STM32控制的智能輔助植物培育機器人*

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(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院，珠海 519041)

引 言

隨著人們對于觀賞性植物的需求日益增長，園林植物培育逐漸呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的姿態(tài)，并逐步向著專業(yè)化、自動化、智能化的方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的培育方式依賴于人工作業(yè)，極易由于培育人員的經(jīng)驗不足或人為疏忽造成植物培育不當(dāng)，且由于人工費用的限制難以擴大生產(chǎn)[1-2]。目前，機器人行業(yè)飛速發(fā)展，將機器人技術(shù)應(yīng)用至園林培育領(lǐng)域，可以避免上述弊端，達(dá)到園林培育的高標(biāo)準(zhǔn)化并提高產(chǎn)量，以促進現(xiàn)代園林培育行業(yè)的進一步發(fā)展。本文設(shè)計了一種基于STM32的智能輔助植物培育履帶式移動機器人，以常見的花卉植物培育研究為例，自動檢測植物培育關(guān)鍵參數(shù)并實時顯示，自動噴灑澆灌用水和營養(yǎng)液進行科學(xué)培育。該機器人系統(tǒng)實現(xiàn)了智能輔助植物培育功能，為機器人技術(shù)應(yīng)用于園林培育行業(yè)提供了可行性技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)由STM32控制器、多軸機械臂、履帶式移動底盤、多傳感器組及無線傳輸模塊等部分組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)選擇以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F1控制器作為主控制芯片，其具有外設(shè)資源多、浮點運算快、運算速度快、超快數(shù)據(jù)傳送、多定時器和通信接口等優(yōu)點[3-4]?？刂破鞲鶕?jù)既定模式及無線傳輸模塊所發(fā)出的指令，輸出PWM波以控制電機，實現(xiàn)移動底盤在任意方向上的自由移動。多傳感器組精確測量出目標(biāo)植物的各項植物培育關(guān)鍵參數(shù)并顯示，再將檢測數(shù)據(jù)傳送至STM32控制器，控制器根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送指令驅(qū)動機械臂作業(yè)，進行噴灑澆灌用水和營養(yǎng)液。

1.2 多軸機械臂設(shè)計

機械臂是系統(tǒng)的主要執(zhí)行機構(gòu)，通過對其舵機的控制實現(xiàn)機械臂的姿態(tài)及運動控制。本系統(tǒng)采用數(shù)字舵機MG995，相比傳統(tǒng)的模擬舵機，數(shù)字舵機內(nèi)嵌MCU微控制器，反應(yīng)速度更快、無反應(yīng)區(qū)范圍小、定位精度高、抗干擾能力強[5]。機械臂末端載有土壤電導(dǎo)率傳感器和土壤濕度傳感器，通過驅(qū)動機械臂插入至土壤，以達(dá)到測量植物土壤相關(guān)數(shù)據(jù)的功能。此外，在機械臂上固定軟水管，用于噴灑澆灌用水和營養(yǎng)液。機器人進行培育作業(yè)時，首先移動機械臂至目標(biāo)植物，檢測土壤數(shù)據(jù)，以土壤濕度為例，當(dāng)檢測到植物土壤濕度低于設(shè)計最低閾值時，控制器控制繼電器和水泵，噴出澆灌用水提高土壤濕度。

1.3 多傳感器模塊設(shè)計

為輔助植物的科學(xué)生長，并隨時獲取植物的生長狀態(tài)，系統(tǒng)設(shè)計載有多傳感器組，包括土壤電導(dǎo)率傳感器、土壤濕度傳感器、光照傳感器、CO2傳感器、光電傳感器、空氣溫濕度傳感器、超聲波傳感器和紅外傳感器等。

以土壤電導(dǎo)率指標(biāo)為例分析，其目的是獲取植物的含鹽量參數(shù)，是植物培育中的一項非常重要指標(biāo)。土壤浸出液中各種鹽類一般以離子的形式存在，總鹽量也可以表示為土壤浸出液中各種陽離子的量和各種陰離子的量之和，故可以通過測量土壤的電導(dǎo)率反映出植物混合鹽的含量。在實際檢測中，電導(dǎo)率與鹽分大致呈線性關(guān)系，以溫度25 ℃為基準(zhǔn)，其比例關(guān)系為：

