張 嵩 ，吳 波 ，潘相龍，3 ，楊立爽，4

（1.吉林廣播電視臺(tái)衛(wèi)視頻道，吉林 長春 130119；2.長春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長春 130012；3.重慶渝江壓鑄有限公司機(jī)加二部，重慶 400000；4.上海劍平動(dòng)平衡機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，上海 200000）

1 緒論

2010—2015 年，我國生果總產(chǎn)值由2.14 億t 增至2.74 億t。據(jù)我國農(nóng)業(yè)科學(xué)院預(yù)測，到2024 年，我國人均生果消費(fèi)量將達(dá)到93.9 kg，生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到3.24 萬億元。林果工業(yè)已成為我國林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)和支柱工業(yè)，規(guī)?；a(chǎn)需求越來越迫切。此外，林果采摘是整個(gè)林果生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的部分，所用勞動(dòng)力約占整個(gè)生產(chǎn)過程所用勞動(dòng)力的35%～45%，且具有季節(jié)性強(qiáng)、周期性短、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力成本高、采摘效率低下的特點(diǎn)，大大限制了我國林果工業(yè)的進(jìn)一步開展。

基于現(xiàn)狀，國內(nèi)外眾多農(nóng)業(yè)機(jī)器人巨頭，如普瑞瓦、CropTeq、Inaho、AppHarvest、Sweeper、Crux Agribotics、豐疆智能、博田自動(dòng)化、極飛科技等紛紛投入全地形智能農(nóng)林采摘機(jī)器人的研發(fā)，由此，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人技術(shù)也取得巨大發(fā)展。然而從客觀來看，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人技術(shù)尚不成熟，技術(shù)仍面臨控制電路設(shè)計(jì)不合理、智能識(shí)別困難、互換性差、成本高昂等方面的問題，其中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人行走、避障及采摘控制電路結(jié)構(gòu)簡潔性、低成本及工作穩(wěn)定性是尤為棘手的難題。而為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的智能控制，并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的推廣普及，勢(shì)必要解決其控制電路簡潔性欠佳、穩(wěn)定性差、成本高昂的問題。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)履帶采摘機(jī)器人行走、避障及采摘控制電路，旨在解決上述問題。本文主要介紹了基于本團(tuán)隊(duì)全地形智能農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的配套電路設(shè)計(jì)[1]。

2 全地形智能采摘機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

如圖1 所示，全地形智能采摘機(jī)器人包括底盤、左行走履帶、右行走履帶、平衡臺(tái)、貨箱、攝像頭、機(jī)械臂底座、旋轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)臂、擺臂及手爪。左行走履帶由左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)，右行走履帶由右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)，攝像頭的運(yùn)動(dòng)由攝像頭俯仰舵機(jī)和攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)盤相對(duì)于機(jī)械臂底座的旋轉(zhuǎn)由底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臂相對(duì)于旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)由旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擺臂相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)由擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪相對(duì)于擺臂的旋轉(zhuǎn)由手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪的開合由手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖1 電路控制流程圖

全地形智能采摘機(jī)器人行走、避障及采摘控制電路包括核心控制器模塊，核心控制器模塊為Raspberry Pi 4B開發(fā)板，核心控制器模塊包括底盤行走控制模塊和采摘機(jī)械臂控制模塊[2-3]。同時(shí)，底盤行走控制模塊的輸入端連接有超聲波測距模塊，用以檢測機(jī)器人四周的障礙物；連接有紅外測距模塊，用以檢測機(jī)器人前進(jìn)方向履帶下方的垂直落差[4-5]。底盤行走控制模塊的輸出端連接有用于驅(qū)動(dòng)左行走電機(jī)的左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)右行走電機(jī)的右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。采摘機(jī)械臂控制模塊的輸入端連接有攝像頭模塊用以實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、連接有壓力感知模塊用以檢測手爪抓握力度。采摘機(jī)械臂控制模塊的輸出端連接有用于驅(qū)動(dòng)攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)的攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)攝像頭俯仰舵機(jī)的攝像頭俯仰舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)的底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。各執(zhí)行元件與對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接。左行走電機(jī)和右行走電機(jī)均為三相直流電機(jī)，左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)相同，且左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路均包括電機(jī)a 相驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)b 相驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)c 相驅(qū)動(dòng)電路。攝像頭俯仰舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)相同[6-8]。

