張興宇 韓 策 訾 寶 曹雷天 付利榮

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基于stm32的智能農(nóng)業(yè)水利作業(yè)車

張興宇 韓 策 訾 寶 曹雷天 付利榮

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 河北 保定 071000）

本作品由黑白傳感器，紅外傳感器，stm32單片機(jī)，角度傳感器，機(jī)械臂，舵機(jī)組成。本系統(tǒng)以四輪小車為載體，在車的底部裝有黑白傳感器，兩側(cè)裝有紅外傳感器，車底板裝有角度傳感器，車上裝有機(jī)械臂，水箱，舵機(jī)。黑白傳感器用來(lái)檢測(cè)道路信息，單片機(jī)通過(guò)處理黑白傳感器的信息，控制小車沿既定的軌跡行駛；紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)水箱和植株，單片機(jī)接收到信號(hào)，控制小車精確抽水和灌溉；機(jī)械臂用來(lái)把抽水管和放水管放到指定的位置；角度傳感器用來(lái)檢測(cè)小車底盤傾角，用舵機(jī)保持水箱水平。最終實(shí)現(xiàn)小車沿白色軌跡運(yùn)行，遇到上下坡，及時(shí)調(diào)整水箱角度，遇到水箱，植株，自動(dòng)抽水和灌溉。

循跡；角度傳感器；機(jī)械臂；灌溉

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)原理

小車的底部裝有黑白傳感器，側(cè)部裝有紅外傳感器，中部裝有GY25角度傳感器，車上的水箱里裝有液位傳感器。底部的黑白傳感器用于小車延一定的軌跡行駛，側(cè)部的紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)水箱和被灌溉植株，中部的角度傳感器用來(lái)檢測(cè)小車底板的傾角，液位傳感器用來(lái)檢測(cè)水箱中水的液位。正常運(yùn)行時(shí)，小車根據(jù)底部三個(gè)黑白傳感器的信號(hào)正常循跡，當(dāng)側(cè)部的紅外傳感器1檢測(cè)到信號(hào)，機(jī)械臂帶動(dòng)抽水管伸進(jìn)水箱，繼電器打開(kāi)，水泵開(kāi)始工作，水進(jìn)入車上的水箱，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的液位繼電器關(guān)閉，水泵停止工作，小車?yán)^續(xù)循跡。當(dāng)側(cè)部的紅外傳感器2檢測(cè)到信號(hào)，機(jī)械臂帶動(dòng)放水管到目標(biāo)植株，繼電器打開(kāi)，水泵工作，同時(shí)單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)滿后停止放水。循跡過(guò)程中，道路可能不平坦，角度傳感器檢測(cè)車底盤的角度，通過(guò)舵機(jī)調(diào)節(jié)水箱的角度，使水箱保持水平。

1.2 系統(tǒng)論證

1.2.1硬件系統(tǒng)

電源模塊

系統(tǒng)采用三套電源供電，循跡用的減速電機(jī)和抽水用的水泵用12V開(kāi)關(guān)電源供電；舵機(jī)使用5V開(kāi)關(guān)電源供電；單片機(jī)，傳感器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使用3.3V電源供電；三電源供電可以減少水泵，減速電機(jī)和舵機(jī)對(duì)單片機(jī)的影響。

運(yùn)動(dòng)模塊

本次制作的小車由于需要載重，上下坡，所以平常智能小車上使用的直流減速電機(jī)不能滿足要求，故本次選用12V大扭矩直流減速電機(jī)。單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N,從而控制控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使小車可以循跡和轉(zhuǎn)彎。

機(jī)械臂模塊

機(jī)械臂由三個(gè)MG996R模擬舵機(jī)，若干舵機(jī)云臺(tái)，抽放水管和水泵構(gòu)成。三個(gè)舵機(jī)控制機(jī)械臂的三個(gè)自由度，按照程序運(yùn)動(dòng)。水管用來(lái)導(dǎo)流，水泵用來(lái)抽水。

水箱平衡模塊

水箱通過(guò)兩個(gè)軸固定在車上，一端為固定端，一端為活動(dòng)端，活動(dòng)端連接舵機(jī)，角度傳感器檢測(cè)車底盤的角度，通過(guò)單片機(jī)控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使水箱保持水平。

