利用太阳能的智能化筑路与沙漠表面硬化系统.pdf

本发明提供一种在计算机控制下使用太阳能向激光设备提供能量，由激光聚焦光束熔融烧结沙漠表面的筑路与治沙系统。主要由电源系统、计算机与电机驱动系统、行走机构、激光扫描烧结机构四部分构成。电源系统将太阳能转化为电能贮存。激光扫描烧结机构利用贮存的电能与行走机构配合移动，实现在沙漠表面进行连续硬化或筑路，所需能量几乎全部来自太阳能，不使用化石能源，不用架设电力输送线路，不受天气影响，可全天候施工。在计算机的控制下，可按照设定的程序，以无人值守的方式，在自然环境恶劣的沙漠地带自动完成工作，节省人力。行走机构简单可靠，重量轻，适合于大规模地治理沙漠或筑路。

1.  一种利用太阳能的智能化筑路与沙漠表面硬化系统，主要包括：计算机与电机驱动系统(10)、激光扫描烧结机构(20)、行走机构(30)、电源系统(40)；
计算机与电机驱动系统(10)主要由基站计算机(100)、基站GPS卫星定位器(101)、基站无线网络天线(102)、机载计算机(110)、机载无线网络天线(111)、激光控制器(120)、步进/伺服电机控制器(121)、I/O输入输出端口(122)、机载GPS卫星定位器(123)、步进/伺服电机驱动器(131、132、133、134、135、136)组成；其中，基站计算机(100)与基站GPS卫星定位器(101)、基站无线网络天线(102)连接；机载计算机(110)上连接有机载无线网络天线(111)，并且可以通过基站无线网络天线(102)之间的无线网络实现与基地计算机(100)之间的信息传输和控制；机载计算机(110)与控制激光控制器(120)、步进/伺服电机控制器(121)、I/O输入输出端口(122)、机载GPS卫星定位器(123)、步进/伺服电机驱动器(131、132、133、134、135、136)连接并可控制；
行走机构(30)主要由步进/伺服电机(303)、(304)、行走车架(310)、履带(311、312)、履带传动辅助轮(315)组成；履带传动辅助轮(315)安装在行走车架(310)上，履带(311、312)安装在履带传动辅助轮(315)上；
激光扫描烧结机构(20)主要由激光器(200)、聚焦偏转镜(203)、横向扫描步进/伺服电机(201)、纵向扫描步进/伺服电机(202)、聚焦偏转镜转动支架(204)、激光扫描烧结机构支架(205)组成；
电源系统(40)主要由电源充放电管理装置(400)、蓄电池组(401)、机载太阳能电源(410)、太阳能电源基站(420)、发电机(430)组成；
机载太阳能电源(410)主要由太阳能电池(450)、太阳能电池板支架(451)、水平底座(452)、水平转动支撑轮(453)、水平转动齿圈(454)、水平转动齿轮(455)、水平转动步进/伺服电机(405)、仰角支撑螺杆(460)、电池板支撑螺杆滑座(461)、仰角调整步进/伺服电机(406)、仰角调整齿轮(463)、电机底座(464)组成；太阳能电池板支架(451)安装在水平底座(452)上，并可以通过销轴转动，改变与水平底座(452)之间的夹角；水平底座(452)上安装有至少三个水平转动支撑轮(453)，水平转动支撑轮(453)与行走车架(310接触)，行走车架(310)上有中心竖轴(320)，水平底座(452)上有中心转轴孔(470)，水平底座(452)通过中心竖轴(320)和中心转轴孔(470)在水平转动支撑轮(453)的支撑下实现水平转动，从而使太阳能电源(410)实现水平转动；仰角支撑螺杆(460)通过电池板支撑螺杆滑座(461)支撑太阳能电池板支架(451)呈一定的仰角；仰角调整步进/伺服电机(406)安装在电机底座(464)上，仰角调整齿轮(463)安装在仰角调整步进/伺服电机(406)上，仰角调整步进/伺服电机(406)转动时，通过仰角调整齿轮(463)使仰角支撑螺杆(460)转动，从而使电池板支撑螺杆滑座(461)沿仰角支撑螺杆(460)滑动，使太阳能电池板支架(451)的仰角的变化。

