中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號:1003-5168(2025)11-0016-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.004

Design of Autonomously Controlled， Automated Tree-Planting IntelligentRobot

JUXufeiKANG ZehaoLIXiang MA JiaxinHAN Zhixia (School of Electronic and Electrical Engineering，Baoji University of Arts and Sciences， Baoji 721016， China)

Abstract:[Purposes] In order toreduce the cost of artificial tree planting and improve the efficiency and automation of large-scale tree planting，an inteligent tree planting robot capable of automatic operation was designed and fabricated.[Methods] Taking the STM32 single-chip microcomputer as the control core，the system hardware circuit was designed，including the soil temperature and humidity and attitude sensor unit，the ultrasonic obstacle avoidance unit，the operation execution mechanism of the drive motor and multi-joint servo mechanical arm，the display unit and the hybrid energy management unit.Software programming is caried out using the C language in the Keil development environment.[Findings] The test results show that the robotcan automatically avoid obstacles and reach the designated location along the planned path through ultrasonic ranging along the planned path.The environmental monitoring data is transmited back to the main control unit through sensors，which issues commands to control the actuator to enable the robot to perform the entire process of automated tree-planting operations such as drilling， picking upseedlings，placing them，covering the soil，and sprinkling irigation.Moreover，the display screen can visually show the tree-planting intervalsand environmental information，etc.Conclusions] The design has the characteristics of low power consumption and intelligence.Moreover，based on based on the hybrid power supply mode of solar power generation panel，piezoelectric power generation module and battery，it not only improves the endurance of the system but also meets the requirements of energy saving and emission reduction.

Keywords: single-chip microcomputer;ultrasonic obstacle avoidance; inteligent tree-planting robot

0 引言

荒漠化是全球性的環(huán)境問題，我國是世界上受荒漠化影響最為嚴(yán)重的國家之一。加強(qiáng)對荒漠化的防治對我國促進(jìn)生態(tài)平衡、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著十分重要的作用。而植樹造林作為常見的防治手段之一，傳統(tǒng)的依靠人工植樹的方式存在勞動強(qiáng)度大、效率低、成本高、工作環(huán)境惡劣等問題，難以滿足大規(guī)模防風(fēng)固沙的需求[2]。隨著科技的發(fā)展，利用智能植樹機(jī)器人進(jìn)行植樹作業(yè)成為荒漠地區(qū)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)的新途徑。智能植樹機(jī)器人可以降低人工植樹成本，減少對環(huán)境的破壞，實(shí)現(xiàn)生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展。在自動化生態(tài)修復(fù)設(shè)備領(lǐng)域的研究中，大量學(xué)者已取得了不錯的創(chuàng)新成果。如李強(qiáng)等[3提出的機(jī)械臂式沙漠植樹裝置，通過三棱抓斗和覆膜機(jī)構(gòu)解決了沙土流動性問題，樹苗成活率提高了 30% ；胡俊澤等4提出的濕地專用機(jī)器人，采用履帶底盤和嵌入式系統(tǒng)，非常適用于淤泥地形且實(shí)現(xiàn)了快速回填；馬良辰等5提出的基于STM32微控器的沙漠植樹車則集成云端控制，實(shí)現(xiàn)了打孔一灌溉一掩埋的全流程自動化。然而，現(xiàn)階段的智能植樹機(jī)器人在面對復(fù)雜的地形環(huán)境時(shí)，仍存在無法有效進(jìn)行環(huán)境感知、路徑規(guī)劃和精確作業(yè)的能力。

因此，本研究提出了一種能自主控制、自動化作業(yè)的智能植樹機(jī)器人，以應(yīng)對荒漠地區(qū)環(huán)境修復(fù)的迫切需求。

1設(shè)計(jì)方案

本研究提出的智能植樹機(jī)器人以STM32單片機(jī)為控制核心，包括GPS導(dǎo)航、傳感器模塊、顯示模塊、作業(yè)執(zhí)行單元、能源管理單元、按鍵、復(fù)位電路以及由TB6612驅(qū)動模塊和電機(jī)組成的履帶小車，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)航系統(tǒng)采用北斗和慣性導(dǎo)航相結(jié)合，確保機(jī)器人在復(fù)雜地形中能自主定位和進(jìn)行路徑規(guī)劃；土壤溫濕度傳感器用于實(shí)時(shí)采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，供作業(yè)執(zhí)行單元據(jù)此決定噴灑營養(yǎng)液的多少；OLED顯示屏可實(shí)時(shí)顯示環(huán)境參數(shù)及作業(yè)距離；運(yùn)動傳感器、超聲波傳感器和舵機(jī)云臺構(gòu)成避障單元；作業(yè)執(zhí)行單元包括舵機(jī)及配備的多功能機(jī)械臂，由繼電器決定是否通電使噴灑工具工作。

