“自動循環式挖穴栽植一體機”設計說明書

1概述

植樹造林是我國綠色發展工作重點之一。在推進“一帶一路”建設的過程中，幫助沿線地區解決土地荒漠化的問題，具有積極的意義。據我國2020年發布的第九次全國森林資源清查結果顯示，全國森林覆蓋面積為2.21億公頃，森林覆蓋率22.96%，遠低于世界 31% 的平均水平，尤其是甘肅、新疆等地區，由于人力資源匱乏加之土質原因，森林覆蓋率僅為10%左右。因此，要實現我國森林資源建設的總體目標，機械化植樹造林是必由之路。

現有的植樹設備多為手持挖坑機，由操作者手提作業，功能單一、使用費力且工作效率低。針對這種現狀，本項目團隊設計研發一款全自動栽植園林機械，實現在栽植作業時幾乎不破壞周邊原生植被的自動挖穴并進行栽植和后期的林木修剪作業。重點研究實現其挖穴及栽植作業的機械結構,植樹機自動作業循環方案以及株距控制方案，以實現行進間歇式挖穴栽植、智能調節栽植深度以及精準株距控制等,做到各機構運行合理且無干涉,栽植效率為100～200株/h,為植樹機向自動化、智能化發展提供思路。

2 自動循環式挖穴栽植一體機機械結構設計

2.1 整體架構

自動循環式挖穴栽植一體機的機械結構包括：履帶式驅動行走機構、三葉爪升降式挖坑機構、旋轉輪盤送苗機構、培土機構和澆水機構。將行駛、挖坑、栽植以及培土和澆水等多功能合而為一。

2.2 履帶式驅動行走機構

全自動栽植一體機的行走結構由：履帶底盤、控制電機、齒輪、傳動桿等組成。

考慮到產品主要的工作環境集中于荒漠區沙地或林地崎嶇地形，這些地方地形復雜，因此選擇了固定式履帶行走機構。該結構由全數字控制的四輪直流伺服電機組成，負責機器人在作業過程中的行走驅動。其特點是導向輪不作支撐，驅動能力、 承載能力和穩定性表現更佳，能避免在復雜地貌中行走時能因卷入泥土而造成的磨損和失效，從而提高驅動輪和導向輪的使用壽命。并且在雨雪、泥地、沙地等坡度路面提高地面摩擦力，避免出現車輪空轉。

履帶點的履帶驅動系統為后置式方式，工作時將履帶動力系統置于車身后部時履帶的接地位置為緊邊，在保證履帶接觸面積的同時將動力傳輸效率最大化。

2.3 三葉爪升降式挖坑機構

挖坑機構位于履帶底盤中間，采用三葉爪式升降挖頭，便于挖穴成型和向周圍堆放。三葉爪式升降挖坑裝置結構,主要由三葉爪式取土挖穴器、導軌、滑塊、動力輸入軸、伸縮電機，機架連接銷等組成。

三葉爪式取土挖穴器設計為三塊上端大、下端小的三角形狀葉片，，有利于挖坑時時挖頭順利地刺入土壤。工作時挖頭沿導軌向下滑動以張開的姿態豎直向下入土，同時對土壤產生剪切作用，在達到一定入土深度后，在伸縮電機作用下各葉片沿滑槽移動，挖頭閉合器閉合，使土壤產生形變而匯集在挖頭內部，隨后沿導軌向上以閉合姿態豎直出土，完成取土的同時形成孔穴，挖頭隨整機運行移動至成型孔穴前方，再在伸縮電機的作用下向外打開完成排土，隨后復位完成整個挖坑成穴過程。

2.4 送苗栽植機構

送苗栽植機構由：渦輪環、蝸桿、旋轉環、苗株卡槽、栽植機械臂、電機等部件組成。

運用渦輪蝸桿的運動特點，創新式設計渦輪環結構，底部利用帶有滾珠軸承的旋轉環與履帶底盤相連，渦輪環上根據栽植需要設置6-8個苗株卡槽。工作時，電機帶動蝸桿傳動渦輪環，使得安裝在環上的苗株卡槽轉動。安裝在送苗機構后方的6自由度機械臂每次都夾取正前方卡槽中的樹苗，并將其放置到剛剛挖好的坑穴中，完成一次樹苗的輸送，接著渦輪環轉動一格，機械臂放置下一棵樹苗；直至渦輪環上的苗株放置完畢。

2.5培土與澆水機構

培土機構連接于履帶底盤后部下表面處，由：導輪、滑軌、皮帶、連桿式培土塊、培土塊固定件、舵機、電機等組成。工作時，皮帶帶動培土塊滑動聚攏，再以舵機控制連桿機構，實現培土塊的上下往復踩踏動作，從而完成培土過程中的反復拍土，高效地完成聚攏拍土環節。

澆水機構包括水箱、水管、噴頭和電動水泵，培土過程結束后，主控單元控制開關閥的關閉進而完成澆水作業。在這個工作過程中，控制系統會根據不同種類樹苗所需水量的不同來控制澆水時間，完成差異化作業。

