基于沙漠治理智能小車的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李強(qiáng)，徐偉，谷永傲，王鑫濤，胡芃哲

（江漢大學(xué) a.智能制造學(xué)院；b.工程訓(xùn)練中心；c.人工智能學(xué)院，武漢 430056）

0 引言

在高等教學(xué)教學(xué)改革中，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)創(chuàng)新型人才是高等人才培養(yǎng)工作的重要任務(wù)。實(shí)踐教學(xué)型人才培養(yǎng)模式是高校教育改革的重中之重，實(shí)踐教學(xué)已成為高校人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維、團(tuán)隊(duì)合作以及解決實(shí)際問(wèn)題的能力，打造知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的創(chuàng)新型人才。

本設(shè)計(jì)教學(xué)系統(tǒng)將學(xué)科競(jìng)賽和創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，鍛煉了學(xué)生學(xué)科知識(shí)綜合實(shí)驗(yàn)應(yīng)用能力。在深入解讀大賽專題內(nèi)容的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目組成員選擇用于修復(fù)自然生態(tài)的機(jī)械裝置——防風(fēng)固沙機(jī)械裝置。沙漠化對(duì)農(nóng)業(yè)的危害特別大，它破壞土地資源，導(dǎo)致水土流失，使可供農(nóng)牧的土地面積減少，土地滋生能力退化，土地貧瘠。我國(guó)在治沙防沙方面主要采取的措施是通過(guò)鋪設(shè)草方格、埋設(shè)防沙障等方式固定沙丘，防止沙漠進(jìn)一步擴(kuò)張。由于防沙治沙需要投入大量的人力、物力，尤其是很多工作需要手動(dòng)完成，勞動(dòng)量大，導(dǎo)致治沙工人數(shù)量增多，為了減少沙漠的擴(kuò)大，亟需開發(fā)自動(dòng)化電控化的治沙裝置。

本文設(shè)計(jì)的作品屬于防沙固沙裝置，主要用于通過(guò)鋪設(shè)石子方格作為防沙障，可以有效防止沙漠進(jìn)一步擴(kuò)張，如圖1所示。

圖1 石子方格防沙障

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

防風(fēng)固沙裝置主要的機(jī)械裝置是鋪設(shè)草方格、植樹造林、鋪設(shè)礫石，該方面的設(shè)備用于開發(fā)設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)的有：楊其隨[1]設(shè)計(jì)的自動(dòng)沙漠方格栽草機(jī)，該設(shè)備可以鋪設(shè)長(zhǎng)100 cm、寬100 cm、高10～20 cm的草方格，該設(shè)備技術(shù)完善，已投入使用。東北林業(yè)大學(xué)劉九慶[2]設(shè)計(jì)的一種間歇式造林大苗植樹機(jī)，該設(shè)備針對(duì)大苗栽植，適用于多種地形條件，該設(shè)備也已投入使用。中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所的安志山[3]發(fā)明了一種礫石鋪設(shè)裝置，這種礫石鋪設(shè)裝置是通過(guò)礫石將砂礫進(jìn)行穩(wěn)固，這對(duì)于風(fēng)力較小的地區(qū)能起到非常好的效果。該設(shè)計(jì)方案還有待完善，無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋪設(shè)自動(dòng)化。綜合分析文獻(xiàn)資料項(xiàng)目組成員決定對(duì)礫石鋪設(shè)裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)研究，達(dá)到礫石鋪設(shè)的自動(dòng)化。在多次論證、咨詢專家后確定設(shè)計(jì)模型，如圖2所示，該模型以縮小2倍于實(shí)際機(jī)構(gòu)的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。該裝置主要包括儲(chǔ)料箱、接料板、推料板、驅(qū)動(dòng)裝置等結(jié)構(gòu)。

圖2 固沙裝置小車模型

儲(chǔ)料箱結(jié)構(gòu)如圖2所示，其底部為傾斜斜坡，并包括條形的出料口，儲(chǔ)料箱底部有滑動(dòng)板，靠電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置水平移動(dòng)，達(dá)到開啟關(guān)閉的目的。當(dāng)推桿電動(dòng)機(jī)拉動(dòng)滑動(dòng)板時(shí)，出料口打開，礫石落入接料板，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿，蝸輪帶動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)輪的輪銷插入推桿下端的銷孔，帶動(dòng)推桿擺動(dòng)，推桿上端的銷孔和推料板銷接觸，使得推料板沿著雙導(dǎo)軌做水平移動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)裝置如圖3所示。最后將礫石推成條狀推到沙漠表面。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)作，在機(jī)架下端增加四輪驅(qū)動(dòng)，經(jīng)仿真軟件模擬小車完成一個(gè)工作循環(huán)后，石子成田字形排列。

