面向競(jìng)賽的果園噴藥機(jī)器人設(shè)計(jì)

張少華，劉 富，劉 利，史穎剛

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

1 問題的提出

果園噴藥機(jī)器人比賽項(xiàng)目是中國(guó)服務(wù)機(jī)器人大賽的子項(xiàng)目，比賽場(chǎng)地如圖1所示。在比賽過程中。機(jī)器人從起點(diǎn)區(qū)出發(fā)，經(jīng)過A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)，分別進(jìn)行對(duì)靶噴藥、固定樹形噴藥和變樹形噴藥。

圖1 噴藥機(jī)器人比賽場(chǎng)地

A區(qū)為對(duì)靶噴藥，有機(jī)器人行走引導(dǎo)線，有3個(gè)對(duì)靶噴藥作業(yè)點(diǎn)A1、A2、A3，有噴藥地點(diǎn)提示線，靶標(biāo)圖樣如圖2所示。B區(qū)為固定樹形噴藥，有機(jī)器人行走引導(dǎo)線，在噴藥實(shí)施地點(diǎn)B2、B3、B4沒有作業(yè)地點(diǎn)提示線，樹形為三角形、豎橢圓形、平橢圓形，分別如圖3、圖4、圖5所示。C區(qū)針對(duì)不同樹齡的樹形進(jìn)行噴藥，沒有機(jī)器人行走引導(dǎo)線，在噴藥作業(yè)地點(diǎn)C2、C3、C4有提示標(biāo)志，樹形大小為B區(qū)樹形的90%和80%。D區(qū)沒有機(jī)器人行走引導(dǎo)線，有3個(gè)模擬樹形，大小為B區(qū)樹形的70%，位置S1、S2、S3，由志愿者隨機(jī)擺放。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)競(jìng)賽要求，設(shè)計(jì)的果園噴藥服務(wù)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖6所示，車體由鋁合金板材制成，采用橡膠輪胎車輪，絲杠滑臺(tái)固定在車體上，噴藥平臺(tái)支架安裝在絲杠滑臺(tái)上，噴頭通過圓弧緊固件連接在噴藥平臺(tái)上。升降支架由鋁合金型材制成，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)垂直連桿升降，實(shí)現(xiàn)噴頭的升降[1-2]。

圖2靶標(biāo)圖樣圖3三角形樹形

圖4豎橢圓形樹形圖5平橢圓形樹形

噴藥機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局如圖7所示，包括4個(gè)直流電機(jī)、1個(gè)車身底板，以及單片機(jī)控制系統(tǒng)電路板、前7路循跡模塊、右側(cè)循跡模塊、檢測(cè)樹形的光電開關(guān)。在車體中心位置裝有平面定位系統(tǒng)，對(duì)稱安裝的左、右兩車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡用左、右兩碼盤輪的運(yùn)動(dòng)軌跡來檢測(cè)[3-4]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基本動(dòng)作，以滿足競(jìng)賽要求。

1-車輪；2-車體；3-噴頭；4-絲杠滑臺(tái)；5-噴藥平臺(tái)；6-增壓泵;7-碼盤電機(jī)；8-藥箱

圖7 噴藥機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局圖

圖8為噴藥機(jī)器人實(shí)物圖。

圖8 噴藥機(jī)器人

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人電氣系統(tǒng)的主控制器采用STC15F2K60S2，驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)，使用前7路循跡模塊、右循跡模塊、光電開關(guān)、平面定位系統(tǒng)控制機(jī)器人進(jìn)行循跡定位，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制絲杠滑臺(tái)升降，結(jié)合電磁閥和增壓泵組成噴藥系統(tǒng)模塊，電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖9所示。其中，定位系統(tǒng)采用PPS-9F浮動(dòng)平面定位系統(tǒng)，它集成了陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)和編碼器，直接輸出機(jī)器人的角度與坐標(biāo)信息，數(shù)據(jù)包括機(jī)器人位置的x、y坐標(biāo)值和角度angle值。

在比賽過程中，有循跡白線的區(qū)域，結(jié)合前7路循跡模塊、右側(cè)循跡模塊和光電開關(guān)，使機(jī)器人停在指定位置。A區(qū)只需采用前7路循跡，A區(qū)向B區(qū)行進(jìn)中，采用前7路循跡和右側(cè)循跡進(jìn)行導(dǎo)航定位，右側(cè)循跡用來確定右轉(zhuǎn)位置，B區(qū)采用前7路循跡和光電開關(guān)導(dǎo)航定位，C區(qū)采用PPS-9F浮動(dòng)平面定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，D區(qū)采用光電開關(guān)識(shí)別靶標(biāo)，結(jié)合平面定位系統(tǒng)使機(jī)器人直線行走，同時(shí)保證機(jī)器人噴頭大致垂直于靶標(biāo)。

圖9 電氣系統(tǒng)總體架構(gòu)

噴藥系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)絲杠滑臺(tái)、電磁閥、增壓泵、電磁繼電器、噴頭和軟管組成。主控制器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠滑臺(tái)帶動(dòng)噴藥平臺(tái)升降，確定機(jī)器人的噴藥位置；噴頭安裝在噴藥平臺(tái)上，通過軟管連接到電磁閥，電磁閥接到增壓泵的出水口。主控制器通過電磁繼電器控制增壓泵和電磁閥的開閉，控制噴藥時(shí)間。在機(jī)器人的循跡定位系統(tǒng)確定靶標(biāo)位置后，噴藥系統(tǒng)根據(jù)預(yù)定的噴藥位置，驅(qū)動(dòng)噴藥平臺(tái)上下移動(dòng)，進(jìn)行藥液噴射。

