草长“莺”飞—自调节维度的草方格沙障铺设机

参赛院校：河南理工大学

团队名称：草立方

团队成员：孙申 黄春光 刘劭华 刘亚鹏 钟佳乐

指导老师：行志刚 邓小玲

                                                 项目介绍

摘要

    我国是世界上荒漠化和沙化面积最大的国家之一，日益严重的土地沙化问题威胁着我国生态安全和经济社会的可持续发展。传统的人力铺设和人工操作的机器铺设不仅对秸秆原料的要求高，而且还存在铺设质量差、效率低等问题。针对以上缺陷，本团队设计制作了一款以节能减排为目的的草方格沙障智能铺设机。产品采用“微型电脑+STM32单片机”结合的方式控制，利用雷达SLAM和视觉SLAM相配合来建立模拟地图，然后利用全遍历算法实现了该机器人的路径规划、自主导航，完成沙丘地区的全方位草方格铺设。该产品以“自调升降开沟+双向对转铺设秸秆+二维度自动调节植入秸秆+二维度自动调节稳固秸秆”作为基础结构板块。

本产品使用的是散乱成堆回收废秸秆，拓宽了原料来源范围，具有降低成本，节省资源和环保等优点。二维度自动调节压草与垄边机构增强草方格沙障质量，延长使用寿命，秸秆最终降解为植物提供养料，达到碳循环。通过铺设机等工作设备车载的信号服务器搭建沙漠移动云平台基站，实现多设备之间的通信协作，达到全天不间断铺设草方格沙障，更加高效、节能，高度迎合我国碳中和、碳达峰的可持续发展需求。

一、 研制背景及意义

1.1研究背景

我国是世界上荒漠化和沙化面积最大的国家之一,日益严重的沙化现象导致土地生产力锐减、沙尘暴频繁发生、生态环境恶化和自然灾害加剧。严重的土地荒漠化与沙化威胁着我国生态安全和经济社会的可持续发展。荒漠化治理是生态修复的关键组成部分，人类的发展与荒漠化治理的成果息息相关。伴随着干旱土地的过度放牧、粗放经营和盲目垦荒，水资源的不合理利用，过度砍伐森林，不合理开矿等人类活动，导致全球荒漠化越来越严重，因此寻找一种高效的治沙机械迫在眉睫。经调查研究，沙漠中铺设草方格沙障是工程治沙最有效的手段。

1.2类似作品研究现状

目前我国草方格沙障铺设机的研发主要侧重于以下3个方面：

（1）目前市面常见的多功能固沙车使用编排成席的麦秸秆或者芦苇秸秆，造价成本高且不环保，不符合新时代的治沙理念。

（2）手扶式独轮麦草沙障铺设装置，由于机械结构简单、总体质量小，不能保证将整理成排的麦草压入沙丘地表下10~15cm，造成草方格沙障        植入质量差、原料浪费等问题，资源消耗大，利用率低。

（3）市面上大部分草方格铺设装置都未研发二维度自动调节刀具，多采用单独式固沙车，不具备智能的云平台基站。

1.3本作品研究目标

（1）装备桦犁开沟机构

开沟桦犁在固沙车牵引力的作用下，沿着规定路线开出一条宽度约7cm深度可调的长沟，压草刀轮更易于将铺设成排的麦秸秆压入沙土中，以保证铺质量。

（2）装备双向对转滚轮下草机构

电机通过齿轮链条传动组使两个滚筒等速反向旋转，将散乱成堆的秸秆均匀铺设在沙丘地面，解决了原料来源问题，不必使用类似市面现存的大型固沙车使用的编织成排的秸秆席，大大降低了成本，节省资源。

（3）装备二维度自动调节压草机构

当固沙车的运动不能保持直线运动时，压草架机构通过调节水平维度使压草刀轮压到秸秆的中央，使秸秆植入沙土中，以实现智能自动纠错。

（4）装备二维度自动调节垄土机构

由于沙丘表面风速大、水土易流失、沙土常常夹杂在风中造成沙丘流动，垄土架机构则能够使草方格沙障两旁的散沙向中央聚拢，以达到固定草方格沙障的目的，延长草方格沙障的使用寿命

