盆栽智能底座的設計與制作

江 潔，張 森，劉云瑞，閔 潔，郭德偉，張文斌

(1.紅河學院：a.工學院，b.云南省高校高原農機機電一體化技術研究與應用工程研究中心，云南蒙自 661199；2.昆明理工大學材料科學與工程學院，云南昆明 650031）

盆栽極大地豐富了人類的精神生活，在生活節奏飛快、人們壓力激增的當下，盆栽越來越多地進入到人類日常生活中，成為生活的日常所需。目前盆栽培育優劣程度，過度依賴于栽種者的養殖護理經驗和專業知識，特別是對于植物至關重要的光照因素，一旦掌握不好會造成植物死亡[1]。這些都給普通盆栽愛好者栽種盆栽帶來了極大的不便。依靠智能化的手段輔助種好盆栽無疑成為研究的熱點[2-4]。2015年，李武云等設計了一種能夠適時檢測土壤濕度、環境溫度的智能花盆。2019年逯文杰等設計了一種基于STM32的智能花盆機器人，主要基于MDK5.25軟件開發平臺檢測了尋光、避障、澆水、防跌落、蜂鳴提示等功能[5]。2017年，舒方強對智能家居中的盆景控制系統進行設計，采用Arduino單片機作為主控制器,將盆景的植物層和動物層有機結合在一起,并通過樂聯網平臺實現了遠程監控。目前此類產品的研究多集中在控制算法的設計，花盆本身的智慧功能方面，存在多種盆栽適應性差，缺少實際樣機試驗等問題。

為此本文提出一種智能盆栽底座的設計方案，通過樣機實驗，能夠解決陽臺型綠植的養護問題。能夠監測盆內的土壤濕度，環境溫度，通過內部控制對比溫濕度來提示人們是否澆水。檢測光照強度實現追光運動。

1.設計方案的選擇

根據全向輪的布局方式，本文初步擬定了兩種方案，選擇較為合理的方案運用在盆栽智能底座中。

1.1 三輪移動平臺布局方案

三輪配置驅動機構[6]，主要是一個全向輪和獨立平行雙輪驅動的三角布局方式，其轉向原理是靠兩個獨立驅動電機的差速轉動或者反向轉動，但是這種方式只適用于平坦路面，因為全向輪自由度較多，所以運動方向不固定[7]，轉向不精確。采用三輪配置的移動平臺對于地面有三個接觸點，可以保障其約束在世界坐標系X-Y平面上無晃動。但在轉向過程中，尤其考慮到本次設計盆栽底座的通用性，放置多個盆栽或盆栽放置不在底座質心時，更加容易側翻。三輪布局如圖1所示。

圖1 三輪布局方案

三輪移動平臺中，結構、控制動力簡單。三點確定一個平面，即便在不平地面，也能夠實時保持與地面的可靠接觸。但通過差速實現轉向，轉向不精確，前進行程過大。并且在轉向過程中，又因為三個支撐點造成的質心問題，容易發生側翻。

1.2 全向四輪移動平臺布局方案

在車輪布局上，常見的有車輪左右對稱分布，交叉對稱分布和十字對稱分布；驅動方式有獨立四輪驅動、兩輪驅動。后兩種車輪布局方式一般應用于全向輪四輪獨立驅動方案，最終以實現全方位運動的能力。兩者都可以實現原地轉向的功能，且彌補普通移動平臺轉向前進行程過長長的缺陷。具體如表1所示。

表1 全向四輪移動平臺布局方案

綜上分析，選擇四輪交叉對稱配置的四輪驅動方式，控制方法相對簡單，不用速度合成矢量計算。由于應用環境地面的光滑，四輪機構能夠均勻著地，不會出現晃動，移動過程能保證平穩性。即便搭載的盆栽偏質心放置也不會出現三輪平臺所出現的側翻狀況。采用全向輪可實現原地轉彎，彌補轉向運動需要一定前進行程的缺點。由于本次設計對尺寸要求不高，在陽臺平滑環境運動，載重不大，采用四軸直流電機傳動，四軸十字對稱分布配置結構方案。

2.系統關鍵零部件的設計

2.1 電機的選擇

對于移動平臺，其工作時的運動路徑是不確定的，針對運動條件及環境，以鋰電池來為其提供能源，是考慮到設計盆栽底座載重不大，運行要求不高。選用直流有刷電機。它的優點有結構簡單，啟動快、制動及時、控制電路相對簡單；使用成本低等方面。電機參數如表2所示。

表2 電機參數

2.2 電機支座的設計

電機作為整個底座的傳動部分，有一個穩固的支座是必須的，根據選擇電機的具體尺寸和安裝預留孔位置，設計的電機支座尺寸如圖2所示：

2.3 底座機架的設計

底座根據需要搭載的托盤具體尺寸，電機支架預留孔位置，考慮到該機器于室外運動，不封裝電子器件和電池會損害其使用壽命，所以直接選用市面上現有的花盆托盤作為底座基體，進行打孔加工制作。

2.4 全向輪的設計

建模設計出全向輪[8-9]，在底座運動過程中，地面對全向輪的反作用力會施加于滾輪上，錯開的輪轂[10]能保證每個全向輪在運動過程中都有一個滾輪支撐，具有足夠的承載力。選用M2的螺栓作為每個滾子的支撐桿。

2.5 整機結構及工作原理

該盆栽智能底座主要由機架、托盤、全向輪和電機等組成，其結構如圖2所示。

圖2 盆栽智能底座結構圖

3.實驗及結果分析

按照上述理論，本研究設計的盆栽智能底座如圖3所示。

圖3 盆栽智能底座實物圖

根據設計需求，對樣機進行搭載盆栽追光實驗，結果表明：采用全向四輪十字對稱布局的智能底座進行工作，能夠實現光照強度對比、實時檢測溫度濕度以及避障的要求。

4.結束語

本文完成了盆栽智能底座的設計，具有新穎性和移植互通性。結果表明：在其開機工作后，能夠實現自動搭載二到三盆盆栽在陽臺上自動追光。實時檢測溫度、濕度以及移動過程中避障。該盆栽底座具有如下特點：

（1）選擇了全向輪移動平臺盆栽底座的結合，控制相對簡單的方案。

（2）相較智能花盆而言，智能底座可實現搭載多個花盆或多個盆栽，通用性較強。