Ec=K·Sa(1)

其中，Ec為電導(dǎo)率(μs/cm)，Sa為鹽度(mg/l)，K為比例系數(shù)(s·m2/kg)，取值范圍為0.055～0.075。

在其它溫度下，則需加以校正，即溫度每變化1 ℃，其含鹽量大約變化1.5～2%。在溫度高于25 ℃時用負(fù)值，溫度低于25 ℃時用正值，求鹽度公式如下：

(2)

其中ξ為校正系數(shù)，ξ=k(25-T),k=1.5～2%。

據(jù)此可根據(jù)電導(dǎo)率估算鹽分。利用土壤電導(dǎo)率傳感器測量土壤電導(dǎo)率、溫度的換算關(guān)系如表1所列(電壓輸出范圍為0～2 V)。

表1 土壤電導(dǎo)率、溫度的換算關(guān)系表

1.4 無線通信設(shè)計

本系統(tǒng)的無線通信鏈路如圖2所示，用于移動機器人手動模式作業(yè)下的遙控操作。采用PS2無線操作方式，其具有傳輸速度快、操作簡單的優(yōu)點。通過操控PS2的控制鍵，發(fā)射指令到信號接收模塊，該接收模塊再與控制器相通信，以實現(xiàn)機器人的移動、澆灌和檢測等功能。

圖2 無線通信鏈路

1.5 噴灌及監(jiān)測設(shè)計

噴灌裝置位于機器人底板上，在機械臂上固定軟水管，用于噴灑澆灌用水和營養(yǎng)液。通過控制舵機、繼電器和水泵實現(xiàn)噴灑功能。系統(tǒng)側(cè)位搭載了光電傳感器，在機器人移動過程中，可以檢測到花盆位置并自動停住進行作業(yè)。此外，機器人上載有攝像頭和WiFi模塊，可以通過Android手機端APP實時觀測植物[6]。

2 作業(yè)方式及運動控制設(shè)計

2.1 作業(yè)方式設(shè)計

本系統(tǒng)實現(xiàn)自動和手動兩種作業(yè)方式，系統(tǒng)工作流程如圖3所示。在自動模式下，機器人按照預(yù)定的工作循跡自動行駛，根據(jù)光電傳感器檢測的植物位置信息自動前進或停止，在工作點位置進行植物生長信息的自動檢測，并根據(jù)測量結(jié)果驅(qū)動電機和機械臂上的舵機，完成作業(yè)任務(wù)。當(dāng)機器人在起始點位置時候，啟動自動模式，向著工作點1位置行駛。到達(dá)工作點1位置時，通過傳感器感應(yīng)到花盆的位置，機器人自動停下，插入傳感器檢測并判斷是否需要噴灑水和營養(yǎng)液，完成任務(wù)后往工作點2位置行駛，進入下一個任務(wù)目標(biāo)繼續(xù)工作，依次循環(huán)。在手動模式下，工作人員可以通過無線傳輸，將控制信號發(fā)送至機器人驅(qū)動電機和舵機，完成移動機器人的運動狀態(tài)、檢測顯示及噴灌培育等作業(yè)操作。

圖3 工作流程示意圖

2.2 運動控制設(shè)計

本系統(tǒng)采用履帶式移動底盤方式實現(xiàn)機器人的移動，通過STM32輸出PWM波控制電機和舵機[7-8]，調(diào)節(jié)左右兩個電機的正反轉(zhuǎn)帶動履帶的轉(zhuǎn)動，以帶動底盤移動。在機械臂控制方面，通過對舵機的控制實現(xiàn)機械臂的姿態(tài)及運動控制。通?？刂破髦苯虞敵龅碾娏鬏^小，無法直接驅(qū)動電機和舵機，故采用電機驅(qū)動模塊L298N以放大電流，加強單片機驅(qū)動負(fù)載的能力，其優(yōu)點在于有過電流保護功能，當(dāng)出現(xiàn)電機卡死時，可以保護電路和電機。