為滿足機(jī)器人快速響應(yīng)和頻繁啟?？刂?，采用四路H橋雙L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制4個(gè)直流電機(jī)，用12 V直流電源為機(jī)器人供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中的IN1～I(xiàn)N8控制4個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；ENA～END四個(gè)使能端，跳線連接時(shí)全速運(yùn)行，跳線不連時(shí)給EN1、EN2輸入PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)速。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人基本運(yùn)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的兩個(gè)IN口接收單片機(jī)發(fā)來的兩位數(shù)字信號(hào)，控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，每個(gè)電機(jī)需要IN1、IN2和ENA端的3個(gè)控制信號(hào)。選用一路PWM連接使能信號(hào)EN1引腳，通過調(diào)整PWM占空比，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)， IN1、IN2分別為1、0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的邏輯如表1所示[5-6]。

表1 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)真值表

左前輪、右前輪、左后輪、右后輪分別為輪1、輪2、輪3、輪4，將單片機(jī)的P1_0、P1_1、…、P1_7依次與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的IN1、IN2、…、IN8連接，則每個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)P1_0、P1_1、…、P1_7中的兩個(gè)IO口。然后，設(shè)置單片機(jī)P1口的輸出高低電平，就可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等動(dòng)作，通過車輪差速實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎[7]。機(jī)器人基本動(dòng)作控制如表2所示。

4.2 循跡子程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人循跡模塊采用灰度傳感器，傳感器發(fā)射管發(fā)射光線到路面，遇到白色膠帶引導(dǎo)線被反射，接收管接收到反射光，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出低電平；發(fā)射光遇到深綠色地毯被吸收，施密特觸發(fā)器整形后輸出高電平。前方7路循跡傳感器的標(biāo)號(hào)從左到右分別是Z1、Z2、Z3、M、Y3、Y2、Y1。當(dāng)左側(cè)Z1、Z2、Z3中的任何一個(gè)傳感器檢測(cè)到白線時(shí)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)，當(dāng)右側(cè)Y3、Y2、Y1中任何一個(gè)傳感器檢測(cè)到白線時(shí)，機(jī)器人左轉(zhuǎn)，中間傳感器M檢測(cè)到白線，直行。前7路循跡的工作流程如圖10所示[8]。

表2 機(jī)器人基本動(dòng)作真值表

圖10 前7路循跡的程序流程

右側(cè)循跡模塊和光電開關(guān)是前7路循跡的輔助模塊。機(jī)器人行走到右轉(zhuǎn)直角白線處時(shí)，右側(cè)循跡模塊首先掃到轉(zhuǎn)彎標(biāo)識(shí)，隨后觸發(fā)外部中斷0，中斷子程序?yàn)槎〞r(shí)右轉(zhuǎn)，然后，機(jī)器人繼續(xù)循跡。機(jī)器人循跡中，若通過光電開關(guān)掃描到靶標(biāo)，傳給單片機(jī)一個(gè)低電平，機(jī)器人停止，進(jìn)行噴藥作業(yè)。

4.3 定位子程序設(shè)計(jì)

平面定位系統(tǒng)安裝在機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心，采用二維極坐標(biāo)。機(jī)器人啟動(dòng)后，平面定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)初始化，確定機(jī)器人最開始位置為原點(diǎn)，即x、y和angle值全為0。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)后，定位系統(tǒng)會(huì)采集機(jī)器人的位置坐標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，實(shí)時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)，包括機(jī)器人位置的x、y坐標(biāo)值和angle角度值。單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較、判斷。若實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值與預(yù)先設(shè)定值的差值在誤差范圍內(nèi)，機(jī)器人繼續(xù)進(jìn)行下一動(dòng)作，若超過誤差范圍，機(jī)器人通過前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)動(dòng)作對(duì)位置和角度進(jìn)行校正，達(dá)到誤差范圍后，機(jī)器人停止校正，接著進(jìn)行下一步的動(dòng)作。機(jī)器人平面定位工作流程如圖11所示。

4.4 噴藥子程序設(shè)計(jì)

噴藥流程由單片機(jī)程序控制，單片機(jī)給定電磁繼電器的接通時(shí)間，通過控制電磁閥和增壓泵的通斷電時(shí)間來控制噴藥時(shí)間。單片機(jī)控制絲桿滑臺(tái)的升降，確定噴藥位置，噴藥時(shí)，從靶標(biāo)的最低位置開始，通過絲杠滑臺(tái)的升起距離，確定其余的噴藥作業(yè)位置。面積較大的地方采用多次噴射，面積小的部分單次噴射即可[9]。噴藥子程序流程如圖12所示。

圖11 機(jī)器人平面定位流程

圖12 噴藥子程序流程

4.5 主控制程序

機(jī)器人主控器與噴藥控制器、循跡傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器結(jié)合，控制機(jī)器人的循跡、定位、噴藥動(dòng)作。采用光電開關(guān)檢測(cè)噴藥靶標(biāo)，然后主控制器控制絲杠滑臺(tái)的上下運(yùn)動(dòng)、水泵和電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)噴藥功能。平面定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳回位置坐標(biāo)，與設(shè)定值進(jìn)行比較判斷，再進(jìn)行位置校正，使機(jī)器人行駛到設(shè)定位置，進(jìn)行噴藥作業(yè)。噴藥機(jī)器人主程序流程如圖13所示。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)競(jìng)賽要求，設(shè)計(jì)了果園噴藥機(jī)器人機(jī)械本體，又以STC15F260S2為主控芯片設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)與程序，采用增壓泵和電磁閥的組合控制，實(shí)現(xiàn)了固定位置噴藥，控制繼電器通斷時(shí)間實(shí)現(xiàn)了噴藥時(shí)間控制。經(jīng)過實(shí)地調(diào)試，參加了競(jìng)賽，得到了良好的效果。

圖13 噴藥機(jī)器人主程序流程

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