一种全自动化太阳能植树车
一、 项目背景和展望
1.1 项目背景
2019年，中国治沙工程遭到外国记者的质疑，中国沙漠化仍以2000平方公里的速度发展，还有可能造成水资源的浪费。自从打响了防沙治沙第一枪，除了退耕还林还草的重要决策以外，植树造林是最长久的治理方式。土地荒漠化是人类面临最严峻的危机之一，土地荒漠化导致了很多经济落后地区时常发生各种社会和安全问题，在推进“一带一路”建设过程中，帮助沿线地区解决土地荒漠化的问题具有积极意义。
2020年12月12日，国家主席习近平在气候雄心峰会上通过视频发表题为《继往开来，开启全球应对气候变化新征程》的重要讲话，宣布中国将提高国家自主贡献力度，采取更有力的措施和政策，力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，并承诺：到2030年，中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上。
自动植树装置不仅可以大幅度提升现阶段树苗种植率，防止土地荒漠化进一步扩散，也能在一定程度上促进“碳达峰”、“碳中和”。随着“绿洲保护”和“机器换人”不断深入人心，传统的工艺已经不再试用这个全新的时代，现阶段树苗的种植还在依靠原始劳动力，种树人的工作环境极端恶劣，因此急需一种机器人来代替他们的体力劳动。
1.2 项目展望
（1）市场增长与需求：随着国内环保意识的逐渐增强和生态建设的不断推进，植树机的市场需求持续增加。特别是在城市绿化、园林景观建设、生态修复等领域，植树机发挥着越来越重要的作用。目前，国内植树机市场主要集中在东北、西北、华北等地区，内蒙古、新疆、青海等地的市场需求尤为突出。
（2）技术研发与创新：国内在植树机技术研发方面取得了显著进展，已经生产出了具有自主知识产权的高效植树机产品。这些产品在性能、效率、智能化等方面不断提升，逐渐缩小了与国际先进水平的差距。
（3）竞争格局：国内植树机市场竞争格局逐渐形成，徐工集团、中联重科、三一重工等大型机械制造企业在市场中占据重要地位。这些企业凭借先进的技术、丰富的产品线和完善的销售网络，在市场中具有较强的竞争力。
二、 设计方案
2.1 方案设计
1.植树车在运作的过程中，承受了一定的载荷，考虑在机体上加四个三角支撑架，可以它的稳定性。
2.为了防止因为植树车自身重量对于地面压力过大而出现打滑和保持较高运动速率并在行走运作的过程中更加稳定，在车轮设计上采用了加宽车轮的方案。
3.为了使工作更加高效，将填土压土机构的填土环与土壤接触面设计为内球面，填土环在往中心线位置不断运作时，让所接触土壤受到一个斜向下的力。
4.为了提高植树车的工作效率，本团队设计太阳能发电为其提供电量，增加工作时长。
2.2 工作过程
荒漠太阳能全自动一体化植树车在使用过程中，行走系统通过电机驱动车轮转动，到达植树点植树车停止前进，挖土钻孔机构中的伸缩电机和螺旋钻进行挖土作业，经过定位机构进行定位，再通过电机驱动运送树苗，填土压土机构将上步骤钻出的土往中间推并压实，然后灌溉系统进行工作，喷洒适当水量，随后进行下一颗树苗种植。
图2.1 工作流程图
三、 机构设计
3.1 行走机构
荒漠太阳能全自动一体化植树车行走机构主要包括U型支撑杆件、减速电机、小型越野轮胎。行走机构在运作的过程中，通过U型支撑杆件下端的减速电机驱动车轮转动，使种植车到达特定的植树点。
图3.1 行走机构模型及实物图
3.2 定位机构
荒漠太阳能全自动一体化植树车定位机构主要包括伸缩电机、挖土钻孔机构上端连接处、填土压土机构上端连接处、微调模块、导轨、滑块。挖土钻孔机构上端连接处和填土压土机 构上端连接处通过滑块和导轨相连，微调模块用来控制两机构连接处的相对距离并同时与两 机构和伸缩电机相连。伸缩电机驱动微调模块带动两机构到特定位
