基于光伏新能源及群體智能的自主栽種灌溉植樹機(jī)

王婉婷，王鵬

（北方工業(yè)大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144）

0 引 言

這是一款集種樹種草，根據(jù)土壤濕度進(jìn)行節(jié)水灌溉，依靠鋰電池和太陽能同時(shí)供電的植樹機(jī)。本文設(shè)計(jì)的植樹機(jī)栽種的數(shù)量比人工栽種多141.6%，可以節(jié)約人力物力，提高栽種的速度。在節(jié)水節(jié)能、減少CO排放等方面上有重要意義。

1 設(shè)計(jì)方案

本文中設(shè)計(jì)生產(chǎn)的植樹機(jī)主要適合用于在林地、山區(qū)、沙地荒漠等環(huán)境復(fù)雜或多變惡劣的環(huán)境狀態(tài)下植樹，具備栽種樹苗、節(jié)水灌溉、無線通信等多種功能。植樹機(jī)由鉆孔機(jī)構(gòu)、灌溉機(jī)構(gòu)、推土機(jī)構(gòu)、樹苗栽種機(jī)構(gòu)組成，搭載追蹤式太陽能板，使用鋰電池和光伏發(fā)電雙重供電保障。

植樹機(jī)通過5G 通信技術(shù)，運(yùn)動到指定作業(yè)區(qū)域。內(nèi)置傳感器將環(huán)境數(shù)據(jù)傳送給工作站。土壤濕度傳感器檢測土壤濕度值轉(zhuǎn)化為電信號，單片機(jī)根據(jù)土壤濕度值控制植樹機(jī)上攜帶的水箱進(jìn)行節(jié)水灌溉。植樹機(jī)前方攜帶的鉆頭挖掘土坑后，向前移動至樹苗下落通道出口與土坑位置相同時(shí)停下，同時(shí)裝有樹苗的轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)一定角度使樹苗落下。推土機(jī)構(gòu)推動隆起的泥土落入坑洞中填埋，本裝置的總體設(shè)計(jì)思路框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)思路

1.1 電器控制

選用STM32F4 和Arduino 作為主控板，使用直流無刷減速電機(jī)和PID 算法精確控制轉(zhuǎn)速及位置。

太陽能追蹤系統(tǒng)采用光電轉(zhuǎn)換模式，由傳感器感受光源，將識別的數(shù)據(jù)反饋到系統(tǒng)中，控制太陽能光伏板轉(zhuǎn)動，達(dá)到自動追蹤效果，同時(shí)將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能為后續(xù)裝置供電。由太陽能光合硅能蓄電池組成的供電模塊，由太陽能追蹤系統(tǒng)高效收集光能，為13 V 光合硅電池供電，再由電源變壓器轉(zhuǎn)化為24 V 直流電。使用張力計(jì)式濕度傳感器，把檢測到的土壤濕度信號放大以后，進(jìn)行傳送至單片機(jī)內(nèi)部的交流/直流轉(zhuǎn)換電路，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到土壤的濕度值。中央處理器根據(jù)濕度值控制水箱電磁閥開關(guān)澆灌需要的水量。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在控制系統(tǒng)調(diào)控下，機(jī)身運(yùn)動到指定位置。打孔機(jī)構(gòu)開始工作，打孔機(jī)構(gòu)由升降機(jī)構(gòu)，鉆頭，土壤濕度測試儀構(gòu)成。

升降臺共有4 條橫梁，4 條側(cè)梁。下橫梁通過鋁型材和鈑金金屬連接件與電機(jī)架鏈接，上橫梁與電機(jī)架接觸，最大程度上將電機(jī)所受到的軸向力通過側(cè)梁與下橫梁共同作用，將力傳導(dǎo)至機(jī)架。

電機(jī)通過6 轉(zhuǎn)8 梅花聯(lián)軸器與8CM 高碳鋼鉆頭鏈接，鉆頭根部通過一個(gè)角接觸球軸承固定導(dǎo)向，電機(jī)如圖2中標(biāo)號1、2、3 所示。

鉆頭在升降機(jī)構(gòu)帶動下，向下運(yùn)動，從而在地面上鉆出坑洞，同時(shí)土壤濕度測試儀前段插入土壤中，返回土壤濕度數(shù)據(jù)，如圖2（a）（b）所示，是鉆孔升降機(jī)構(gòu)。

