肖景強 ，王宇林 ，陳嘉俊 ，曾駿暉 ，吳彥夫

（廣東海洋大學機械工程學院，廣東 湛江 524088）

荒漠化是當前人類面臨的重大生態(tài)問題，就目前國內荒漠化程度來說，我國是世界上荒漠化面積大、分布范圍廣、危害嚴重的國家之一。長此以往會對處于荒漠化附近的居民造成嚴重的經(jīng)濟損失，在其生活起居上也會有嚴重的影響。而目前國內的固沙設備相對落后，缺乏較為自動化、智能化的固沙設備[1]。本文根據(jù)荒漠化固沙設備的問題設計了一種用于沙漠治理的智能固沙機器人，該機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奠定基礎。

1 整體結構設計及工作原理

沙障鋪設機器人整體結構設計如圖1所示。機器人的結構組成包括行走機構、傳送機構、軋草機構、視覺識別裝置、激光雷達檢測裝置、主控裝置、整體機架等[2]。該機器人主要用于荒漠化地區(qū)防風固沙的沙障鋪設工作。在實際工作時，駕駛機器的工作人員通過遙控設備到達預設的工作區(qū)域，設備將會通過GPS定位模塊檢測設備當前的位置坐標，并且預設下一個目標點的坐標。在起始點和目標點之間各自建立一個關于x軸、y軸的坐標系，并且兩個坐標系軸線延長相交，劃定出設備的工作區(qū)域。上位機Jetson Nano通過激光雷達及視覺攝像頭進行全圖掃描，建立起一張柵格地圖，掃過的區(qū)域里面對有障礙物的區(qū)域柵格設定為1，待工作區(qū)域設定為0，通過Boustrophedon算法及雙向搜索算法為設備規(guī)劃一條最優(yōu)的路線。設備經(jīng)過待工作區(qū)域0后將該區(qū)域設定為已工作區(qū)域，標志為1。待整個柵格地圖所有柵格區(qū)域都為1后，設備在該區(qū)域的工作完成。然后，該機器人將以當前區(qū)域的目標點作為起始點，再次規(guī)劃工作區(qū)域，對附近的區(qū)域進行鐵軌式的沙障方格鋪設。

圖1 沙障鋪設機器人整體結構

2 主要裝置結構設計

2.1 橫向送草裝置設計

橫向送草機構如圖2所示，其主要由步進電機、同步帶、傳送帶、取料排槽滾軸、電機、聯(lián)軸器、折板等構成[3]。設備在取料時，中間一組彼此嚙合的排槽齒會將秸稈從秸稈儲料倉中卷出，由于取料排槽滾軸的快速轉動，秸稈會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，步進電機會帶動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?，并在軌道的終點處將觸碰開關閉合，折板到達預設行程點。折板曲面上的秸稈由于接觸摩擦不足，滑落至預設區(qū)域，被下方攝像頭識別到后折板曲面收回，至此完成送草動作。

圖2 橫向送草機構

2.2 橫向軋草裝置設計

橫向軋草機構如圖3所示，其主要由軋草輪、聯(lián)軸器、減速電機、電動推桿、滑塊、電動推桿固定架等組成。當設備尾部的底部支架攝像頭檢測到橫排秸稈對象時，電動推桿伸長推桿給軋草輪下壓力。軋草輪在電機的轉動下拖著滑塊在滑軌上移動，橫排的秸稈在軋草輪的壓力作用下豎立起來，當電動推桿固定架左右兩邊的觸碰開關先后往復觸碰到后，標記軋草動作已經(jīng)完成。此時，橫向秸稈已經(jīng)全部豎立起來，設備將繼續(xù)執(zhí)行向前直走命令。

圖3 橫向軋草機構

2.3 縱向送草裝置設計

縱向送草機構如圖4所示，其主要由舵機、引料板、傳送帶、取料排槽滾軸、聯(lián)軸器、執(zhí)行電機等組成[4]。設備在取料時，取料排槽滾軸的電機開始轉動，并將儲料倉內的秸稈通過一條10 cm寬的裂縫依次卷出。由于電機轉動之后秸稈會掉落到傳送帶上，在傳送帶的作用下秸稈到達預定的槽口下方，然后將秸稈排列好，等待縱向軋草裝置將其軋立起來。

