基于Arduino的行道樹自動養(yǎng)護機器人設計與實現(xiàn)

周田偉 葛紀 王辛偉 陳曉飛

一、行道樹自動養(yǎng)護機器人設計

行道樹自動養(yǎng)護機器人使用的控制器是Arduino控制板中的UNO系列，控制模塊包括校準模塊、超聲波感知模塊、噴涂模塊、限位模塊、遙控模塊。

（一）智能校準系統(tǒng)

機器人的智能校準系統(tǒng)主要是由多自由度機械臂以及位于機械臂和機械爪上的測距系統(tǒng)構成。位于機身不同位置的測距模塊將采集到的大量距離數(shù)據(jù)反饋到我們用于校準處理的控制器，得到樹木相對于機器的空間位置和空間姿態(tài)，最后將有用的信息（如樹木傾斜角）傳遞給主控芯片。主控芯片控制機械臂移動，保證樹木與機械臂平行運動，從而達到最好的噴涂效果，應對復雜的工作環(huán)境。智能校準系統(tǒng)攻克了樹木生長傾斜，以及在復雜路面上車身傾斜而導致噴涂效果不佳甚至無法噴涂的難題，提高了機器的工作適應性。

（二）驅動系統(tǒng)

履帶式底盤的四條履帶全部使用直流電機進行驅動，采用L298N驅動器對控制系統(tǒng)發(fā)出的方波信號進行放大，使其電流達到直流電機的啟動值，然后通過改變方波信號的占空比實現(xiàn)對電機轉速進行精準控制。

（三）超聲波感知模塊

機器的超聲波感知體系是由五個超聲波測距裝置構成，分別安裝在機械臂的上方與下方，以及機械爪的左右和后方。將采集到的距離數(shù)值通過融合算法進行計算，得出樹木對于機器的空間位置和位姿，計算完成后將這些數(shù)值反饋給主控芯片，使其在控制機器噴涂過程中，樹木始終位于機械爪的中央位置。

（四）運動機構設計

運動模塊選用了絲桿線性導軌滑臺，確保了工作精度及升降效率，動力部分選用了57步進電機，保證了足夠的升力。模塊分控單片機通過給步進電機驅動器發(fā)送信號，控制滑臺運動速度與上下運動次數(shù)。伸縮桿的伸縮我們通過繼電器進行控制，模塊分控單片機給繼電器信號從而改變伸縮桿的電流方向來控制伸縮桿伸縮。

（五）遠程遙控系統(tǒng)

藍牙通訊是通過特定頻率的電磁波實現(xiàn)單點或者多點的數(shù)據(jù)通訊方式，具有傳輸穩(wěn)定，丟包率低，能耗低等優(yōu)點，所以我們采用藍牙通訊技術實現(xiàn)上位機與下位機的通訊，使得我們的工作人員可以遠程啟動與關閉機器，還可以在遇到突發(fā)狀況或者需要在特殊通過特殊地形的時候可以進行人工干預，保證機器的安全運行。

二、行道樹自動養(yǎng)護機器人機械結構

（一）底盤結構

小車底盤采用了3mm鋁合金材質，硬度和輕量化均達到了特定需求，同時加裝了1020的鋁型材作為車架，增強了整體車身載重能力。

（二）整體懸掛

為了使小車適用于多種地形，我們采用了坦克上扭桿式懸掛，通過金屬結構的扭轉運動，從而獲得彈性力。小車的負重輪通過肘節(jié)與扭桿連接，當負重輪上下運動時，肘節(jié)把運動轉換為扭轉扭桿的運動，使扭桿的彈性力產(chǎn)生緩沖作用。

（三）機械爪與機械臂

機械爪是四個內半徑10cm外半徑13cm的半圓環(huán)組合而成，用舵機于齒輪控制張合。機械臂是由一個絲桿線性導軌滑臺和兩個伸縮桿組成，通過絲桿線性導軌滑臺完成機械爪在Z軸上的位移，兩個伸縮桿分別使機械爪在X，Y軸上進行運動。

（四）絲桿線性導軌滑臺

絲桿線性導軌滑臺由螺桿、螺母和滾珠等結構組成。它的作用是將旋轉運動轉化成直線運動，因為具有很小的摩擦阻力，所以可以在高負載的情況下完成高精度的直線運動。

三、行道樹自動養(yǎng)護機器人工作原理與過程

步驟一，行道樹自動養(yǎng)護機器人開始工作后，會根據(jù)原先設定好的程序進行路徑規(guī)劃，行進同時通過超聲波模塊進行障礙檢測;

步驟二，在既定道路上運行的過程中，當超聲波測距裝置檢測到物體時，機器停止前進，進行對物體的檢測;

步驟三，檢測到樹木后，機器會展開機械臂環(huán)抱樹木，同時噴灑裝置上的超聲波測距裝置實時調控距離。在確定樹木處于噴灑裝置中心之后，打開噴灑裝置，物料池中攪拌裝置工作，均勻噴出涂料，機械臂由下至上自動運行;

步驟四，噴灑工作結束之后，水泵及攪拌裝置停止工作，機械臂復位，機器繼續(xù)前進，重復工作，直至使用者下達停止工作的指令。

四、結語

本產(chǎn)品設計合理，操作簡單，工作人員只需將機器帶到工作地點，然后運行機器，即可對行道樹進行自動噴白，智能化程度高并且速度快，節(jié)約了人力和時間，降低了石灰對人體的傷害。（作者單位：皖西學院 電氣與光電工程學院）

基金項目：皖西學院校級質量工程一般項目（wxxy2018033），皖西學院校級自然科學重點項目（wxsk201904），國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（006040218070）。