一種競賽用移栽小車設(shè)計

冷俊男 陳毅豪

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

1 場地及賽制說明

圖1 競賽用場地尺寸方案

本設(shè)計所基于的競賽場地尺寸如圖1所示，左邊的兩狹長矩形為放置盆栽的收貨區(qū)，上方為紅色盆栽移栽區(qū)，下方為綠色盆栽移栽區(qū)，中間為賽道，右邊為初始擺放盆栽的區(qū)域(顏色順序隨機擺放)，參賽人員需要利用設(shè)計的小車自行識別顏色并準確抓取，然后沿賽道進行循跡，隨后準確放置在移栽區(qū)域。

2 一種競賽用移栽小車的結(jié)構(gòu)組成

本設(shè)計包括機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)與機器視覺3部分。機械結(jié)構(gòu)主要包括小車底盤的布局與移栽機械臂的組裝，將所有的直流電機驅(qū)動器、步進電機驅(qū)動器、開發(fā)板、穩(wěn)壓模塊、舵機控制板、陀螺儀能夠裝于底板并方便排線；移栽機械臂主體采用舵機、舵機控制板、金屬支架、機械抓爪、軸承、螺釘螺母等組裝搭建；支架與舵機連接為金屬制法蘭盤，法蘭盤受力為壓力和力矩，舵機均為單側(cè)舵機，在部分連接處為塑料法蘭盤銷約束，受到支架的壓力，但不受力矩影響。

圖2 移栽小車結(jié)構(gòu)

機器視覺主要包括視覺模塊與循跡系統(tǒng)(灰度傳感器)，視覺系統(tǒng)主要是基于OpenMV單片機進行識別，然后與主控板STM32開發(fā)板進行通訊實時反饋識別結(jié)果，從而執(zhí)行后續(xù)相關(guān)的抓取動作，其接線較為簡便，OpenMV上的3.3V與GND引腳分別與控制板上的引腳相連，TXD引腳與RXD引腳分別與主控板上的RXD，TXD引腳相連，以此來實現(xiàn)通信；灰度傳感器包括紅外發(fā)射和接收管等元器件，發(fā)光源采用高亮白色聚光LED，接收管對不同反射光的強弱進行對比處理，對白光反射強弱不同產(chǎn)生差值，從而達到分辨的效果，因此，灰度傳感器也比普通紅外傳感器抗干擾能力要強得多。其識別過程主要是通過2只發(fā)光二極管來完成的，一只為發(fā)白光的高亮度發(fā)光二極管，另一只為光敏探頭，前者發(fā)出超強白光照射在物體上，通過物體反射回來落在光敏二極管上，由于照射在后者上的光線強弱有變，其阻值也發(fā)生變化，燈的亮滅代表高低電平的變化。

控制系統(tǒng)為最重要的系統(tǒng)，主要包括直流電機的驅(qū)動、步進電機的驅(qū)動、舵機的驅(qū)動。本設(shè)計所用直流電機型號為GM37-520，自帶高低電平磁性霍爾編碼器，雙相輸出，基礎(chǔ)信號為11PPR，減速比為1∶150；步進電機控制系統(tǒng)本設(shè)計所采用的是42步進電機驅(qū)動器套裝，出線方式為二相四線插線式，所使用的驅(qū)動器型號為TB6600升級版；機械臂的搭建過程中，本設(shè)計一共用到了5個舵機，包括2個LDX-218 180°舵機(安裝于大臂)、2個LDX-335MG舵機(安裝于小臂)與1個LD-1501MG 180°舵機(安裝于機械爪)。將各個舵機依次連接上各個機械臂關(guān)節(jié)和機械爪過后，將信號線與正負電源線和舵機控制板按舵機順序編號對應(yīng)連接起來。

3 一種競賽用移栽小車工作流程

工作時，小車中間和右側(cè)的灰度傳感器用于檢測黑線，當左側(cè)的灰度傳感器檢測到黑線時，說明小車向右偏斜，小車隨即向左糾正；當右側(cè)的灰度傳感器檢測到黑線時，說明小車向左偏斜，小車隨即向右糾正。

小車在盆栽擺放區(qū)行進時，視覺模塊檢測到盆栽，向stm32單片機返回信號，小車停車并開始夾取盆栽，動作完成后，開始向紅綠分離區(qū)前進，若stm32單片機接收到視覺模塊發(fā)送的紅花信號，將前往紅花區(qū)，放下紅花盆栽；若stm32單片機接收到視覺模塊發(fā)送的綠花信號，將前往綠花區(qū)，放下綠花盆栽。動作完成后，小車將回到盆栽擺放區(qū)的起點，重復(fù)對盆栽的識別及擺放過程。

圖3 競賽用移栽小車控制流程

控制系統(tǒng)作為本設(shè)計的核心系統(tǒng)，對于控制系統(tǒng)有必要單獨進行說明，讓讀者更加清晰地了解本設(shè)計的控制流程：小車前進時stm32單片機給4個直流電機輸入相同的PWM波值，給左邊2個驅(qū)動器賦相同的轉(zhuǎn)向信號，右邊2個驅(qū)動器賦相反的轉(zhuǎn)向信號；小車后退時stm32單片機給驅(qū)動器賦相反的轉(zhuǎn)向信號，使4個輪子的轉(zhuǎn)向與前進時相反即可；小車左轉(zhuǎn)時stm32單片機接收到左側(cè)灰度傳感器的高電平信號后，給左邊2個驅(qū)動器賦反向的轉(zhuǎn)向信號，右邊2個驅(qū)動器賦正向的轉(zhuǎn)向信號；小車右轉(zhuǎn)時stm32單片機收到右側(cè)灰度傳感器的高電平信號后，給左邊2個驅(qū)動器賦正向的轉(zhuǎn)向信號，右邊2個驅(qū)動器賦反向的轉(zhuǎn)向信號；糾正位置時，stm32 單片機接收到中間灰度傳感器的高電平信號時，說明小車偏左，給4個驅(qū)動器輸出不同的PWM波值，使左邊2個電機的轉(zhuǎn)速大于右邊2個輪子，小車向右糾正；stm32 單片機接收到右側(cè)灰度傳感器的高電平信號時，說明小車偏右，給4個驅(qū)動器輸出不同的PWM波值，使右邊2個電機的轉(zhuǎn)速大于左邊2個電機轉(zhuǎn)速，小車向左糾正。其控制樹圖如圖所示。

圖4 系統(tǒng)控制流程

4 結(jié)語

本設(shè)計是一種基于STM32單片機、機器視覺、移栽機械臂的移栽小車，STM32單片機可以與舵機控制板、視覺模塊與循跡模塊、步進電機控制板完成通信，是整個控制系統(tǒng)的核心中樞，而視覺模塊與移栽機械臂則保證了移栽的準確性。這種移栽小車可以達成一些競賽目標，進一步完善過后也可以替代一些農(nóng)業(yè)、林業(yè)或者展覽的人工移栽。