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；顏色傳感器；環(huán)湖植樹；循跡避障；智慧農(nóng)業(yè)

1 設(shè)計要求

本小車的設(shè)計功能是實現(xiàn)“環(huán)湖種樹”：該小車能夠沿規(guī)定圍墻外側(cè)行駛，在指定位置撿取目標(biāo)物“樹木”，“樹木”分為藍色與綠色兩種，運輸?shù)健胺N樹”區(qū)域，區(qū)域中存在藍色與綠色兩種，對應(yīng)顏色“樹木”需種入對應(yīng)顏色“樹坑”中，成功完成全部“種樹”任務(wù)后，機器人繼續(xù)沿圍墻行駛至起點為完成全部任務(wù)。全過程靠小車自行完成，無人工干預(yù)。（注：樹苗和樹坑顏色的識別只需識別地面顏色即可，在樹苗存放處有擋板標(biāo)識物，在樹坑處無標(biāo)識物。各顏色樹苗存放處均有兩棵樹，每個樹坑只允許放一棵樹苗。）

圖1 小車行駛路線圖

2 整體設(shè)計思路

小車要滿足設(shè)計要求，需從“環(huán)湖”和“植樹”兩處考慮。環(huán)湖可以以循跡和避障相結(jié)合的方式入手；植樹需要傳感器來檢測和識別樹木，用機械臂來完成拾取動作；小車整體結(jié)構(gòu)，需結(jié)合實際情況而定。具體如下圖：

圖2 基于51 單片機的環(huán)湖植樹智能小車的設(shè)計

3 整體構(gòu)造

小車的主體構(gòu)造為車板、分有左右兩室的車廂、兩個直流減速電機驅(qū)動兩個車輪作為前輪（驅(qū)動輪）、后輪是一個萬向輪（從動輪）、AT89C52 單片機控制模塊、L298N 電機驅(qū)動板模塊、5V和12V 直流電源模塊、電源壓降模塊、傳感器模塊、機械臂模塊。

4 功能實現(xiàn)與原理

4.1 整體原理

該小車基于AT89C52 單片機,通過L298N 電機驅(qū)動板模塊控制兩個直流減速電機的正反轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)小車的前進倒退以及轉(zhuǎn)彎。在車體側(cè)前方和靠近湖泊側(cè)方裝有紅外傳感器，在車的底部裝有光電開關(guān)和顏色傳感器。車體前方和側(cè)方的紅外傳感器保證小車在與擋板保持一定距離的情況下前進和轉(zhuǎn)彎。在小車進行環(huán)湖繞行時，當(dāng)小車底部的光電開關(guān)和顏色傳感器協(xié)同檢測識別樹苗標(biāo)識物時，將產(chǎn)生的信號發(fā)送給單片機，單片機控制小車停止的同時向舵機發(fā)送信號，由舵機控制機械臂進行樹苗的夾取，并放入車廂相應(yīng)的分室內(nèi)。小車?yán)^續(xù)前行檢測到相應(yīng)的樹坑，舵機控制機械臂將樹苗從相應(yīng)分室取出放置到坑位中。

4.2 小車“環(huán)湖”行走功能實現(xiàn)與原理

該車由紅外傳感器傳給單片機信號[1]，單片機控制L298N 電機驅(qū)動板模塊進而控制兩個直流減速電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)小車的前進倒退以及轉(zhuǎn)彎。電機和傳感器均用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號傳感器，側(cè)前方的定義為2 號傳感器，二者尾部相靠，1 號與車體水平，2 號與1 號呈45 度夾角指向側(cè)前方。1 號傳感器靈敏度調(diào)為10 厘米，2 號為5 厘米。

狀態(tài)一：當(dāng)1 號檢測到圍墻而2 號沒有時，說明小車與圍墻距離在5 到10 厘米內(nèi)，距離合適，兩車輪均向前轉(zhuǎn)，小車直行；

