萬程

（天津城建大學(xué)城市藝術(shù)學(xué)院 天津市 300384）

城市化背景下，風(fēng)景園林項目逐漸增多，其在多元要素維護管理額基礎(chǔ)上，為人們創(chuàng)造了良好、舒適的生活環(huán)境。樹木修剪是園林管理的重要內(nèi)容，傳統(tǒng)管理模式下，園林修剪采用人工修剪+半自動機械修剪的方式，這種方式修剪效率低，且修剪設(shè)備容易受障礙物影響?；诖?，設(shè)計一款具有自動定位導(dǎo)航和園林植修剪功能的機械設(shè)備已經(jīng)成為當(dāng)前園林建設(shè)管理的內(nèi)在要求。本文基于激光傳感器定位系統(tǒng)下，設(shè)計一款具有自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向功能的多功能園林修剪機械。

1 機械激光傳感器定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

信息時代下，激光雷達技術(shù)獲得了迅速發(fā)展，其能在大范圍持續(xù)探測的基礎(chǔ)上，為導(dǎo)航提供高精度的基礎(chǔ)信息。從導(dǎo)航應(yīng)用效果來看，激光高航具有測量范圍大、測量光束小、測度精準(zhǔn)、環(huán)境干擾小的特點?，F(xiàn)階段，園林產(chǎn)業(yè)迅速興起，在園林枝葉修剪過程中，人們對于修剪的精度提出了較高要求，然采用人工及半自動機械修剪，則很難達到這一修剪要求，同時，修剪的效率角度，需進行修剪方法、修剪設(shè)備的優(yōu)化創(chuàng)新。

在園林修剪設(shè)備中使用激光傳感器定位系統(tǒng)，可以通過激光測定修剪設(shè)備與樹木枝葉的距離位置，以此來滿足自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向要求，實現(xiàn)高精度修剪。從機械激光傳感器定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要素來看，其不僅包含了PC 處理器這一核心單元，而且涉及激光發(fā)射、接受裝置，同時CPLD 時間間隔計時器等都是其基本的組成要素。在實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)能在脈沖開關(guān)的支撐下，實現(xiàn)PC機的自動復(fù)位，確保設(shè)備具備自適應(yīng)功能，同時，通過CPLD 計時單元，修剪設(shè)備的自動化控制得以實現(xiàn)[1]，見圖1。需注意的是，在實際作業(yè)中，具體的控制指令和結(jié)果會在顯示器上實時顯示。

2 多功能園林修剪機械測距及移動原理

2.1 多功能園林修剪機械測距

圖1 自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向流程

激光測距和掃描是多功能園林修剪機械自適應(yīng)一定轉(zhuǎn)向的主要支撐[2]。相對而言，激光測距的實現(xiàn)過程較為簡單，設(shè)定激光發(fā)射器為激光信號源，激光在空氣中的傳播速度為V，則當(dāng)激光發(fā)出后，一旦受到障礙物，則激光會在反射原理下沿著與射出方向相向的狀態(tài)返回，同時返回信號會被光電探測器所接收，若從發(fā)出激光信號到光電探測器所接收信號的時間為T，則實際的測距為：

S=VT/2

2.2 多功能園林修剪機械移動轉(zhuǎn)向

要實現(xiàn)多功能園林修剪機械的精確一定，在定位導(dǎo)設(shè)計中，不僅要關(guān)注多功能園林修剪機械與障礙物的距離因素，同時還需考慮照度、大氣通過率、障礙物漫反射率的有效把控。

就照度因素而言，激光在發(fā)出后，其光強會按照高斯均勻分布，設(shè)定激光發(fā)射器的峰值功率為TtPt，同時，發(fā)射激光束立體角和傳送距離分別以Ωt和R 代替，則激光照射在物體上的實際照度可表示為：

式中：Ta表示在傳輸距離為R 的條件下，激光實際的大氣透過率。在大氣透過率計算中，需注重大氣消光系數(shù)的有效把控。多功能園林修剪機械設(shè)計中，為簡化設(shè)計計算過程，將障礙物的發(fā)射狀態(tài)設(shè)定為滿發(fā)射，則可知輻射亮度與出社射照度的關(guān)系可表示為：