圖4 縱向送草機構

2.4 縱向軋草裝置設計

縱向軋草機構如圖5所示，其主要由軋草輪、電機、軋草力臂、電動推桿等組成。設備在縱向軋草時，待設備發(fā)出縱向軋草指令后，電動推桿伸長將軋草力臂下壓，給軋草輪一定下壓力，將鋪在沙上的秸稈給豎立起來。同時在設備的移動過程中，軋草刀片輪的電機轉動帶動軋草刀片輪，使得前方的秸稈軋立起來。

圖5 縱向軋草機構

3 控制原理設計

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設備進行路徑規(guī)劃，并搭載GPS定位器，在起始點和目標點之間各自建立一個關于x軸、y軸的坐標系，并且兩個坐標系軸線延長相交，劃定一個50 m×50 m的規(guī)劃空間作為設備待完成的工作領域。上位機Jetson Nano通過激光雷達及視覺攝像頭進行全圖掃描，對該空間進行劃分，建立起一張柵格地圖，掃過的區(qū)域里面對有障礙物的區(qū)域柵格設定為1，待工作區(qū)域設定為0，設備經(jīng)過待工作區(qū)域0后將該區(qū)域設定為已工作區(qū)域，標志為1[5]?？紤]到植草機器人的體積大小問題，對柵格地圖進行膨脹，減小誤差，確定起始種植點，查找第一個0區(qū)域點，將其定為起始種植點，從起始種植點開始出發(fā)，判斷下一個點位是否為非障礙物點位，記錄每一個點位的坐標，將各個點位串連，還原坐標。理想情況下，障礙物為規(guī)則的，其具體實現(xiàn)為：根據(jù)選擇的初始方向x軸進行覆蓋柵格，碰到障礙物和邊界時，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，植草機器人向y軸方向向上或向下移動一個距離；若有障礙物點，則不能進行移動，存在困區(qū)，進行回退操作，回到上一個柵格點，重復上述操作，判斷y軸方向的障礙物點是否存在，判斷結束后，接著往反方向開始新的覆蓋，直至全部點位覆蓋完全[6]。非理想情況下，障礙物存在凹陷即不規(guī)則，無法做到全方位覆蓋，存在死區(qū)，設備到達目標點后，需重新規(guī)劃出一條最短路徑到達未覆蓋區(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。在一些轉折點的區(qū)域，設備采取差速旋轉方式，使軌跡更為漸緩，鋪設的方格也更為合理。當規(guī)劃的柵格地圖上的0區(qū)域點都已完成鋪設工作后，將會拓展到下一個目標點，并且將上一個目標點作為下一個工作區(qū)域的起始點，實現(xiàn)點與點之間的拓撲[7]。設備控制邏輯原理如圖6所示，該設計滿足工作的要求，同時能夠達到設備自動化、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)設計

設備開啟，對Jetson Nano、STM32、ESP32主控進行初始化，攝像頭開啟，激光雷達開啟，對周圍進行掃描建立柵格地圖，各傳感器將目前檢測到的實時數(shù)據(jù)傳到ESP32進行數(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)再上傳到服務器中[9]。MPU6050讀取當前設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)行相應動作的執(zhí)行函數(shù)，STM32將要執(zhí)行的信號和PWM脈沖電流傳給驅動器，驅動器將脈沖信號放大驅動電機的轉動，同時該系統(tǒng)還可進行人工手動操作，用戶可在云端發(fā)出指令確定下一 個目標點，以合理調節(jié)鋪設沙障的覆蓋區(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 結論

本文從實際出發(fā)，對設備在荒漠化地帶的工作場景及具體用途進行了綜合研究，分析了設備具體運動及工作的原理，同時對設備的結構進行了創(chuàng)新性的設計，引用了當前主流的算法并設計了相應的控制系統(tǒng)。本文設計的機器人有效地解決了當前種插草方格效率低、人力成本高等問題，對治理荒漠化以及綠色植被的恢復工作具有較為重大的意義[11]。