儲料倉由內(nèi)外兩個(gè)轉(zhuǎn)盤，和轉(zhuǎn)盤上的物料存放桶組成，轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)如圖2（d）所示。最大程度上合理運(yùn)用空間，增大單次樹苗的攜帶數(shù)量，單次可攜帶64 棵樹苗。每個(gè)轉(zhuǎn)盤由獨(dú)立舵機(jī)驅(qū)動。打孔機(jī)構(gòu)工作完畢后，車身向前移動固定距離，儲料轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，物料存放桶與底盤的出料口配合后，土培與樹苗通過Y 型輸料管落入土坑中。

栽種機(jī)構(gòu)工作完畢后，推土機(jī)構(gòu)如圖2（c）所示，開始工作。推土機(jī)構(gòu)：電機(jī)驅(qū)動相配合的齒輪齒條，齒條與滑槽鏈接，滑槽末端的鈑金推鏟在齒輪機(jī)構(gòu)傳動下，推動泥土落入坑洞中。之后，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，帶動推土鏟復(fù)位。

圖2 機(jī)構(gòu)示意圖

推土鏟復(fù)位后，車身再次向前移動固定距離，灌溉機(jī)構(gòu)開始工作。灌溉機(jī)構(gòu)由儲水倉和電磁水閥組成。車身停止運(yùn)動后，電磁水閥打開，水倉中水流出，灌溉時(shí)間根據(jù)返回的土壤濕度做定量計(jì)算。內(nèi)部結(jié)構(gòu)渲染圖如圖3所示。

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)渲染圖

2 工作原理

2.1 自主栽種

本裝置中通過STM32F4 主控板對伺服電機(jī)進(jìn)行編碼控制，由于栽樹鉆孔為連續(xù)的過程，設(shè)置系統(tǒng)到達(dá)的起點(diǎn)并將位置參數(shù)歸0，設(shè)置間隔點(diǎn)距離，開始自動運(yùn)行程序。到達(dá)最佳鉆孔點(diǎn)后植樹機(jī)停止前進(jìn)，給定伺服電機(jī)驅(qū)動器脈沖信號以控制角位移量，控制兩側(cè)伺服電機(jī)A、B 轉(zhuǎn)動固定的角度。植樹機(jī)實(shí)物如圖4所示。設(shè)定A、B 電機(jī)控制系統(tǒng)為單閉環(huán)負(fù)反饋控制，反饋為下降距離：如果A 轉(zhuǎn)動的角度大于B，則反饋閉環(huán)系統(tǒng)控制降低A 轉(zhuǎn)速，反之控制降低B 轉(zhuǎn)速，以保持電機(jī)A、B 以相同的速度下降?？刂沏@頭的伺服電機(jī)C 與A、B 同時(shí)開啟，帶動鉆頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，在電機(jī)A、B 的作用下，鉆頭即可挖出土壤形成樹坑。當(dāng)系統(tǒng)檢測到達(dá)下降額定深度時(shí)，電機(jī)C 停止旋轉(zhuǎn)，電機(jī)A、B 反轉(zhuǎn)以收回鉆頭，回歸原位后A、B 停止旋轉(zhuǎn)。放入樹苗完成后重復(fù)之前動作，直到完成系統(tǒng)設(shè)置的種植數(shù)量或者距離。鉆頭控制原理如圖5所示。

圖4 植樹機(jī)實(shí)物圖

圖5 鉆頭控制原理

2.2 節(jié)水灌溉

張力計(jì)式土壤水分傳感器，有個(gè)多孔瓷頭，它能夠直接或通過任何一根用來充或放水氣分的金屬管子與另一個(gè)真空表裝置相連接，該真空傳感器裝置被直接插入到了土壤表層上的另一個(gè)金屬鉆孔腔道中，多孔的金屬瓷頭能直接地與巖石表層土壤層緊密地貼合，真空表裝置就這樣設(shè)在于地面巖石之上。

首先需要通過土壤溫度檢測傳感器自動檢測出土壤濕度參數(shù)并同時(shí)輸出一個(gè)與其數(shù)值相對應(yīng)位置的溫度模擬測量信號，然后再經(jīng)過數(shù)字模擬A/D 信號的轉(zhuǎn)換輸出電路來將這個(gè)模擬溫度信號再轉(zhuǎn)換輸出至模擬數(shù)字信號，發(fā)送指令給單片機(jī)，通過鑲嵌狀的微控制器MCU 操作后傳送到采集單元，再經(jīng)過GPPS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾碇行挠?jì)算機(jī)上，就會自動呈現(xiàn)出關(guān)于濕度的數(shù)值情況。

