盆栽轉(zhuǎn)移競賽機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計*

張 碩，劉天悅，張鑫宇，史穎剛，崔永杰

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

0 引言

學(xué)科競賽以學(xué)生所在學(xué)科為背景，給定模擬場景和目標(biāo)任務(wù)，使學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新設(shè)計完成作品設(shè)計。這種以賽促學(xué)的方式利于調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，提高學(xué)生綜合素質(zhì)和動手能力，是提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)優(yōu)秀創(chuàng)新人才的重要途徑[1]。

在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域?qū)W科競賽中，美國農(nóng)業(yè)與生物工程師協(xié)會（ASABE,American Society of Agricultural&Biological Engineers）年會第十三屆國際大學(xué)生機(jī)器人設(shè)計競賽，是國際農(nóng)業(yè)工程學(xué)科領(lǐng)域影響力較強(qiáng)、學(xué)術(shù)水平較高的機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新大賽之一。2019年ASABE機(jī)器人大賽的背景是模擬機(jī)器人在植物苗圃內(nèi)對植物盆栽的精準(zhǔn)化庫存管理，競賽場地如圖1所示，場地為長約4.8 m，寬約1.2 m的乳白色木板，四周有高約1.8 m的乳白色木制圍擋，模擬一個植物苗圃。

圖1 競賽場地

場地可供2支隊伍同時比賽，每支隊伍的場地分為出發(fā)位置、循跡行走區(qū)、盆栽放置區(qū)和盆栽存儲區(qū)4個部分。每支隊伍的盆栽放置區(qū)擺放有10個3D打印而成的模擬盆栽植物，盆栽分為綠色和紅色2種，如圖2所示，顏色隨機(jī)擺放。比賽過程中，機(jī)器人從規(guī)定位置出發(fā)，沿黑色循跡線行走，到達(dá)盆栽放置區(qū)域后，識別盆栽并根據(jù)葉片顏色分類，在保證盆栽直立狀態(tài)的前提下將其轉(zhuǎn)移到相應(yīng)顏色的存儲區(qū)域。完成所有盆栽的轉(zhuǎn)移后，機(jī)器人回到出發(fā)位置。比賽過程中只能使用長、寬、高均被限制在約3.6 m以內(nèi)的機(jī)器人。

圖2 2種盆栽

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

根據(jù)競賽要求，設(shè)計的盆栽轉(zhuǎn)移競賽機(jī)器人整體布局，如圖3所示。車體由鋁合金板材制成，金屬輪轂全向輪。鋁合金材質(zhì)制成的四自由度機(jī)械臂可旋轉(zhuǎn)固定在車體上，為提高機(jī)器人在比賽抓取過程中的穩(wěn)定性，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)更好的貼合盆栽外壁，設(shè)計一個機(jī)械爪，3D打印成型后安裝在機(jī)械臂上，如圖4所示。

機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框架如圖5所示，包括主控電路模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、舵機(jī)控制模塊、循跡導(dǎo)航模塊及Open MV視覺識別模塊。選用STM32F103ZET6芯片為控制核心，設(shè)計主控電路；選用2個BTS7960集成芯片組成電機(jī)驅(qū)動電路，選用額定電壓12 V，減速比為1∶90的GM37-545霍爾編碼器直流減速電機(jī)控制車輪運(yùn)轉(zhuǎn)。在四自由度機(jī)械臂的每個手肘關(guān)節(jié)安裝一個扭矩為20 kg·cm的DS3218數(shù)碼數(shù)字舵機(jī)，設(shè)計舵機(jī)控制器實現(xiàn)對舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制，根據(jù)盆栽大小和位置，設(shè)計具體動作組，控制機(jī)械臂和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。循跡導(dǎo)航模塊集成了光電開關(guān)、灰度傳感器SEN1595、慣性模塊JY-901。光電開關(guān)檢測盆栽的位置，使機(jī)器人制動；灰度傳感器識別黑色循跡線，保證機(jī)器人運(yùn)動路徑；慣性模塊JY-901反饋機(jī)器人實時姿態(tài)，調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動軌跡。

