肖景強(qiáng) ，王宇林 ，陳嘉俊 ，曾駿暉 ，吳彥夫

（廣東海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

荒漠化是當(dāng)前人類面臨的重大生態(tài)問題，就目前國(guó)內(nèi)荒漠化程度來(lái)說，我國(guó)是世界上荒漠化面積大、分布范圍廣、危害嚴(yán)重的國(guó)家之一。長(zhǎng)此以往會(huì)對(duì)處于荒漠化附近的居民造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，在其生活起居上也會(huì)有嚴(yán)重的影響。而目前國(guó)內(nèi)的固沙設(shè)備相對(duì)落后，缺乏較為自動(dòng)化、智能化的固沙設(shè)備[1]。本文根據(jù)荒漠化固沙設(shè)備的問題設(shè)計(jì)了一種用于沙漠治理的智能固沙機(jī)器人，該機(jī)器具有人工操作和智能操作兩種模式，能夠高效地規(guī)劃草方格的種插路徑，使得種插的覆蓋面積更為合理。其目的是減少人力成本的投入，提高種插草方格的效率，為荒漠地帶的綠植恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

沙障鋪設(shè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成包括行走機(jī)構(gòu)、傳送機(jī)構(gòu)、軋草機(jī)構(gòu)、視覺識(shí)別裝置、激光雷達(dá)檢測(cè)裝置、主控裝置、整體機(jī)架等[2]。該機(jī)器人主要用于荒漠化地區(qū)防風(fēng)固沙的沙障鋪設(shè)工作。在實(shí)際工作時(shí)，駕駛機(jī)器的工作人員通過遙控設(shè)備到達(dá)預(yù)設(shè)的工作區(qū)域，設(shè)備將會(huì)通過GPS定位模塊檢測(cè)設(shè)備當(dāng)前的位置坐標(biāo)，并且預(yù)設(shè)下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間各自建立一個(gè)關(guān)于x軸、y軸的坐標(biāo)系，并且兩個(gè)坐標(biāo)系軸線延長(zhǎng)相交，劃定出設(shè)備的工作區(qū)域。上位機(jī)Jetson Nano通過激光雷達(dá)及視覺攝像頭進(jìn)行全圖掃描，建立起一張柵格地圖，掃過的區(qū)域里面對(duì)有障礙物的區(qū)域柵格設(shè)定為1，待工作區(qū)域設(shè)定為0，通過Boustrophedon算法及雙向搜索算法為設(shè)備規(guī)劃一條最優(yōu)的路線。設(shè)備經(jīng)過待工作區(qū)域0后將該區(qū)域設(shè)定為已工作區(qū)域，標(biāo)志為1。待整個(gè)柵格地圖所有柵格區(qū)域都為1后，設(shè)備在該區(qū)域的工作完成。然后，該機(jī)器人將以當(dāng)前區(qū)域的目標(biāo)點(diǎn)作為起始點(diǎn)，再次規(guī)劃工作區(qū)域，對(duì)附近的區(qū)域進(jìn)行鐵軌式的沙障方格鋪設(shè)。

圖1 沙障鋪設(shè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

2 主要裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 橫向送草裝置設(shè)計(jì)

橫向送草機(jī)構(gòu)如圖2所示，其主要由步進(jìn)電機(jī)、同步帶、傳送帶、取料排槽滾軸、電機(jī)、聯(lián)軸器、折板等構(gòu)成[3]。設(shè)備在取料時(shí)，中間一組彼此嚙合的排槽齒會(huì)將秸稈從秸稈儲(chǔ)料倉(cāng)中卷出，由于取料排槽滾軸的快速轉(zhuǎn)動(dòng)，秸稈會(huì)被甩到鋪平的折板上，并且折板和取料滾軸之間存在6 cm的間隙，秸稈堆疊過多后會(huì)在傳送帶的作用下，均勻橫向地平鋪在折板上。待鋪勻后，步進(jìn)電機(jī)會(huì)帶動(dòng)同步帶將折板沿著特定的彎形軌道推出，使得折板平面變?yōu)檎郯迩?，并在軌道的終點(diǎn)處將觸碰開關(guān)閉合，折板到達(dá)預(yù)設(shè)行程點(diǎn)。折板曲面上的秸稈由于接觸摩擦不足，滑落至預(yù)設(shè)區(qū)域，被下方攝像頭識(shí)別到后折板曲面收回，至此完成送草動(dòng)作。