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過數(shù)據(jù)分析算法優(yōu)化作業(yè)策略。機(jī)器人根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境反饋?zhàn)詣诱{(diào)整作業(yè)方案，確保在植樹和土壤修復(fù)時(shí)的高效性。導(dǎo)航系統(tǒng)通過舵機(jī)云臺上的超聲波傳感器檢測周圍路況，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人會自動計(jì)算新的行駛路徑實(shí)現(xiàn)避障。能源管理單元由太陽能發(fā)電板、壓電發(fā)電組件及蓄電池組成，可實(shí)時(shí)監(jiān)測電量，并智能調(diào)配能源使用，確保機(jī)器人在長時(shí)間作業(yè)中具備穩(wěn)定的能源供應(yīng)。該系統(tǒng)的應(yīng)用能提高生態(tài)修復(fù)的效率與精準(zhǔn)度，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、精準(zhǔn)化的植樹造林提供可靠的技術(shù)支持。

2核心單元硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控單元

核心處理器采用STM32F系列微控制器，該系列微控制器不僅具有高性能的ARMCortex-M4內(nèi)核，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，而且具備豐富的外設(shè)接口（如USART、I2C、SPI等），滿足植樹機(jī)器人對復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)處理的需求。接口配置包含用于程序調(diào)試和固件升級的USB接口、用于在線編程和調(diào)試的JTAG/SWD接口及用于連接傳感器和執(zhí)行器的GPIO接口。

2.2 傳感器單元

傳感器單元包含環(huán)境監(jiān)測傳感器和運(yùn)動傳感器。土壤溫濕度傳感器采用電容式或電阻式土壤濕度傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤溫濕度8，為植樹決策提供依據(jù)，通過ADC接口接入主控單元。MPU6050運(yùn)動傳感器集成三軸陀螺儀和三軸加速度計(jì)，用于感知機(jī)器人的姿態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)精確的方向控制和速度調(diào)節(jié)，通過I2C接口與主控單元通信[9]。

2.3 超聲波避障單元

HC-SR04超聲波模塊通過TRIG引腳觸發(fā)測距，ECHO引腳接收反射信號，利用時(shí)間差計(jì)算距離。該模塊位于機(jī)器人的最前方，通過GPIO接口與主控單元連接，配合舵機(jī)云臺實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障功能。

2.4 作業(yè)執(zhí)行單元

電機(jī)驅(qū)動模塊采用H橋或MOSFET驅(qū)動電路，控制直流電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、速度和位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走和轉(zhuǎn)向。機(jī)械臂控制通過多級舵機(jī)配合傳感器反饋，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的樹木種植和土壤處理操作。噴灑工具利用單片機(jī)根據(jù)土壤溫濕度傳感器采集返回的數(shù)據(jù)，控制繼電器打開或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè)及噴灑時(shí)長的控制。

2.5 顯示單元

OLED顯示屏不僅能提供更鮮艷、更細(xì)膩的色彩，使畫面層次感更強(qiáng)，而且具有極高的響應(yīng)速度，可實(shí)現(xiàn)快速刷新，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)液晶顯示器的殘影問題，使圖像顯示更加流暢和清晰，特別適合用于高動態(tài)范圍視頻和高刷新率的顯示需求，且在低溫環(huán)境下依然能正常顯示?？傊琌LED在圖像質(zhì)量、響應(yīng)速度、視角、設(shè)計(jì)靈活性、節(jié)能環(huán)保等方面均具有顯著優(yōu)勢，因此，本研究用其來顯示溫濕度傳感器所傳回的環(huán)境信息和需要設(shè)置的植樹間隔等。

2.6 能源管理單元

太陽能發(fā)電板安裝在機(jī)器人頂部，采用高效率單晶硅太陽能電池，通過DC-DC轉(zhuǎn)換器為蓄電池充電，提供穩(wěn)定的直流電源。壓電發(fā)電組件采用壓電陶瓷材料，安裝在機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)（如輪軸）上，利用行走時(shí)的機(jī)械振動產(chǎn)生電能，通過整流濾波后并入供電系統(tǒng)，作為輔助能源。蓄電池選用大容量、長壽命的鋰電池，作為機(jī)器人主要能源儲備，確保具備長時(shí)間作業(yè)能力。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)總體流程