狀態(tài)二：當(dāng)兩個傳感器都有檢測信號傳給單片機時，說明小車與圍墻距離已小于5 厘米，此時單片機控制靠近圍墻一側(cè)車輪向前轉(zhuǎn)，遠離一側(cè)的向后轉(zhuǎn)，從而使小車向遠離圍墻一側(cè)轉(zhuǎn)彎，直到恢復(fù)到狀態(tài)一為止；

狀態(tài)三：當(dāng)兩傳感器均未檢測到圍墻時，說明小車離圍墻距離大于10 厘米，此時近側(cè)車輪向后轉(zhuǎn)，另一側(cè)的向前轉(zhuǎn)，使得小車向圍墻一側(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)保證了小車一直與圍墻保持在5 到10 厘米的距離行駛，從而實現(xiàn)“環(huán)湖”行駛。

4.3 小車“植樹”功能實現(xiàn)與原理

該小車底部裝有光電開關(guān)和顏色傳感器，二者協(xié)同檢測識別“樹苗”和相應(yīng)顏色的樹坑，其中顏色傳感器朝下，光電開關(guān)朝向側(cè)面；車后面有兩室的車廂，分別裝載藍色和綠色樹苗；車頂裝有機械臂，負責(zé)將樹苗拾取到相應(yīng)的車廂分室內(nèi)以及從分室內(nèi)取出樹苗放到相應(yīng)的樹坑中。其具體動作如下：

在顏色傳感器檢測到地面顏色時，小車停下，如果光電開關(guān)也檢測到側(cè)面的擋板標(biāo)識物，說明小車來到相應(yīng)顏色的樹苗存放區(qū)，則機械臂執(zhí)行拾取動作，夾取地面上的兩棵樹苗，當(dāng)顏色傳感器檢測到藍色，機械臂將樹苗放到左側(cè)分室；若檢測到綠色，則放到右側(cè)分室。完成動作后小車?yán)^續(xù)前行。

在顏色傳感器檢測到地面顏色而光電開關(guān)未檢測到標(biāo)識物時，說明小車來到樹坑處。若傳感器檢測到藍色地面，機械臂從左側(cè)分室夾取樹苗并放入樹坑；若為綠色，則從右面夾取并放入樹坑。完成動作后，小車?yán)^續(xù)前行。

上述動作使小車完成植樹。其中，傳感器和機械臂具體結(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，就能夠知道檢測物的顏色。單片機控制顏色傳感器內(nèi)紅色濾波器、綠色濾波器、藍色濾波器的工作狀態(tài)，由顏色傳感器輸出脈沖信號給單片機，得到檢測物的RBG 值[3]。

（2）機械臂部分：如下圖所示，該機械臂由三個舵機和機械爪以及舵機支架組成，自上而下分別為，一號、二號、三號舵機。一號舵機控制機械臂在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)向移動，二號舵機控制機械臂在豎直面內(nèi)運動，三號舵機控制機械爪的張開與閉合。

圖3 三舵機機械臂

5 實現(xiàn)情況與存在問題

該小車的設(shè)計滿足設(shè)計要求，經(jīng)實驗，該小車可以順利完成所有工作。不過這是在光線適當(dāng)且均勻的室內(nèi)，遮光工作比較到位的前提下。如若有強光干擾或者小車在室外運行，小車存在光線干擾的問題，無法順利完成相應(yīng)動作。對此，可用超聲波傳感器替換紅外傳感器，以解決光線干擾問題。

6 結(jié)語

在當(dāng)今社會發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)的背景下，該設(shè)計在滿足設(shè)計要求的同時，也對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械，尤其是植樹機械有一定的參考價值和啟迪意義。但是，該小車目前只是一個智能小車，距現(xiàn)實中的環(huán)湖植樹還有很大差距。不過我們會繼續(xù)研發(fā)，愿為我國農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展以及智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展做出貢獻。