“自动循环式挖穴栽植一体机”设计说明书
1概述
植树造林是我国绿色发展工作重点之一。在推进“一带一路”建设的过程中，帮助沿线地区解决土地荒漠化的问题，具有积极的意义。据我国2020年发布的第九次全国森林资源清查结果显示，全国森林覆盖面积为2.21亿公顷，森林覆盖率22.96%，远低于世界 31% 的平均水平，尤其是甘肃、新疆等地区，由于人力资源匮乏加之土质原因，森林覆盖率仅为10%左右。因此，要实现我国森林资源建设的总体目标，机械化植树造林是必由之路。
现有的植树设备多为手持挖坑机，由操作者手提作业，功能单一、使用费力且工作效率低。针对这种现状，本项目团队设计研发一款全自动栽植园林机械，实现在栽植作业时几乎不破坏周边原生植被的自动挖穴并进行栽植和后期的林木修剪作业。重点研究实现其挖穴及栽植作业的机械结构,植树机自动作业循环方案以及株距控制方案，以实现行进间歇式挖穴栽植、智能调节栽植深度以及精准株距控制等,做到各机构运行合理且无干涉,栽植效率为100～200株/h,为植树机向自动化、智能化发展提供思路。
2 自动循环式挖穴栽植一体机机械结构设计
2.1 整体架构
自动循环式挖穴栽植一体机的机械结构包括：履带式驱动行走机构、三叶爪升降式挖坑机构、旋转轮盘送苗机构、培土机构和浇水机构。将行驶、挖坑、栽植以及培土和浇水等多功能合而为一。
2.2 履带式驱动行走机构
全自动栽植一体机的行走结构由：履带底盘、控制电机、齿轮、传动杆等组成。
考虑到产品主要的工作环境集中于荒漠区沙地或林地崎岖地形，这些地方地形复杂，因此选择了固定式履带行走机构。该结构由全数字控制的四轮直流伺服电机组成，负责机器人在作业过程中的行走驱动。其特点是导向轮不作支撑，驱动能力、 承载能力和稳定性表现更佳，能避免在复杂地貌中行走时能因卷入泥土而造成的磨损和失效，从而提高驱动轮和导向轮的使用寿命。并且在雨雪、泥地、沙地等坡度路面提高地面摩擦力，避免出现车轮空转。
履带点的履带驱动系统为后置式方式，工作时将履带动力系统置于车身后部时履带的接地位置为紧边，在保证履带接触面积的同时将动力传输效率最大化。
2.3 三叶爪升降式挖坑机构
挖坑机构位于履带底盘中间，采用三叶爪式升降挖头，便于挖穴成型和向周围堆放。三叶爪式升降挖坑装置结构,主要由三叶爪式取土挖穴器、导轨、滑块、动力输入轴、伸缩电机，机架连接销等组成。
三叶爪式取土挖穴器设计为三块上端大、下端小的三角形状叶片，，有利于挖坑时时挖头顺利地刺入土壤。工作时挖头沿导轨向下滑动以张开的姿态竖直向下入土，同时对土壤产生剪切作用，在达到一定入土深度后，在伸缩电机作用下各叶片沿滑槽移动，挖头闭合器闭合，使土壤产生形变而汇集在挖头内部，随后沿导轨向上以闭合姿态竖直出土，完成取土的同时形成孔穴，挖头随整机运行移动至成型孔穴前方，再在伸缩电机的作用下向外打开完成排土，随后复位完成整个挖坑成穴过程。
2.4 送苗栽植机构
送苗栽植机构由：涡轮环、蜗杆、旋转环、苗株卡槽、栽植机械臂、电机等部件组成。
运用涡轮蜗杆的运动特点，创新式设计涡轮环结构，底部利用带有滚珠轴承的旋转环与履带底盘相连，涡轮环上根据栽植需要设置6-8个苗株卡槽。工作时，电机带动蜗杆传动涡轮环，使得安装在环上的苗株卡槽转动。安装在送苗机构后方的6自由度机械臂每次都夹取正前方卡槽中的树苗，并将其放置到刚刚挖好的坑穴中，完成一次树苗的输送，接着涡轮环转动一格，机械臂放置下一棵树苗；直至涡轮环上的苗株放置完毕。
2.5培土与浇水机构
培土机构连接于履带底盘后部下表面处，由：导轮、滑轨、皮带、连杆式培土块、培土块固定件、舵机、电机等组成。工作时，皮带带动培土块滑动聚拢，再以舵机控制连杆机构，实现培土块的上下往复踩踏动作，从而完成培土过程中的反复拍土，高效地完成聚拢拍土环节。
浇水机构包括水箱、水管、喷头和电动水泵，培土过程结束后，主控单元控制开关阀的关闭进而完成浇水作业。在这个工作过程中，控制系统会根据不同种类树苗所需水量的不同来控制浇水时间，完成差异化作业。
3 系统控制结构
本设计方案基于Torobot蓝牙模块、中央控制器Raspberry Pi Ⅲ和舵机驱动板，其整体的控制系统主要由两部分组成，一部分为运动控制系统，由直流伺服驱动电机和高性能多轴运动控制器组成，主要用来完成植树机器人的行驶、挖坑、栽植、培土和浇水等功能运动；另一部分为信息传输系统，主要包括人机接口、多传感器信息融合单元，比如数据采集、处理和环境检测等。
3.2 核心电路板
运动、挖坑、栽植、培土与浇水是本产品的基本功能，机器人能否平稳高效地运动直接关系到设计的成败。该模块包括控制板和驱动元件。本设计由Raspberry Pi Ⅲ作为中央控制器，该控制器集成四核ARM Cortex-A53（ARMv8）64位；主频为1.4GHz CPU，；内存为：1GB LPDDR2 SDRAM；有线网络为千兆以太网，USB2.0通道，最大吞吐量 300Mbps；无线网络有2.4GHz和5GHz 双频Wi-Fi；配以低功耗蓝牙（BLE）；其他接口包括：HDMI，3.5mm模拟音频视频插孔，4x USB 2.0，以太网，摄像机串行接口（CSI），显示器串行接口（DSI），MicroSD卡座，40pin扩展双排插针。性能优越，足以实现各项系统性能要求。