圖3 盆栽轉(zhuǎn)移機(jī)器人運(yùn)動本體布局示

圖4 機(jī)械臂及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真

圖5 控制系統(tǒng)總體框架

2 控制電路設(shè)計

2.1 STM32最小系統(tǒng)電路

機(jī)器人的主控板要直接控制舵機(jī)驅(qū)動板、直流電機(jī)驅(qū)動板、OpenMV視覺模塊以及循跡導(dǎo)航模塊的多個傳感器，工作中需要占用較多的IO口，選用STM32F103ZET6作為主控芯片，該芯片數(shù)字模擬輸入輸出口很多，而且處理速度快，功耗低，滿足設(shè)計需求[2-3]。

圖6 STM32主電路

設(shè)計STM32F103ZET6最小系統(tǒng)電路，包括STM32主電路、電源電路、USB下載電路、擴(kuò)展I/O接口電路、指示燈及按鍵電路等5個部分。STM32主電路如圖6所示，包括時鐘電路、復(fù)位電路以及BOOT啟動電路。時鐘電路為單片機(jī)提供工作信號脈沖，主要由晶振和電容組成。電路中選擇8 MHz的晶體振蕩器作為振蕩源，外接2個10 pF的負(fù)載電容，并連接1 MΩ的電阻匹配阻抗，構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。

選用AMS1117-3.3降壓芯片設(shè)計電源電路，輸入5 V的電源經(jīng)過處理后輸出3.3 V電源，設(shè)置2個輸入電容，防止斷電后出現(xiàn)電壓倒置；設(shè)置2個輸出濾波電容，穩(wěn)定輸出電壓和抑制自激振蕩，電源指示燈電路顯示主控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

選用CH340G設(shè)計USB串口下載電路，如圖7所示。在X1和XO引腳之間連接12 MHz的晶振，再連接2個負(fù)載電阻組成時鐘電路，提供時鐘信號。用5 V電源給CH340G供電，向VCC引腳提供5 V電壓[4]。

圖7 USB下載電路

為方便后期調(diào)試，設(shè)計指示燈電路和按鍵電路，其中LED1和LED2分別和單片機(jī)的GPIO管腳連接，為防止電流過大損壞發(fā)光二極管，在電路中串聯(lián)2個限流電阻。

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動電路

選用2個BTS7960集成芯片設(shè)計H橋驅(qū)動電路，用于GM37-545霍爾編碼器驅(qū)動直流減速電機(jī)，如圖8所示。其中，R1、R2為阻值1 kΩ的限流電阻，防止電壓過大損害芯片電路。IS引腳輸出電流，具有電流檢測功能，SR引腳用來調(diào)節(jié)開關(guān)速率。電源接口處并聯(lián)的104μF電容為電流通道，1 000μF的電容用于降低PWM調(diào)速時MOSFET開關(guān)速率較快產(chǎn)生的諧波危害。IN引腳用于電機(jī)方波調(diào)速和決定電機(jī)正反轉(zhuǎn)，輸入高電平，高端場效應(yīng)晶體管被接通，低端場效應(yīng)晶體管截止，輸入低電平，前者截止后者導(dǎo)通。

圖8 H橋電機(jī)驅(qū)動電路原理

2.3 舵機(jī)控制器電路

基于STM32F103RCT6單片機(jī)，設(shè)計24路舵機(jī)控制器，通過和上位機(jī)軟件配合，能在PC端直接編輯機(jī)器人動作組，實時在線調(diào)試。STM32F103RCT6的最小系統(tǒng)電路和2.1節(jié)的最小系統(tǒng)電路一樣，不再贅述。

舵機(jī)控制器的電源電路如圖9所示，系統(tǒng)外接7.4 V電池或5 V的USB電源，經(jīng)AMS1117芯片將其降壓到3.3 V后為STM32F103RCT6供電。由于舵機(jī)的信號地和電源地相連，所以舵機(jī)電源輸入端的排針3和4，用跳線帽連接。當(dāng)排針1、2跳線帽接通時，控制系統(tǒng)通過7.4 V充電電池供電。為防止電池對USB接口反向充電，在USB電源的正極接入一個肖特恩二極管SS14。選用STM32內(nèi)置的USB模塊與上位機(jī)通信，設(shè)計舵機(jī)控制器的USB串口通信電路。