2.  根据权利要求1所述的计算机与电机驱动系统(10)，其特征是：机载计算机(110)可以通过软件编程控制行走机构(30)按照规定的路线与方式行驶，也可以通过与机载计算机(110)之间的无线网络，由基站计算机(100)控制机载计算机(110)驱动电机运行。

3.  根据权利要求1所述的行走机构(30)，其特征是：行走机构(30)中的步进/伺服电机(303、304)可以通过同步传动方式，使履带(311、312)转动，在机载计算机(110)的驱动下实现行走车架(310)的起步、平移、转向、停止等动作。

4.  根据权利要求1所述的激光扫描烧结机构(20)，其特征是：聚焦偏转镜(203)上有一个合适的反射曲面(210)，既能反射光束，也能聚焦光束，安装在聚焦偏转镜转动支架(204)上，通过纵向扫描转轴(211)实现转动，在纵向扫描步进/伺服电机(202)转动作用下，聚焦偏转镜(203)可将激光器(200)输出的光束聚焦偏转至下方的沙面上，并实现聚焦点在纵向扫描移动；在沙漠表面的聚焦光斑处具有非常高的温度，并足以熔化沙粒；聚焦偏转镜转动支架(204)上有一个与纵向扫描转轴(211)相垂直的横向扫描转轴(212)，通过横向扫描转轴(212)安装在激光扫描器支架(205)上，在横向扫描步进/伺服电机(201)转动作用下，聚焦偏转镜(203)可将激光器(200)输出的光束聚焦偏转至下方的沙面上，并实现聚焦点在横向扫描移动；在横向扫描步进/伺服电机(201)、纵向扫描步进/伺服电机(202)的联合协调动作，可使激光光斑在沙面上进行逐点扫描。

5.  根据权利要求1所述的激光扫描烧结机构(20)，其特征是：激光扫描烧结机构(20)安装在行走机构(30)的车架(310)上，并位于履带(311、312)的外侧；行走机构(30)与激光扫描烧结机构(20)的协同工作，可以完成连续区域的沙漠表面的硬化或筑路工程。

6.  根据权利要求1所述的电源系统(40)，其特征是：蓄电池组(401)通过电源充放电管理装置(400)向各用器件提供电力；机载太阳能电源(410)可以将太阳能转化为电能，并通过电源充放电管理装置(400)向蓄电池组(401)充电；当蓄电池组(401)电量不足时，机载计算机(110)可以启动发电机(430)向蓄电池组(401)充电。

7.  根据权利要求1所述的电源系统(40)，其特征是：在机载计算机(110)的控制下，水平转动步进/伺服电机(405)、仰角调整步进/伺服电机(406)协调运行，可以使太阳能电池板支架(451)最大限度地实现正向朝向太阳光。

利用太阳能的智能化筑路与沙漠表面硬化系统
技术领域
本发明涉及一种治理沙漠和修筑公路的自动化系统，特别是涉及一种在计算机控制下使用太阳能向激光设备提供能量，由激光聚焦光束熔融烧结沙漠表面的筑路与治沙系统。
背景技术
在我们生存的地球上，存在着大面积的沙漠，因其恶劣的自然环境，使人类很难在这些区域内居住和生存。在风的作用下，沙漠具有的流动性可以造成周围地区的生产生活设施的破坏，最终导致无法利用，人类的生存空间被沙漠不断侵蚀。另一方面，由于沙漠的特殊地质条件，在沙漠中修筑公路变得非常困难，公路的建造成本和维护费用非常高昂。
当今，荒漠化也是世界性的公害，全球受到荒漠化危害的陆地面积已达到1/4，且每年仍以5～7万平方公里的速度扩展。目前，荒漠化遍及世界110多个国家，现有10亿人口受到荒漠化的直接威胁，其中有1.35亿人在短期内有失去土地的危险。沙尘暴虐，田毁人亡，每年造成的直接经济损失达400多亿美元。
