韩凯旋 马子康 张岳琦 张 震 付嘉鹏 王 锐

(石家庄铁道大学机械工程学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

本研究通过设计一种基于Arduino 控制的多功能立体固沙车，与横向插草机构、纵向压草机构的有效配合，可完成对草方格沙障的一次性铺设，同时泥草浆喷洒机构将草籽喷洒到沙障中，其工作效率高，能够实现对沙漠化地区流动沙丘的固定和综合治理［1］。多功能立体固沙车可代替传统的人工操作，在节省大量人力、物力的同时，还可极大地提高治沙的效率，对我国沙漠治理工作有着重大的现实意义。

1 总体结构

多功能立体固沙车（见图1）主要由前、中、后三部分组成。固沙车前段设有纵向插草装置以及核心控制系统；固沙车中端设有横向插草装置，由横向输草机构及上下运动的切刀组成，实现对沙障的纵向设置。通过横向和纵向压刀的配合，来完成草方格沙障的一次性设置；固沙车后段设有泥浆混匀喷洒装置，在设置完沙障后，后部喷洒装置可进行草籽的播种作业。

图1 总体结构示意简图

2 关键结构设计

2.1 车体结构和底盘设计

多功能立体固沙车采用的是沙漠越野专用底盘，该底盘适用于在沙漠腹地作业的大型越野车辆，全驱底盘不仅可通过柴油发动机为固沙车提供充足的动力，还可搭配可变形履带系统及扭矩车架，使固沙车转向更灵活、可靠性更高，从而具有良好的承载能力。多功能立体固沙车的车轮采用履带轮，扁长式的履带能够有效减小其对地面的压强，在沙漠地区具有较好的牵引性能与通过性能，使车辆能在沙漠与浮土地区畅通无阻。固沙车的四条履带轮均由柴油机驱动的液压马达来提供动力，在驱动力矩的作用下，轮胎与沙土接触部分会产生足够大的牵引力，在牵引力的作用下，固沙车可实现稳步前进［2］。

2.2 草方格布置机构

2.2.1 纵向压草机构。对于纵向铺草任务，固沙车的前进速度即为纵向铺草机构的铺草速度。纵向切刀采用电机驱动的方式，可实现固定角度的可控摆动，使切刀支撑机构带动切刀实现上下摆动。草料箱中的草席按一定速率沿小车行进的轨迹均匀铺开，再通过安装在两侧的纵向切刀将草席压入沙土中，其压草深度设计为40 cm。压草时，两侧切刀落下，实现压草。通过设置在左右两侧的纵向切刀，来实现对草方格两侧的同时布置。

2.2.2 横向插草机构。横向插草装置由输草机构和插刀机构组成。输草机构为偏心曲柄滑块机构，利用其急回的特性，通过钩草耙将草席快速平铺在压草门上。为实现1 m×1 m 规格的草方格布置，横向铺草机构一次铺草长度应为1 m，则在该偏心曲柄滑块机构中，滑块移动距离xc=100 cm，设计偏心距为60 cm，则L1=95 cm、L2=205 cm。插刀机构通过齿轮齿条机构将草压入并切断草卷。该齿轮齿条机构由齿轮和齿条构成，电机将动力施加在齿轮上，该机构将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动［3］。通过控制系统来控制电机的周期性正反转来带动齿条底端的T 形切刀，从而实现周期性上下往复运动，将草卷切断，并插入沙土中。为保证草卷的铺设，齿条底端的T 形切刀的横端为稍突起的锋利刀头，可实现对草卷的切断，其刀长为草卷的宽度，即为50～70 cm，竖端为钝刀头，可将切断的草帘压入沙土15～20 cm 中，其刀长为草方格的宽度，即为100 cm。横向输草机构与插刀机构相互配合，最终实现横向铺草的功能。

2.2.3 横向插草机构的运动方案可行性分析。为了使横向插草机构能够顺利完成铺草任务，要保证横向插草机构中的输草机构与插刀机构在有限的空间内不发生碰撞，且二者能够相互配合，顺利完成工作任务。故需要对此结构的运动方案进行可行性分析。首先将横向插草机构进行简化，并等效为曲柄滑块机构，建立如图2 所示的数学模型。通过对输草机构与插刀机构的运动进行分析可知，在曲柄主轴旋转一周的过程中，会出现两个极限位置，即在其运动过程中输草机构的最右侧坐标与插刀机构最左侧坐标相等。此时，会出现输草机构与插刀恰好将要接触的情况。由于两个极限位置出现的时间间隔较短，所以预设在第二个极限位置后使插刀从最高位置下落，并在曲柄旋转至下一周之前完成插草动作的往复运动。其次，根据上述运动分析以及设定的草方格数据来建立数学坐标方程，求出曲柄滑块在两个极限位置处的坐标Xc，以及对应位置相较于初始位置曲柄滑块旋转的角度θ1和θ2。在曲柄滑块旋转至θ2时，插刀机构开始进行一次插草动作的往复运动，并在曲柄旋转至下一周之前，完成一次完整的插草动作。通过已知的曲柄角速度w，计算出旋转360°-θ2所需要的时间t，根据时间t来合理设置插刀机构往复运动的速度v，从而保证输草机构与插刀机构在工作过程中不发生碰撞，保证二者能够正常工作。通过上述分析过程，可以计算得出插刀机构进行往复运动的时间间隔Δt，进而可以对小车前进的速度v1进行调节，即可完成预设的草方格铺设任务。最后，在SolidWorks 软件中建立三维模型，并对横向插草机构进行Motion 运动仿真分析，以验证上述分析的正确性，以及横向插草机构中输草机构与插刀机构相互配合，实现横向铺草功能的可行性。

