一种智能固沙机器人

阅读：评论：0

1.本发明涉及治沙工程技术领域，具体为智能固沙机器人。

背景技术：

2.土地荒漠化如今已经成为全球性的重大环境问题，全球荒漠化面积占陆地面积四分之一，110多个国家和地区、15亿人口受其影响。全国有荒漠化土地261.16万平方公里，占国土面积的27.2％；沙化土地172.12万平方公里，占国土面积的 17.9％。荒漠化严重影响了人类的生存环境和生态环境安全。在我国，荒漠化现象破坏了我国的土地资源并进一步影响我国国民经济的发展，同时荒漠化还会对交通、水利等生产基础设施造成破坏，制约经济发展。为了有效防治荒漠化减轻其对人类生产生活的影响，寻防治荒漠化新方案，发展防治荒漠化新技术。
3.在工程固沙法中，铺设草方格经实践验证，是治沙最有效的方法草方格治沙是世界治沙史上的创举，在我国作为固沙造林的先行措施或作为植物难以生长的重沙害区独立的固沙措施被广泛应用。同时作为辅助功能的化学固沙剂喷洒也是不可或缺的。草方格沙障需要耗费大量的人力物力，在铺设过程中费工非常大，还需要人工维护，与此同时目前并没有物理固沙与化学固沙法结合的机器出现。
4.所以我们提出了智能固沙机器人，以便于解决上述中提出的问题。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于改善现有技术的缺点，通过各个机构之间的全自动配合工作及综合固沙法，在铺设草方格的同时，喷洒化学固沙剂，实现固沙的同时有效改善土壤质量，为后续根治沙漠土壤打下基础；通过对坐标点选取和简单算法计算实现路径规划，使固沙车实现智能工作，结合5g等技术实现远程通信控制。解决现有固沙车体型过大、耗费人力大、灵活性差、推广性低的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：智能固沙机器人，包括储料机构、喷洒机构、开槽机构、送料机构、固草机构、底板和外框架，所述外框架的底部与底板的顶部固定安装，所述储料机构包括中部草箱、前端水箱和后端化学固沙剂液箱，且所述中部草箱、前端水箱和后端化学固沙剂液箱并排位于底板的顶部，所述喷洒机构包括前端喷水装置和后端喷化学固沙剂装置，所述前端喷水装置固定安装于底板的前端顶部，且后端喷化学固沙剂装置活动安装于底板的后端底部，所述开槽机构包括大舵机、传动轴及开槽滚轮装置，且开槽机构活动安装于底板的中部靠前位置，所述送料机构包括滚筒装置、传送板、割断装置和压轮装置，所述滚筒装置位于所述中部草箱的下方出口处，所述传送板承接于滚筒装置的下端，所述割断装置活动安装于压轮装置下方，且与传送板的顶部平行，所述固草机构包括丝杆传动装置和滚轮压草装置，所述丝杆传动装置贯穿垂直放置于底板的中后部，且侧面固定于中部草箱的外侧，所述滚轮压草装置的顶部活动安装于丝杆传动装置的底端。
7.优选的，所述中部草箱位于前端水箱和后端化学固沙剂液箱之间，所述中部草箱、
前端水箱和后端化学固沙剂液箱的外侧均与外框架的内侧固定安装，且中部草箱、前端水箱和后端化学固沙剂液箱的底部均与底板的顶部固定安装；所述前端水箱和后端化学固沙剂液箱的顶部均接通有水泵。
8.优选的，所述底板的底部外侧均匀活动安装有四个行走装置，每个所述行走装置均由l298n驱动模块、编码电机和轮胎组成，所述l298n驱动模块与编码电机电性连接，且编码电机的输出端与轮胎的轴心处活动安装。
9.优选的，所述滚筒装置由两个滚轮和一个传送带组成；所述压轮装置与中部草箱的内侧活动安装，并与传送带接触；所述割断装置包括步进电机a、圆盘式切割刀和旋转电机，所述圆盘式切割刀的底部轴心处与旋转电机的输出端活动安装，且旋转电机的底部与步进电机a的一侧固定安装，所述步进电机a的内侧活动安装插接有横向杆，且横向杆的底部固定安装有步进电机b，所述步进电机b的内侧活动插接有纵向杆。