3.3 伺服电机驱动选择
为了确保植树机器人在行进过程中具备较高精度的运动性能，直流伺服电机的运转需要使用专业的驱动器实现。本设计选用铭朗科技公司的MLD3810电机驱动器，该驱动器可以很好的控制电机转速，从而改变机器人的移动速度。
其主要功能如下：通过RS232串口与运动控制卡进行通信，实现主控芯片控制、参数调整以及在线监测，输入模拟信号和PWM信号对植树机器人进行速度控制，同时输入脉冲信号和方向信号对植树机器人步进模式进行控制。通过外部零位、制动信号的输入，可以实时读取驱动器内部温度，并具备温度保护以及电压、电流、超调量、失调量、载荷量等状态的误差保护。
3.4 激光避障模块
激光扫描测距仪的应用现今已经非常广泛，可用于无人驾驶和飞行器的避障。本设计在搜救车上搭载HOKUYO公司制造的URG-04LX 2D型激光扫描传感器以非接触方式进行测量，最小测量距离60mm，最大测量距离4m，测量角度为0o~0o，扫描间隔时间为100ms，输入电压为直流5V，通过USB接口与机器人PC控制端进行通讯，可用于植树机避障、植树坑穴位置识别和建图等功能。该激光扫描仪外形结构小巧，并具备高精度、高分辨率、导航能力强，不易受到外界光线影响等优点。
3.5 数字罗盘模块
植树机器人的运动方向和运动距离是由数字罗盘和红外编码盘测得的数据传回到上位机，由上位机计算行进方向和速度从而控制电机。脉冲产生模块由红外发射电路和红外接收电路构成，当发射带有频率的红外光遇到黑色时，红外光几乎被吸收，红外接收管成高阻态，通过滤波和电压比较后输出低电平; 反之，当遇到白色时，红外光被反射回来，输出高电平。本设计选用数字罗盘型号为LP3300，主要用于辨别植树机的行进方向。罗盘上装有一个用于测量的倾角传感器和磁场传感器，输出参数为机器人的航向、俯仰角、翻转角，主要用来判断植树机的行进方向。罗盘本身具有俯仰角度和翻转角度的补偿功能，所以，当植树机在斜坡上行驶或遇到障碍，罗盘的俯仰角和翻转角输出数值变化不大。
LP3300电子罗盘具有很多特点：
内置角度补偿，使搜救车受到倾斜和俯仰的影响较小；
内置温度补偿，可以最大限度减小温度对输出数值的影响；
内置微处理器，数据处理效率搞，并通过RS232与机器人主控芯片进行通讯；
AD信号转换速率快，精度高；
具备指向零点修正功能。
4项目支持
2021年6月，本项目“自动循环式挖穴栽植一体机的设计与研发”获批2021年国家级大学生创新创业训练项目（项目编号202013235003）。
5 设计创新点
相较市面上已有的栽植设备，该全自动栽植养护系统具备如下创新点。
第一、本设计可实现林木栽植过程自动化，且工作过程中可以动态调整工作参数，可用于代替繁重的人工劳动或条件艰苦的工作环境，具有广阔的应用前景自动化操作。
第二、较之市面上较为单一的挖坑机，本团队所设计的全自动栽植一体机将挖坑、送苗、培土和浇水四个步骤集中融合，具有高度的功能集成化，一台机器能将栽植过程全部完成。
第三、本设计具备间歇式挖穴栽植机构的控制系统，可实现行进间间歇式挖穴栽植、智能调节栽植深度以及精准株距控制等，完成栽种自循环作业，并可多台机器在互联网条件下联动协调工作，可大大提高植树效益及植树机自动化、智能化水平。
参考文献
[1] 王海涛,朱春生,安立周等．工程机械配套使用植树挖坑机技术研究[J]．机械制造与自动化，2014(1):192-195
[2] 张金玲，孙嘉燕．轻型挖坑机结构设计[J].农机化研究,2011(7):162-163
[3] 童庆辉．挖坑机造林使用效果分析[J]．林业机械与木工设备,2011(9):31-33
[4] 赵忠松,卢博友,王天赐．基于ANSYS的悬挂式挖坑机钻头静力学分析[J].农机化研究，2010(6):87-89
[5] 戚开钊,裴新民,靳范等．MS310型多功能果园作业机挖坑部件的结构设计[J]．新疆农机化，2012(2):14-16
[6] 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(3):12-14
[7] 于建国,屈锦卫．国内外挖坑机的研究现状及发展趋势[J].农机化研究,2006(12):38-41
[8] 武广涛,俞国胜,李美华．国内造林机械及发展前景[J]．林业机械与木工设备,2003(11):4-5
[9] 黄伟,娄玉印,韦宁等．行走式植树挖坑机的工作原理及结构分析[J]．农机化研究,2013(2):35-39
[10] 付健,李勇．浅析林业生态建设与发展[J]．青年与社会,2013(8):259-259．
[11] 娄玉印．新型挖坑机的有限元分析和虚拟样机仿真[D]．南宁:广西大学,2012