1.4研究意义

全国每天约有数千辆大型立体固沙车运行，但其铺设完成的草方格沙障存在质量低、效率低、原料造价高等问题，无法满足我国日益紧迫的治沙需求。传统大型立体固沙车的不足主要包括：使用原材料为麦秸秆等编制成排的草席，造成原材料来源范围小、使用不便；使用静态植入草席的方式造成草席植入沙地的深度不同、草席植入对折中点不同，降低了草方格沙障的使用寿命；固沙车缺乏智能化、自动化，依靠多个驾驶员协同操作，降低草方格沙障铺设效率。

因此，基于日益严重的沙漠化趋势，本作品设计了一种能够实现节能就减排、低碳环保、效率高且效果好的草方格沙障铺设机，以有效解决类似产品存在的问题，为祖国绿水青山建设贡献力量。

二、 设计方案 

2.1总体方案

产品采用“微型电脑+STM32单片机”结合的方式控制，利用雷达SLAM和视觉SLAM相配合来建立模拟地图，然后利用全遍历算法实现了该机器人的路径规划、自主导航，完成沙丘地区的全方位草方格铺设。该产品以“自调升降开沟+双向对转铺设秸秆+二维度自动调节植入秸秆+二维度自动调节稳固秸秆”作为基础结构板块。

2.2机械结构

我们的产品具有的四种模式，分别是开沟槽模式，铺设秸秆模式，植入秸秆模式，加固草方格沙障模式，产品的整体结构如图2-2所示。

                                               

图2-2 整体结构图

2.2.1整体结构

    该机械主要有六大主要结构组成， 分别是：开沟槽桦犁结构，草料箱结构，拨草对转滚筒结构，压草结构，垄土结构，车体结构。

开沟槽桦犁结构与车体结构之间通过支架与螺钉配合链接，其他结构和车体结构亦是如此。

 

图2-3 整体结构设计

2.2.2开沟槽铧犁结构

如图2-4开沟槽铧犁结构所示，在车架的最前方为前置开沟槽铧犁装置（图2-4开沟槽铧犁结构），该装置主要由步进电机支架73、42BYG350A型步进电机20、柔性联轴器25、连接法兰65、梨63、内套68、、丝杆螺栓71等组成。前置开沟犁63通过连接法兰65连接在内套33的下方，内套上面装有和丝杆螺栓71相互咬合的螺母。丝杆螺栓71通过柔性联轴器25与42BYG350A型步进电机20进行连接，柔性联轴器25可以解决步进电机20输出轴和丝杆螺栓71之间连接时，轴心不同的问题。42BYG350A型步进电机20通过步进电机支架73固定在外管68上，组成一个完整的前置开沟槽铧犁装置。前置开沟槽铧犁装置固定在车的正前方的管75位置，当车体前进的时候，带动前置开沟槽铧犁装置前进，此时通过42BYG350A型步进电机20带动丝杆螺栓71旋转，通过与内套的牙纹咬合，改变长度，使前置开沟犁63下降，插入土中，在车体的前进的带动下，通过前置开沟犁63的斜面，将土翻至地面，从而实现在沙地里面开沟槽。为后面的草方栽植提供前提条件。

                   

图2-4 开沟槽铧犁结构

2.2.3草料箱结构

如图2-5草料箱结构所示，本发明装置草料箱用来盛装种植沙障草料，可以容纳积125cm³的秸秆原料。其主要有亚克力板一体激光切割而成，既保证了完整性，又减轻了装置的重量。亚克力板之间的连接由亚克力板切割时的是的卯榫结构加斗撑12和螺母固定，使装置结构坚固。

图2-5 草料箱结构

2.2.4拨草对转滚筒结构

    如图2-6拨草对转滚筒结构所示，本发明装置的拨草对转滚筒主要由滚轮固定支架78、轴承37、齿轮轴54、播撒轴50、中继齿轮53、XL30同步齿轮80、同步皮带81、XL10同步齿轮79、42BYG350A型步进电机20组成。XL10同步齿轮79安装在42BYG350A型步进电机20的输出端，通过同步皮带81将动力传输到XL30同步齿轮80，由XL30同步齿轮80带动播撒轴50转动，在传动轴的的另一端装有中继齿轮，由速比相同的三级的齿轮传动使两个播撒轴50以相同的角速度对转，使草料在两个播撒轴50的对转过程中，使草料被挤压到中间，并且撒到沟槽里，完成草料的播撒动作。所有的装置都安装在固定支架78上，且在固定支架78和播撒轴50之间分别装有4个轴承37，以减少各部件之间的转动摩擦，减少部件的 ·磨损，可以提升整体的使用寿命。