3 數(shù)據(jù)采樣及通信設(shè)計

3.1 采樣算法設(shè)計

為提高數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用兩種數(shù)字濾波算法：溫濕度數(shù)據(jù)采用限幅濾波法(程序判斷濾波法)、土壤電導(dǎo)率A/D轉(zhuǎn)換采用中位值濾波法[9]。其中，溫濕度數(shù)據(jù)采用限幅濾波法的基本思路是：確定兩次采樣允許的最大偏差值(設(shè)error_AD)，每次檢測到新值時進行判斷，如果本次值與上次值之差 value_new-value≤error_AD，則本次值有效，如果本次值與上次值之差value_new-value > error_AD，則本次值無效，放棄本次值，取上次值代替本次值。該算法的優(yōu)點是能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。

土壤電導(dǎo)率檢測的中位值濾波法的基本思路是：連續(xù)采樣N_AD次(N_AD取奇數(shù))，將N_AD次采樣值按大小排列，取中間值為本次有效值。該算法的優(yōu)點是能有效克服因偶然因素引起的波動干擾，對溫度、液位等變化緩慢的被測參數(shù)有良好的濾波效果。相應(yīng)程序設(shè)計如下：

#define N_AD 11

char filter(){

char value_buf[N_AD];

char count,i,j,temp;

for{count=0;count< N_AD;count++}

{value_buf[count]=get_ad();

delay();}

for(j=0;j

for(i=0;i

if(value_buf[i]>value_buf[i+1]){

temp=value_buf[i];

value_buf[i]=value_buf[i+1];

value_buf[i+1]=temp;}}}

return value[(N_AD-1)/2]}

3.2 無線通信設(shè)計

本系統(tǒng)的無線通信功能設(shè)計主要考慮通信控制端和STM32之間的通信鏈路[10]，具體通信流程如圖4所示，STM32控制器和PS2控制端首先創(chuàng)建連接模式，然后控制器處于等待接收的狀態(tài)，即等待控制端發(fā)出連接請求，在其接收到控制端的連接請求后，STM32響應(yīng)并與之連接，進入數(shù)據(jù)接收模式并判斷接收請求的狀態(tài)，之后進行控制端發(fā)送數(shù)據(jù)和STM32接收數(shù)據(jù)之間的交互，根據(jù)控制數(shù)據(jù)，由STM32執(zhí)行相應(yīng)的控制程序。

圖4 通信流程圖

4 植物培育機器人系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計，實現(xiàn)智能輔助植物培育履帶式移動機器人系統(tǒng)的實物如圖5所示，主要包括機械臂、控制器、履帶式底盤、無線模塊、攝像頭和多傳感器組等部分。

圖5 系統(tǒng)實物圖

實際作業(yè)情況如圖6所示。機器人移動過程中，如檢測到花盆會自動停下，圖6為機器人自動檢測到目標(biāo)點1的花盆并停下檢測，機械臂帶動土壤濕度傳感器和土壤電導(dǎo)率傳感器插入土壤中以檢測相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)實測值低于設(shè)定值時，通過水泵和導(dǎo)管進行噴灑用水或營養(yǎng)液。該目標(biāo)點1的任務(wù)執(zhí)行完畢后，機器人收回機械臂，繼續(xù)行駛至下一目標(biāo)點2繼續(xù)作業(yè)，并以此方式逐一完成全部目標(biāo)點作業(yè)。系統(tǒng)搭載攝像頭，通過Android手機端APP可以實時監(jiān)測機械臂工作過程，通過PS2控制端可以遠(yuǎn)距離人工控制機器人實施作業(yè)。通過系統(tǒng)實際測試及調(diào)整后，能夠完成上述園林培育作業(yè)任務(wù)要求。

圖6 實際作業(yè)情況圖

結(jié) 語