然而在實際中，滿發(fā)射的狀態(tài)往往難以實現(xiàn)，這是因為光在大氣中傳播本身會出現(xiàn)衰減現(xiàn)象。即采用激光測距設(shè)備進行多功能園林修剪設(shè)備定位移動是，需注重漫反射率的有效測定。然后依次來獲得目標(biāo)的輻射出射度和被測障礙物輻射亮度。當(dāng)精確獲得障礙物實際亮度后，修剪設(shè)備會通過激光掃描提取障礙物具體特征，然后結(jié)合測距信息，實現(xiàn)修剪機械位置、姿態(tài)和工作狀態(tài)的調(diào)整。需注意的是，一旦多功能園林修剪機械對于修剪精度要求較高，則在設(shè)備測距和定位過程中，需使用激光放大鏡，這樣能使得激光信號的能量聚集在一定的頻率，同時，測試人員能實現(xiàn)激光輻射出射度、被測障礙物輻射亮度的高精度把控，進而為多功能園林修剪機械應(yīng)用提供有效指導(dǎo)。

2.3 多功能園林修剪機械應(yīng)用狀態(tài)

現(xiàn)階段，自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向多功能修剪機械在園林工程中的應(yīng)用不斷深入。從使用過程來看，其能在激光雷達的支撐下，通過掃描獲取障礙物的距離；同時借助于地圖坐標(biāo)和自身位置坐標(biāo)的對比，自身距離得以精確定位；此外，通過激光掃描，其還能獲得障礙物的特征尺寸信息。這些信息為多功能園林修剪機械的轉(zhuǎn)向和移動提供了充分的數(shù)據(jù)支撐，其有效地躲避了障礙物，確保了設(shè)備自動轉(zhuǎn)向和換行功能的實現(xiàn)[3]。

3 基于激光傳感器定位系統(tǒng)的多功能園林修剪機械性能測試

3.1 測距及轉(zhuǎn)向可行性測試設(shè)計

要確保多功能園林修剪機械自動測距、定位功能的有效實現(xiàn)，在設(shè)備使用初期，就必須進行激光傳感器自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向性能的有效測定。在實際測試中，不僅要進行PC 機的有效測試，還需進行激光發(fā)射與接收裝置性能的有效檢測。具體而言，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時，激光傳感器能自主性的發(fā)出激光束，對障礙物進行掃描，同時PC 機能對掃描的信息進行分析、識別和處理，從而做出移動距離和轉(zhuǎn)動角度的精確調(diào)整。

借助于PC 機對掃描信息進行分析時，需強化最小二乘法擬合的有效應(yīng)用，通過擬合出來，設(shè)備中心控制處理器能實現(xiàn)特征曲線的有效生成，并以此為基礎(chǔ)，進行障礙物特征信息判斷。研究表明，該設(shè)備能在系統(tǒng)掃描園林環(huán)境的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)障礙物尺寸、距離、位置等相關(guān)信息的準(zhǔn)確把控，這能為自適應(yīng)轉(zhuǎn)向多功能修剪設(shè)備的應(yīng)用提供指導(dǎo)，可見在園林修剪機械設(shè)備上設(shè)置自適應(yīng)移動和轉(zhuǎn)向?qū)Ш绞强尚械摹?/p>

3.2 激光傳感器定位精度測試

傳統(tǒng)作業(yè)模式下，人們常采用人工修剪+半自動機械修剪的方式進行園林修剪，該修建方式雖然效率較低，修剪質(zhì)量受人為因素影響明顯，然在修剪機械使用中，其碰撞障礙物的概率角度。新時期，基于激光傳感器定位系統(tǒng)，自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向多功能園林修剪機械的應(yīng)用不僅關(guān)注設(shè)備應(yīng)用的可行性，更要對其精度要素進行準(zhǔn)確把控。對此，設(shè)計激光傳感器自動作業(yè)機和非激光傳感器自動作業(yè)機進行園林修剪，并對其成功避讓障礙物的次數(shù)進行統(tǒng)計，得出表1 結(jié)果。

表1 兩種設(shè)備成功避讓障礙物轉(zhuǎn)向次數(shù)統(tǒng)計（次）

由表1 可知，在自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向多功能園林修剪機械使用中，采用激光傳感器系統(tǒng)進行定位導(dǎo)航，設(shè)備成功避讓障礙物的轉(zhuǎn)向次數(shù)明顯較多，這表明激光測距和掃描能為自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向多功能園林修剪機械的應(yīng)用提供導(dǎo)航支撐，其能有效提升設(shè)備的移動和轉(zhuǎn)向效率，確保設(shè)備作業(yè)精度和質(zhì)量，值得在園林修剪中推廣應(yīng)用。

4 結(jié)論

自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向多功能園林修剪機械對于現(xiàn)代園林產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重大影響。實踐過程中，園林工作者只有重分認(rèn)識到多功能園林修剪機械的優(yōu)越性，并在明確其自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向原理的基礎(chǔ)上，進行工作過程的規(guī)范控制，才能有效地提升自適應(yīng)移動轉(zhuǎn)向多功能園林修剪機械的運作質(zhì)量，進而提升園林修剪水平，推動園林產(chǎn)業(yè)的有序發(fā)展。