傳感器模塊

本裝置使用3個(gè)黑白傳感器，2個(gè)紅外傳感器，一個(gè)角度傳感器，一個(gè)水位傳感器。黑白傳感器位于小車的底部，用于尋白線，使小車沿設(shè)定的軌跡行駛。兩個(gè)紅外傳感器，分別用于檢測(cè)水箱和植株，當(dāng)紅外傳感器1檢測(cè)到信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷EXIT_1，單片機(jī)控制機(jī)械臂和水泵完成抽水動(dòng)作，當(dāng)紅外傳感器2檢測(cè)到信號(hào)，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷EXIT_2，單片機(jī)控制機(jī)械臂和水泵完成放水動(dòng)作；角度傳感器用于檢測(cè)小車底盤的角度，通過(guò)舵機(jī)控制水箱保持水平；水位傳感器，在小車抽水時(shí)檢測(cè)水箱中的水位，當(dāng)水箱中的水到達(dá)設(shè)定水位，停止抽水。

1.2.2

軟件系統(tǒng)

小車前輪為主動(dòng)輪，后輪為從動(dòng)輪。單片機(jī)通過(guò)控制前輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來(lái)控制小車左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，前進(jìn)和停止。具體分析：

a:左輪和右輪以相同的速度向前，小車前進(jìn)；

b:左輪轉(zhuǎn)速慢于右輪轉(zhuǎn)速，小車S彎左轉(zhuǎn)；

c:左輪轉(zhuǎn)速快于右輪轉(zhuǎn)速，小車S彎右轉(zhuǎn)；

d:左輪停止右輪前進(jìn)，小車直角彎左轉(zhuǎn)；

e:左輪前進(jìn)右輪停止，小車直角彎右轉(zhuǎn)；

f:左輪和右輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，小車停止；

車底部安裝有三個(gè)黑白傳感器，三個(gè)傳感器分別位于白線的左側(cè)，右側(cè)，和白線上，并把傳感器簡(jiǎn)稱為左，中，右。單片機(jī)通過(guò)分析傳感器返回的信號(hào)來(lái)控制小車循跡。具體分析：

a:當(dāng)左高電平，中低電平，右高電平時(shí)小車前進(jìn);

b:當(dāng)左低電平，中高電平，右高電平時(shí)小車S彎左轉(zhuǎn)；

c:當(dāng)左高電平，中高電平，右低電平時(shí)小車S彎右轉(zhuǎn)；

d:當(dāng)左低電平，中低電平，右高電平時(shí)小車直角彎左轉(zhuǎn);

e:當(dāng)左高電平，中低電平，右低電平時(shí)小車直角彎右轉(zhuǎn);

f:當(dāng)左低電平，中低電平，右低電平時(shí)小車前進(jìn)；

g:當(dāng)左低電平，中高電平，右低電平時(shí)小車停止；

h:當(dāng)左高電平，中高電平，右高電平時(shí)小車停止；

機(jī)械臂部分

機(jī)械臂有三個(gè)自由度，單片機(jī)通過(guò)舵機(jī)控制機(jī)械臂的三個(gè)自由度的大小，和機(jī)械臂張合的快慢，其工作過(guò)程如下：當(dāng)檢測(cè)到水箱時(shí)，舵機(jī)1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，舵機(jī)2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，機(jī)械臂向小車左側(cè)打開(kāi)，舵機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度把抽水管送入水箱，進(jìn)行抽水。抽水完成后，整體收回機(jī)械臂。當(dāng)檢測(cè)到植株時(shí)，舵機(jī)1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，舵機(jī)2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，機(jī)械臂向小車右側(cè)打開(kāi)，舵機(jī)3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度把放水管送到植株根部附近，進(jìn)行放水。

角度傳感器部分

角度傳感器使用的是GY25模塊，GY25檢測(cè)小車底盤與地平線的夾角，通過(guò)串口把角度值返回給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)返回的角度值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲得的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度和小車底盤傾角的關(guān)系，控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，從而使舵機(jī)帶動(dòng)水箱保持水平。