GPRS 板塊收到利用串行口反饋的數(shù)據(jù)后，通過網(wǎng)絡(luò)關(guān)口將其傳輸?shù)絀nternet 上，與Internet 相連的中心站計(jì)算機(jī)就會得到數(shù)據(jù)。

單片機(jī)將采樣值與程序中設(shè)置的樹苗生長需要的濕度進(jìn)行對比，判斷灌溉量，發(fā)送信號控制水箱電磁閥門自動開關(guān)的時(shí)長，從而實(shí)現(xiàn)對灌溉水量的自動調(diào)節(jié)，最后達(dá)到節(jié)約水量的目的。

2.3 群體智能協(xié)作系統(tǒng)

為了提高栽種效率，建立以蟻群算法為基礎(chǔ)的群體調(diào)度系統(tǒng)，在一個(gè)區(qū)域內(nèi)多臺植樹機(jī)相互協(xié)作，智能作業(yè)。

各臺植樹機(jī)（效用估計(jì)值大者獲得該任務(wù)的執(zhí)行權(quán)）協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)速度匹配，防止碰撞。合理有效地進(jìn)行任務(wù)分配和調(diào)度，通過傳感器獲取環(huán)境信息，通過無線通訊技術(shù)與其他設(shè)備進(jìn)行信息交互，最后通過數(shù)據(jù)運(yùn)算自身環(huán)境信息，做出運(yùn)動決策。我們選用蟻群算法解決最優(yōu)路徑問題。

3 性能分析

太陽能追蹤系統(tǒng)采用光電轉(zhuǎn)換模式，由光敏電阻傳感器感受光源，將數(shù)據(jù)反饋到單片機(jī)中，并發(fā)出指令控制太陽能光伏板雙軸轉(zhuǎn)動，達(dá)到自動追蹤的效果。電源使用光合硅能蓄電池，由于自動追蹤的同時(shí)將太陽能轉(zhuǎn)化成了化學(xué)能儲存到了蓄電池中，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)結(jié)構(gòu)。電池標(biāo)準(zhǔn)容量60 Ah，輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓24 V，充電電流4 A，最大放大電能轉(zhuǎn)移過程中的流失率低至0.2%，能量增值效益達(dá)到8 ～30 倍，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能的目的。

以栽種吸收CO能力最強(qiáng)的毛泡桐樹苗為例，根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，一公頃土地上50 臺植樹機(jī)同時(shí)工作，兩個(gè)月時(shí)間可以種植生態(tài)修復(fù)林10 公頃，每年可吸收二氧化碳1 236 噸，可減少全國每年0.93%的碳排放量。

表1 碳吸收相關(guān)數(shù)據(jù)

4 應(yīng)用與市場

以一臺植樹機(jī)為單位進(jìn)行計(jì)算，年節(jié)約電量168.5 kWh，年節(jié)約水量7 234.2 L，成本約3 200 元，以甘肅地區(qū)為例（具體水電費(fèi)用各地不同），電費(fèi)0.51 元/kWh，水費(fèi)1.33 元/L，一年可以節(jié)約水電費(fèi)成本9 707.4 元。分析結(jié)果表明，一臺植樹機(jī)的植樹效率是一個(gè)工人的1.4 倍，節(jié)省下來的年均人工成本是1.5萬元左右。如圖6所示是我們設(shè)計(jì)的植樹機(jī)和傳統(tǒng)人工栽種的開銷對比圖，可以看到在投入當(dāng)年八月以后，植樹機(jī)的開銷成本就會低于傳統(tǒng)人工種植方案。所以，使用植樹機(jī)替代傳統(tǒng)人工的處理方法，可以大大節(jié)省人力和物力資源。

圖6 開銷對比圖

5 結(jié) 論

綜上表明，我們所設(shè)計(jì)的植樹機(jī)可以有效節(jié)省人力物力，與傳統(tǒng)人工植樹相比開銷較小，可以廣泛應(yīng)用于國家提倡的植樹種草項(xiàng)目中，具有一定推廣價(jià)值。