3 系統控制結構

3.1 整體架構

本設計方案基于Torobot藍牙模塊、中央控制器Raspberry Pi Ⅲ和舵機驅動板，其整體的控制系統主要由兩部分組成，一部分為運動控制系統，由直流伺服驅動電機和高性能多軸運動控制器組成，主要用來完成植樹機器人的行駛、挖坑、栽植、培土和澆水等功能運動；另一部分為信息傳輸系統，主要包括人機接口、多傳感器信息融合單元，比如數據采集、處理和環境檢測等。

3.2 核心電路板

運動、挖坑、栽植、培土與澆水是本產品的基本功能，機器人能否平穩高效地運動直接關系到設計的成敗。該模塊包括控制板和驅動元件。本設計由Raspberry Pi Ⅲ作為中央控制器，該控制器集成四核ARM Cortex-A53（ARMv8）64位；主頻為1.4GHz CPU，；內存為：1GB LPDDR2 SDRAM；有線網絡為千兆以太網，USB2.0通道，最大吞吐量 300Mbps；無線網絡有2.4GHz和5GHz 雙頻Wi-Fi；配以低功耗藍牙（BLE）；其他接口包括：HDMI，3.5mm模擬音頻視頻插孔，4x USB 2.0，以太網，攝像機串行接口（CSI），顯示器串行接口（DSI），MicroSD卡座，40pin擴展雙排插針。性能優越，足以實現各項系統性能要求。

3.3 伺服電機驅動選擇

為了確保植樹機器人在行進過程中具備較高精度的運動性能，直流伺服電機的運轉需要使用專業的驅動器實現。本設計選用銘朗科技公司的MLD3810電機驅動器，該驅動器可以很好的控制電機轉速，從而改變機器人的移動速度。

其主要功能如下：通過RS232串口與運動控制卡進行通信，實現主控芯片控制、參數調整以及在線監測，輸入模擬信號和PWM信號對植樹機器人進行速度控制，同時輸入脈沖信號和方向信號對植樹機器人步進模式進行控制。通過外部零位、制動信號的輸入，可以實時讀取驅動器內部溫度，并具備溫度保護以及電壓、電流、超調量、失調量、載荷量等狀態的誤差保護。

3.4 激光避障模塊

激光掃描測距儀的應用現今已經非常廣泛，可用于無人駕駛和飛行器的避障。本設計在搜救車上搭載HOKUYO公司制造的URG-04LX 2D型激光掃描傳感器以非接觸方式進行測量，最小測量距離60mm，最大測量距離4m，測量角度為0o~0o，掃描間隔時間為100ms，輸入電壓為直流5V，通過USB接口與機器人PC控制端進行通訊，可用于植樹機避障、植樹坑穴位置識別和建圖等功能。該激光掃描儀外形結構小巧，并具備高精度、高分辨率、導航能力強，不易受到外界光線影響等優點。

3.5 數字羅盤模塊

植樹機器人的運動方向和運動距離是由數字羅盤和紅外編碼盤測得的數據傳回到上位機，由上位機計算行進方向和速度從而控制電機。脈沖產生模塊由紅外發射電路和紅外接收電路構成，當發射帶有頻率的紅外光遇到黑色時，紅外光幾乎被吸收，紅外接收管成高阻態，通過濾波和電壓比較后輸出低電平; 反之，當遇到白色時，紅外光被反射回來，輸出高電平。本設計選用數字羅盤型號為LP3300，主要用于辨別植樹機的行進方向。羅盤上裝有一個用于測量的傾角傳感器和磁場傳感器，輸出參數為機器人的航向、俯仰角、翻轉角，主要用來判斷植樹機的行進方向。羅盤本身具有俯仰角度和翻轉角度的補償功能，所以，當植樹機在斜坡上行駛或遇到障礙，羅盤的俯仰角和翻轉角輸出數值變化不大。

LP3300電子羅盤具有很多特點：

內置角度補償，使搜救車受到傾斜和俯仰的影響較小；

內置溫度補償，可以最大限度減小溫度對輸出數值的影響；

內置微處理器，數據處理效率搞，并通過RS232與機器人主控芯片進行通訊；

AD信號轉換速率快，精度高；

具備指向零點修正功能。

4項目支持

2021年6月，本項目“自動循環式挖穴栽植一體機的設計與研發”獲批2021年國家級大學生創新創業訓練項目（項目編號202013235003）。

5 設計創新點

相較市面上已有的栽植設備，該全自動栽植養護系統具備如下創新點。

第一、本設計可實現林木栽植過程自動化，且工作過程中可以動態調整工作參數，可用于代替繁重的人工勞動或條件艱苦的工作環境，具有廣闊的應用前景自動化操作。

第二、較之市面上較為單一的挖坑機，本團隊所設計的全自動栽植一體機將挖坑、送苗、培土和澆水四個步驟集中融合，具有高度的功能集成化，一臺機器能將栽植過程全部完成。

第三、本設計具備間歇式挖穴栽植機構的控制系統，可實現行進間間歇式挖穴栽植、智能調節栽植深度以及精準株距控制等，完成栽種自循環作業，并可多臺機器在互聯網條件下聯動協調工作，可大大提高植樹效益及植樹機自動化、智能化水平。

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