10.优选的，所述大舵机、通过传动轴与开槽滚轮装置的顶部活动安装，所述开槽滚轮装置包括安装杆，所述安装杆的底部活动安装有开槽轮，且开槽轮的外壁均匀设有多个三角倒刺，每个所述三角倒刺均为两个尖端三个平面。
11.优选的，所述丝杆传动装置包括垂直于底板的丝杆、套设于丝杆上的滑块和丝杆顶部活动安装有丝杆电机；所述滚轮压草装置包括下压轮、转轴和卡件，所述下压轮的轴心处通过转轴与卡件的底部活动安装，且卡件的内侧与滑块的外侧活动卡接。
12.优选的，所述前端喷水装置包括排型喷头、后方舵机、刚性杆和压力泵a，所述排型喷头通过刚性杆与后方舵机的顶部活动安装，且排型喷头的输入口与压力泵a的输出口相连通；所述后端喷化学固沙剂装置包括两个独立喷头，两个所述独立喷头的顶部均活动安装有连杆，且两个独立喷头的输入口均相连通有压力泵b。
13.优选的，采用proteus软件进行动力电路模拟设计并进行简单控制电路设计，选用基于stm32103zet6芯片的控制系统，具有内核低功耗、高性能的特性，而且具有强大的esd(electro-staticdischarge，静电阻抗性)和 emc(electromagneticcompatibility，电磁兼容性)功能，配套设计电机控制电路，以尽量减少复杂布线和外部接线，从而避免信号减弱、电压不足等问题，可更好的控制质量，易于维护并且可最大程度避免短路问题。
14.优选的，在电机控速方面，采用pid闭环控速，基于简单的串口通信算法，编码器的输出端与adc模块的输入端电性连接，通过arm控制器内部adc 模块对从编码器采集的模拟量转化为数字量，传送到控制器，控制器通过计算与pid算法与期望转速比较，计算占空比发出驱动型号控制产生合适的pwm 波，通过传送pwm信号到电机驱动，从而实现速度调节的目的。
15.优选的，还包括硬件整体控制系统，包括arm控制器、电池及充电管理电路、喷头电机牵连转折电路、电机牵连电路、红外传感器电路、传送带配套直流电机、滚轮丝杆及配套步进电机、三相逆变电路和编码直流电机构成。
16.优选的，所述硬件整体控制系统在传感器检测方面，分别在前端水箱、后端化学固沙剂液箱和中部草箱的内箱壁固定有红外传感器，用于监测剩余量；所述底板前端固定安装有超声波传感器，用于检测和避障。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明通过各个机构之间的全自动配合工作及综合固沙法，在铺设草方格的同
时，喷洒化学固沙剂，实现固沙的同时有效改善土壤质量，为后续根治沙漠土壤打下基础；通过对坐标点选取和简单算法计算实现路径规划，使固沙车实现智能工作，结合5g等技术实现远程通信控制。解决现有固沙车体型过大、耗费人力大、灵活性差、推广性低的问题。具有以下优点：体型轻量化、小型化，远程控制，全自动化，可以减少人员工作量，将物理固沙和化学固沙结合一体，提高草方格铺设工作的效率和铺设质量。
附图说明
19.图1为本发明智能固沙机器人的立体图；
20.图2为本发明智能固沙机器人的侧视立体图；
21.图3为本发明智能固沙机器人储料机构的结构立体图；
22.图4为本发明智能固沙机器人前端喷水装置的结构立体图；
23.图5为本发明智能固沙机器人开槽机构的结构示意图；
24.图6为本发明智能固沙机器人割断装置的结构示意图；
25.图7为本发明智能固沙机器人滚筒装置的结构示意图；
26.图8为本发明智能固沙机器人固草机构的结构示意图；
27.图9为本发明智能固沙机器人行走装置的结构示意图；
28.图10为本发明智能固沙机器人的整体控制原理设计图；