該系統(tǒng)在Keil開發(fā)環(huán)境中用C語言編程實(shí)現(xiàn)。開機(jī)后對按鍵進(jìn)行掃描，確保是由操作人員按下按鍵后啟動機(jī)器人。通過按鍵輸入植樹位置及植樹指令，并顯示在OLED顯示屏。單片機(jī)根據(jù)小車上MPU6050運(yùn)動傳感器所采集的信息，判斷機(jī)器人所處位置，并確定需要植樹的具體位置。由超聲波傳感器進(jìn)行測距，引導(dǎo)小車選擇正確的路線并適時(shí)避障到達(dá)指定位置。主控單元控制電機(jī)鉆頭進(jìn)行鉆孔，為植樹做準(zhǔn)備，隨后由多級舵機(jī)控制的機(jī)械臂夾取樹苗放入坑洞并進(jìn)行覆土。溫濕度傳感器則將外界環(huán)境參數(shù)傳回主控單元，據(jù)此控制繼電器打開或關(guān)閉，以進(jìn)行營養(yǎng)液的噴灑。在完成所有任務(wù)后，繼續(xù)進(jìn)行下一項(xiàng)植樹任務(wù)。

3.2 確定植樹位置

根據(jù)MPU6050采集的數(shù)據(jù)，通過算法計(jì)算出小車的俯仰角、橫滾角等姿態(tài)信息，利用卡爾曼濾波、互補(bǔ)濾波等方法對姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和濾波，以提高精度[10]。首先，對編碼器的值進(jìn)行微分，得到從動輪速度，并結(jié)合小車的姿態(tài)信息，計(jì)算出小車在三個軸上的分速度。其次，對速度進(jìn)行積分，得到小車位置坐標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)位置和小車的當(dāng)前位置，規(guī)劃出一條合適的路徑。最后，使用簡單的直線插值、曲線擬合等方法進(jìn)行路徑規(guī)劃，并結(jié)合當(dāng)前姿態(tài)信息，控制小車運(yùn)動。同時(shí)，使用PID算法對小車的運(yùn)動進(jìn)行精確控制[\"]，調(diào)整小車的驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向角度，使小車按照規(guī)劃的路徑行駛。通過不斷讀取MPU6050和編碼器的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)對小車位置和姿態(tài)進(jìn)行修正和調(diào)整，確保小車能準(zhǔn)確到達(dá)指定的植樹位置。在小車行駛過程中，使用超聲波測距來實(shí)現(xiàn)避障。

3.3 鉆孔植樹

利用螺旋滑軌控制鉆頭升降，開始鉆孔時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆頭到達(dá)一定位置后電機(jī)反轉(zhuǎn)。同時(shí)，螺旋滑軌控制鉆頭上升到達(dá)初始位置[2]，則坑洞打好。主控單元控制多級舵機(jī)，使機(jī)械臂開始轉(zhuǎn)動，由于機(jī)械臂上包含一個 openMV 圖像識別模塊，所以能保證其準(zhǔn)確地夾取樹苗并放置到指定坑洞中。當(dāng)機(jī)械臂完成最后的覆土工作后，則回歸原位。主控單元通過溫濕度傳感器傳回的數(shù)據(jù)控制水泵開始噴灑營養(yǎng)液，噴灑一定時(shí)間后水泵關(guān)閉，整個植樹任務(wù)完畢。

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

將機(jī)器人放在沙坑里，通過按鍵設(shè)置出發(fā)地的距離和植樹間隔，進(jìn)行植樹作業(yè)。測試實(shí)物如圖2所示。

試驗(yàn)1：植樹間隔為 10cm 。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)第一個植樹位置后開始進(jìn)行植樹作業(yè)，任務(wù)完成后，機(jī)器人繼續(xù)直行，到達(dá)距第一棵樹 10cm 的位置開始進(jìn)行第二次植樹作業(yè)。實(shí)際測量顯示，第二次植樹作業(yè)地點(diǎn)距離第一次植樹作業(yè)地點(diǎn)的方向偏差 5^° ，距離偏差 2cm 。

試驗(yàn)2：植樹間隔為 20cm ；試驗(yàn)3：植樹間隔為50cm 。重復(fù)試驗(yàn)1的步驟，發(fā)現(xiàn)兩次植樹作業(yè)的地點(diǎn)方向偏差均為 6^° ，距離偏差均為 2cm ○

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)植樹的間隔距離 ?20cm 時(shí)，機(jī)器人的方向偏差角區(qū)域基本穩(wěn)定在 6^° ，說明MPU6050的方向角在到達(dá)直線距離 20cm 后趨于穩(wěn)定值。而距離偏差保持在 2cm ，符合設(shè)計(jì)的誤差要求。

5結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的基于STM32的植樹智能機(jī)器人，利用舵機(jī)控制超聲波模塊的檢測方向和機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動與夾取，利用 0penMv 視覺模塊確保夾取的樹苗能夠正確放入坑洞中，利用MPU6050確保機(jī)器人能到達(dá)指定位置進(jìn)行作業(yè)。整個過程除了目標(biāo)值的設(shè)定外，機(jī)器人均可自主控制、自動完成植樹任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能化控制。此外，實(shí)際測試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)分析一致，大大提高了植樹效率，降低了人工成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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