郭明+朱雨珂+李思全

去年暑假，科技活動小組的同學(xué)去寧鄉(xiāng)縣青龍寨生態(tài)養(yǎng)殖園考察，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖場使用了一種新型環(huán)保養(yǎng)殖設(shè)施：利用發(fā)酵床內(nèi)米糠鋸末中的放線菌分解糞便來防止污染。

為提高發(fā)酵床的活性和效率，使糞便與米糠鋸末等填料均勻混合，一般需要2至3天翻耕使其降溫。傳統(tǒng)的方式是采用人力、用釘耙翻耙，既費力耗時且效果不佳。為解決這些問題，我們研制了發(fā)酵養(yǎng)殖床服務(wù)機(jī)器人。

一、控制系統(tǒng)設(shè)計

以高性能、低功耗的cortexA8單片機(jī)構(gòu)成主控系統(tǒng)，通過機(jī)器視覺、超聲和電子鼻技術(shù)，實時檢測發(fā)酵床糞便堆積圖像、溫濕度及功能菌活性，通過物聯(lián)網(wǎng)遙控或全自動工作模式，準(zhǔn)確尋找糞便源，按照“之”字形或“回”字形路線實施均勻疏散翻耕。

1.控制系統(tǒng)與單片機(jī)操作系統(tǒng)選擇

由于控制器不僅控制電機(jī)，還要接收各種傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程控制中心，同時接收遠(yuǎn)程機(jī)器人控制指令，因此要求其具有較高的速度，能運(yùn)行Linux系統(tǒng)，采用先進(jìn)的片內(nèi)AMBA總線技術(shù)，進(jìn)行多任務(wù)處理?？刂葡到y(tǒng)框如圖1。

2.主控板、內(nèi)部總線與和傳感器的設(shè)計

選用富士康A(chǔ)20主控板以滿足單片機(jī)、各種傳感器與接口以及整個系統(tǒng)運(yùn)行的需要。

由于控制系統(tǒng)為“單主機(jī)-多從機(jī)”模式，因此采用使用最廣的串行總線標(biāo)準(zhǔn)RS485。它可實現(xiàn)1km距離的傳輸，傳輸速率可達(dá)1Mbps；Modbus協(xié)議簡單，軟件編程較易實現(xiàn)，開發(fā)周期短。

傳感器模塊主要包括數(shù)字溫濕度模塊、超聲波傳感器模塊（雙模式）、微型無線高清監(jiān)控、高效圖像壓縮技術(shù)及超低待機(jī)功耗的攝像頭一體機(jī)模塊。

二、運(yùn)動及功能系統(tǒng)設(shè)計

1.電機(jī)車輪的選擇及運(yùn)動功能的實現(xiàn)

機(jī)器人驅(qū)動選擇相對速度快、精確穩(wěn)定、成本較低的直流伺服電機(jī)，而鏟斗和機(jī)械臂采用適用低速精確控制的步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動輪方面，圓形驅(qū)動輪易原地打滑，無法前進(jìn)與后退；針形輪和風(fēng)車輪效果較好，因針形驅(qū)動輪穩(wěn)定性更好而被選用。

2.翻耕平整結(jié)構(gòu)與機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人的翻耕輪和耙子可根據(jù)實際生產(chǎn)需要，實現(xiàn)不同深度的翻耕和耙勻。機(jī)械臂主要由四連桿機(jī)構(gòu)、皮帶傳動輪和步進(jìn)電機(jī)組成。通過控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速率和方向，帶動機(jī)械臂和疏散裝置升降。

3.疏散拋灑結(jié)構(gòu)設(shè)計

要實現(xiàn)機(jī)械替代人工疏散拋灑糞便，尋找一種體積合適、功率大、效率高且操作方便的裝置是設(shè)計的關(guān)鍵。我們做了以下方案：

（1）把糞便攪成糊狀，再噴灑至發(fā)酵養(yǎng)殖床表面。由于該設(shè)計影響了發(fā)酵養(yǎng)殖床的濕度、不利于生態(tài)菌發(fā)酵，且噴灑裝置易堵塞、效率低而被放棄。

（2）把糞便收集后移至發(fā)酵養(yǎng)殖床外曬干或烤干的干粉式設(shè)計。該設(shè)計工藝繁瑣，耗能過高，因而也被放棄。

（3）為實施收集、攪碎、拋灑的功能，我們從挖掘機(jī)鏟斗、廚房排氣扇以及拋秧機(jī)的結(jié)構(gòu)中獲得靈感，設(shè)計了“喇叭形多孔鏟斗+減速電機(jī)+葉輪”的疏散拋灑結(jié)構(gòu)，其工作原理如下：