2 系統(tǒng)調(diào)試

2.1 循跡調(diào)試

調(diào)試準(zhǔn)備：根據(jù)以上分析的循跡的邏輯關(guān)系，編制程序，燒錄進(jìn)單片機(jī)。賽道底板是黑色，上面貼有的白色循跡線，循跡線上有S彎，直角彎，坡起，賽道左側(cè)有水箱，右側(cè)有植株。把小車放到循跡線上，使小車的左右黑白傳感器位于白線兩側(cè)，中間的黑白傳感器位于白線上，打開(kāi)電源，啟動(dòng)小車。

調(diào)試結(jié)果：小車全程可以尋白線通過(guò)S彎，直角彎，順利循跡，并可以上坡。

2.2 機(jī)械臂與水泵聯(lián)合調(diào)試

調(diào)試過(guò)程：斷開(kāi)循跡部分，用裝有水的水箱遮擋紅外傳感器1，單片機(jī)進(jìn)入外部中斷EXIT_1，單片機(jī)發(fā)送命令給機(jī)械臂，觀察機(jī)械臂是否可以把抽水管送入水箱，完成抽水過(guò)程，并整體收回機(jī)械臂；之后植株模型遮擋紅外傳感器2，單片機(jī)進(jìn)入外部中斷EXIT_2，單片機(jī)發(fā)送命令給機(jī)械臂，觀察機(jī)械臂是否可以把放水管送到植株根部，完成放水過(guò)程，并整體收回機(jī)械臂。

調(diào)試結(jié)果：機(jī)械臂可以順利的把抽水管送入水箱，完成抽水過(guò)程，并收回機(jī)械臂；同時(shí)機(jī)械臂可以把放水管準(zhǔn)確的放到植株根部，完成灌溉過(guò)程，并收回機(jī)械臂。

2.3 角度傳感器與舵機(jī)聯(lián)合調(diào)試

調(diào)試過(guò)程：小車后輪不動(dòng)，抬高前輪，使車底板和地面呈任意角度（50度以內(nèi)），觀察舵機(jī)能否使水箱保持水平；小車前輪不動(dòng)，抬高后輪，使車底板和地面呈任意角度（50度以內(nèi)），觀察舵機(jī)能否使水箱保持水平。

調(diào)試結(jié)果：抬起前輪或后輪使車底板和地面呈任意角度（50度以內(nèi)），舵機(jī)能使水箱保持水平。

2.4 整體聯(lián)調(diào)

調(diào)試準(zhǔn)備：在賽道中間某處，白色循跡線左側(cè)放置一個(gè)水箱，在賽道結(jié)束部分，白色循跡線右側(cè)放置幾個(gè)植株，把小車放在循跡線上。

調(diào)試結(jié)果：打開(kāi)系統(tǒng)，小車開(kāi)始循跡，在水箱處完成抽水操作，在植株部分完成灌溉操作，在上坡的過(guò)程中，車上的水箱保持水平。

[1]張耀辰.基于嵌入式的多功能智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].才智.2015.3.

[2]張強(qiáng) 趙麗琴 黃卓 馮靖凱 郭梁.基于傾角傳感器技術(shù)的全地形水平運(yùn)載系統(tǒng) [J].電子設(shè)計(jì)工程.CSTPCD.2015.1.

this work consists of black and white sensor, infrared sensor stm 32 single chip, angle sensor, mechanical arm, steering gear. The system is carried by a four-wheeled car with black and white sensors at the bottom of the vehicle, infrared sensors on both sides, angle sensors on the bottom of the vehicle, and a mechanical arm, water tank and steering gear on the vehicle. Black and white sensors are used to detect road information, single chip computers process information of black and white sensors, and small cars are controlled to travel along a given track. Infrared sensors are used to detect water tanks and plants, and single chip computers receive signals. A control cart for precise pumping and irrigation; a mechanical arm used to place pumping pipes and discharge pipes on designated pipes. Position; angle sensor is used to detect the inclination of the chassis of the car and keep the water tank level with the steering gear. Finally, the car can run along the white track, meet the downhill, adjust the water tank angle in time, meet the water tank, plant, automatically pump water and irrigate.

tracking; angle sensor; manipulator; irrigation

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.11.040

U467.4;TP274

A

1672-9129(2017)11-0034-02