沙漠地区植被种植机器人研究

吴卓霖 王朝 吴一玄 杨昊 李云鹏

摘  要：沙土地植树机器人是现阶段防风固沙的有效工具，可以极大地解放人的双手，提高植树效率。本文综合比较了现阶段各种植树机器人的优缺点，并“取其精华，去其糟粕”，并由此设计出一款全新的、可以在沙土地上运行的植树机器人。

关键词：防风固沙  自动化  植树作业  智能化  一体化

引言

我国荒漠化面积占国土总面积的27%～32%，尤其在我国西北地区，土地荒漠化现象更为明显，这给西北地区的发展带来一定的困扰。防风固沙的有效手段就是植树造林种草。但是在艰苦环境中，植树的人工成本会增加。为了减少成本提高种植效率，可以使用植树机器人代替人们在沙地等艰苦环境中繁重的人工劳动，基于智能控制的沙地植树机器人具有作业自动化的特点，在工作过程中便于人为控制，并且能够适应沙地的特殊地理环境，具有广阔的应用前景。

1 植树机器人国内外发展现状

尽管外国在上个世纪70年代就已经开始致力于林业机器人的研究，但是经过几十年的发展，大多数林业机械设备都被用于平原地区的生产作业。而国内现有或已投入批量生产的大多数为大型或连接型植树或坑穴开垦机械，如1W-50（30）型植树挖坑机、4QZ-130 型振动起苗机、新型液压式植树机、1W-70 型挖穴机、导苗管式树苗移栽机等。其大多适用地区为辽宁、黑龙江、内蒙等平原地区。而用于沙地地区的智能机械设备还不是很多，故而我们可以借鉴其工作的原理和运作方法，对于沙地植树机器人进行进一步的创新与研究。

加拿大在20世纪70年代开始致力于林业机器人研究。1974年前后， 加拿大开始研制自动植苗机， 但到20世纪90年代中期， 植苗机的自动化水平离机器人还相差太远。目前努力的目标， 是利用传感器自动调整植苗机前端与地面障碍物的位置关系。如果做到这一点， 那么， 除了需要人工驾驶车辆之外， 其它操作的自动化都易于实现[1]。

舒庆等[2]研发的生态恢复机器人，通过铺设草方格来防风固沙，依据沙地地貌通过PLC控制铺设草方格机构的高度和插入压力，作业后将在沙地上形成草方格立体沙障，固沙能力很强，可提高铺设效率161倍，降低铺设成本80%左右。

2  工作原理

沙漠植被种植机器人主要由智能控制系统、影像监测系统、挖坑机构、传送机构、种植辅助机构等组成。其中，智能控制系统由单片机组成，此外机器人搭载stc模块，可以通过连接网络对多个设备进行同时调整和设置;影像监测系统配备外部摄像头，通过图传系统查看种植具体情况，此为创新点之一;挖坑机构采用钻头进行钻孔，钻头可替换以便于实现种植时，不同直径孔洞的需求;传送机构使用履带式传动，利用特有夹持装置保证树苗方向一致;种植辅助机构主要包括培土机构和储水洒水系统，用以辅助种植，完成种苗后进行培土、浇水以保证树苗成活率。

3  工作过程

此装备为沙土地植树机器人，主要用于复杂的地形环境，并且能够完成自动挖坑，送苗，灌溉以及培土的一系列操作。此装置配备图传系统，可通过前面的摄像头将其所捕捉的画面送达到控制器显示屏内，便于工作者时时观看周围情况，并可以由手机app或者遥控器两种方式进行远程操控，足以保证此机器在无人在附近的情况下自动完成工作。机器的前端为可伸缩替换钻头，我们可以根据植株的直径来选择不同的钻头以保证植株可以适应于种植坑。机器人会根据不同的植株要求来保证植株的间隔，机器人行进规定的距离后，则会在车斗内运出植株树苗，并通过种植管顺利的落到所挖的种植坑内。种植管也是可以替换的这样才能保证树苗会垂直的落到种植坑内，而不会倾斜，以至于影响存活率。在以上工作进程完成后，树苗会通过种植管的软帘脱离树苗，这样就完成了植株的种植。

4  产品结构

4.1控制系统

本机器人采用嵌入式技术对其各个动作进行控制，如对传送机构、挖坑机构、种植辅助机构进行控制，使其能够执行相应的动作。机器人内含stc单片机，拥有完善的硬件系统，成为机器人重要的一个组成部分。在硬件的基础上，可以通过用c语言或者汇编语言来对其进行编程，从而根据需求来控制机器人的各项运动，完成相应动作的执行以及调节执行机构运动速度的快慢程度，例如调节机器人的移动速度、传送机构的传送速度等，用以满足不同的工作任务。此外，机器人搭载的stc模块中包含无线网络模块，拥有远程控制系统，使其能够在人的操作下，通过手机application以及遥控器两种方式进行远程操控，以达到无人监管的情况下能够保证工作进度。