29.图11为本发明智能固沙机器人的传感器控制原理设计图。
30.图中：
31.1、储料机构；10、中部草箱；11、前端水箱；12、后端化学固沙剂液箱； 101、水泵；
32.2、喷洒机构；20、前端喷水装置；201、排型喷头；202、后方舵机；203、刚性杆；204、压力泵b；21、后端喷化学固沙剂装置；210、独立喷头；211、连杆；212、压力泵b；
33.3、开槽机构；30、大舵机；31、传动轴；32、开槽滚轮装置；320、安装杆；321、开槽轮；322、三角倒刺；
34.4、送料机构；40、滚筒装置；401、滚轮；402、传送带；41、传送板； 42、割断装置；420、步进电机；421、传动杆；422、圆盘式切割刀；43、压轮装置；
35.5、固草机构；50、丝杆传动装置；501、丝杆；502、滑块；503、丝杆电机；51、滚轮压草装置；510、转轴；511、下压轮；512、卡件；
36.6、底板；
37.7、外框架；
38.8、行走装置；80、l298n驱动模块；81、编码电机；82、轮胎。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施条例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
40.请参阅图1-11，本发明提供一种技术方案：智能固沙机器人，包括储料机构1、喷洒机构2、开槽机构3、送料机构4、固草机构5、底板6和外框架 7，外框架7的底部与底板6的顶
部固定安装，储料机构1包括中部草箱10、前端水箱11和后端化学固沙剂液箱12，且中部草箱10、前端水箱11和后端化学固沙剂液箱12并排位于底板6的顶部，喷洒机构2包括前端喷水装置20 和后端喷化学固沙剂装置21，前端喷水装置20固定安装于底板6的前端顶部，且后端喷化学固沙剂装置21活动安装于底板6的后端底部，开槽机构3包括大舵机30、传动轴31及开槽滚轮装置32，且开槽机构3活动安装于底板6 的中部靠前位置，送料机构4包括滚筒装置40、传送板41、割断装置42和压轮装置43，滚筒装置40位于中部草箱10的下方出口处，传送板41承接于滚筒装置40的下端，割断装置42活动安装于压轮装置43下方，且与传送板 41的顶部平行，固草机构5包括丝杆传动装置50和滚轮压草装置51，丝杆传动装置50贯穿垂直放置于底板6的中后部，且侧面固定于中部草箱10的外侧，滚轮压草装置51的顶部活动安装于丝杆传动装置12的底端。
41.中部草箱10位于前端水箱11和后端化学固沙剂液箱12之间，中部草箱 10、前端水箱11和后端化学固沙剂液箱12的外侧均与外框架7的内侧固定安装，且中部草箱10、前端水箱11和后端化学固沙剂液箱12的底部均与底板6的顶部固定安装；前端水箱11和后端化学固沙剂液箱12的顶部均接通有水泵101。
42.底板6的底部外侧均匀活动安装有四个行走装置，每个行走装置8均由 l298n驱动模块80、编码电机81和轮胎82组成，l298n驱动模块80与编码电机81电性连接，且编码电机81的输出端与轮胎82的轴心处活动安装。
43.滚筒装置40由两个滚轮401和一个传送带402组成，其中，作为主动轮的滚轮401通过固定在中部草箱10底部两侧的直流减速电机提供动力，带动传送带402匀速运动，实现对草料的运输。压轮装置43与中部草箱1的内侧活动安装，并与传送带402接触，通过直流减速电机提供动力，解决传送带装置动力不足的问题，完成对草料的稳定传送。
