劉銘祥 宋毅飛 徐雯雯 田新穎 王志松

摘要：本設(shè)計以紅外線傳感器，顏色傳感器，STC98C51最小系統(tǒng)，舵機(jī)控制板，機(jī)械臂部模塊為基本構(gòu)造，以直流電機(jī)驅(qū)動的履帶式車地盤為基礎(chǔ)載體。紅外傳感器位于車體四周，用以檢測路線，感知周圍障礙物，判斷終點位置;顏色傳感器識別目標(biāo);單片機(jī)綜合、分析各傳感器傳回的信息，控制小車沿指定路線前進(jìn)并躲避障礙物、識別并抓取樹苗、最終將樹苗運送到終點，完成種植。本設(shè)計的開發(fā)制作立足于探討現(xiàn)實中以機(jī)器代替勞動力進(jìn)行植樹等偏重體力的農(nóng)業(yè)作業(yè)的可行性，為機(jī)械化作業(yè)提供開發(fā)經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：循跡;機(jī)械;單片機(jī);紅外傳感器

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

工作原理：小車底部以及左右側(cè)各有一對紅外傳感器。底部傳感器控制小車沿指定路線前進(jìn)，左右傳感器感知車體兩旁物體，左右兩側(cè)傳感器感受到物體后，由顏色傳感器判斷該物體是樹苗還是障礙物，單片機(jī)接收到顏色傳感器傳回的樹苗（綠色）指令之后，控制小車保持靜止，并對舵機(jī)發(fā)出指令，舵機(jī)帶動機(jī)械臂將樹苗抓起，機(jī)械臂收回后將樹苗放在車體漏斗中。小車?yán)^續(xù)循跡，到達(dá)終點后，機(jī)械臂將樹苗放入樹坑，完成一次種植。

2 系統(tǒng)分述

2.1 電源系統(tǒng)

由于小車車體再加上機(jī)械臂總質(zhì)量較大，故小車需要用到大功率電機(jī)帶動小車前進(jìn)，如果用單片機(jī)驅(qū)動可能導(dǎo)致單片機(jī)功率不穩(wěn)，影響單片機(jī)處理效率，所以對電機(jī)和單片機(jī)分別供電，單片機(jī)由5V電池盒供電，電機(jī)采用12V學(xué)生電源供電。兩個電源分別供電保證了小車前進(jìn)動力充沛以及單片機(jī)始終保持以最佳狀態(tài)處理信息。

2.2 機(jī)械臂模塊

機(jī)械臂由五個舵機(jī)，若干支架、舵機(jī)座組成。五個舵機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械臂運動的五個自由度，使機(jī)械臂可以完成彎曲、抓取等規(guī)定動作。舵機(jī)座將整個機(jī)械臂固定在車體上，給機(jī)械臂一個牢固的支撐點。支架等作為機(jī)械臂的主干部分，延長機(jī)械臂長度，增加機(jī)械臂的工作范圍。

2.3 傳感器模塊

本裝置裝有六個紅外傳感器，一個顏色傳感器，其中兩個紅外傳感器位于小車地盤底部，用于檢測路線，使得小車沿著指定路線（白線）前進(jìn)，車體左右兩側(cè)各有兩個紅外傳感器，用來檢測障礙物物，（當(dāng)障礙物經(jīng)過第一個傳感器時，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)，當(dāng)經(jīng)過第二個傳感器時，小車后退一小段距離，使得兩個傳感器都檢測不到物體，即物體位于兩個紅外傳感器之間，完成定位。）

3? 軟件部分

小車共四輪，前兩輪為驅(qū)動輪，后輪為兩個萬向輪。單片機(jī)通過驅(qū)動控制兩個前輪電機(jī)，實現(xiàn)小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向。

具體為：

兩輪同時正向旋轉(zhuǎn)，小車前進(jìn)兩輪同時停止，小車停止左輪反向旋轉(zhuǎn)，右輪正向旋轉(zhuǎn)，小車左轉(zhuǎn)左輪正向旋轉(zhuǎn)，右輪反向旋轉(zhuǎn)，小車右轉(zhuǎn)車底的兩個紅外傳感器，在行駛過程中分部在路線兩側(cè)，單片機(jī)通過分析傳感器返回的信號，控制小車直行，轉(zhuǎn)彎。

具體如下：

當(dāng)兩個傳感器為高電平時，小車直行左側(cè)傳感器為低電平，右側(cè)為高電平時，小車往左轉(zhuǎn)反之小車右轉(zhuǎn)兩傳感器為低電平時，小車停止。