如圖2 所示，攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)相同且均包括MSP430G2553 微控制器模塊。MSP430G2553 微控制器模塊包括MSP430G2553微控制器、晶振電路、供電穩(wěn)壓電路和下載復(fù)位電路，MSP430G2553 微控制器的DVSS 引腳接地。攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的P1.0 引腳分別與核心控制器Raspberry Pi 4B 的GP14 引腳、GP15 引腳、GP18 引腳、GP23 引腳和GP25 引腳連接[9-10]。晶振電路由晶振X1、非極性電容C6 和非極性電容C7 組成，晶振X1 的一端和非極性電容C6的一端均與MSP430G2553 微控制器的第18 引腳連接，晶振X1 的另一端和非極性電容C7 的一端則均與MSP430G2553 微控制器的第19 引腳連接。非極性電容C6 的另一端和非極性電容C7 的另一端均接地。供電穩(wěn)壓電路包括AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊、電源BATACC、非極性濾波電容C1、非極性濾波電容C2、非極性濾波電容C3 和非極性濾波電容C4。MSP430G2553 微控制器的DVCC 引腳與AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊的第4 引腳連接，并通過并聯(lián)的非極性濾波電容C1 和非極性濾波電容C2 接地。AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊的第1 引腳接地，AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊的第3 引腳與電池BATACC 電源5 V 電壓的輸出端連接，且通過并聯(lián)的非極性濾波電容C4 和非極性濾波電容C3 接地。下載復(fù)位電路包括復(fù)位按鍵K、電阻R1 和非極性電容C8。復(fù)位按鍵K 的一端、電阻R1的一端和非極性電容C8 的一端均與MSP430G2553微控制器的RST 引腳連接。電阻R1 的另一端與3.3 V 電源的輸出端連接。復(fù)位按鍵K 的另一端和非極性電容C8的另一端均接地。

圖2 MSP430G2553微控制器電路結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，底盤行走控制模塊中的紅外測距模塊分為前紅外測距模塊和后紅外測距模塊，前紅外測距模塊和后紅外測距模塊的電路結(jié)構(gòu)相同且均包括紅外測距模塊AM312。紅外測距模塊AM312 的電源端引腳VCC 與5 V 電源的輸出端連接，紅外測距模塊AM312 的接地端引腳GND 接地，紅外測距模塊AM312 的信號(hào)輸出引腳VO 與核心控制器Raspberry Pi 4B的GP17引腳或GP27引腳連接。

圖3 Raspberry Pi 4B開發(fā)板GPIO 引腳接口圖

3 總結(jié)

1）本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路均采用MSP430G2553微控制器和AT 8 2 3 6 驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊對(duì)微控制器輸入端穩(wěn)壓，超聲波測距模塊采用了HC-SRO4，紅外測距模塊采用了AM312，壓力感知模塊采用了KEYES，采用MG995舵機(jī)和Raspberry Pi Camera V2 攝像頭，在實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人功能性的同時(shí)，簡化了電路結(jié)構(gòu)，使得技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便且成本相對(duì)低廉。

2）本設(shè)計(jì)的避障控制電路包括用于對(duì)農(nóng)業(yè)全地形智能采摘機(jī)器人四周的障礙物進(jìn)行檢測的超聲波測距模塊、用于對(duì)農(nóng)業(yè)全地形智能采摘機(jī)器人前進(jìn)方向路面落差進(jìn)行檢測的前紅外測距模塊和后紅外測距模塊，并借此實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)全地形智能采摘機(jī)器人四周的障礙物及路面嚴(yán)重坑洼均進(jìn)行檢測，機(jī)器人避障功能強(qiáng)大。

3）此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)多采用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改造融合，設(shè)計(jì)穩(wěn)重合理，使電路得到高穩(wěn)定性和高可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)、底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)。

4）本設(shè)計(jì)核心控制模塊采用Raspberry Pi 4B 開發(fā)板，技術(shù)穩(wěn)定，維修便捷，且具備強(qiáng)大的功能擴(kuò)展能力。

5）本設(shè)計(jì)應(yīng)用于能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能（如搶險(xiǎn)救災(zāi)、科考探測、智能家政、尋航噴淋）的履帶機(jī)器人上，為機(jī)器人的行進(jìn)驅(qū)動(dòng)及避障識(shí)別提供了硬件電路設(shè)計(jì)參考方案，具有強(qiáng)實(shí)用性，便于推廣與應(yīng)用。

綜上所述，課題組所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡潔，電路具備高穩(wěn)定性、高可靠性和強(qiáng)實(shí)用性，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉、功能完備且功能擴(kuò)展性強(qiáng)，便于推廣及應(yīng)用，可搭配收獲機(jī)械、噴淋設(shè)備等，也可投入搶險(xiǎn)救災(zāi)、科考探測、物流運(yùn)輸?shù)绕渌I(lǐng)域。