国家林业局公布的数据表明，至2007年，中国沙化土地已经达到173.97万平方公里，占国土面积的18.12％，影响着近4亿人口的生产和生活，每年由沙化造成的直接经济损失超过540亿元人民币。在全国有30个省(自治区、直辖市)、889个县(旗、区)都分布有沙化土地。荒漠化已成为严重威胁中华民族生存空间、严重制约中国经济社会发展的巨大挑战。
目前，政府每年要拿出100-150亿人民币用于防沙治沙工程建设。
现有的治沙方法主要包括工程治沙和植物治沙两大类。所谓工程治沙是用柴、草、粘土、板条、席笆、卵石或沥青乳剂和高分子聚合物等设置障碍或辅压遮蔽的方法阻沙固沙。这种方法受资源和条件的限制只在少数地区可用，但费用较高，而植物治沙法生产周期长、见效慢，治沙效果在一些地区也不够理想。
在公开的《治沙、筑路方法及其装置》(97104067.2)专利技术中，是将聚焦后的太阳光束扫描地面，使地面的沙粒或土壤熔融或者烧结，冷却后使地面上形成坚硬覆盖物。这项技术思路较为新颖，但仍存在一些缺点，使其在实际应用中难以实施：
1、由于是对太阳光进行聚焦，所以天气状况可以随时影响聚焦效能的发挥，在聚焦点的热量的具有不均衡性。太阳能是低品位能量，如果要求聚焦点的热量很高时，就必须加大光线聚集所使用的反射镜的面积，这会带来一系列的结构与控制问题。直接利用太阳光本身就限制了这种装置只能在白天光线好时使用，而不能进行全天候施工，必然影响工作效率。
2、由于太阳光线在随时变化，所以在跟踪太阳光的同时，还要对扫描光路进行控制，对光路进行多次改变，会造成光能量在传送过程中的大量衰减。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种利用太阳能的智能化筑路与沙漠表面硬化系统，并具有以下特点：
1、可以在大面积的沙漠上完成沙漠表面的硬化或筑路，其工作能量几乎全部来自太阳能，无需再从外界运载大量的化石能源，或者架设电力输送线路，可节约大量宝贵的能源和电力，同时节约相应的运输成本或电力输送的架设成本。
2、不受太阳日起日落的影响，可以实现全天候工作，使工作效率大大提高。
3、利用计算机进行自动控制，按照预先设定的程序，以无人值守的方式，在生存环境极其恶劣的沙漠地带自动完成沙漠表面的硬化工作，最大程度地降低人力成本。
4、行走机构简单可靠，重量轻，适合于大规模地治理沙漠或筑路。
为了达到上述目的，本发明的原理是：
本发明由电源系统、计算机与电机驱动系统、行走机构、激光扫描烧结机构四部分构成。
其中，电源系统用于收集太阳能，将光能转化为电能后，向本系统中的所有用电器件供电。包括：太阳能电源基站、机载太阳能电源、发电机、蓄电池组和电源充放电管理装置。除太阳能电源基站外，机载式太阳能电源、发电机、蓄电池组和电源充放电管理装置均装载于行走机构上。机载式太阳能电源以转化太阳能，并通过电源充放电管理装置向蓄电池组供电，蓄电池组再通过电源充放电管理装置向本系统中所有用电器件供电。当蓄电池组电量不足，且机载式太阳能电源不能供电时，可启用发电机向蓄电池进行供电，以维持整个系统的工作需要。太阳能电源基站是一个相对固定的规模较大的太阳能发电站，具有电能的贮存的功能。当机载的蓄电池组需要时，可以向装置于行走机构上的蓄电池组进行充电，从而实现利用太阳能并全天候利用其能量的目的。
计算机与电机驱动系统是整个系统的核心部分，是整个系统的中枢神经。通过计算机的控制实现人们预期的功能和效果。计算机包括基站计算机和机载计算机，基站计算机放置在固定指挥场所使用，机载计算机装载于行走机构上。基站计算机和机载计算机通过无线联网设备进行联网通讯，从而实现基站计算机对机载计算机的遥控操作。机载计算机也安装有相应的软件程序，当软件运行时，可以接收并处理各种相关的输入信号，可以通过输出端口向执行器件发出执行指令，也可以通过电机控制器，向电机发出运转指令，也可以通过激光控制器，使激光器进入激光输出状态或者关闭输出。
