《沙漠灌溉小车设计方案研究》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

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沙漠灌溉小车设计方案研究

范文

黎耕薛琪琪张鹏兵陈蕾

摘要：基于目前沙漠植被智能灌溉处于半空白状态，但是沙漠绿化和防沙治沙工作刻不容缓。沙漠植被在种植初期缺少及时合理的灌溉导致成活率低，种植的大量植被生长缓慢固沙作用不明显，我们立足于当前形势下，利用目前所拥有的智能技术结合农业灌溉知识，制作一款依靠太阳能发电、自动按时定量、合理、绿色环保、低人工干预的灌溉方式。并且采用靠近植物根系的节水灌溉方式，真正地做到节能与智能的完美结合。

关键词：智能小车;沙漠灌溉;传感器;环保

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）29-0256-03

2016年，蚂蚁森林上线，用户可以通过步行、网上缴费等其他行为降低碳排放，将被换算为“绿色能量”，“绿色能量”积累到一定量可以在网上种下一棵树。网络上的树长大之后，公益组织会在沙漠化严重的地方种一棵真树，鼓励用户的低碳行为同时达到保护环境的目的。2019年2月，盒马接入支付宝蚂蚁森林，在盒马门店购物不使用塑料袋即可获得绿色能量。据盒马预计，此举全年有望减少使用1277万只塑料袋，创造的绿色能量可种植约1.5万棵梭梭树。2019年4月22日，支付宝宣布蚂蚁森林用户数达5亿，5亿人共同在荒漠化地区种下1亿棵真树，种树总面积近140万亩。庞大数量的树苗灌溉是一个困难的问题，根据查阅资料，蚂蚁森林目前没有成型的灌溉体系，因而我们设计的这款小车是通过智能化控制解决植株灌溉问题。

1总体设计

1.1沙漠灌溉小车的机械结构

沙漠灌溉小车主要由机体结构、控制结构和运行结构三部分组成如图。机体结构由机械臂，履带底盘和步进电机构成的驱动部件组成。运行结构主要包括超声波传感器和颜色识别传感器。控制结构主要为太阳能电池板，arduino开发板和树莓派核心主板组成。

本方案产品坚持以“高效、便捷”的设计理念，采用全智能沙漠灌溉小车自动化为一体的控制方式，通过由履带和步进电机构成的驱动装置，外搭载超声波传感器，Flash-LiderF4激光雷达和GPS模块来实现多点导航。首先确定需要被灌溉植被的路径，再利用颜色识别传感器分辨出灌溉的植株。待灌溉目标明确后，将采用地下渗透的方式进行灌溉。在灌溉工作开始前，需要机械臂在被灌溉植被旁埋下一个可降解且色彩较鲜明的容器，选用此材质和颜色的原因有两点：一是可降解意味着对环境不会造成污染;二是色彩鲜明便于颜色识别传感器的辨识。每棵植株定量灌溉，达到预设灌溉量后，灌溉系统停止工作，转由驱动模块工作，小车前进，寻找下一棵需灌溉的植株。另外，在灌溉小车运行过程为减少车转身，小车将搭载一个机械臂来保证其运作机理的正常进行，进而完成灌溉工作。根据查阅资料获得蚂蚁森林种较为整齐，所以我们选用单排划片灌溉的方式。小车单次所载水量根据多次实验得出，使其在载水灌溉完之后尽可能地靠近基站，便于其再次载水。

1.2工作部件构成

1.2.1供电系统

供电系统由一块12V320MA的光伏发电板，光合硅能12V7AH蓄电池和12V全自动充放电太阳能控制器组成。太阳能电池板其作用是将太阳的辐射能力转换成电能。控制器控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到充放电保护的作用。蓄电池为铅酸电池，具有将产生的电能储存的功能，人为控制选择释放时间。

1.2.2驱动部件

小车底座采用履带底座，以便于适应沙漠复杂地形。选用直流步进电机2个，提供双驱动，以获得足够的动力。直流步进电机选用电子开关器件，相较与传统电机它的优点是高保障性，工作时无转向电火花，较低的机械噪声等。