44.割断装置42包括步进电机a420、圆盘式切割刀422和旋转电机425，圆盘式切割刀422的底部轴心处与旋转电机425的输出端活动安装，且旋转电机425的底部与步进电机a420的一侧固定安装，步进电机a420的内侧活动安装插接有横向杆421，且横向杆421的底部固定安装有步进电机b423，步进电机b423的内侧活动插接有纵向杆424。圆盘式切割刀422可在控制系统控制下进行前后平移运动和左右平移运动，在即将完成草方格铺设作业时或者机器临时停止工作时切断草帘。两个装置结合还保证了草料落地的整齐性，提高的最终草方格的质量。
45.大舵机30、通过传动轴31与开槽滚轮装置32的顶部活动安装，开槽滚轮装置32包括安装杆320，安装杆320的底部活动安装有开槽轮321，且开槽轮321的外壁均匀设有多个三角倒刺322，每个三角倒刺322均为两个尖端三个平面。具体为两个尖端三个平面，最先接触地面一面为一个尖端，进入地面后转动划开地面的一面为另一个尖端，三个平面以一定角度配合第二个尖端形成顺滑曲面，从而组成特殊的三角开槽倒刺，结合直流电机带动顺时针旋转，将土壤向前开槽，保证开槽的目的且又不会因开槽失去过多的沙土。开槽机构3用于固定草方格前的开槽松土，在滚轮压草前提前开出一条小槽，不仅可以减小后续固草机构5的工作负担，还可以使固草机构5将草料压得更紧固。
46.丝杆传动装置50包括垂直于底板6的丝杆501、套设于丝杆501上的滑块502和丝杆501顶部活动安装有丝杆电机503；滚轮压草装置51包括下压轮511、转轴510和卡件512，下压轮511的轴心处通过转轴510与卡件512 的底部活动安装，且卡件512的内侧与滑块502的
外侧活动卡接。通过丝杆电机503提供动力使丝杆501及滑块502上下运动，滚轮压草装置51通过丝杆501及滑块502与卡件512连接，实现下压轮511的上下运动，调节压草的深度，同时还可以在完成草方格任务时收起滚轮。并且利用丝杆传动装置还可以为滚轮提供较大的压力，不同于杆件类的滚轮，容易发生弯折且压力不均匀，导致草方格制作质量不稳定。
47.控制系统通过nbm5310a模块实现控制板接入one-net云平台，选择的是 http协议，通过nbm5310a模块建立手机或电脑操作端与固沙小车的联系，实现自制app远程控制小车工作，并可实时返回数据。它配合gps模块向用户发送当前的位置，调整电压后具备稳定的通信功能。gps模块采用u-bloxneo-6m模块，具有体积小巧、性能优异的特点。该模块tx接口与rx接口分别与控制器串口连接实现位置信息收发功能。
48.前端喷水装置20包括排型喷头201、后方舵机202、刚性杆203和压力泵a204，排型喷头201通过刚性杆203与后方舵机202的顶部活动安装，且排型喷头201的输入口与压力泵a204的输出口相连通；后端喷化学固沙剂装置21包括两个独立喷头210，两个独立喷头210的顶部均活动安装有连杆211，且两个独立喷头210的输入口均相连通有压力泵b212。利用水泵将水抽出实现喷洒，利用后方舵机202与刚性杆203连接实现转动收缩，可转动的喷头机构实现调节水、剂喷洒的角度及高度，尤其是对于化学固沙剂其喷洒时的高度角度都有不同要求。同时，还可将喷头收入车内，防止因在沙漠环境中长时间暴露而导致的喷头堵塞损坏。
49.底板6的底部外侧均匀活动安装有四个行走装置，每个行走装置8均由 l298n驱动模块80、编码电机81和轮胎82组成，l298n驱动模块80与编码电机81电性连接，且编码电机81的输出端与轮胎82的轴心处活动安装，设计为四轮胎四电机单独控制以保证充足驱动力，由控制系统给出pwm信号到驱动，驱动控制电机运转，编码器返回速度到控制中心，闭环控制车速。
50.还包括硬件整体控制系统，包括arm控制器、电池及充电管理电路、喷头电机牵连转折电路、电机牵连电路、红外传感器电路、传送带配套直流电机、滚轮丝杆及配套步进电机、三相逆变电路和编码直流电机构成。