圖9 舵機(jī)電源電路

舵機(jī)的驅(qū)動電路如圖10所示，P4為單片機(jī)PWM信號輸出引腳，即舵機(jī)控制信號輸入端，輸入信號負(fù)極與GNDS共地。P5的VCCS通過電源電路的DC引腳輸入。

圖10 舵機(jī)驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計

3.1 主程序

在盆栽轉(zhuǎn)移競賽機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，編寫了機(jī)器人底盤基本運(yùn)動控制算法和視覺模塊顏色識別算法，設(shè)計了舵機(jī)控制器上位機(jī)軟件和舵機(jī)動作組，控制系統(tǒng)總體流程如圖11所示。機(jī)器人從起始區(qū)域出發(fā)，沿黑色循線行走，到達(dá)盆栽放置區(qū)識別盆栽葉片顏色，機(jī)械臂執(zhí)行抓取動作組抓取盆栽，將盆栽轉(zhuǎn)移到對應(yīng)顏色的存儲區(qū)，然后返回盆栽放置區(qū)，繼續(xù)完成其余盆栽的轉(zhuǎn)移。設(shè)置機(jī)器人識別轉(zhuǎn)移的動作循環(huán)10次后返回起始區(qū)域，完成比賽。

3.2 機(jī)器人行走子程序

車輪轉(zhuǎn)速取決于電機(jī)兩端電壓的大小，通過STM32采樣檢測電機(jī)兩端電壓大小和前端并聯(lián)的電容電壓大小來控制單片機(jī)輸出可調(diào)脈沖寬度調(diào)制（PWM，Pulse Width Modulation）波的頻率。PWM波在低電平時，MOS管不導(dǎo)通，小車車輪不轉(zhuǎn)動；PWM波在高電平時，MOS管導(dǎo)通，小車車輪轉(zhuǎn)動。通過電機(jī)驅(qū)動器的EN1引腳調(diào)節(jié)PWM占空比，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速[6-7]。通過電機(jī)驅(qū)動全向輪正反轉(zhuǎn)，使機(jī)器人前進(jìn)、后退、向左或向右行進(jìn)，IN1、IN2引腳輸出信號，可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，當(dāng)其輸出控制信號多種組合時，電機(jī)可出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的不同狀態(tài)[8]，電機(jī)正反轉(zhuǎn)的邏輯，如表1所示。

圖11 控制系統(tǒng)總體程序流程

表1 直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)真值表

機(jī)器人左側(cè)安裝L1、L2、L3共3個灰度傳感器，前側(cè)安裝F3、F4、F5共3個灰度傳感器。其中，L1、F3檢測白色木地板上貼有的黑色循跡線是否出現(xiàn)，L2、L3和F4、F5分別組合實現(xiàn)循跡行走?；叶葌鞲衅鳈z測到黑色線后，將低電平信號返回主控芯片。通過定時器中斷設(shè)置不同位置傳感器的優(yōu)先級，確保機(jī)器人按照規(guī)定路線前進(jìn)。采用光電開關(guān)檢測前方盆栽，當(dāng)前方有盆栽時，光電開關(guān)返回高電平信號到主控芯片，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，主控制器通過串口發(fā)送字符串指令，控制OpenMV執(zhí)行顏色識別程序，控制舵機(jī)運(yùn)動，四自由度機(jī)械臂執(zhí)行相應(yīng)動作，將盆栽移至存儲區(qū)。完成盆栽轉(zhuǎn)移任務(wù)后，機(jī)器人返回起始區(qū)。

3.3 顏色識別子程序

競賽要求機(jī)器人能夠通過盆栽葉片的顏色準(zhǔn)確區(qū)分紅色、綠色盆栽。選用Open MV3 Cam M7攝像頭模組進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，采集的圖像經(jīng)攝像頭內(nèi)的感光元件處理，獲取圖像，進(jìn)行目標(biāo)物體識別[5]，在其自帶的集成開發(fā)環(huán)境Open MV IDE中，采用Python語言編寫代碼，并把處理結(jié)果經(jīng)串口發(fā)送給STM32 F103ZET6主控芯片。