4 機(jī)械臂部分

機(jī)械臂含有五個自由度，分別由五個舵機(jī)承擔(dān)。其工作流程如下：當(dāng)檢測到樹苗之后，一號舵機(jī)轉(zhuǎn)動就是度，機(jī)械臂整體面對樹苗，二號舵機(jī)轉(zhuǎn)動六十度，機(jī)械臂下部抬起，三號舵機(jī)轉(zhuǎn)動一百二十度，機(jī)械臂前端伸向樹苗，四號舵機(jī)轉(zhuǎn)動一百二十度，機(jī)械臂碰觸樹苗，五號舵機(jī)轉(zhuǎn)動三十度，打開機(jī)械抓，抓取樹苗。完成抓取之后，舵機(jī)整體以相反的順序轉(zhuǎn)動，機(jī)械臂收回，樹苗裝載入車斗。

5 程序測試

5.1 循跡測試以及調(diào)整

將程序燒錄進(jìn)單片機(jī)之后，對小車進(jìn)行測試，賽道以黑色為底，路線以白色寬線標(biāo)出。白色線分為直線，直角，S彎道。

將小車放置與賽道中，測試小車是否可以沿路線行駛。

5.2 機(jī)械臂測試

將機(jī)械臂接入電源以及單片機(jī)，用手擋住傳感器，使單片機(jī)對舵機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令，觀察各個多級是否可以按照規(guī)定順序和幅度完成相應(yīng)動作。如果有不合適的動作幅度，記下舵機(jī)最佳的運動角度，修改對應(yīng)的程序，再進(jìn)行測試，如此往復(fù)，直到調(diào)整出最佳的運動流程。

5.3 綜合測試

將各個部件安裝到位，在賽道中擺放好樹苗模型，將小車置入賽道，打開總開關(guān)，小車沿路線前進(jìn)，在樹苗處判斷完成后，抓取樹苗，放入漏斗，運送至終點。

6 拓展

本植樹小車主要由上文中提到的車體，機(jī)械臂，傳感器等模塊組成。模塊化的好處在于可以根據(jù)任務(wù)的不同基于同一個底盤進(jìn)行拓展，只需調(diào)整傳感器位置，加裝其他模塊，就可以實現(xiàn)制作適應(yīng)不同工作環(huán)境以及完成不同任務(wù)的設(shè)備并投入使用。

同時對于單一任務(wù)也可以通過加裝不同模塊來優(yōu)化作業(yè)結(jié)果，例如：在完成植樹任務(wù)的基礎(chǔ)上，加裝灌溉模塊，即可以在植樹的同時完成灌溉任務(wù)，提高作業(yè)效率。

模塊化設(shè)備相對于現(xiàn)有集成度較高的設(shè)備以及機(jī)器人，有著更加靈活多變的優(yōu)勢，降低了開發(fā)成本。這也是將來設(shè)備、機(jī)器人的發(fā)展趨勢之一。

7 結(jié)語

隨著社會的發(fā)展，科技水平的不斷進(jìn)步，我國的基礎(chǔ)行業(yè)-農(nóng)業(yè)勢必也會脫離以往主依靠人力的處境，向科技農(nóng)業(yè)，大規(guī)模農(nóng)業(yè)發(fā)展。大批量的設(shè)備、機(jī)器人一定會慢慢投入應(yīng)用，減輕農(nóng)民勞動負(fù)擔(dān)，提升農(nóng)業(yè)作業(yè)效率。同時該51單片機(jī)植樹小車的制作可以作為一個檢驗用機(jī)器人植樹可行性的實驗?zāi)Ｐ?，而植樹機(jī)器人只是其中的一個小分支，研究制作植樹機(jī)器人可以對其他方面的農(nóng)業(yè)作業(yè)的機(jī)器人制作研發(fā)積累經(jīng)驗，用以驗證機(jī)器人分擔(dān)人類農(nóng)業(yè)勞動的可行性和預(yù)見的一些會遇到的問題，對問題加以解決，為未來更加先進(jìn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，減輕人類勞動強(qiáng)度的設(shè)備研發(fā)做鋪墊。

參考文獻(xiàn)：

[1]索雪松.單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）.電子工業(yè)出版社.

[2]范紅剛51單片機(jī)自學(xué)筆記第二版.北京航空航天大學(xué)出版社.

[3]趙文鈺，郭橋雨.基于 51 單片機(jī)自主循跡灌溉小車.信息記錄材料，2018.

[4]張鐵.工業(yè)機(jī)器人及智能制造發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].機(jī)電工程技術(shù)，2014，（4）：1-3.