51.硬件整体控制系统在传感器检测方面，分别在前端水箱11、后端化学固沙剂液箱12和中部草箱10的内箱壁固定有红外传感器，用于监测剩余量；当余量小于设定余量时，红外传感器传送信号到控制器，控制器控制警告指示灯闪烁，同时发送信号到手机或电脑上位机；底板6前端固定安装有超声波传感器，用于检测和避障；射器将电信号转换为40khz超声波脉冲。接收器监听发送的脉冲。如果接收到它们，它将产生一个输出脉冲传送回控制器，其宽度可用于确定脉冲传播的距离，当检测到障碍物时脉冲宽度会发生改变，当障碍物距离过近会紧急制动，从而用于预防一些突发情况。
52.以此可实现小车完全脱离人工单独作业，整体控制图如图10所示。
53.在其中一种实施方式中，传感器检测方面，分别在液体箱和麦草箱中设计添加红外传感器用于监测剩余量。主动型红外线传感器由发射和接收两部分组成，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物时，红外线反射回来被接收管接收，有障碍时绿灯亮起，输出为低电平，反之为高电平。当箱体中余量过少到限定余量以下时，箱体内红外传感器会将检测信号传送到控制系统，当检测到不同的信号，会相应有不同的电平信号给到信号灯和蜂鸣器，从而控制红绿信号灯的亮灭和报警声，达到实时监测料箱含量的功能，
如图11所示。
54.本发明所提供的技术方案具有以下的优点及效果：体型轻量化、小型化，远程控制，全自动化。本发明的可以减少人员工作量，将物理固沙和化学固沙结合一体，提高草方格铺设工作的效率和铺设质量。
55.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种智能固沙机器人，其特征在于，包括储料机构(1)、喷洒机构(2)、开槽机构(3)、送料机构(4)、固草机构(5)、底板(6)和外框架(7)，所述外框架(7)的底部与底板(6)的顶部固定安装，所述储料机构(1)包括中部草箱(10)、前端水箱(11)和后端化学固沙剂液箱(12)，且所述中部草箱(10)、前端水箱(11)和后端化学固沙剂液箱(12)并排位于底板(6)的顶部，所述喷洒机构(2)包括前端喷水装置(20)和后端喷化学固沙剂装置(21)，所述前端喷水装置(20)固定安装于底板(6)的前端顶部，且后端喷化学固沙剂装置(21)活动安装于底板(6)的后端底部，所述开槽机构(3)包括大舵机(30)、传动轴(31)及开槽滚轮装置(32)，且开槽机构(3)活动安装于底板(6)的中部靠前位置，所述送料机构(4)包括滚筒装置(40)、传送板(41)、割断装置(42)和压轮装置(43)，所述滚筒装置(40)位于所述中部草箱(10)的下方出口处，所述传送板(41)承接于滚筒装置(40)的下端，所述割断装置(42)活动安装于压轮装置(43)下方，且与传送板(41)的顶部平行，所述固草机构(5)包括丝杆传动装置(50)和滚轮压草装置(51)，所述丝杆传动装置(50)贯穿垂直放置于底板(6)的中后部，且侧面固定于中部草箱(10)的外侧，所述滚轮压草装置(51)的顶部活动安装于丝杆传动装置(12)的底端。2.根据权利要求1所述的一种智能固沙机器人，其特征在于：所述中部草箱(10)位于前端水箱(11)和后端化学固沙剂液箱(12)之间，所述中部草箱(10)、前端水箱(11)和后端化学固沙剂液箱(12)的外侧均与外框架(7)的内侧固定安装，且中部草箱(10)、前端水箱(11)和后端化学固沙剂液箱(12)的底部均与底板(6)的顶部固定安装；所述前端水箱(11)和后端化学固沙剂液箱(12)的顶部均接通有水泵(101)。3.