河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 趙一州 常悅 張德林

關(guān)鍵字：51 單片機(jī)；顏色傳感器；環(huán)湖植樹(shù)；循跡避障；智慧農(nóng)業(yè)

1 設(shè)計(jì)要求

本小車(chē)的設(shè)計(jì)功能是實(shí)現(xiàn)“環(huán)湖種樹(shù)”：該小車(chē)能夠沿規(guī)定圍墻外側(cè)行駛，在指定位置撿取目標(biāo)物“樹(shù)木”，“樹(shù)木”分為藍(lán)色與綠色兩種，運(yùn)輸?shù)健胺N樹(shù)”區(qū)域，區(qū)域中存在藍(lán)色與綠色兩種，對(duì)應(yīng)顏色“樹(shù)木”需種入對(duì)應(yīng)顏色“樹(shù)坑”中，成功完成全部“種樹(shù)”任務(wù)后，機(jī)器人繼續(xù)沿圍墻行駛至起點(diǎn)為完成全部任務(wù)。全過(guò)程靠小車(chē)自行完成，無(wú)人工干預(yù)。（注：樹(shù)苗和樹(shù)坑顏色的識(shí)別只需識(shí)別地面顏色即可，在樹(shù)苗存放處有擋板標(biāo)識(shí)物，在樹(shù)坑處無(wú)標(biāo)識(shí)物。各顏色樹(shù)苗存放處均有兩棵樹(shù)，每個(gè)樹(shù)坑只允許放一棵樹(shù)苗。）

圖1 小車(chē)行駛路線圖

2 整體設(shè)計(jì)思路

小車(chē)要滿足設(shè)計(jì)要求，需從“環(huán)湖”和“植樹(shù)”兩處考慮。環(huán)湖可以以循跡和避障相結(jié)合的方式入手；植樹(shù)需要傳感器來(lái)檢測(cè)和識(shí)別樹(shù)木，用機(jī)械臂來(lái)完成拾取動(dòng)作；小車(chē)整體結(jié)構(gòu)，需結(jié)合實(shí)際情況而定。具體如下圖：

圖2 基于51 單片機(jī)的環(huán)湖植樹(shù)智能小車(chē)的設(shè)計(jì)

3 整體構(gòu)造

小車(chē)的主體構(gòu)造為車(chē)板、分有左右兩室的車(chē)廂、兩個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)車(chē)輪作為前輪（驅(qū)動(dòng)輪）、后輪是一個(gè)萬(wàn)向輪（從動(dòng)輪）、AT89C52 單片機(jī)控制模塊、L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊、5V和12V 直流電源模塊、電源壓降模塊、傳感器模塊、機(jī)械臂模塊。

4 功能實(shí)現(xiàn)與原理

4.1 整體原理

該小車(chē)基于AT89C52 單片機(jī),通過(guò)L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊控制兩個(gè)直流減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)倒退以及轉(zhuǎn)彎。在車(chē)體側(cè)前方和靠近湖泊側(cè)方裝有紅外傳感器，在車(chē)的底部裝有光電開(kāi)關(guān)和顏色傳感器。車(chē)體前方和側(cè)方的紅外傳感器保證小車(chē)在與擋板保持一定距離的情況下前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。在小車(chē)進(jìn)行環(huán)湖繞行時(shí)，當(dāng)小車(chē)底部的光電開(kāi)關(guān)和顏色傳感器協(xié)同檢測(cè)識(shí)別樹(shù)苗標(biāo)識(shí)物時(shí)，將產(chǎn)生的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)控制小車(chē)停止的同時(shí)向舵機(jī)發(fā)送信號(hào)，由舵機(jī)控制機(jī)械臂進(jìn)行樹(shù)苗的夾取，并放入車(chē)廂相應(yīng)的分室內(nèi)。小車(chē)?yán)^續(xù)前行檢測(cè)到相應(yīng)的樹(shù)坑，舵機(jī)控制機(jī)械臂將樹(shù)苗從相應(yīng)分室取出放置到坑位中。

4.2 小車(chē)“環(huán)湖”行走功能實(shí)現(xiàn)與原理

該車(chē)由紅外傳感器傳給單片機(jī)信號(hào)[1]，單片機(jī)控制L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板模塊進(jìn)而控制兩個(gè)直流減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)倒退以及轉(zhuǎn)彎。電機(jī)和傳感器均用5V 電池供電。將靠近湖泊（即圍墻，下文皆用圍墻代替）側(cè)方裝的紅外傳感器定義為1號(hào)傳感器，側(cè)前方的定義為2 號(hào)傳感器，二者尾部相靠，1 號(hào)與車(chē)體水平，2 號(hào)與1 號(hào)呈45 度夾角指向側(cè)前方。1 號(hào)傳感器靈敏度調(diào)為10 厘米，2 號(hào)為5 厘米。

狀態(tài)一：當(dāng)1 號(hào)檢測(cè)到圍墻而2 號(hào)沒(méi)有時(shí)，說(shuō)明小車(chē)與圍墻距離在5 到10 厘米內(nèi)，距離合適，兩車(chē)輪均向前轉(zhuǎn)，小車(chē)直行；

