基于arduino控制自平衡挖坑車的研制

鄧 君，彭照貴

（東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

基于arduino控制自平衡挖坑車的研制

鄧 君，彭照貴

（東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

現(xiàn)階段我國(guó)園林器械已經(jīng)實(shí)現(xiàn)人工向機(jī)械化造林的升級(jí)，在挖坑作業(yè)當(dāng)中，仍然需要人力的投入。自平衡挖坑車則實(shí)現(xiàn)了機(jī)械智能化造林的升級(jí)。在挖坑作業(yè)中，用戶只需根據(jù)場(chǎng)地需求把所需挖坑的位置、大小、深度設(shè)定好，按下啟動(dòng)開關(guān)后，arduino會(huì)載入用戶設(shè)定的數(shù)據(jù)，從而自動(dòng)完成挖坑任務(wù)。高精度傾軸傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)所處坡度從而實(shí)現(xiàn)挖坑平臺(tái)的自平衡。通過實(shí)地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該挖坑車可以完成用戶設(shè)定的挖坑任務(wù)，并保持挖坑平臺(tái)的水平，基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

自平衡；挖坑車；arduino；高精度傾軸傳感器；機(jī)械智能化造林

國(guó)家“十二五”規(guī)劃綱要草案提出了森林覆蓋率提高到21.66%，森林蓄積量增加6億m3，達(dá)到1 431億m3[1]。人工造林作業(yè)質(zhì)量差、效率低、速度慢、勞動(dòng)強(qiáng)度大；機(jī)械智能化造林不僅可以提高勞動(dòng)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，還能保證造林質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益，是大勢(shì)所趨。目前國(guó)內(nèi)外使用的植樹挖坑機(jī)主要有手推式和懸掛式等幾種，手推式植樹挖坑機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率也相對(duì)較低；懸掛式植樹挖坑機(jī)勞動(dòng)強(qiáng)度小，生產(chǎn)效率高，但操作不夠靈活，價(jià)格也相對(duì)昂貴[2]。以上兩種挖坑機(jī)工作時(shí)全程都需要人力的參與，并沒有最大限度地解放人力，因此，研制一款能夠智能化挖坑、適應(yīng)多種地形、挖坑過程不需人工參與的設(shè)備十分必要。

1 自平衡挖坑車的總體設(shè)計(jì)

自平衡自動(dòng)挖坑車采用arduino2560系列單片機(jī)作為控制核心。該自平衡自動(dòng)挖坑車包括車體、挖坑設(shè)備。車體為該挖坑車提供動(dòng)力，牽引右邊的挖坑設(shè)備移動(dòng)。挖坑設(shè)備由以下三部分組成：升降臺(tái)、挖坑機(jī)、機(jī)架。自平衡自動(dòng)挖坑車在自平衡結(jié)構(gòu)大膽做出了創(chuàng)新。圖1所示即為自平衡挖坑車。

1.1 車體的設(shè)計(jì)

車體采用沙灘車的底盤，不設(shè)座位，如圖1中1所示。將轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)改造成渦輪蝸桿結(jié)構(gòu)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。采用36 V大功率直流電動(dòng)機(jī)[3]，為挖坑車提供充足動(dòng)力。利用電磁閥來控制剎車裝置[4]?？刂坪诵膬?nèi)置于車體內(nèi)部，并將無線接收器置于車殼外部，以便接受遠(yuǎn)程控制信號(hào)。在車后輪的機(jī)架中牽引出一個(gè)接頭，以便和挖坑裝置相連。可通過遙控器控制車體的運(yùn)動(dòng)。

圖1 自平衡挖坑車

1.2 挖坑設(shè)備的設(shè)計(jì)

挖坑設(shè)備作為挖坑車的工作部分，是該產(chǎn)品的重點(diǎn)。挖坑設(shè)備由升降臺(tái)、挖坑機(jī)、機(jī)架三部分組成。機(jī)架作為該部分的框架，它通過下方的鋼管和車體連接。底部安裝有4個(gè)萬向輪，避免了懸掛式挖坑機(jī)在行動(dòng)中的弊端。底部固定著導(dǎo)軌，屬于升降臺(tái)的一部分。

