基于arduino控制自平衡挖坑車的研制

鄧 君，彭照貴

（東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808）

基于arduino控制自平衡挖坑車的研制

鄧 君，彭照貴

（東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞 523808）

現階段我國園林器械已經實現人工向機械化造林的升級，在挖坑作業當中，仍然需要人力的投入。自平衡挖坑車則實現了機械智能化造林的升級。在挖坑作業中，用戶只需根據場地需求把所需挖坑的位置、大小、深度設定好，按下啟動開關后，arduino會載入用戶設定的數據，從而自動完成挖坑任務。高精度傾軸傳感器實時檢測所處坡度從而實現挖坑平臺的自平衡。通過實地實驗驗證該挖坑車可以完成用戶設定的挖坑任務，并保持挖坑平臺的水平，基本達到了預期設計要求。

自平衡；挖坑車；arduino；高精度傾軸傳感器；機械智能化造林

國家“十二五”規劃綱要草案提出了森林覆蓋率提高到21.66%，森林蓄積量增加6億m3，達到1 431億m3[1]。人工造林作業質量差、效率低、速度慢、勞動強度大；機械智能化造林不僅可以提高勞動效率、減輕勞動強度，還能保證造林質量、降低生產成本、提高經濟效益，是大勢所趨。目前國內外使用的植樹挖坑機主要有手推式和懸掛式等幾種，手推式植樹挖坑機勞動強度大，生產效率也相對較低；懸掛式植樹挖坑機勞動強度小，生產效率高，但操作不夠靈活，價格也相對昂貴[2]。以上兩種挖坑機工作時全程都需要人力的參與，并沒有最大限度地解放人力，因此，研制一款能夠智能化挖坑、適應多種地形、挖坑過程不需人工參與的設備十分必要。

1 自平衡挖坑車的總體設計

自平衡自動挖坑車采用arduino2560系列單片機作為控制核心。該自平衡自動挖坑車包括車體、挖坑設備。車體為該挖坑車提供動力，牽引右邊的挖坑設備移動。挖坑設備由以下三部分組成：升降臺、挖坑機、機架。自平衡自動挖坑車在自平衡結構大膽做出了創新。圖1所示即為自平衡挖坑車。

1.1 車體的設計

車體采用沙灘車的底盤，不設座位，如圖1中1所示。將轉彎結構改造成渦輪蝸桿結構，由電機驅動實現轉彎。采用36 V大功率直流電動機[3]，為挖坑車提供充足動力。利用電磁閥來控制剎車裝置[4]。控制核心內置于車體內部，并將無線接收器置于車殼外部，以便接受遠程控制信號。在車后輪的機架中牽引出一個接頭，以便和挖坑裝置相連。可通過遙控器控制車體的運動。

圖1 自平衡挖坑車

1.2 挖坑設備的設計

挖坑設備作為挖坑車的工作部分，是該產品的重點。挖坑設備由升降臺、挖坑機、機架三部分組成。機架作為該部分的框架，它通過下方的鋼管和車體連接。底部安裝有4個萬向輪，避免了懸掛式挖坑機在行動中的弊端。底部固定著導軌，屬于升降臺的一部分。

挖坑機采用便攜式，以柴油和機油作為動力。將該挖坑機的手拉式啟動方法改進為點火啟動。該挖坑機可使用不同規格的鉆頭，鉆頭的規格將決定著所挖坑的規格。挖坑機置于升降臺上的平衡裝置上。升降臺升降的原理如下：底部電機通過機架上的變速箱（用于輸出大扭矩）與絲桿滑塊相連，從而使得滑塊推動剪刀結構在導軌上移動。如圖1所示，從而帶動上方的平衡裝置升降。平衡裝置一端和軸承相連，另一端和變速器（用于降低轉速）相連。高精度傾軸傳感器固定于平衡裝置的右邊，可實時檢測裝置與水平方向的夾角，并將所得數據反饋給控制系統，控制系統控制平衡裝置的電機來調整平衡裝置，直到保持水平為止。

在升降的最高、最低位置分別裝有行程開關，以防止撞擊事故發生；平衡裝置也有一個最大的平衡角度，為15.8°。在平衡裝置下方也裝有行程開關。

2 自平衡挖坑車的試驗與結果

試驗一：在不平坦的山地上試驗該挖坑車，采用半徑為10 cm、長度為80 cm的鉆頭為例。設定每隔50 cm挖一個坑40 cm深度的坑，每行挖4個，共挖4行。在設定好參數后，系統自動載入并處理數據，按下開始開關后自動開始作業。從開始到完成作業累計需要30 min，在對所挖坑進行測量發現，16個坑的平均直徑為22.95 cm，平均深度為38.68 cm。由于挖坑機在工作時轉速較大，振動比較厲害，導致誤差較大：直徑誤差為+17.45%；深度誤差為：±3.3%。

試驗二：在一塊分別裝有3.5°、5°、6.5°、8°、9.5°、11°、12.5°、14°、15.5°、17°的木板上，讓挖坑車從水平地板開上不同傾斜度的木板上，剎車后自動進行自平衡調整。實驗結果如表1。

由表1實驗數據可得，調整后平臺與水平面夾角為0.8°，最大可適應的坡度在15.5°～17°之間。經分析可得出誤差的原因：傳感器安裝時并未保證平臺處于完全水平狀態；傳感器所測數據具有0.5°的誤差區間。

表1 自平衡挖坑車實驗數據

3 結論

自平衡挖坑車創新性地將自平衡結果和自動控制功能模塊與傳統的挖坑設備結合在一起，還應用了無線控制技術，使得人們不需一直追隨挖坑車而可以用遙控器控制著挖坑車的工作[5]。真正解放了人的勞動力，提高了工作效率，降低了用工成本。從實驗結果來看，該挖坑車能夠用于挖坑作業，適用于大面積挖坑作業和危險地段的挖坑作業。具有廣闊的產業化前景。

［1］陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］陸建，穆泉.車載式植樹挖坑機的研究設計［J］ .農業裝備技術，2011，37（4）：47-49.

［3］鄧星鐘.機電傳動控制［M］.武漢：華中科技大學出版社，2008.

［4］哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［5］秦曾煌，姜三勇.電子技術［M］.北京：高等教育出版社，2009.

Research and Design of the Self-Balanced Potholing Car Based on the Arduino Control

DENG Jun，PENG Zhao-gui
（College of Mechanical Engineering，Dongguan University of Technology，Dongguan523808，China）

Garden Machine had been upgraded from human to mechanical forestation.But during the work of digging，it still need the humanity to work.The self-balanced potholing car achieved the escalating to intelligent mechanical forestation.During the work of digging，the user should set the position，size，depth,according to the space，and then start the machine，the arduino would load the data from user，there is why it can finlsh the work automatically.Because of the high precision sensor，which can test the slope of the hillside in the real time，the car can achieve the platform of self-balancing.Verificating the function of the car，we can find that in reach the preset function basically.

self-balanced；potholing Car；arduino；high precision inclined shaft sensor；mechanical intelligent afforestation

TP273

A

1009－9492(2014)09－0108－02

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.029

鄧 君，男，1979年生，湖南永州人，大學本科，工程師。研究領域：機械設計制造及其自動化。已發表論文8篇。 (編輯：向 飛)

2014－03－12