计算机与电机驱动系统向行走机构的电机发出执行指令，电机的转动驱动行走机构实现平移、转弯。行走机构上安装有履带，更适合在沙漠里行驶。
激光扫描烧结机构主要由激光器、聚焦偏转镜、横向扫描步进/伺服电机、纵向扫描步进/伺服电机、聚焦偏转镜转动支架等组成。当计算机与电机驱动系统通过激光控制器打开激光器，使其处于激光输出状态，同时，驱动横向扫描执行电机、纵向扫描执行电机协调转动，带动聚焦偏转镜转动，使激光器射出的光束通过聚焦偏转镜镜面发生偏转和聚焦，聚焦点在激光扫描烧结机构的下方的沙漠表面。激光聚焦点可以不是最小的光斑点。当激光聚焦点以适当的光斑大小，以适当的速度从沙漠表面上扫过，使沙粒熔化后互相融结再冷却，从而达到使沙漠表面硬化。
本发明将通过优选的实施例结合附图加以说明。
附图说明
图1是本发明的外观总体安装立体结构示意图；
图2是本发明的系统构成方框图；
图3是本发明的行走机构30的底部结构示意图；
图4是本发明的行走机构30的结构示意图；
图5是本发明的机载式太阳能电源的结构示意图；
图6是本发明的机载式太阳能电源的结构示意图；
图7是本发明的激光扫描烧结机构20的结构示意图；
图8是本发明的机载式太阳能电源的工作流程图；
图9是本发明的在计算机控制下激光扫描烧结机构20与行走机构30联合运行实施扫描硬化时的工作流程图。
具体实施方式
如图1、图2所示，本发明提供的是一种利用太阳能的智能化筑路与沙漠表面硬化系统，主要包括计算机与电机驱动系统(10)、激光扫描烧结机构(20)、行走机构(30)、电源系统(40)。
如图1、图2所示，计算机与电机驱动系统10主要由基站计算机100、基站GPS卫星定位器101、基站无线网络天线102、机载计算机110、机载无线网络天线111、激光控制器120、步进/伺服电机控制器121、I/O输入输出端口122、机载GPS卫星定位器123、步进/伺服电机驱动器131、132、133、134、135、136组成。其中，基站计算机100与基站GPS卫星定位器101、基站无线网络天线102连接，在一个相对固定的地点使用。机载计算机110上连接有机载无线网络天线111，并且可以通过基站无线网络天线102之间的无线网络实现与基地计算机100之间的信息传输和控制。机载计算机110与控制激光控制器120、步进/伺服电机控制器121、I/O输入输出端口122、机载GPS卫星定位器123、步进/伺服电机驱动器131、132、133、134、135、136连接并控制其实现相应的功能。GPS卫星定位器101和GPS卫星定位器123可以分别向基站计算机100和机载计算机110提供精确的位置坐标信息，为系统的自动和智能化运行提供前提条件。
如图1、图2、图3、图4所示，行走机构30主要由步进/伺服电机303、304、行走车架310、履带311、312、履带传动辅助轮315组成。履带传动辅助轮315安装在行走车架310上，履带311、312安装在履带传动辅助轮315上。履带结构与地面或沙漠表面之间有很大的接触面积，可以分散整个车架的压力，非常适合在沙漠等松软的地质表面行驶。步进/伺服电机303、304可以通过同步传动方式，使履带传动辅助轮315转动，从而带动履带311、312的转动。当步进/伺服电机303、304同时按相同的速率和方向驱动履带转动时，整个行走车架310就可以实现平移行驶。当步进/伺服电机303、304同时按不同的速率和方向驱动履带转动时，整个行走车架就可以实现转向行驶。