挖坑機(jī)采用便攜式，以柴油和機(jī)油作為動(dòng)力。將該挖坑機(jī)的手拉式啟動(dòng)方法改進(jìn)為點(diǎn)火啟動(dòng)。該挖坑機(jī)可使用不同規(guī)格的鉆頭，鉆頭的規(guī)格將決定著所挖坑的規(guī)格。挖坑機(jī)置于升降臺(tái)上的平衡裝置上。升降臺(tái)升降的原理如下：底部電機(jī)通過機(jī)架上的變速箱（用于輸出大扭矩）與絲桿滑塊相連，從而使得滑塊推動(dòng)剪刀結(jié)構(gòu)在導(dǎo)軌上移動(dòng)。如圖1所示，從而帶動(dòng)上方的平衡裝置升降。平衡裝置一端和軸承相連，另一端和變速器（用于降低轉(zhuǎn)速）相連。高精度傾軸傳感器固定于平衡裝置的右邊，可實(shí)時(shí)檢測(cè)裝置與水平方向的夾角，并將所得數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制平衡裝置的電機(jī)來調(diào)整平衡裝置，直到保持水平為止。

在升降的最高、最低位置分別裝有行程開關(guān)，以防止撞擊事故發(fā)生；平衡裝置也有一個(gè)最大的平衡角度，為15.8°。在平衡裝置下方也裝有行程開關(guān)。

2 自平衡挖坑車的試驗(yàn)與結(jié)果

試驗(yàn)一：在不平坦的山地上試驗(yàn)該挖坑車，采用半徑為10 cm、長(zhǎng)度為80 cm的鉆頭為例。設(shè)定每隔50 cm挖一個(gè)坑40 cm深度的坑，每行挖4個(gè)，共挖4行。在設(shè)定好參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)載入并處理數(shù)據(jù)，按下開始開關(guān)后自動(dòng)開始作業(yè)。從開始到完成作業(yè)累計(jì)需要30 min，在對(duì)所挖坑進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，16個(gè)坑的平均直徑為22.95 cm，平均深度為38.68 cm。由于挖坑機(jī)在工作時(shí)轉(zhuǎn)速較大，振動(dòng)比較厲害，導(dǎo)致誤差較大：直徑誤差為+17.45%；深度誤差為：±3.3%。

試驗(yàn)二：在一塊分別裝有3.5°、5°、6.5°、8°、9.5°、11°、12.5°、14°、15.5°、17°的木板上，讓挖坑車從水平地板開上不同傾斜度的木板上，剎車后自動(dòng)進(jìn)行自平衡調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1。

由表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，調(diào)整后平臺(tái)與水平面夾角為0.8°，最大可適應(yīng)的坡度在15.5°～17°之間。經(jīng)分析可得出誤差的原因：傳感器安裝時(shí)并未保證平臺(tái)處于完全水平狀態(tài)；傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)具有0.5°的誤差區(qū)間。

表1 自平衡挖坑車實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

自平衡挖坑車創(chuàng)新性地將自平衡結(jié)果和自動(dòng)控制功能模塊與傳統(tǒng)的挖坑設(shè)備結(jié)合在一起，還應(yīng)用了無線控制技術(shù)，使得人們不需一直追隨挖坑車而可以用遙控器控制著挖坑車的工作[5]。真正解放了人的勞動(dòng)力，提高了工作效率，降低了用工成本。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該挖坑車能夠用于挖坑作業(yè)，適用于大面積挖坑作業(yè)和危險(xiǎn)地段的挖坑作業(yè)。具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。

［1］陳作模，葛文杰.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］陸建，穆泉.車載式植樹挖坑機(jī)的研究設(shè)計(jì)［J］ .農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2011，37（4）：47-49.

［3］鄧星鐘.機(jī)電傳動(dòng)控制［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

［4］哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［5］秦曾煌，姜三勇.電子技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

Research and Design of the Self-Balanced Potholing Car Based on the Arduino Control

DENG Jun，PENG Zhao-gui
（College of Mechanical Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan523808，China）

Garden Machine had been upgraded from human to mechanical forestation.But during the work of digging，it still need the humanity to work.The self-balanced potholing car achieved the escalating to intelligent mechanical forestation.During the work of digging，the user should set the position，size，depth,according to the space，and then start the machine，the arduino would load the data from user，there is why it can finlsh the work automatically.Because of the high precision sensor，which can test the slope of the hillside in the real time，the car can achieve the platform of self-balancing.Verificating the function of the car，we can find that in reach the preset function basically.

self-balanced；potholing Car；arduino；high precision inclined shaft sensor；mechanical intelligent afforestation

TP273

A

1009－9492(2014)09－0108－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.029

鄧 君，男，1979年生，湖南永州人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。已發(fā)表論文8篇。 (編輯：向 飛)

2014－03－12