防护林全自动仿形刷白机的设计—文献综述郭警伟（机械电气工程学院机械设计及理论2011级2011105011）摘要：目前防护林刷白的措施大多数是人工化和半机械化，作业效率低、劳动强度大、成本高、时间紧、可控性差，一定程度上制约了防护林刷白全自动机械化、规模化和精准化作业。
因此，迫切需要研制出防护林全自动仿形刷白机。
关键词：刷白机；倾斜度；仿形1全自动仿形刷白机的研究背景及意义1.1研究背景中国在春秋战国时就已提出过要保护森林，禁山泽，防止水土流失。
南宋淳佑三年(1243)魏岘所著《四明它山水利备览》为古书中较早、较系统阐述森林的作用的一部著作。
清末梅曾亮所著《书棚民事》中，则描述了山地开荒之害，特别是较详尽地阐述了森林涵养水源的作用。
风沙地区的人民多运用造林种草来防风固沙，以保障农田生产。
19世纪初，俄国一些学者在俄国的欧洲部分营造了防止干旱风，保障农田生产的草原防护林，并首先建立试验研究站开展农田防护林的科学研究工作。
此后，美国西部防护林计划，苏联欧洲部分斯大林改造自然计划，中国在1949年以来规划营造的东北西部、内蒙东部防护林等的实施均证明，这些已营造的防护林在防止自然灾害、改善当地人民生产生活条件方面发挥了良好的作用。
1978年11月经中国政府批准，开始兴建的“三北”（东北、华北、西北）防护林体系建设工程，被称为绿色长城。
它涉及到11个省（区）的范围。
三北防护林体系工程是一项正在我国北方实施的宏伟生态建设工程，它是我国林业发展史上的一大壮举，开创了我国林业生态工程建设的先河。
地跨东北西部、华北北部和西北大部分地区，包括我国北方13个省（自治区、直辖市）的551个县（旗、市、区），建设范围东起黑龙江省的宾县，西至新疆维吾尔自治区乌孜别里山口，东西长4480公里，南北宽560—1460公里，总面积406．9万平方公里，占国土面积的42．4%，接近我国的半壁河山。
1.2研究意义从上可以保护防护林如此重要，而刷白就是保护防护林的一种措施。
刷白具有防虫防冻的作用，然而虫害和低温恰恰是危害防护林的重要因素，因此防护林刷白对于保持水土、防风固沙、涵养水源、调节气候、减少污染而言，至关重要。
目前防护林刷白的措施大多数是人工化和半机械化，作业效率低、劳动强度大、成本高、时间紧、可控性差，一定程度上制约了防护林刷白全自动机械化、规模化和精准化作业。
因此，迫切需要研制出防护林全自动仿形刷白机。
2国内外研究现状及分析2.1关于树木刷白的喷涂机国内外研究现状及分析2.1.1国外喷涂机研究现状及分析2.1.2国内喷涂机研究现状及分析关于树干刷白的自动化设备研究，发明专利ZL200810061760.8中提出了一类树木涂白机器，其利用“上下运动，边涂边刷”的方式实现树木涂白工作。
但是这种机器存在着工作死角、涂刷树木周向无法完全覆盖、涂刷质量一般等不足。
2008年05月22日浙江工业大学申请了专利，并经过三年左右的时间，到2011年02月24日重新申请了专利。
其结构如图1[1]：1.车架2.旋转传动机构3.上下升降运动架4.毛刷机构5.供液机构1-1.车轮图1树木涂白结构示意图本发明采用了旋转运动与上下进给运动复合的传动机构，实现对树干的旋转涂刷，能减少涂刷的工作盲区，避免树干表面的“漏洞”现象，同时刷图质量得到进一步的改善的技术。
此发明主要解决了如下几个问题：1、有效消除了工作死角、提升了涂刷质量；2、适应性强；3、有效节约石灰水、降低成本。
2008年11月，上海大学申请了全自动智能化树干涂白机的专利。
