一种智能高效水冲植柳机的设计

曾佳航，刘俊豪，于孟鑫，穆德敏,2

一种智能高效水冲植柳机的设计

曾佳航1，刘俊豪1，于孟鑫1，穆德敏1,2

(1.沈阳工学院机械工程与自动化学院，辽宁 抚顺 113122；2.沈阳工学院辽宁省数控机床信息物理融合与智能制造重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

近年来，我国的防沙治沙工程取得了巨大的成就，在沙漠地区植柳已成为防沙治沙工程中的主要措施。为了提高沙漠地区的植柳效率，采用高效水冲法替代人工挖坑，设计了一款智能高效水冲式植柳机。该设备通过双齿条机构实现储苗箱的更换，通过电动推杆推动单根储苗管移动至植苗机构，可使移动式植苗机构完成植柳作业，完成种植后通过培土装置将柳苗根部用沙土覆盖，可实现植柳的挖坑、栽苗、培土、浇水全自动作业。实践证明，该植柳机可有效提高柳苗的成活率，工作智能高效，一次往复运动可以种植两棵柳苗，具有广阔的市场应用前景。

高效水冲法；自动植树；智能控制；太阳能供电

通过种植沙漠植物可以改善土地沙漠化，控制和固定流沙。沙漠中常用的种植方式是水冲法，一个人用高压水枪挖坑，另一个人需要立即将树苗插入，种植一棵树木大概用时10s，传统的水冲种植劳动强度大，种植效率低[1]。利用智能植树机器人替代人力来进行来沙漠植树作业是防沙治沙工程未来的发展趋势[2-3]。智能高效水冲植柳机采用自动高压水冲法挖坑，并实现了挖坑、浇水、栽苗全程智能作业。使用植柳机作业，每10s就可种植两棵柳苗，耗水量仅2L，单次作业可种植100棵柳苗。相较于传统种植方法，运用智能高效水冲植柳机可以节省大量人力，并且缩短工作时间，减少人力成本，增加柳苗成活率。

1　智能高效水冲植柳机总体方案

智能高效水冲植柳机由无线信号控制，采用高效种树设计结构和高压冲水，柳枝箱可自动更换，可实现挖坑、浇水、栽苗、培土等一系列环节全自动作业，并且操作简单，维修方便，智能化程度较高，在保证栽种效率的同时，还可以节省大量的人力，具有较高的推广价值，可广泛应用于防沙治沙工程[4]。

机械部分主要由储苗装置、更换机构、移动机构、柳苗输送机构、种植结构、培土机构以及各驱动电机组成。控制部分可分为硬件和软件部分。硬件部分由核心电路板、直流电机驱动模块、无线数据传输模块、5G模块、红外传感器、超声波传感器组成，软件部分由Arduino程序控制电机驱动各部件完成目标动作。结构如图1所示。

1　直流减速电机；2　履带式车轮；3　太阳能板；4　培土机构；5　种植机构；6　储苗箱；7　齿轮齿条机构；8　步进电机；9　电动推杆；10　同步带同步轮。

1.1　树苗输送及种植机构

通过电动推杆推动储苗箱，使柳苗进入种植装置内，利用红外传感器计量已种植的数量；通过齿轮齿条传动，带动种植机构上下运动，期间高压水枪在Arduino程序控制下可以根据地形状况和土壤松软度自动调节出水流量，进行挖坑浇水作业，当种植机构到达指定位置后，测量沙坑的深度后并将柳苗落入坑内；通过机器的前进，为已种植的柳苗进行培土，可起到柳苗防倒伏、加固植株的作用，利于排水、灌水，促进柳苗根部生长。

1.2　储苗装置更换机构

智能高效水冲植柳机一次可携带更多的树苗，作业方便快捷高效。在完成第一批植柳完成后，植柳机可根据设置自主移动至指定位置后，重复进行植柳作业。机身上部的储苗箱通过电机带动齿轮在双齿条上双向同步移动，使第二组储苗管运行至工作位置，将空的柳苗箱更换成装满柳苗的储苗箱，在电动推杆的作用下进行下一轮的植柳作业。

1.3　移动机构

智能高效水冲植柳机采用履带式车轮，通过性强，负载大，通过伺服电机和减速器控制，可轻易通过松软地面和较大的坡坎，十分有利于在沙漠环境下作业；通过差速式移动实现其自动转弯，转弯半径小，转向灵活；安装有GPS定位系统，操作人员可实时监控机具的位置。当柳苗种植完毕后，植柳机可自动返回基地补充柳苗；机身安装有超声波传感器，可检测并识别前方的障碍物，实现自主避障。

1.4　控制系统

智能高效水冲植柳机具备手动和自动两种工作模式。在手动模式下，操作人员通过手机与机具的5G模块连接，对机具进行手动控制，信号传输快，基本不会有延时，操作人员还可通过手机操作系统实时监测机具状况；在自动模式下，机具可执行设定好的程序，无需手动操作。全车的动力源为锂电池，沙漠环境下阳光充足，并且采用太阳能板为锂电池进行充电，大大提高其续航能力，节省电量[5]。

