedling storage tube to move to the seedling planting mechanism through an electric push rod. The willow planting operation is completed through the mobile seedling planting mechanism. The roots of the willow seedlings are covered with sandy soil through the soil cultivation device. The practice has proved that the willow planting machine can effectively improve the survival rate of willow seedlings, work intelligently and efficiently, and can plant two willow seedlings in one reciprocating motion, which has a wide market application prospect.

high-efficiency water flushing method; automatic tree planting; intelligent control; solar power supply

S776.2

A

2096–8736(2022)03–0018–03

曾佳航(2001—)，男，遼寧朝陽人，大學本科，主要研究方向為機器人工程。

責任編輯：張亦弛

英文編輯：吳志立