作者：李佳骏、常睿康、张智斌、李世斌、高华耸
单位：山西能源学院
指导老师：赵浩成、郜敏
1. 研究背景
森林作为地球上可再生自然资源及陆地生态的主体，在人类生存和发展的历史中起着不可代替的作用，它不仅能提供国家建设和人民生活所需的木材及林副产品，而且还肩负着释放氧气调节气候环境，涵养水源、保持水土、防风固沙、美化环境、净化空气、减少噪音及旅游保健等多种使命，同时森林还是农牧业稳产高产的重要条件。然而，森林火灾是森林最危险的敌人，也是林业最可怕的灾害，也会给森林带来最有害、具有毁灭性的后果。森林火灾不只是烧毀片片森林，伤害林内动物，而旦还降低森林的更新能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚至号致生态环境失去平衡。2019年3月30日，四川省凉山州木里县就曾经发生过一次非常严重的森林火灾。2019年3月30日是一个雨天，木里县喇嘛寺沟附近下午5点左右出现了雷雨天气，虽然只是一次持续了30秒左右的阵雨，但是隆隆雷声却一直回荡在天空，不绝于耳。下午6点时一场森林火灾在山上悄然而至，起火点位于海拔3800余米的山上，山中地形复杂，遍布沟壑，无论是交通还是通讯情况都非常不好，消防官兵难以迅速赶往现场进行救援。经过相关部门得知消息后初步判断本次火灾的原因，可能是由于之前降兩时的雷击导致，多个起火点都位于山崖上，火场平均海拔高达4千米。31日下午，689位救火人员带着各种设备登山，前往海拔4000余米的原始森林开展救火工作，由于当日风向不定，风力风向突变导致山火爆燃形成一个巨大的火球。救火人员兵分两路进行避险，其中一路安全撤离，另一路的27位森林消防指战员和三名地方救火人员就此和其他人失去了联系。4月2日早晨六点30分，田火山山上的明火终于被扑灭。而制作山林隔离带是有效制止森林大火蔓延的的有效方式，且该方面大多是通过人工下地来完成的，所以我们设计了一款可通过远程遥控来实现砍伐、运输一体化的全地形机器人，减少人工的需求量和危险性。同时，目前生活中的伐木大多由人工实地操作，我们的作品也可以代替其完成系统化的作业。
2. 主要功能
本小组作品的主要功能有在大火发生时，及时进入火场中，对还未涉及到的地域进行砍伐树木，降低火灾面积。本小车为全地形小车，可以适应森林中的各种地形，如山坡、地坑等等。小车一侧设有抓夹，在另一侧砍伐完树木后抓夹可以及时将树枝抓起放到车后部，最终由小车将其带出森林。在救援的同时小车前部设有摄像头以及湿度传感器，实时监控并记录火灾情况。本作品不仅可以用作在森林防护中制作隔离带的一体化工作，也可以用作日常生活中做伐木一体机器人使用。
3. 场景调研
森林火灾的起因主要有两大类：人为火和自然火。人为火包括：生产性火源（农、林、牧业生产用火，林副业生产用火，工矿运输生产用火等）、非生产性火源（野外吸烟、做饭、烧纸、取暖等）、故意纵火。自然火包括：雷电火、自燃等。由于我国的森林火灾中，由吸烟、烧荒和上坟烧纸引起的火灾占了绝大多数，所以我们小组场地模拟森林火灾的起因为烧荒。在实际的地形中会存在山坡和小断层，我们小组在模拟时，模拟机器人爬小山坡和爬小台阶（断层）。同时，模拟了砍伐树木的过程，再砍伐完后，车另一侧的抓夹会将树木夹起搬运出森林。在进行就救援以及砍伐树木时，车前的摄像头可进行实时监控，可记录下在砍伐树木时周遭的实时动态，同时还有湿度传感器的实时监测。
4. 机器人本体技术路线说明
① 机械结构：整体车身分为两部分，前端车体运用柔性结构，并采用履带式车轮，后部采用传统轮胎，有着很好的抓地力。车体大致结合军用坦克的履带的优越性并结合实际，改装了后置轮胎，使得前后轮可以通过配合，从而顺利翻越一些工作途中所遇到的障碍。
② 驱动系统：该车加装了6个双直流电机共同驱动，六个电机同时驱动，为小车提供了足够的动力，减少了动力的损失，为通过障碍物提供了足够的动力条件，电锯有单舵机制作的机械臂和电机控制的电锯体实现横向自由伸展，砍伐树木。机械爪由两个舵机控制的机械臂和单舵机控制的爪体构成，可实现横向伸展并调整爪子的摆动，实现抓取。
③ 控制系统：主板采用了Basra主控板，通过ESP8266Wi-Fi模块与电脑连接实现远程实时无限操作，通过摄像头、温湿度传感器来实时反馈现场情况，为人们的勘测和救援提供信息帮助。
④ 感知系统：车体全程操作由人工在远程通过WiFi模块实时操作，在车体的前方和中段均装有摄像头，前部摄像头可帮我我们锁定目标树木的方向，也可以规避障碍物，在侧端的摄像头可对目标数目进行定位，当其进入合适位置后进行砍伐和搬运。在车的顶部同时也装配了温湿度传感器，对周围环境进行监控，并及时反馈，为人工救援行动提供保障。
5. 示例程序
#include <Servo.h>
int _ABVAR_1_data = 0 ;
int in1 = 5;
int in2 = 6;
int in3 = 9;
int in4 = 10;
int in5 = 12;
int SERVO_SPEED=20; //定义舵机转动快慢的时间
int ACTION_DELAY=200; //定义所有舵机每个状态时间间隔
Servo myServo[4];
int f = 50; //定义舵机每个状态间转动的次数，以此来确定每个舵机每次转动的角度
int servo_port[4] = {3,4,7,8}; //定义舵机引脚