图3.2 定位机构模型及实物图
3.3 挖土钻孔机构
荒漠太阳能全自动一体化植树车挖土钻孔机构包括伸缩电机、减速电机、钻头、连接件。钻头与减速电机相连，减速电机通过连接件与伸缩电机相连。首先钻头先转动，伸缩电机驱动钻头向下进行挖土钻孔工作，将土壤钻出排至周围。
图3.3 挖土钻孔机构模型及实物图
3.4 填土压土机构
荒漠太阳能全自动一体化植树车填土压土机构包括减速电机、伸缩电机、落树套筒、填土环、连接件。填土环与减速电机相连，连接件将减速电机、伸缩电机和落树套筒三者相连接。填土压土机构在运作过程中，由伸缩电机推动落树套筒与填土环向下移动，当下方的填土环接触土壤表面时，伸缩电机停止驱动，树苗经过落树套筒落入树坑，两个减速电机分别驱动左右两个填土环往中心线位置运动进行填土作业，然后伸缩电机进行来回运动，进行压土作业。
图3.4 填土压土机构模型及实物图
3.5 树苗传送机构
荒漠太阳能全自动一体化植树车树苗传送机构包括滑轨、滑块、伸缩电机、存苗套筒、移动板、微调模块。树苗存放与存苗套筒中，存苗套筒固定在移动板上，移动板通过微调模块与伸缩电机相连。伸缩电机驱动为动力，通过微调装置和移动板，间接促使存苗套筒前移，到特定位置树苗自身重力下下落至地面孔中。
图3.5 树苗传送机构模型及实物图
3.6 灌溉系统
荒漠太阳能全自动一体化植树车灌溉系统包括水箱、水泵、水管和喷嘴。灌溉系统固定在车架两侧，待到填土压土作业完成后，灌溉系统工作，水泵抽出水箱中的水，通过喷嘴精准喷射树苗底部。
图3.6 灌溉系统模型及实物图
3.7 太阳能供电系统
荒漠太阳能全自动一体化植树车利用太阳能进行辅助供电，四块 6V 的太阳能板安装于车架上方的两侧，太阳能板分别进行串联，当出现阳光照射时，可输出 12V 电压，然后 12V转 24V 升压模块给于锂电池供电，提高植树车的工作时长。
太阳能电池板是通过吸收太阳光，将太阳辐射能通过光电效应或者光化学效应直接或间接转换成电能的装置，大部分太阳能电池板的主要材料为“硅”。
升压模块的升压电路,主要是利用自举升压二极管,自举升压电容等电子元件,使电容放电电压和电源电压叠加,从而使电压升高.有的电路升高的电压能达到数倍电源电压。
图3.7 太阳能板及升压模块图
3.8 智能控制系统
荒漠太阳能全自动一体化植树车利用单片机使植树车实现自动化，本团队编写程序，传入单片机中，依次输出电信号至 L298N 电机驱动模块，从而控制八个电子器件的动作，实现整体的自动化植树功能。
单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。
L298N 是专用驱动集成电路，属于 H 桥集成电路。其输出电流一般为 2A,最高电流 4A,最高工作电压 50V,可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等等,特别是其输入端可以与单片机直接相连，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机的正转和反转,实现此功能只需要改变输入端的逻辑电平。为了避免电机对单片机的干扰，本模块加入光耦，进行光电隔离，从而使系统能够稳定可靠的工作。
图3.8 单片机及电机驱动模块图
四、 专利支撑
图4.1 一种树苗传送装置专利
图4.2 一种沙漠种树装置专利
图4.3 一种全自动一体化智能沙地植树机
五、实物模型
图5.1 实物总装图
图5.2 产品总装左视图
图5.3 产品总装俯视图