2　智能高效水冲植柳机控制系统设计方案

操作人员首先打开智能高效水冲植柳机的电源，待系统完成自检等准备工作后，可通过手机APP选择手动或自动模式，控制种植机构移动到指定位置，电动推杆推动储苗装置将柳苗推入种植枪中，种植枪和抽水泵同时工作，挖坑并将柳苗种入坑中，在完成培土后驶往下一个位置继续作业。当树苗种植完毕后，植柳机可依照程序自动返回，补充柳苗和水。

3　智能高效水冲植柳机主要创新点

(1)智能高效水冲植柳机集挖坑、浇水、栽苗、拢土于一体，挖坑栽苗同时进行，全自动化作业，无需人工辅助工作，极大地降低了人力成本，具备耗时短、能耗小、效率高等诸多优点。

(2)采用水冲法，一次可种植两棵柳苗。植柳机的水枪枪体上设有小孔，能够有效地防止泥沙顺着水流反冲；可科学、合理地设定栽种柳苗行距和株距，保证每棵柳苗都能得到充足的阳光和养分。

(3)采用单齿轮双齿条机构，具备传动准确、效率高，结构紧凑、工作可靠、节省能耗等优势。

(4)采用履带式车轮，具备驱动力大、负载大、灵活性好、适应地形能力强且转弯半径小的优点；使用5G模块，不仅可以使植柳机具备自动避障功能，还便于让操作人员实时监测具体位置、树苗种植、耗水等情况。

(5)机身上装有太阳能充电板，可以利用沙漠地带充足的太阳光给电池充电，大幅提高续航能力，降低用电成本。

4　智能高效水冲植柳机实物展示

通过三维建模软件对智能高效水冲植柳机进行多次建模、仿真和有限元分析，通过数次改进方案，再根据实际情况进行材料的筛选以及各种精密计算和程序的编写，按照一定比例缩小制造出实物，如图2所示。本智能高效水冲植柳机每10s可种植两棵柳苗，耗水量2L，机器单次作业可种植100棵树。

图2　智能高效水冲植柳机实物

5　总结与展望

近年来，我国实施了植树造林、防风治沙、退耕还林等一系列环保绿色工程，其中防沙治沙是我国西北地区生态环境建设的重点工程。实践证明，运用该款新型智能高效水冲植柳机进行沙漠植柳作业不仅可以增加柳苗的成活率，还可以节省大量人力成本和时间成本，有利于减轻工作人员劳动强度，提高植柳作业质量和经济效益。

[1] 刘百合.国内外植树造林机械[J].农业机械,2000(8):32- 33.

[2] 葛文杰,赵春江.农业物联网研究与应用现状及发展对策研究[J].农业机械学报,2014,45(7):222-230,277.

[3] 胡静涛,高雷,白晓平，等.农业机械自动导航技术研究进展[J].农业工程学报,2015,31(10):1-10.

[4] 刘晋浩,王丹.谈国内外人工林抚育机械的现状及发展趋势[J].森林工程,2006, 22(3): 12-14.

[5] 武广涛.超声技术用于选择式植树机智能植苗作业的研究[D].北京:北京林业大学,2006.

Design of an intelligent and efficient machine for the water washing and planting of willow

ZENG Jiahang1, LIU Junhao1, YU Mengxin1, MU Demin1,2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Shenyang Institute of Technology, Fushun, Liaoning 113122, China; 2. Liaoning Key Laboratory of Information Physical Fusion and Intelligent Manufacturing of CNC Machine Tools, Shenyang Institute of Technology, Fushun, Liaoning 113122,China)

In recent years, great achievements have been made in China's desertification prevention and control projects. Willow planting in the desert area has become the main measure of desertification prevention and control projects. In order to improve the efficiency of willow planting in desert areas, a high-efficiency water-flushing method was used to replace manual digging, and an intelligent and high-efficiency water-flushing willow planting machine was designed. The equipment can realize the fully automatic operation of digging pits, planting seedlings, cultivating soil, and watering for willow planting. The replacement of the seedling storage box is realized through the double rack mechanism. Push a single seedling storage tube to move to the seedling planting mechanism through an electric push rod. The willow planting operation is completed through the mobile seedling planting mechanism. The roots of the willow seedlings are covered with sandy soil through the soil cultivation device. The practice has proved that the willow planting machine can effectively improve the survival rate of willow seedlings, work intelligently and efficiently, and can plant two willow seedlings in one reciprocating motion, which has a wide market application prospect.

high-efficiency water flushing method; automatic tree planting; intelligent control; solar power supply

S776.2

A

2096–8736(2022)03–0018–03

曾佳航(2001—)，男，辽宁朝阳人，大学本科，主要研究方向为机器人工程。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立