機(jī)器人驅(qū)動輪帶動鏟斗前行，大電機(jī)帶動機(jī)械臂上下運(yùn)動；設(shè)計一種喇叭結(jié)構(gòu)的鏟斗，在鏟斗左、右、底三面鉆好大小合適的小孔；在鏟斗內(nèi)安裝適配的微型步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)軸上安裝可自由旋轉(zhuǎn)的葉輪；改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向和速率，即可控制葉輪離心力和風(fēng)力大小、方向，實現(xiàn)機(jī)器人的疏散拋灑和收集等功能。

三、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

嵌入式Linux操作系統(tǒng)是一個功能強(qiáng)大、穩(wěn)定和通用的開放源碼操作系統(tǒng)，可提供豐富的跨硬件平臺支持。它支持多用戶、多進(jìn)程和TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有圖形用戶界面和強(qiáng)大的開發(fā)工具。

四、樣機(jī)的實驗室組裝

主要設(shè)備與工具：電腦、數(shù)控機(jī)床、電烙鐵、噴漆槍，萬用表、套裝組合工具等。

主要原材料與零部件：電路板、減速電機(jī)（DC-25mm×2、DC-37mm、DC-10mm）；傳感器（溫度、濕度、視覺、超聲）；鋁合金板材、梁材、螺絲、螺帽、塑料板材；電阻、電容、電感、集成塊、油漆等。

按設(shè)計圖組裝：安裝底盤及主控板；安裝傳感器、電機(jī)與車殼；安裝機(jī)械臂與疏散拋灑機(jī)構(gòu)。

五、樣機(jī)的測試

1.操作系統(tǒng)與藍(lán)牙通信測試

選擇C語言與圖形化編程結(jié)合的方式，使用筆記本電腦或智能手機(jī)對樣機(jī)模型進(jìn)行測試。結(jié)果顯示系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

編寫機(jī)器人與手機(jī)藍(lán)牙通信程序，并安裝在手機(jī)上。機(jī)器人始終放在實驗室發(fā)酵養(yǎng)殖床內(nèi)，移動手機(jī)的位置，藍(lán)牙通信距離從0m至100m范圍內(nèi)都能正常通信和控制。筆記本電腦測試操作系統(tǒng)能正常運(yùn)行。

2.溫濕度監(jiān)控與自動翻耕功能測試

按設(shè)計把溫濕度傳感器模塊與主控板相連后編寫代碼。由于溫度計能檢測的溫度范圍m1為-25℃至100℃，對應(yīng)0至255（機(jī)器人固定的取值范圍）之間的值，為了直接顯示溫度值，測試程序通過一次函數(shù)fetm=m1×0.5-25.0對檢測的值進(jìn)行了變換。

當(dāng)發(fā)酵養(yǎng)殖床測試正常發(fā)酵（假設(shè)檢測處溫度≤58.5℃）時，機(jī)器人原地不動，否則提示需要翻耕發(fā)酵養(yǎng)殖床信息（也可發(fā)送短信至手機(jī)或電腦），選擇翻耕路線，將發(fā)酵養(yǎng)殖床全部翻耕一遍。

機(jī)器人溫度測試程序在有超聲模塊的前提下，可選擇“之字形”路線（子程序流程如圖2）。在有定位模塊運(yùn)行時，也可選擇“回字形”路線子程序。

3.運(yùn)動與避障功能測試

主要器材：自制的模擬發(fā)酵養(yǎng)殖床、發(fā)酵養(yǎng)殖床疏散翻耕機(jī)器人、小礦泉水瓶、智能手機(jī)等。

實驗過程：根據(jù)樣機(jī)運(yùn)動功能測試試驗結(jié)果，選擇雙前驅(qū)電機(jī)安裝模式；利用超聲波傳感器的聲波發(fā)送與接收原理實現(xiàn)避障試驗（在模擬發(fā)酵養(yǎng)殖床內(nèi)放置4個小礦泉水瓶作為障礙物）。

實驗表明，發(fā)酵養(yǎng)殖床疏散翻耕機(jī)器人能順利避開障礙物。

4.鋪墊、疏散、拋灑、翻耕、平整和收集功能測試

實驗場及器材：同上。

實驗過程：鋪墊發(fā)酵養(yǎng)殖床填料；疏散拋灑糞便；將發(fā)酵養(yǎng)殖床填料翻耕平整；收集發(fā)酵成熟的發(fā)酵養(yǎng)殖床填料。

實驗表明，上述功能均能達(dá)到設(shè)計要求。（指導(dǎo)老師：段家鐵 蔣銀生）