int servo_num = sizeof(servo_port) / sizeof(servo_port[0]); //定义舵机数量
float value_init[4] = {10, 40, 20, 40}; //定义舵机初始角度
//10, 110, 20, 40chu 100, 110, 60, 30 kaishi 100, 40, 60, 30zhua 100, 40, 40, 30qi 10, 40, 60, 30weizhi
//float value_init[6] = {10, 130, 60, 30}; //定义舵机初始角度
//float value_init[6] = {0, 40, 40, 40};
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(in1, OUTPUT);
pinMode(in2, OUTPUT);
pinMode(in3, OUTPUT);
pinMode(in4, OUTPUT);
pinMode(in5, OUTPUT);
for(int i=0;i<servo_num;i++){
ServoGo(i,value_init[i]);
}
}
void ServoStart(int which)
{
if(!myServo[which].attached())myServo[which].attach(servo_port[which]);
pinMode(servo_port[which], OUTPUT);
}
void ServoStop(int which)
{
myServo[which].detach();
digitalWrite(servo_port[which],LOW);
}
void ServoGo(int which , int where)
{
if(where!=200)
{
if(where==201) ServoStop(which);
else
{
ServoStart(which);
myServo[which].write(where);
}
}
}
void servo_move(float value0, float value1, float value2, float value3)
{
float value_arguments[] = {value0, value1, value2, value3};
float value_delta[servo_num];
for(int i=0;i<servo_num;i++)
{
value_delta[i] = (value_arguments[i] - value_init[i]) / f;
}
for(int i=0;i<f;i++)
{
for(int k=0;k<servo_num;k++)
{
value_init[k] = value_delta[k] == 0 ? value_arguments[k] : value_init[k] + value_delta[k];
/**************************串口查看输出*****************************/
// Serial.print(value_init[k]);
// Serial.print(" ");
}
// Serial.println();
/**************************串口查看输出*****************************/
for(int j=0;j<servo_num;j++)
{
ServoGo(j,value_init[j]);
}
delay(SERVO_SPEED);
}
delay(ACTION_DELAY);
}
void loop()
{
/* servo_move(10, 40, 20, 40);
delay(500);
servo_move(100, 20, 20, 40);
delay(500);
servo_move(100, 110, 20, 40);
delay(500);
servo_move(100, 110, 60, 40);
delay(500);
servo_move(100, 40, 60, 40);
delay(500);
servo_move(10, 40, 60, 40);
delay(500);
servo_move(10, 40, 20, 40);*/
_ABVAR_1_data = Serial.read() ;
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 1 ) ))
{
analogWrite(in1, 0);
analogWrite(in2, 0);
analogWrite(in3, 0);
analogWrite(in4, 160);
delay (10);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 2 ) ))
{
for(int i=0;i<10;i++)
{
analogWrite(in1, 160);
analogWrite(in2, 0);
analogWrite(in3, 0);
analogWrite(in4, 0);
delay (10);
}
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 12 ) ))