狀態(tài)二：當(dāng)兩個(gè)傳感器都有檢測(cè)信號(hào)傳給單片機(jī)時(shí)，說(shuō)明小車(chē)與圍墻距離已小于5 厘米，此時(shí)單片機(jī)控制靠近圍墻一側(cè)車(chē)輪向前轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)離一側(cè)的向后轉(zhuǎn)，從而使小車(chē)向遠(yuǎn)離圍墻一側(cè)轉(zhuǎn)彎，直到恢復(fù)到狀態(tài)一為止；

狀態(tài)三：當(dāng)兩傳感器均未檢測(cè)到圍墻時(shí)，說(shuō)明小車(chē)離圍墻距離大于10 厘米，此時(shí)近側(cè)車(chē)輪向后轉(zhuǎn)，另一側(cè)的向前轉(zhuǎn)，使得小車(chē)向圍墻一側(cè)轉(zhuǎn)彎行駛，直到恢復(fù)到狀態(tài)一為止。

以上三種狀態(tài)保證了小車(chē)一直與圍墻保持在5 到10 厘米的距離行駛，從而實(shí)現(xiàn)“環(huán)湖”行駛。

4.3 小車(chē)“植樹(shù)”功能實(shí)現(xiàn)與原理

該小車(chē)底部裝有光電開(kāi)關(guān)和顏色傳感器，二者協(xié)同檢測(cè)識(shí)別“樹(shù)苗”和相應(yīng)顏色的樹(shù)坑，其中顏色傳感器朝下，光電開(kāi)關(guān)朝向側(cè)面；車(chē)后面有兩室的車(chē)廂，分別裝載藍(lán)色和綠色樹(shù)苗；車(chē)頂裝有機(jī)械臂，負(fù)責(zé)將樹(shù)苗拾取到相應(yīng)的車(chē)廂分室內(nèi)以及從分室內(nèi)取出樹(shù)苗放到相應(yīng)的樹(shù)坑中。其具體動(dòng)作如下：

在顏色傳感器檢測(cè)到地面顏色時(shí)，小車(chē)停下，如果光電開(kāi)關(guān)也檢測(cè)到側(cè)面的擋板標(biāo)識(shí)物，說(shuō)明小車(chē)來(lái)到相應(yīng)顏色的樹(shù)苗存放區(qū)，則機(jī)械臂執(zhí)行拾取動(dòng)作，夾取地面上的兩棵樹(shù)苗，當(dāng)顏色傳感器檢測(cè)到藍(lán)色，機(jī)械臂將樹(shù)苗放到左側(cè)分室；若檢測(cè)到綠色，則放到右側(cè)分室。完成動(dòng)作后小車(chē)?yán)^續(xù)前行。

在顏色傳感器檢測(cè)到地面顏色而光電開(kāi)關(guān)未檢測(cè)到標(biāo)識(shí)物時(shí)，說(shuō)明小車(chē)來(lái)到樹(shù)坑處。若傳感器檢測(cè)到藍(lán)色地面，機(jī)械臂從左側(cè)分室?jiàn)A取樹(shù)苗并放入樹(shù)坑；若為綠色，則從右面夾取并放入樹(shù)坑。完成動(dòng)作后，小車(chē)?yán)^續(xù)前行。

上述動(dòng)作使小車(chē)完成植樹(shù)。其中，傳感器和機(jī)械臂具體結(jié)構(gòu)原理如下：

（1）顏色傳感器部分：由三原色原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色值，就能夠知道檢測(cè)物的顏色。單片機(jī)控制顏色傳感器內(nèi)紅色濾波器、綠色濾波器、藍(lán)色濾波器的工作狀態(tài)，由顏色傳感器輸出脈沖信號(hào)給單片機(jī)，得到檢測(cè)物的RBG 值[3]。

（2）機(jī)械臂部分：如下圖所示，該機(jī)械臂由三個(gè)舵機(jī)和機(jī)械爪以及舵機(jī)支架組成，自上而下分別為，一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)舵機(jī)。一號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械臂在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)向移動(dòng)，二號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械臂在豎直面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，三號(hào)舵機(jī)控制機(jī)械爪的張開(kāi)與閉合。

圖3 三舵機(jī)機(jī)械臂

5 實(shí)現(xiàn)情況與存在問(wèn)題

該小車(chē)的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該小車(chē)可以順利完成所有工作。不過(guò)這是在光線適當(dāng)且均勻的室內(nèi)，遮光工作比較到位的前提下。如若有強(qiáng)光干擾或者小車(chē)在室外運(yùn)行，小車(chē)存在光線干擾的問(wèn)題，無(wú)法順利完成相應(yīng)動(dòng)作。對(duì)此，可用超聲波傳感器替換紅外傳感器，以解決光線干擾問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今社會(huì)發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的背景下，該設(shè)計(jì)在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，也對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械，尤其是植樹(shù)機(jī)械有一定的參考價(jià)值和啟迪意義。但是，該小車(chē)目前只是一個(gè)智能小車(chē)，距現(xiàn)實(shí)中的環(huán)湖植樹(shù)還有很大差距。不過(guò)我們會(huì)繼續(xù)研發(fā)，愿為我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展以及智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。