电机驱动模块选用L298N为控制芯片的模块，VSS可接4.5-7V电压。OUT 1，OUT 2之间接电机。输人控制电平由特定的引脚接入，控制电机的正反转。

履带底盘通过卷绕的履带支撑地面，与地面接触面积大，具有摩擦大，不易下陷等优点。

2支持灌溉小车的核心部件

2.1超声波传感器和FlashLiderF4激光雷达

通过无人机拍摄获取需灌溉区域地图。使用FlashLiderF4激光雷达进行绘建地图。树莓派运行环境为Ubuntu，indigo版POS，树莓派3。正常启动并让树莓派与PC正常通讯，树莓派修改hosts文件，并让树莓派获取PC端的IP与主机名。在建图前要对激光雷达F4与D1的坐标进行对齐。控制D1扫描地图。扫描完成后，保存地图。修改launch文件，引用保存好的地图。以第一棵树为起点，下一棵树为目标点，设置好目标点后，Dashgo会计算路径，自动控制小车移向目标点。超声波传感器负责路径上的简单避障。超声波传感器先发送一个信号，信号行进途中遇障碍后会反弹回来，再被超声波传感器接收，高电平持续时间为传感器信号发送到接受的时间，所以测试的距离=（高电平时间*声速）/2，再将距离换算成厘米（所用函数：dis-tance=pulsenlnf接收信号的引脚echo，HIGH）/58;声速为340m/s）。

2.2pixy颜色识别及处理

Pixy使用的是基于色调过滤算法来识别物体，因而植株旁储水容器选用色彩鲜亮的颜色。实现过程：首先给pixy供电，pixy的LED灯会规律的闪烁几下。然后按住pixy顶部按钮，约1秒钟，LED会变亮，会按白色到红色再到其他颜色的顺序变化，在LED灯变为红色时放松按钮，pixy会进入lightpipe模式，LED的颜色就是pixy摄像头所看到的图像中间的部分。通过pixy返回的值定位所植株旁储水容器，带动机械臂转动水泵工作，完成注水。

2.3树莓派核心主板

小车的主控模块选用树莓派。树莓派运行基于Linux的开源系统。树莓派3代B型，性能相对于一般的嵌入式系统都较为强大。树莓派有丰富的外部I/O口，结合树莓派的I/O口Py-thon库（GPIO库），可以满足发烧友各种奇妙设计的需求。基于树莓派的上述特点，本系统将其作为远程控制沙漠灌溉小车的主控模块。

2.4arduino开发板

选用arduino开发板作为机械臂的控制主板，其原因是该开发板的IDE是免费，开源的，具有13个数字10接口（D10数字输入输出口），输出PWM接口6个，AUTO接口可用做模拟输出口使用。库函数种类繁多，选用JAVA开发的编程环境作为开发环境。机械臂选用3个数字舵机调节方向和高度，第一个控制方向，第二个控制高度，第三个搭载于最前端，用于在识别到植株后更进一步的调节。机械臂上连接有从水箱中引出的水管，位置调节完成后，完成灌溉。

2.5小车灌溉系统

小车搭载一个储水水箱，内置汲水水泵和水位传感器。水位传感器监测水箱内水位。小车识别到植株停好后，pixy颜色识别传感器提供一个脉冲，树莓派主板识别处理后，控制水泵工作，因为我们提前设置好每次的灌溉量，因而当灌溉一定水量后，停止出水。系统关闭，执行下一前进工作指令。

2.6植株旁储水容器

容器形状如图，选用沙漏型一方面是为了注水方便，且下部分便于储水，最底部开若干小孔，采用低渗的方式实现根部灌溉，节约水资源的同时还能避免沙土结痂，块化。颜色选用设定的明亮色，便于颜色传感器识别。材质用可降解材料，在结束灌溉工作后，自我降解，防止污染还能作为植株生长肥料二次利用。

3成果展示

通过系统组装，成品如上图所示，履带底座确保复杂地形小车可以行走，太阳能电池板、控制器和蓄电池构成供电系统。树莓派控制小车的行驶，arduino开发板控制机械臂的动作和汲水水泵工作实现灌溉功能。模拟沙漠环境，多次实验，小车在不同环境下工作正常，能够完成实验预设功能，因此该实验具有可行性。

4结尾

在如今主流社会的趋势下，环境问题与经济社会的矛盾逐渐激化，经济高速發展的同时，一定程度地影响了自然环境。因而发展两者兼顾的共存模式是势在必行的。蚂蚁森林的出现极大地改善了我国西北环境，但恶劣环境使植株的生长面临严峻的挑战。因而实行智能高效的科学灌溉是尤为重要的。科学灌溉能够使泥土中各类元素的状态保持一种稳定的状态，其特点是省水，省工等。近年来，人口数量的快速增加，环境所面临的压力越来越大，水资源的问题日益显现，节水灌溉成为必然趋势。可持续发展需要每个人参与其中。

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