{
for(int i=0;i<10;i++)
{
servo_move(190, 40, 20, 130);
analogWrite(in1,150);
analogWrite(in2,0);
analogWrite(in4,150);
analogWrite(in3,0);
delay (1000);
}
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 3 ) ))
{
analogWrite(in1,150);
analogWrite(in2,0);
analogWrite(in4,150);
analogWrite(in3,0);
delay (1000);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 0 ) ))
{ analogWrite(in1,0);
analogWrite(in2,0);
analogWrite(in4,0);
analogWrite(in3,0);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 4) )) //jixiebi1
{
servo_move(10, 40, 40, 130);
delay(500);
delay(500);
delay(500);
analogWrite(in5, 250);
delay(500);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 5) )) //jixiebi1
{
servo_move(10, 40, 20, 60);
delay(500);
analogWrite(in5, 0);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 7) )) //10, 110, 20, 40chu 100, 110, 60, 30 kaishi 100, 40, 60, 30zhua 100, 40, 40, 30qi 10, 40, 60, 30weizhi
{
servo_move(100, 110, 60, 30);
delay(500);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 8) )) //qi
{
servo_move(100, 40, 60, 30);
delay(500);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 9) )) //fan
{
servo_move( 100, 40, 40, 30);
delay(1000);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 10) )) //fan
{
servo_move( 10, 40, 60, 30);
delay(1000);
}
if (( ( _ABVAR_1_data ) == ( 11) )) //fan
{
servo_move(10, 40, 20, 40);
delay(500);
servo_move(100, 20, 20, 40);
delay(500);
servo_move(100, 130, 20, 40);
delay(500);
servo_move(100, 130, 50, 40);
delay(500);
servo_move(100, 40, 50, 40);
delay(500);
servo_move(10, 40, 50, 40);
delay(500);
servo_move(10, 40, 20, 40);
}
}6. 创新点
小车行进结构利用“太极”式刚柔结合进行翻越障碍。当小车遇到有一定角度的倾斜坡的时候，此时小车的刚性材料组成的车轮即可派上用场，通过调整履带的旋转自由度，使得小车在上坡的过程中不会发射管前倾和后倾。在小车遇到有断崖（台阶）的地面环境时，其柔性材料做成的车轮，经过调整前轮的自由度和前轮和后轮之间的距离，可以做出俯仰抬头的动作，从而轻松爬上断崖（台阶}。与此同时，俩种不同材料组成的车轮，也解决了在移动过程中出现的打滑问题，使小车的稳定性更高。其次，小车的机械臂可以180°进行旋转，不仅使小车在工作时候可接触的范围更广，还减小了车的体积，从而加快了小车的速度，车身在此期间也可以保持到最佳的位置。在此期间，同时可以利用小车体积小的优势，可以顺利通过小的隧道进行工作。最后，我们设计的小车使其重心集中在了整个小车的最中心，减少了了在通过障碍工作途中造成小车前倾或者后倾，从而翻车的情况，加强了小车的稳定性。
7. 作品难点
① 本作品在左右两侧分别装有不同的机械结构，应对其进行有效合理的位置和结构设计，保证其相对应与其他传感器的配合。
② 小车在运行过程中需通过不同的障碍结构，而由于车身较小，故掌握小车在登台阶和上坡时的平衡很是关键，防止侧翻。故我们在进行上（下）坡（台阶）会将左右机械臂摆至前（后）进行平衡。
③ 在小车砍到设计的隔离带树木后，放在车后方拉出时，怎么样去寻找最合适的路线去拉走树木，从而防止其他树木在路途中阻挡砍到的树木撤离火源。
更多详情请见 ：【S043】森林管理员