由于计算机可以控制步进/伺服电机303、304进行匀加速或匀减速转动，并且转动的角度可以精确控制，所以可以使整个行走车架310实现非常平稳的起步、平移、转向、停止等动作，并且移动和转向的距离和角度可以控制非常精确。由于步进/伺服电机303、304具有较大的转动力距，通过简单的传动就可以使行走机构30实现各种行驶动作，所以可以省去传统动力控制中的发动机、变速箱、操纵机构和仪表等结构，使整个机身的重量大大减轻，结构也变得更加简单，可靠性也相应提高。由于机载计算机110可以通过软件编程控制行走机构30按照规定的路线与方式行驶，也可以通过基站计算机100与机载计算机110之间的无线网络，由基站计算机100控制机载计算机110驱动电机运行，所以可以实现行走车架30及其装载的各种设备的无人运行和工作，达到节省人力的目的，更适合在沙漠等恶劣气候条件下实现自主工作。
如图1、图2、图7所示，激光扫描烧结机构20主要由激光器200、聚焦偏转镜203、横向扫描步进/伺服电机201、纵向扫描步进/伺服电机202、聚焦偏转镜转动支架204、激光扫描烧结机构支架205组成。聚焦偏转镜203上有一个合适的反射曲面210，既能反射光束，也能聚焦光束，安装在聚焦偏转镜转动支架204上，通过纵向扫描转轴211实现转动，在纵向扫描步进/伺服电机202转动作用下，聚焦偏转镜203可将激光器200输出的光束聚焦偏转至下方的沙面上，并实现聚焦点在纵向扫描移动。在沙漠表面的聚焦点不一定是最小的聚焦光斑，在光斑处具有非常高的温度，并足以熔化沙粒。聚焦偏转镜转动支架204上有一个与纵向扫描转轴211相垂直的横向扫描转轴212，通过横向扫描转轴212安装在激光扫描器支架205上，在横向扫描步进/伺服电机201转动作用下，聚焦偏转镜203可将激光器200输出的光束聚焦偏转至下方的沙面上，并实现聚焦点在横向扫描移动。在横向扫描步进/伺服电机201、纵向扫描步进/伺服电机202的联合协调动作，使激光光斑在沙面上进行逐点扫描，类似于阴极射线显示器的行扫描与场扫描。由于激光器200的光束输出稳定而且非常可靠，便于控制，所以在正常供电情况下，可以不受天气状况的影响进行全天候施工。又由于激光器200的输出功率可以做得相当大，输出光束经偏转聚焦后，完全可以迅速地将沙粒熔化，完成硬化目的。由于对光路的偏转控制很简单，所以激光在传输过程中的损耗也非常小，同时可以提高工作效率。
如图1所示，激光扫描烧结机构20安装在行走机构30的车架310上，并位于履带311、312的外侧。这样可以使激光在沙面上进行扫描熔化时，使扫描的区域不受履带311、312安装位置的限制，同时也可以防止扫描后灼热的接近熔化温度的沙层对履带311、312的损害。激光扫描烧结机构20在扫描硬化工作时，行走机构30处于停止状态，可以保证扫描区域的精度。行走机构30与激光扫描烧结机构20的协同工作，可以完成一个较大的连续区域的沙漠表面的硬化工程。使用功率足够大的激光器和调整适当的扫描宽度，使熔化的沙层在冷却板结后达到足够的承载能力后，就可以作为公路使用。
如图1、图2、图5、图6所示，电源系统40主要由电源充放电管理装置400、蓄电池组401、机载太阳能电源410、太阳能电源基站420、发电机430组成。蓄电池组401通过电源充放电管理装置400向各用电设备提供电力。机载太阳能电源410可以将太阳能转化为电能，并通过电源充放电管理装置400向蓄电池组401充电。当蓄电池组401电量不足，且没有日光，机载太阳能电源410无法向蓄电池组401充电时，机载计算机110可以通过I/O输入输出端口122和相应的执行器件启动发电机430向蓄电池组401充电。