图2 曲柄滑块机构示意图

2.3 泥草浆喷洒装置

在多功能立体固沙车铺设草方格沙障的同时，可利用固沙车后段的喷洒装置进行草籽的播种工作。该装置包括锥形料斗、两根搅拌轴、齿轮箱、电机。搅拌轴位于齿轮箱和锥形料斗之间；搅拌轴叶片与锥形料斗的下表面之间留有用于出料的间隔；搅拌轴由下至上分为下搅拌叶片、螺旋搅拌叶片和上搅拌叶片［4］，上搅拌叶片为竖直的三角形状，与动力齿轮箱连接在一起，且相邻的两上搅拌叶片采用上下交错的方式，螺旋铰刀及下搅拌叶片可对物料进行有效的混合铺洒。该锥形料斗内设有两个搅拌轴，在开始工作后，搅拌轴可高速转动，将物料从出料口排出，并在下搅拌叶片的作用下，将草料铺洒在沙漠表面，完成铺浆工作。

2.4 草卷输送装置

纵向铺草机构的后备草卷安放在相应的机构上方。草卷依靠自重下落，并由传送带将草卷输送到正确的位置上。

由于车辆整体高度不宜过高，所以将横向铺草机构的后备草卷悬挂在车体两侧，采用带有可折叠支架的网格式传送带将草卷逐个送入正确位置。在草卷放到支架上后，由于支架与水平面存在一定的角度以及末端带有凸起，为了使支架能安稳牢固地携带草卷上升，在草卷落位后，带有扭转弹簧的支架便折叠进传送带内，在节省空间的同时也不影响铺草机构的正常运转。传送带的动力传送采用链条式传动，传动效率稳定。但链条传动容易受草料的影响，所以在草卷输送装置与传送机构之间安装隔板，在避免草卷意外卡住的同时，也保护了传送机构的安全，降低了机构日常养护难度。

3 控制系统设计

Arduino是一个以AVR单片机为核心的开源硬件平台［5］，可以向外扩展所需的功能模块。使用C语言编写各个功能模块所需的运行代码，并配合其自带的开发环境Arduino IDE，可高效地完成模块所需代码编写并上传至Arduino中。

按照多功能立体固沙车的功能要求，所需扩展的功能模块包括驱动模块、植草模块、送料模块、喷洒模块、视觉模块以及远程控制模块。各模块的程序编写都可在Arduino IDE 中完成，编译成二进制文件后再烧录至Arduino 中，即可搭建出各模块间最基本的程序配合框架。其控制系统的工作流程为：系统启动，各模块初始化，连接远程控制模块，发出开始指令，驱动模块开始工作，带动小车按既定路线行驶，送料模块输送草料，植草模块与喷洒模块按照一定的时间间隔进行工作，二者相互配合，最终完成草方格固沙工作。详细流程如图3所示。

图3 工作流程图

4 工作模式

面对沙漠中复杂多变的地形，多功能立体固沙车的工作模式可分为两种。一种为自动控制模式，适用于地形较为平坦的大面积固沙，可提前划分固沙车的工作区域，规划行进路线，并排除工作路径上较为明显的障碍物及流沙区域。按照工作路线将固沙车工作所需的动作代码提前进行编译，并上传至控制中心，在启动后，固沙车就可按照既定路线完成在该区域的固沙工作。另一种为远程手动控制模式，适用于地形较为恶劣且工作面积不大的沙漠区域，在完成装填草料等准备工作后，可通过远程控制模块启动固沙车，视觉模块可采集路况信息，并利用远程控制手柄手动控制固沙车完成固沙工作。

5 结语

本研究设计了一款多功能立体固沙车，利用SolidWorks 软件对多功能立体固沙车进行三维建模，创新设计了多功能立体固沙车的横向插草机构。通过对横向插草机构的运动仿真模拟，验证了横向插草机构中输草机构与插刀机构同时工作的可行性，并通过Arduino 系统的控制，可一次性完成草方格的铺设工作，能大幅度提升沙漠治理工作的效率。