顏色識別程序流程如圖12所示。串口初始化后，通過thresholds函數(shù)設(shè)置目標(biāo)物體的顏色閾值，本設(shè)計選用LAB顏色模型，在函數(shù)中分別設(shè)置L、A、B3個要素的最大值和最小值。在攝像頭獲取的圖像中查找最大色塊并用矩形框標(biāo)記。最后將最大目標(biāo)色塊的顏色閾值與設(shè)置的紅色、綠色閾值相比較，判斷出圖像中盆栽葉片的顏色。

圖12 顏色識別程序流程

3.4 舵機(jī)控制器上位機(jī)軟件

舵機(jī)的驅(qū)動程序設(shè)計主要包括多路PWM輸出實現(xiàn)、USB模擬串口程序、串口通信協(xié)議設(shè)計等。舵機(jī)控制器的上位機(jī)軟件，要求能夠輸出24路可控占空比的PWM信號，從而驅(qū)動舵機(jī)轉(zhuǎn)到指定角度位置，實現(xiàn)對舵機(jī)的在線控制，數(shù)據(jù)的下載存儲以及從存儲器中依次輸出數(shù)據(jù)[9]。采用Qt Creator 3.4.2開發(fā)上位機(jī)軟件，軟件通過PC端USB接口與下位機(jī)舵機(jī)驅(qū)動器通信，上位機(jī)按照預(yù)先給定的傳輸協(xié)議給下位機(jī)發(fā)送信息。軟件可實現(xiàn)的功能有：控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，保存舵機(jī)動作組并實時調(diào)用，將動作組下載到下位機(jī)中，并控制其運(yùn)行或暫停。

PC端上位機(jī)軟件操作界面如圖13所示，包括連接界面、控制界面、調(diào)試界面3個部分。連接界面設(shè)計有連接、斷開調(diào)試、COM口選擇和波特率選擇4個操作按鈕。

圖13 上位機(jī)軟件界面

4 實物測試

根據(jù)上述設(shè)計，搭建競賽機(jī)器人，如圖14所示。在1∶1的比賽場地中，測試機(jī)器人性能。

經(jīng)實驗，機(jī)器人可沿循跡線行進(jìn)，平均速度為0.604 m/s，機(jī)械臂及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實現(xiàn)對盆栽的抓取和放置，視覺模塊對葉片顏色的識別成功率為100%，抓取動作5.13 s/次，放置動作10.96 s/次，每完成一個盆栽轉(zhuǎn)移的平均時間為90 s，完成率為100%。整體來講機(jī)器人能夠穩(wěn)定運(yùn)行，完成比賽，轉(zhuǎn)移盆栽的成功率為96%。經(jīng)過整理，該系統(tǒng)已經(jīng)用于西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)的實踐環(huán)節(jié)《機(jī)電一體化綜合訓(xùn)練》，如圖15所示。

圖14 機(jī)器人實物圖

圖15 盆摘轉(zhuǎn)移競賽機(jī)器人實踐教學(xué)

5 結(jié)束語

本設(shè)計為盆栽轉(zhuǎn)移競賽機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計，在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于STM32單片機(jī)構(gòu)建了機(jī)器人控制系統(tǒng)。分別對機(jī)器人機(jī)械底盤、循跡導(dǎo)航模塊、Open MV視覺識別模塊、機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的舵機(jī)控制、基于STM32的主控電路五大模塊的硬件電路和控制算法進(jìn)行設(shè)計。搭建比賽場地進(jìn)行的實地測試顯示，機(jī)器人整體運(yùn)動效果良好，能夠按照要求實現(xiàn)對植物盆栽的轉(zhuǎn)移。每完成一個盆栽轉(zhuǎn)移的平均時間為90 s，機(jī)器人整體系統(tǒng)能夠完成比賽，運(yùn)行穩(wěn)定，轉(zhuǎn)移成功率為96%。