如图1、图5、图6所示，机载太阳能电源410的功能是随时为机载蓄电池组401充电，从而达到为所有用电器件提供电力的目的。机载太阳能电源410主要由太阳能电池450、太阳能电池板支架451、水平底座452、水平转动支撑轮453、水平转动齿圈454、水平转动齿轮455、水平转动步进/伺服电机405、仰角支撑螺杆460、电池板支撑螺杆滑座461、仰角调整步进/伺服电机406、仰角调整齿轮463、电机底座464组成。太阳能电池450安装在太阳能电池板支架451上，太阳能电池板支架451安装在水平底座452上，并可以通过销轴转动，改变与水平底座452之间的夹角。水平底座452上安装有至少三个水平转动支撑轮453，水平转动支撑轮453与行走车架310接触，行走车架310上有中心竖轴320，水平底座452上有中心转轴孔470，水平底座452通过中心竖轴320和中心转轴孔470在水平转动支撑轮453的支撑下实现水平转动，从而使太阳能电源410实现水平转动。仰角支撑螺杆460通过电池板支撑螺杆滑座461支撑太阳能电池板支架451呈一定的仰角。仰角调整步进/伺服电机406安装在电机底座464上，仰角调整齿轮463安装在仰角调整步进/伺服电机406上，仰角调整步进/伺服电机406转动时，通过仰角调整齿轮463使仰角支撑螺杆460转动，从而使电池板支撑螺杆滑座461沿仰角支撑螺杆460上下滑动，从而实现太阳能电池板支架451的仰角的变化。在机载计算机110的控制下，水平转动步进/伺服电机405、仰角调整步进/伺服电机406协调运行，可以使太阳能电池板支架451最大限度地实现正向朝向太阳光，从而最大限度地转化太阳能。
如图8所示，此程序的作用是利用GPS定位器、行走机构30与步进/伺服电机405、406的联动，实现在机载太阳能电源的位置不断变动的情况下，对太阳的二维自动跟踪。程序开始运行时，步骤2001中机载计算机110从机载GPS定位器读取第一地点的经度和纬度，在步骤2002中，指令步进/伺服电机303、304同向驱动，使行走机构30沿直线方向行驶一定距离，步骤2003中机载计算机110从再次从机载GPS定位器读取第二地点的经度和纬度，步骤2004中可根据两次读取的经度、纬度和行驶距离、时间以及太阳的轨道参数，可计算出行驶方向、太阳水平方位、太阳与地平面间仰角的时间序列。计算完成后，则进行步骤2005，检查目前太阳是否处于地平线以上，如果是，则进入步骤2006，使步进/伺服电机405、406联合驱动，使太阳能电池板朝向太阳光直射方向。如果为否，则进入步骤2007，使步进/伺服电机405、406联合驱动，使太阳能电池板朝向太阳光的起始直射方向。步骤2006和步骤2007结束后，均进入步骤2008，检查程序是否需要中止，如果为否，则程序继续执行步骤2005，从而实现对太阳光的二维跟踪。如果为是，则程序结束。以GPS定位和轨道计算相结合的方式进行太阳光的二维跟踪，可以不受非晴朗天气的影响，可以自动修正跟踪角度，结构简单且工作可靠稳定。
如图9所示，程序开始运行时，步骤3001中，检查蓄电池组中的电量是否到达下限，也就是是否能满足一次扫描所需要的能量。如果为是，则程序结束，不进行激光扫描熔结作业。如果为否，则执行步骤3002，步进/伺服电机303、304同向驱动行走机构30沿直线方向行驶固定距离。进入步骤3003，步进/伺服电机201、202联合转动使激光束聚集点移至扫描起点。进入步骤3004，打开激光器200，使激光输出。进入步骤3005，步进/伺服电机201、202联合转动，完成激光聚焦点对局部区域的全部扫描，并使其熔化烧结。进入步骤3006，关闭激光器200，是为了在进入下一扫描周期前，节约能量的消耗。再执行步骤3007，检查是否需要继续工作，如果为是，则程序转向步骤3001，继续重复执行上述步骤。如果为否，则程序结束，扫描硬化工作停止。