根据权利要求1所述的一种智能固沙机器人，其特征在于：所述底板(6)的底部外侧均匀活动安装有四个行走装置，每个所述行走装置(8)均由l298n驱动模块(80)、编码电机(81)和轮胎(82)组成，所述l298n驱动模块(80)与编码电机(81)电性连接，且编码电机(81)的输出端与轮胎(82)的轴心处活动安装。4.根据权利要求1所述的一种智能固沙机器人，其特征在于：所述滚筒装置(40)由两个滚轮(401)和一个传送带(402)组成；所述压轮装置(43)与中部草箱(10)的内侧活动安装，并与传送带(402)接触；所述割断装置(42)包括步进电机a(420)、圆盘式切割刀(422)和旋转电机(425)，所述圆盘式切割刀(422)的底部轴心处与旋转电机(425)的输出端活动安装，且旋转电机(425)的底部与步进电机a(420)的一侧固定安装，所述步进电机a(420)的内侧活动安装插接有横向杆(421)，且横向杆(421)的底部固定安装有步进电机b(423)，所述步进电机b(423)的内侧活动插接有纵向杆(424)。5.根据权利要求1所述的一种智能固沙机器人，其特征在于：所述大舵机(30)、通过传动轴(31)与开槽滚轮装置(32)的顶部活动安装，所述开槽滚轮装置(32)包括安装杆(320)，所述安装杆(320)的底部活动安装有开槽轮(321)，且开槽轮(321)的外壁均匀设有多个三角倒刺(322)，每个所述三角倒刺(322)均为两个尖端三个平面。6.根据权利要求1所述的一种智能固沙机器人，其特征在于：所述丝杆传动装置(50)包括垂直于底板(6)的丝杆(501)、套设于丝杆(501)上的滑块(502)和丝杆(501)顶部活动安装有丝杆电机(503)；所述滚轮压草装置(51)包括下压轮(511)、转轴(510)和卡件(512)，所述下压轮(511)的轴心处通过转轴(510)与卡件(512)的底部活动安装，且卡件(512)的内侧与滑块(502)的外侧活动卡接。
7.根据权利要求1所述的一种智能固沙机器人，其特征在于：所述前端喷水装置(20)包括排型喷头(201)、后方舵机(202)、刚性杆(203)和压力泵a(204)，所述排型喷头(201)通过刚性杆(203)与后方舵机(202)的顶部活动安装，且排型喷头(201)的输入口与压力泵a(204)的输出口相连通；所述后端喷化学固沙剂装置(21)包括两个独立喷头(210)，两个所述独立喷头(210)的顶部均活动安装有连杆(211)，且两个独立喷头(210)的输入口均相连通有压力泵b(212)。8.根据权利要求1所述的一种智能固沙机器人，其特征在于，还包括硬件整体控制系统，包括arm控制器、电池及充电管理电路、喷头电机牵连转折电路、电机牵连电路、红外传感器电路、传送带配套直流电机、滚轮丝杆及配套步进电机、三相逆变电路和编码直流电机构成。9.根据权利要求8所述的一种智能固沙机器人，其特征在于，所述硬件整体控制系统在传感器检测方面，分别在前端水箱(11)、后端化学固沙剂液箱(12)和中部草箱(10)的内箱壁固定有红外传感器，用于监测剩余量；所述底板(6)前端固定安装有超声波传感器，用于检测和避障。

技术总结

本发明公开了一种智能固沙机器人，包括储料机构、喷洒机构、开槽机构、送料机构、固草机构、底板和外框架，所述外框架的底部与底板的顶部固定安装。本发明通过各个机构之间的全自动配合工作及综合固沙法，在铺设草方格的同时，喷洒化学固沙剂，实现固沙的同时有效改善土壤质量，为后续根治沙漠土壤打下基础；并通过对坐标点选取和简单算法计算实现路径规划，使固沙车实现智能工作，结合5G等技术实现远程通信控制，解决了现有固沙车体型过大、耗费人力大、灵活性差、推广性低的问题，体型轻量化、小型化，可以减少人员工作量，将物理固沙和化学固沙结合一体，提高草方格铺设工作的效率和铺设质量。铺设质量。铺设质量。