圖3 驅(qū)動(dòng)裝置

2 機(jī)械部件模型設(shè)計(jì)

由機(jī)架、推料的尺寸，確定每次推板推砂礫2000 g，推桿施加在推料板上的力為100 N，假設(shè)砂礫在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中勻速運(yùn)動(dòng)，速度為0.05 m/s。

2.1 推桿長(zhǎng)度的計(jì)算

設(shè)定接料板的長(zhǎng)度為300 mm，板下端至定位銷所在水平線的垂直距離是200 mm，選定定位銷距離接料板后端面垂線的距離是100 mm。由工作原理圖可知，推桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有3個(gè)特殊位置，如圖4所示。推桿在接料板的最右端；推桿運(yùn)動(dòng)到垂直位置（圖中未標(biāo)注），推桿運(yùn)動(dòng)到接料板的最左端。

圖4 推桿在左端的瞬時(shí)速度運(yùn)動(dòng)圖

圖4 推桿運(yùn)動(dòng)極限位置

當(dāng)推桿在最左端時(shí)，計(jì)算得到推桿上銷孔的上端至定位銷的距離是305 mm。考慮兩端的加工余量，得到推桿總長(zhǎng)為330 mm。

2.2 驅(qū)動(dòng)搖臂回轉(zhuǎn)中心位置確定

驅(qū)動(dòng)搖臂的回轉(zhuǎn)中心在∠ACB的角平分線上，如圖4所示，推桿運(yùn)動(dòng)到最左端或最右端時(shí)，驅(qū)動(dòng)搖臂垂直于推桿。根據(jù)機(jī)架高度和定位銷的位置，選取驅(qū)動(dòng)搖臂回轉(zhuǎn)中心距離機(jī)架底面的距離為80 mm。則計(jì)算得到點(diǎn)O到AC的垂距為42 mm。

2.3 推桿滑動(dòng)銷孔長(zhǎng)度的計(jì)算

推桿上有上、下滑動(dòng)銷孔。關(guān)于上端銷孔的長(zhǎng)度計(jì)算，最高點(diǎn)設(shè)置在推桿運(yùn)動(dòng)到最左端時(shí)位置，當(dāng)推桿在豎直位置時(shí)，也就是上銷孔下端到支撐桿底部的距離為200 mm，計(jì)算得到上銷孔的長(zhǎng)度為105 mm，為了留出加工余量，上銷孔定位為110 mm。

驅(qū)動(dòng)輪上的推桿銷和旋轉(zhuǎn)中心的連線和推桿重合時(shí)，計(jì)算下銷孔的長(zhǎng)短。經(jīng)計(jì)算得到下銷孔長(zhǎng)度為160 mm。推桿的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 推桿

2.4 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算

選取蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為45:1，對(duì)推桿進(jìn)行受力和運(yùn)動(dòng)分析，計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩。

1）推板受到的力為100 N，計(jì)算在起始位置時(shí)齒輪的轉(zhuǎn)速。推桿的受力圖如圖6所示

圖6 推桿受力分析圖

根據(jù)力矩平衡方程式可以得到

由F2、驅(qū)動(dòng)輪半徑可以求得驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩為6.048 N·m，根據(jù)蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比45:1，最終求得電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為0.134 4 N·m。

2）推板的移動(dòng)速度為0.05 m/s，設(shè)為Va，計(jì)算在初始位置時(shí)電動(dòng)機(jī)的瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)速，圖7所示為推桿的瞬時(shí)速度運(yùn)動(dòng)圖。將Va分解為V1、V2，經(jīng)計(jì)算得到V1為0.33 m/s。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)公式V=ω·r，可以得到線速度Vb為0.15 m/s,由線速度公式：V=D·π·n，求得齒輪的轉(zhuǎn)速是0.6 r/s。由蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比45∶1，可以得到電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速是27 r/s。

2.5 機(jī)械部件模型的仿真分析

本模型的可行性分析是基于CREO4.0的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真與分析。主要對(duì)受力件推桿的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度和加速度進(jìn)行運(yùn)行動(dòng)態(tài)分析。單擊“機(jī)構(gòu)”-“ 分析”（Analysis）-“ 機(jī)構(gòu)分析”（Mechanism Analysis）來(lái)處理分析。推桿頂端的仿真曲線如圖8～圖10所示。