图2-6 拨草对转滚筒结构

 

2.2.5压草结构

如图6-7所示，该装置主要由步进电机支架73、42BYG350A型步进电机20、柔性联轴器25、20×2圆柱齿轮15、齿条31、旋转法兰36、法兰盘39、压草架18、压草轮40、埋土盘34、埋土架24、丝杆螺栓71组成。 压草结构和埋土结构两部分的结构基本相似，作用原理基本相同。这里放在一起进行说明。压草结构和垄土结构均具有上下和左右两个维度的的自由运动，由提升结构和横向移动机构完成该运动。该结构的基本提升结构和前置开沟槽铧犁装置的结构是相似的，四个42BYG350A型步进电机20分别固定在压草架40和埋土架24上，每个装置均由两42BYG350A型步进电机20通过柔性联轴器25与丝杆螺栓71进行连接，通过42BYG350A型步进电机20的旋转带动丝杆螺栓71，与内套上面的牙纹咬合，改变长度，使压草盘40和埋土盘24下降到合适的工作位置。压草结构和垄土结构均由两个步进电机控制，以增加装置的稳定性。该结构的横移是由固定在车架上的齿条31和分别固定在压草架40和埋土架上的42BYG350A型步进电机20带动20×2圆柱齿轮15完成啮合动作，通过步进电机的旋转，改变齿轮的相对位置。完成装置水平方向上的平移。压草结构和垄土结构下方悬挂的工作工具不同，在压草结构的下方通过旋转法兰36连接的是压草轮40，在垄土结构的下方通过旋转法兰36连接的是两个埋土盘34，通过悬挂工具不同，完成压草和垄土固定任务。

           

图2-7 压草结构

2.2.6垄土结构

 

图2-8 垄土结构

2.2.7车体结构

    如图拨草对转滚筒结构所示，行走装置由四个车轮46和四个行星减速电机61组成，每个行星减速电机61由控制器单独控制，每个行星减速电机61都带有独立的霍尔传感器60，通过霍尔传感器来检测电机的转动速度，进而检测车体的行走情况。行星减速电机61输出的动力由圆柱齿轮44和圆柱齿轮66通过轮轴58传输给车轮46。每个车轮的驱动电机都是由单独的控制进行控制，通过改变两侧的行星减速电机61的转速，使车体两侧的的车轮46产生速度差，依靠车轮和地面的摩擦力，完成车辆方向的改变。

 

图2-9 车体结构

2.3设计方案历程

第一代方案：采用单一三角履带结构，其受力集中分布在底座的轴承处，受力过于集中，且是体积相对较大，它移动不便。

第二代方案：基于第一代的方案的基础上，进行了改进创新。采用多轮支撑模式，减轻单一履带受力集中的特点，在增大底盘，避免过于受力集中。

第三代方案：在实际的沙漠地带工作中，考虑到便于移动的特点，我们增加了沙地轮式结构，使其可以自由移动。

2.4电控结构

我们采用AD软件，将电路绘制在电路板上，减少复杂的接线，使得电路系统更加安全可靠。减少因电路问题导致的产品的不能正常使用，缩小电路体积，便于安装到我们的产品上。具体电路如下。

三、 工作原理及性能

3.1组成部分

自调节维度的草方格沙障车的主要组成部分有：桦犁、对转滚筒、压草轮、垄土盘、电机、轴承座、连接杆、沙地轮、同步带、丝杠、直线导轨、齿条等主要                     零件。

机械结构：丝杆螺母机构，齿轮齿条机构，四连杆机构

动力源：减速电机、步进电机

控制与信息处理装置：微控制器

3.2工作原理

本产品采用“微型电脑+STM32单片机”结合的方式控制，利用雷达SLAM和视觉SLAM相配合来建立模拟地图，然后利用全遍历算法实现了该机器人的路径规划、自主导航，完成沙丘地区的全方位草方格铺设。该产品以“自调升降开沟+双向对转铺设秸秆+二维度自动调节植入秸秆+二维度自动调节稳固秸秆”作为基础结构板块。

工作时由开沟铧犁进行开沟，存放在草料箱中的麦秸秆在双向对转滚筒的挤压下铺设在沙沟正中央，二维度自动调节压草机构与垄土机构根据超声波距离传感器与摄像头捕捉画面实时调节压草轮和垄土盘的空间位置使秸秆植入沙土中。同时铺设机设有沙地轮与辅助承重装置，提高了铺设机对沙丘地形的适应能力，保证了运行的稳定性，提高了装置的使用寿命。