其结构如图2[2]：图2全自动智能化树干涂白机结构示意图该发明在控制方面，涂白机以PLC（可编程控制器）作为下位机的核心控制系统对机器人进行实时控制，同时，在下位机也采用了触摸屏，提供手动控制。
上位机则使用PC机通过无线RS232串口与下位机相连，实现对机器人的远程监控。
而且在控制中还建立了视觉处理系统，利用机器视觉判别树木和轮廓提取，攻克了智能识别树木以及自动避障等技术。
控制系统结合激光传感器、超声波传感器以及视觉处理等功能，使得机器人具有自动行走、定位、检测并识别树木以及避障等人工智能，实现涂白机工作全过程的智能化。
其整体模型如图3[2]：图3全自动智能化树干涂白机整体模型图经测试所研制的涂白机从寻找树木到完成对一棵树木进行全方位喷涂的工作不到30秒钟的时间，而人工涂刷则至少需要3分钟，达到了设计的目的[2]。
2.2本章小结综上所述，以上几种涂白机，自动化越来越高，并且在不同时间阶段攻克了相应的技术难点。
但是仍然不能高精度，高效率的解决喷涂工作，可知树木倾斜度的自动检测技术和刷白机机械手臂仿形是急需解决的问题，单从硬件方面设计不能从根本上解决这一问题，还应该在检测、控制等软件方面着手。
软硬结合，对防护林全自动仿形刷白机作深入地研究。
目前制约树木刷白机发展的原因主要是树木倾斜度检测不准，树木分叉难以排除，喷涂精度不高，连续作业较低。
因此，迫切需要研制出喷涂精度高、综合性能好的全自动仿形刷白机。
而机械手臂的仿形是防护林刷白机的重要组成部分，同时也是能否实现树木高精度、高效率喷涂的关键。
它不但可以提高防护林刷白喷涂机的精度、树木的单位面积，还能提高树木喷涂的效率。
防护林全自动刷白控制系统的研究主要包括树木高度的自动检测技术和喷涂机械手臂升降的自动控制技术这两个方面。
3关于国内倾斜度的自动检测技术和机械手臂仿形的研究3.1倾斜度的检测技术应用及概括目前，自动检测倾斜度的技术发展已经相当成熟，应用也相当广泛，采用的技术方法也是多种多样的。
2008年同济大学建筑工程系路鑫、谷川发表了《高层建筑倾斜检测方法研究》。
本文根据实际工程需要采用了一种适于高层建筑主体倾斜观测的新方法，并论述了该方法的原理。
分析了该方法所能达到的精度，并且将该方法应用于一个工程实例并验证其有效性。
结论表明，本文提出的新方法具有一定的实用性和优越性[3]。
2009年北京林业大学吴晓兰发表了《基于数字图像处理的立木测量方法研究》。
本论文的研究目的是为了建立一套自动的立木测量系统，来实现林木资源调查管理的信息化、自动化及精确化，从而改善传统的林木调查方法与技术。
并提出了运用最小二乘法原理求树干边缘斜率，从而推算树干倾斜度的方法[4]。
2010年3月中北大学贡丽霞、白艳萍发表了《基于Radon变换和坎尼边缘检测的倾斜车牌校正方法研究》。
文章基于Radon变换的思想，先利用Canny边缘检测器检测车牌边缘，再利用Radon变换搜索构成车牌矩形的直线段，并计算其倾斜角来校正倾斜车牌。
测试结果表明该方法能准确地检测出图像的倾斜角，并取得良好的效果[5]。
2010年10月21日大连理工大学王永青、淘冶等申请了《激光位移传感器倾斜角误差的检测装置及方法》专利。
该发明采用激光位移传感器进行动态寻边的检测方法，保证激光位移传感器的出射光线准确地投射到实验被测表面中线上。
该装置实现了倾斜角误差的测量，为后续的倾斜角误差补偿提供了数据依据，测量精度高，操作简单，适用性强[6]。
2011年7月清华大学段汝娇、赵伟、黄松岭、陈建业发表了《基于计算机视觉的接触网定位器倾斜度自动测量方法》。