圖2 橫向送草機(jī)構(gòu)

2.2 橫向軋草裝置設(shè)計(jì)

橫向軋草機(jī)構(gòu)如圖3所示，其主要由軋草輪、聯(lián)軸器、減速電機(jī)、電動(dòng)推桿、滑塊、電動(dòng)推桿固定架等組成。當(dāng)設(shè)備尾部的底部支架攝像頭檢測(cè)到橫排秸稈對(duì)象時(shí)，電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)推桿給軋草輪下壓力。軋草輪在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下拖著滑塊在滑軌上移動(dòng)，橫排的秸稈在軋草輪的壓力作用下豎立起來(lái)，當(dāng)電動(dòng)推桿固定架左右兩邊的觸碰開關(guān)先后往復(fù)觸碰到后，標(biāo)記軋草動(dòng)作已經(jīng)完成。此時(shí)，橫向秸稈已經(jīng)全部豎立起來(lái)，設(shè)備將繼續(xù)執(zhí)行向前直走命令。

圖3 橫向軋草機(jī)構(gòu)

2.3 縱向送草裝置設(shè)計(jì)

縱向送草機(jī)構(gòu)如圖4所示，其主要由舵機(jī)、引料板、傳送帶、取料排槽滾軸、聯(lián)軸器、執(zhí)行電機(jī)等組成[4]。設(shè)備在取料時(shí)，取料排槽滾軸的電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并將儲(chǔ)料倉(cāng)內(nèi)的秸稈通過一條10 cm寬的裂縫依次卷出。由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后秸稈會(huì)掉落到傳送帶上，在傳送帶的作用下秸稈到達(dá)預(yù)定的槽口下方，然后將秸稈排列好，等待縱向軋草裝置將其軋立起來(lái)。

圖4 縱向送草機(jī)構(gòu)

2.4 縱向軋草裝置設(shè)計(jì)

縱向軋草機(jī)構(gòu)如圖5所示，其主要由軋草輪、電機(jī)、軋草力臂、電動(dòng)推桿等組成。設(shè)備在縱向軋草時(shí)，待設(shè)備發(fā)出縱向軋草指令后，電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)將軋草力臂下壓，給軋草輪一定下壓力，將鋪在沙上的秸稈給豎立起來(lái)。同時(shí)在設(shè)備的移動(dòng)過程中，軋草刀片輪的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軋草刀片輪，使得前方的秸稈軋立起來(lái)。

圖5 縱向軋草機(jī)構(gòu)

3 控制原理設(shè)計(jì)