四、 创新点及应用

4.1创新点

4.1.1桦犁开沟，易于植入

开沟桦犁在固沙车牵引力的作用下，开出深度可调的长沟，便于压草刀轮将麦秸秆压入沙土中。

4.1.2 准确铺设，节省资源

市面现存的大型固沙车使用的草方格原料只能使用编织成排的秸秆席，存在二次加工费用高和使用不便等问题。本装置采用双向对转滚筒下草机构通过对转滚筒的挤压将散乱成堆的秸秆均匀铺设于沙丘地面上。

4.1.3 自动检测，随动控制

二维度自动调节机构根据轨迹传感器模块和超声波测距模块的检测值，实时调节压草刀轮和垄边刀具的水平位置，解决了由于铺设机前进与转弯时，草刀轮、垄边刀具、秸秆中线和沙沟不在同一条直线上的问题。采用随动控制技术，超声波自动测距实时监控收集沙地表面信息，可实现实时反馈，从而调节压草刀轮和垄边刀具的竖直位置，以保证秸秆插入沙土中的深度一致，高效高质量地完成草方格铺设任务。。

4.2与相近产品的异同

市面其他产品：

（1）目前市面研发的多功能固沙车使用编排成席的麦秸秆或者芦苇秸秆，造价成本高。

（2）手扶式独轮麦草沙障铺设装置，由于机械结构简单、总体质量小，不能保证将整理成排的麦草压入沙丘地表下10—15cm，造成草方格沙障植入质量差、原料浪费等问题。

本团队产品：

（1）本装置设有桦犁开沟机构。开沟桦犁在固沙车牵引力的作用下，沿着规定路线开出一条宽度约7cm深度可调的长沟，压草刀轮更易于将铺设成排的麦秸秆压入沙土中。

（2）本装置设有双向对转滚轮下草机构。电机通过齿轮链条传动组使两个滚筒等速反向旋转，将放置在草料箱内的草料在对转滚筒的挤压下铺设在沙沟正中央。

（3）本装置设有二维度自动调节压草机构。当固沙车的运动不能保持直线运动时，压草架机构通过调节水平维度使压草刀轮压到秸秆的中央，使秸秆植入沙土中。

（4）本装置设有二维度自动调节垄土机构。沙丘表面风速大、水土易流失、沙土常常夹杂在风中造成沙丘流动，垄土架机构能够使草方格沙障两旁的散沙向中央聚拢，以达到固定草方格沙障的目的，延长草方格沙障的使用寿命。

                 

4.3应用前景

       4.3.1国家政策

据资料显示我国现有沙化面积占全球荒漠化总面积的7.5%，当前我国在荒漠治沙中已经取得显著成就，但全球沙化形势依旧严峻。每年我国因土地沙化造成的直接经济损失达540亿元，严重的土地荒漠化、沙化威胁着我国生态安全和经济社会的可持续发展。《中华人民共和国防沙治沙法》（2018年10月26日修订）第三十三条国务院和省、自治区、直辖市人民政府应当制定优惠政策，鼓励和支持单位和个人防沙治沙，根据防沙治沙的面积和难易程度，给予从事防沙治沙活动的单位和个人资金补助、财政贴息以及税费减免等政策优惠。

4.3.2替代人工

目前我国正处于“用工难、用工贵”的尴尬阶段，国际形势变数较大，物价上涨，劳动人工成本越来越高。当前我国治沙事业仍处于发展阶段，治沙技术不完善，机械化应用程度普遍不高。治沙中所用的沙障大多以人力来完成，人工铺设效率低，成本高，费时费力，铺设过程中需要人工扶持，每一个步骤都要和上一步结合，等待时间长，未发挥规模效应，而且劳动力主观影响较大，不能保持高频率、高强度、高效率的工作。

4.3.3应用优势

 该产品设计科学、各机构配合协调，可以广泛应用到草方格沙障铺设工作中；该系统利用的多种机构结实耐用持久性强,可以适用于沙土流失严重、沙丘、戈壁滩等各种恶劣环境；实现了智能化、自动化，集多种功能于一体，克服人工铺设草方格的主观性，更提高了治沙效率；该系统进一步完善可通过信号服务器搭建沙漠移动云平台基站，实现多辆设备通信，高效协同配合，达到全天24h不间断铺设草方格沙障。