圖8 推桿頂端運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

圖9 推桿頂端加速度曲線

圖10 推桿頂端速度曲線

經(jīng)仿真分析，該機(jī)構(gòu)可以運(yùn)用于工程實(shí)際，曲柄連桿結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不存在干涉，為了解決死點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性，選擇飛輪代替曲柄銷。

3 控制電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的固沙裝置，手持遙控裝置實(shí)現(xiàn)石子方格的鋪設(shè)，主要由電源系統(tǒng)、控制單元、信號(hào)采集系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、無(wú)線通信系統(tǒng)和軟件等組成[4]。控制原理圖如圖11所示。為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電源電壓采用12 V電源系統(tǒng)，車輪電動(dòng)機(jī)、蝸桿電動(dòng)機(jī)、推桿電動(dòng)機(jī)都是屬于12 V直流控制電動(dòng)機(jī)，分別完成軌跡行駛、礫石鋪設(shè)、漏斗落料3種動(dòng)作?？刂茊卧请娍叵到y(tǒng)的核心，將接受的外部觸碰信號(hào)采集處理放大后，發(fā)出執(zhí)行信號(hào)輸入電壓調(diào)節(jié)器，由電壓電調(diào)器控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。手動(dòng)遙控控制系統(tǒng)采用的是主控板疊加手柄擴(kuò)展板形成一個(gè)無(wú)線遙控手柄，用于無(wú)線遙控。

圖11 固沙裝置控制原理圖

本微控制器編程使用Arduino編程語(yǔ)言（基于Wiring）和Arduino開發(fā)環(huán)境（以Processing微為基礎(chǔ)）[5]。Arduino可以接收來(lái)自各種傳感器的輸入信號(hào)從而檢測(cè)出運(yùn)行環(huán)境，并通過(guò)控制光源、電動(dòng)機(jī)以及其他驅(qū)動(dòng)器來(lái)影響周圍環(huán)境。本設(shè)計(jì)在防沙固沙裝置工作過(guò)程的軟件流程如圖12所示。

圖12 固沙裝置軟件流程圖

當(dāng)按下遙控開關(guān)后，固沙車前進(jìn)，到達(dá)適當(dāng)位置，固沙車停止移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿轉(zhuǎn)動(dòng)，推料板將石子推下，固沙車?yán)^續(xù)移動(dòng)400 mm，固沙車停止，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，推板將石子推下。重復(fù)上述動(dòng)作兩次，然后車頭旋轉(zhuǎn)270°，重復(fù)上述動(dòng)作，一個(gè)石子方格鋪設(shè)完成，如圖13所示。

圖13 田字形礫石鋪設(shè)

4 硬件選取

4.1 機(jī)械部件材料的選取

外圍的框架結(jié)構(gòu)選擇了方鋁管，鋁管質(zhì)量輕、耐腐蝕、不易氧化，并且成型性好。特殊凹槽設(shè)計(jì)與配套的壓鑄鋁連接件可以任意組裝成各種框架產(chǎn)品，且易于拆卸，十分方便。對(duì)于其他支撐材料，選用了具有很好的耐熱性、抗沖擊性、加工性的ABS板。

考慮到驅(qū)動(dòng)齒輪、蝸輪蝸桿、傳動(dòng)軸、銷軸需要起到抗彎、抗扭、抗壓的作用，采用的是45鋼加工而成，45鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼，冷熱加工性能良好，力學(xué)性能較好，具有更高的強(qiáng)度和抗變形能力[6]。

對(duì)于部分支撐部件（如接料板、漏斗、推料板等），考慮到承受力小，采用的是亞克力板，亞克力板屬于一種有機(jī)玻璃材料。亞克力是由甲基丙烯酸甲酯單體聚合而成，或是亞克力粒料經(jīng)由擠板機(jī)擠出而成，是有機(jī)玻璃的替代品，零部件采用激光切割和AB膠粘接的方式成型。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的上下箱體、撥料板銷采用PLA材料，通過(guò)3D打印成型[7]。

4.2 電控零部件的選取

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、推桿電動(dòng)機(jī)、控制單元等電控元件的型號(hào)如表1所示。