本文应用图像分割、剔除干扰线、图像细化等算法，对采集到的接触网定位装置的图像进行处理；然后用改进的Ｈｏｕｇｈ变换检测细化后的图像，对图像中相邻的特征象素点进行聚类并做感知编组；最后用随机Ｈｏｕｇｈ变换（ＲＨＴ）使经感知编组后图像中的每条线段更接近直线，进而计算出接触网定位装置中定位器的倾斜度[7]。
3.2机械手臂仿形应用及概括随着制造业的加工精度和自动化程度的不断提高，特别是航空航天、汽车工业和模具工业的发展,对机械手臂的仿形要求越来越迫切。
2004年西北农林科技大学杨青等人发表了《仿形喷洒变量施水精确灌溉技术研究进展》。
文中指出要加强仿形喷洒变量施水喷头关键部件结构尺寸对其性能参数影响的理论和试验研究,为喷头优化设计提供依据[8]。
2006年4月东北大学林文强、隋天中、崔秀梅发表了《激光三角测头的动态仿形跟踪扫描》。
对非接触式三坐标测量机仿形跟踪快速扫描方法进行了研究，分析了曲面仿形跟踪扫瞄过程中的关键技术。
针对基于激光非接触测量的仿形跟踪扫瞄，提出一种确定扫描速度及跟动速度的计算方法[9]。
2006年华南农业大学张建瓴、陈树军、可欣荣、洪添胜发表了《仿形喷雾装置的设计及分析》。
从实现仿形运动的角度出发,设计一种果树仿形喷雾装置。
该系统主要由仿形机构、喷雾部分和单片机检测及控制部分组成。
主要介绍仿形喷雾装置的机械结构部分的设计,并分析仿形机构,特别是喷头的运动及运动空间，最后给出喷头位置控制的仿真算例[10]。
2008年8月石河子大学胡斌、罗昕、唐军等发表了《3MDZK-12型单行仿形棉花打顶机的结构设计与性能试验研究》。
本文在整体仿形棉花打顶机基础上,研制设计了可实现各行独立仿形打顶作业的3MDZK-12型棉花打顶机,介绍了其总体结构和工作原理,分析确定了该机齿带组合的传动系统、滚筒式切割器、切割器升降控制机构及套筒式平衡仿形机架等关键部件的结构及参数[11]。
3.3本章小结综上所述，考虑到实用性和经济性，对于全自动仿形刷白机，我们可以用红外线或者超声波测距，检测出倾斜度，然后通过传感器转变成数据，输入计算机，再通过控制系统控制机械手臂仿形，进行喷刷。
4总结目前树木刷白机的研究还处于初级阶段，对排除树木分叉，检测树木倾斜度，连续作业等都不能很好的完成，因此迫切需要研制出全自动仿形刷白机。
考虑到经济和实用性，在此提出此方案：考虑到地形，选用拖拉机作为牵引动力；考虑到石灰水容易沉淀，石灰水箱，用搅棒使其不断处于搅动中。
考虑到便于更换和经济性，设计40cm长毛刷子n个，按照120cm的要求需要三个并排垂直安装在机械臂刷子套上；考虑到采用刷树的方式，采用“有力出液，无力不出液”的一个阀门装置，即刷子触碰到树，力产生，阀门打开，则出石灰水；刷子离开树，力消失，阀门关闭。
比如液体鞋油盒就是其中一个简易装置。
（导师补充：刷树可采用回转装置，以180度为周期补液）。
考虑到采用喷树方式的时效性，将三个喷头分别垂直、均匀的安装到装置上采用“有树即喷，无树不喷”的装置。
因为液体会顺着树往下流动，为了减少沉积，三个喷头的喷孔从上往下依次变小，即最上面的喷头喷孔最大。
（导师补充：在装置上面对称安装喷头，各自控制90°左右的范围，本着尽量不重叠的原则，利用反射板调整角度）。
考虑到便于连续作业，利用平行四杆机构设计两对机械手臂对称安装到拖拉机上面，然后拖拉机在导航仪的指引下，完成两排树木各一半的喷刷；考虑到便于检测树木的倾斜度和分叉，在拖拉机头方向安装三个红外线传感器或者安装超声波传感器，以树根为始点，以120cm为终点，垂直均匀安装到拖拉机头前，能及时将数据传输到计算机上面，给喷刷下一棵树留出足够的仿形和排除时间。