3.1 全局規(guī)劃控制算法原理

基于Boustrophedon算法和雙向搜索算法對(duì)設(shè)備進(jìn)行路徑規(guī)劃，并搭載GPS定位器，在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間各自建立一個(gè)關(guān)于x軸、y軸的坐標(biāo)系，并且兩個(gè)坐標(biāo)系軸線延長(zhǎng)相交，劃定一個(gè)50 m×50 m的規(guī)劃空間作為設(shè)備待完成的工作領(lǐng)域。上位機(jī)Jetson Nano通過激光雷達(dá)及視覺攝像頭進(jìn)行全圖掃描，對(duì)該空間進(jìn)行劃分，建立起一張柵格地圖，掃過的區(qū)域里面對(duì)有障礙物的區(qū)域柵格設(shè)定為1，待工作區(qū)域設(shè)定為0，設(shè)備經(jīng)過待工作區(qū)域0后將該區(qū)域設(shè)定為已工作區(qū)域，標(biāo)志為1[5]?？紤]到植草機(jī)器人的體積大小問題，對(duì)柵格地圖進(jìn)行膨脹，減小誤差，確定起始種植點(diǎn)，查找第一個(gè)0區(qū)域點(diǎn)，將其定為起始種植點(diǎn)，從起始種植點(diǎn)開始出發(fā)，判斷下一個(gè)點(diǎn)位是否為非障礙物點(diǎn)位，記錄每一個(gè)點(diǎn)位的坐標(biāo)，將各個(gè)點(diǎn)位串連，還原坐標(biāo)。理想情況下，障礙物為規(guī)則的，其具體實(shí)現(xiàn)為：根據(jù)選擇的初始方向x軸進(jìn)行覆蓋柵格，碰到障礙物和邊界時(shí)，先判斷x軸的垂直方向即y軸方向是否存在障礙物，若沒有障礙物點(diǎn)，植草機(jī)器人向y軸方向向上或向下移動(dòng)一個(gè)距離；若有障礙物點(diǎn)，則不能進(jìn)行移動(dòng)，存在困區(qū)，進(jìn)行回退操作，回到上一個(gè)柵格點(diǎn)，重復(fù)上述操作，判斷y軸方向的障礙物點(diǎn)是否存在，判斷結(jié)束后，接著往反方向開始新的覆蓋，直至全部點(diǎn)位覆蓋完全[6]。非理想情況下，障礙物存在凹陷即不規(guī)則，無(wú)法做到全方位覆蓋，存在死區(qū)，設(shè)備到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)后，需重新規(guī)劃出一條最短路徑到達(dá)未覆蓋區(qū)域（死區(qū)），路徑規(guī)劃方式與理想規(guī)則的障礙物方式等同。在一些轉(zhuǎn)折點(diǎn)的區(qū)域，設(shè)備采取差速旋轉(zhuǎn)方式，使軌跡更為漸緩，鋪設(shè)的方格也更為合理。當(dāng)規(guī)劃的柵格地圖上的0區(qū)域點(diǎn)都已完成鋪設(shè)工作后，將會(huì)拓展到下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，并且將上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)作為下一個(gè)工作區(qū)域的起始點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)與點(diǎn)之間的拓?fù)鋄7]。設(shè)備控制邏輯原理如圖6所示，該設(shè)計(jì)滿足工作的要求，同時(shí)能夠達(dá)到設(shè)備自動(dòng)化、智能化的效果。

圖6 控制邏輯原理圖

3.2 整體電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備開啟，對(duì)Jetson Nano、STM32、ESP32主控進(jìn)行初始化，攝像頭開啟，激光雷達(dá)開啟，對(duì)周圍進(jìn)行掃描建立柵格地圖，各傳感器將目前檢測(cè)到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳到ESP32進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波處理，篩選不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)[8]。發(fā)送端ESP32通過銥星9602模塊A將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端的銥星9602模塊B上，將數(shù)據(jù)上傳給接收云端的ESP32，接收云端ESP32將數(shù)據(jù)再上傳到服務(wù)器中[9]。MPU6050讀取當(dāng)前設(shè)備的俯仰角及歐拉角，并將數(shù)據(jù)傳給Jetson Nano，Jetson Nano處理數(shù)據(jù)，規(guī)劃路線，發(fā)出下一條指令給STM32用于執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的執(zhí)行函數(shù)，STM32將要執(zhí)行的信號(hào)和PWM脈沖電流傳給驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器將脈沖信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)該系統(tǒng)還可進(jìn)行人工手動(dòng)操作，用戶可在云端發(fā)出指令確定下一 個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，以合理調(diào)節(jié)鋪設(shè)沙障的覆蓋區(qū)域[10]。具體的電控原理如圖7所示。

圖7 整體電路控制系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)論

本文從實(shí)際出發(fā)，對(duì)設(shè)備在荒漠化地帶的工作場(chǎng)景及具體用途進(jìn)行了綜合研究，分析了設(shè)備具體運(yùn)動(dòng)及工作的原理，同時(shí)對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，引用了當(dāng)前主流的算法并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人有效地解決了當(dāng)前種插草方格效率低、人力成本高等問題，對(duì)治理荒漠化以及綠色植被的恢復(fù)工作具有較為重大的意義[11]。