表1 電控系統(tǒng)選型

主控制器Basra是一款基于Arduino Uno開源方案設(shè)計(jì)的一款開發(fā)板。微控制器可以在Arduino、Eclipse、VisualStudio等IDE中通過(guò)C/C++語(yǔ)言來(lái)編寫程序，編譯成二進(jìn)制文件，燒錄進(jìn)微控制器，如圖14所示。

圖14 主控制器Basra

擴(kuò)展板Bigfish 為核心板主控制器Basra提供外圍電路，可連接傳感器、電動(dòng)機(jī)、輸出模塊、通信模塊等，如圖15所示。主控制器Basra和擴(kuò)展板Bigfish堆疊使用，如圖16所示。

圖15 擴(kuò)展板Bigfish及針腳定義

圖16 主控制器和擴(kuò)展板堆疊圖

車輪電動(dòng)機(jī)和蝸桿電動(dòng)機(jī)都是采用JGB520-37、12 V有刷直流電動(dòng)機(jī)，如圖17所示，此電動(dòng)機(jī)體積小、質(zhì)量輕、傳動(dòng)效率高、精度高，采用數(shù)字式控制，是當(dāng)今較理想的調(diào)速電動(dòng)機(jī)。此電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)如表2所示。在理論計(jì)算中得到所需要的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，選擇此電動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求[8]。

表2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

圖17 直流有刷電動(dòng)機(jī)

推桿電動(dòng)機(jī)的作用是：定時(shí)地開啟落料口，配合推料板完成礫石的鋪設(shè)。本機(jī)構(gòu)采用的推桿電動(dòng)機(jī)額定電壓為12 V，行程為70 mm，如圖18所示。

圖18 推桿電動(dòng)機(jī)

電子調(diào)速器（英文名ESC），簡(jiǎn)稱電調(diào)。針對(duì)電動(dòng)機(jī)不同，可分為有刷電子調(diào)速器和無(wú)刷電子調(diào)速器。它根據(jù)控制信號(hào)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)中采用的電子調(diào)節(jié)器如圖19所示。

圖19 電子調(diào)節(jié)器

本系統(tǒng)采用的電源系統(tǒng)是鋰電池，如圖20所示。鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等顯著優(yōu)點(diǎn)。此電池的容量是2200 mA·h，最大放電倍率40C，額定電壓11.1 V。

圖20 鋰電池

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)方案是在充分社會(huì)調(diào)研、論證的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)的，是一款新型自動(dòng)化沙漠治理機(jī)械，具有一定的使用價(jià)值。其創(chuàng)新點(diǎn)主要表現(xiàn)在如下方面：1）在結(jié)構(gòu)上，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比大，降速增扭性能明顯，傳動(dòng)過(guò)程中可省略減速裝置，結(jié)構(gòu)緊湊。傳動(dòng)平穩(wěn)，沖擊、振動(dòng)、噪聲小，而且蝸桿傳動(dòng)具有自鎖性，無(wú)需考慮逆向傳動(dòng)問(wèn)題。2）在控制方面，將智能系統(tǒng)安裝在固沙車上，將運(yùn)行路線、推料頻率、落料時(shí)間輸入控制鋪設(shè)系統(tǒng)，該裝置可自動(dòng)完成礫石鋪設(shè)。田字形的大小可通過(guò)調(diào)整程序進(jìn)行修改。3）該裝置解決了鋪設(shè)過(guò)程中的壓石問(wèn)題，鋪設(shè)間距設(shè)計(jì)合理，不會(huì)出現(xiàn)壓石現(xiàn)象；同時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸可以實(shí)現(xiàn)礫石口字型、4個(gè)田字型、8個(gè)田字形排列。

該裝置適宜在干旱地區(qū)退化植被的恢復(fù)重建中推廣應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)防風(fēng)固沙目標(biāo)的同時(shí)，避免或減輕了沙障固定樁和迎風(fēng)網(wǎng)下的侵蝕，促進(jìn)植被的恢復(fù)。同時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，礫石固沙能在一定程度上維持調(diào)整生態(tài)的恢復(fù)力，且也不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成影響，通過(guò)礫石鋪設(shè)在沙漠表層，可以起到比較好的固沙效果。對(duì)程序調(diào)整進(jìn)行更改，還可以作為園林機(jī)械或者農(nóng)業(yè)機(jī)械應(yīng)用，如種料散播等可多用途使用。該裝置可以用于機(jī)械工程專業(yè)、自動(dòng)化專業(yè)的機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)設(shè)備，可以開設(shè)綜合性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。