4.2影像监测系统

本机器人含有机器视觉系统，可以代替人眼来做出测量和判断，可以通过摄像头将获取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布信息，转变成数字化信號，图像系统对其进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果对机器人本体进行控制[3]。其相当于给机器人加了一双眼睛，人的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的视觉中枢构成，机器视觉系统则是由图像采集系统、图像处理系统及信息综合分析处理系统构成。

此外，机器人还搭载了相应的视频传输系统，通过外置的摄像头可对工作进度进行实时的查看，可以由图传系统发现已种植的植株是否发生倒斜、未栽种的情况对其进行修正 。同时影像监测系统可以采集相关环境信息及时对机器人的工作程序做出调整，使机器人的工作流程更加顺畅。

机器人搭载了联网模块即使在远离工作地点的情况下，也可以通过网络传输对其工作进程和工作方式进行调整以及更改。为了达到节省成本的目的，影像监测系统采用了图像信息压缩技术，在以JPEG及MPEG的压缩标准下，以适合网络图像传输的压缩格式提供较好的图像质量。其次影像监测系统搭载的摄像头可通过自身的多方向旋转拍摄不同方向的图片，观测已栽种的植株是否发生倾斜、未栽种等问题及时做出修复。

4.3挖坑机构

本机构由驱动电机、伸缩杆、可更换钻头以及旋转电机组成，在机器人第一部分移动程序结束后本机构开始运作。在驱动电机的作用下伸缩杆开始进行向地面的运动，同时伸缩杆上的钻头在旋转电机的作用下开始以一定的速度进行旋转，并在接触到地面后开始下钻。在达到系统设定的钻孔深度后，旋转电机停止运动，驱动电机将电极反转使伸缩杆进行杆的收回防止影响到机器人的前进。

为了良好的可更换性，挖孔机构的钻头选取了较细的螺旋型钻头，同时根据土壤干密度及打孔需求的不同在钻头更换箱内配备有许多不同型号的钻头，以满足多种情况及多种孔深及打孔直径的要求。

4.4传送机构

传送机构为送苗转盘采用了履带式，其包括动力轴和加持传递履带构成。我们从车的顶部将幼苗放入规定的履带中，并加入了一些简单的夹持装置，保证了树苗垂直放置并固定了幼苗以防止幼苗在车辆的运行中发生跑位及错位的现象，使幼苗按照一定的规律排列在履带上。在钻头打好洞及车辆向前运行之后，随着履带的运动，位于前面的树苗将进入规定的管道，由于重力的作用，幼苗顺着管道落入种植坑内，传送机构停止运动，直到下一个种植坑之前。我们在设计时会根据不同幼苗的直径，设计出不同的滑轨，进而保证种植幼苗的多样性，也适应不同的管道和钻头。

4.5种植辅助机构

1）培土机构

培土装置包括多个径向排列的铲片，铲片中心为转动轴，转动轴转动带动铲片铲起沙土。培土机构作为整个植树过程的最后一个工序，有左右对称的两个培土轮一起转到，由于钻头钻过的土质较松，且培土轮转动的速度不是很快，由培土轮转动带动的土掉入种植坑内，达到培土的目的，两个转动轴由电单独驱动，保证了培土轮的独立运作。

培土轮设置在机器人尾端植定位管道的下部两侧，其作用是在完成导苗后，将钻头打孔时所升土填回洞中，实现自动化一体化的导苗覆土工作。

2）储水洒水系统

储水箱位置如图1所示（本实施例的车斗里有上下层，水箱在下层），初步设计容量为8L，既可以满足一定工作时间的用水量，也不会因为负载过重而影响机器人总重。储水箱设计为车身侧方开口进行灌水，并在储水箱底部连接车体，设置排水活塞，以防长时间不使用时，储水箱内有水导致腐蚀变质。

5  结语

本文设计的种植机器人是一种可以自动完成一系列植树行为的机器人，主要用于沙土地植物的种植，并且对应不同的沙土地需种植不同的植株以适应环境，此时植树机器人可以替换钻头和种植管以适应需求。但该沙漠种植机器人任然存在一些不足之处，比如单次树苗搭载量有限，無自动装载设备，以及水箱搭载量有限，如何进行更好的蓄水补充等问题，仍然是我们未来需要研究和不断完善的方向。

参考文献

[1]姜树海.林业机器人的发展现状[J].东北林业大学学报，2009，37（12）： 95-97.

[2]刘延鹤，傅万四，张彬，常飞虎，周建波.林业机器人发展现状与未来趋势[J].世界林业研究，2020，33（01）：38-43.

[3]张秋菊，王金娥，訾斌.2016.机电一体化系统设计[M].北京：科学出版社.

作者简介：

吴卓霖（2000.09--）男，黑龙江人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。

王朝 （2000.02--）男，黑龙江人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。

吴一玄（2001.08--）女，天津人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。

杨昊（2000.02--）男，新疆人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。

李云鹏（2000.10--）男，山西人，本科在读，主要研究方向：机械工程及其自动化。

论文来源：中国矿业大学（北京）大学生创新训练项目资助 项目编号202104065

中央高校基本科研业务费专项资金资助