基于動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的草莓溫室大棚自動(dòng)輸送車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遲明路，任瑞華，王元利，錢(qián)曉艷

（1.河南工學(xué)院 智能工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.河南工學(xué)院 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

目前，溫室大棚內(nèi)草莓采摘后在棚內(nèi)仍采用人工運(yùn)輸?shù)姆绞剑@種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，且草莓極易受損[1]。針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外都有業(yè)者使用軌道車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸。這雖然改善了草莓的運(yùn)輸環(huán)境[2,3]，但軌道的鋪裝價(jià)格較高，且受溫室大棚行壟空間的限制，軌道安裝較為困難。

本文設(shè)計(jì)了一種基于動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的草莓溫室大棚自動(dòng)輸送車(chē)系統(tǒng)，采用MSP430F5529LP單片機(jī)作為主控核心，以灰度傳感器對(duì)黑線進(jìn)行循跡，利用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件為輸送車(chē)進(jìn)行動(dòng)態(tài)充電[4]。超級(jí)電容具有充電迅速、壽命長(zhǎng)、反復(fù)充放電能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代的電池技術(shù)。動(dòng)態(tài)無(wú)線充電技術(shù)的發(fā)展為草莓溫室大棚自動(dòng)化無(wú)人運(yùn)輸?shù)於嘶A(chǔ)[5-13]。

1 模塊整體設(shè)計(jì)和布局

本文采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F5529LP單片機(jī)作為系統(tǒng)主控處理器，這是一款基于閃存的產(chǎn)品，工作電壓為1.8—3.6 V時(shí)，性能可達(dá)25 MIPS，啟動(dòng)時(shí)為12 MIPS，內(nèi)部有優(yōu)化功耗電源管理模塊和穩(wěn)壓模塊，并具備較大的存儲(chǔ)容量。利用MSP430F5529LP單片機(jī)自身的優(yōu)點(diǎn)，配合灰度傳感器，可實(shí)現(xiàn)循跡黑線軌道（以下簡(jiǎn)稱(chēng)軌道）行走，輸送車(chē)沿軌道運(yùn)行時(shí)不偏離循跡路線，并使用超級(jí)電容模塊為主控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)供電。儲(chǔ)能元件使用超級(jí)電容模塊，參數(shù)為5.5 V/10 F，為提高其電壓，采用了超級(jí)電容并聯(lián)的方式，并使用TB6612FNG小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)板對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行速度控制，TB6612FNG的性能優(yōu)于常規(guī)使用的L298N芯片，可大大減少輸送車(chē)的電能消耗。

動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)由散熱底板、嵌于路基中的亞克力板、無(wú)線能量發(fā)射裝置、供電箱、延時(shí)繼電器和軌道組成，在散熱底板與亞克力板之間裝有多個(gè)無(wú)線能量發(fā)射裝置，無(wú)線能量發(fā)射裝置由多匝能夠與接收線圈耦合的發(fā)射線圈構(gòu)成，供電箱與發(fā)射線圈連接，軌道安裝于亞克力板內(nèi)側(cè)，供電箱與延時(shí)繼電器連接，由延時(shí)繼電器控制供電箱與發(fā)射線圈之間的電路通斷。無(wú)線能量接收裝置安裝于車(chē)身底部，內(nèi)部裝有TB6612FNG驅(qū)動(dòng)板，超級(jí)電容模塊依次與整流模塊、穩(wěn)壓模塊、繼電器控制模塊連接。

本系統(tǒng)采用3個(gè)灰度傳感器進(jìn)行循跡行走，利用程序控制左右兩輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，使輸送車(chē)能夠在運(yùn)輸過(guò)程中保持速度穩(wěn)定并進(jìn)行勻速轉(zhuǎn)彎，保證了草莓運(yùn)輸過(guò)程中的安全性與穩(wěn)定性。輸送車(chē)的車(chē)身采用亞克力板制成，兩個(gè)前驅(qū)輪和一個(gè)全向萬(wàn)向輪構(gòu)成底盤(pán)輪系。其中，兩個(gè)主動(dòng)輪均安裝相同的電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力輪，萬(wàn)向輪作為從動(dòng)輪安裝在底盤(pán)后部。由于草莓輸送車(chē)的主要任務(wù)是裝載草莓，所以在綜合考慮所需控制器件和運(yùn)行線路后，選用尺寸為205mm×101mm×2.7mm的絕緣亞克力板作為車(chē)底盤(pán)，以保證承載重量和控制電路的可靠運(yùn)行。草莓輸送車(chē)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸送車(chē)整體結(jié)構(gòu)

本方案的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)輸送車(chē)的動(dòng)態(tài)無(wú)線充電，滿足輸送車(chē)的運(yùn)輸要求。圖2為基于動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的草莓溫室大棚自動(dòng)輸送車(chē)的整體結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)整體方案結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 MSP430F5529LP單片機(jī)

MSP430F5529LP單片機(jī)采用高效16位RISC體系結(jié)構(gòu)[14]，所有指令操作包含7種源操作數(shù)的尋址模式和4種目的操作數(shù)的尋址模式。具有8個(gè)8位的I/O端口，包括P1—P8，其中，P8為3個(gè)I/O口線。系統(tǒng)使用的MSP430F5529LP單片機(jī)如圖3所示。

圖3 MSP430F5529LP單片機(jī)

2.2 無(wú)線能量發(fā)射模塊與接收模塊

設(shè)計(jì)無(wú)線發(fā)射模塊和無(wú)線接收模塊時(shí)，重點(diǎn)考慮線圈的充電效率[15]。相比于其他單片機(jī)，MSP430F5529LP單片機(jī)具有能耗低、充電效率高的特點(diǎn)。本系統(tǒng)中，無(wú)線線圈形狀為圓形，線圈大小適中且體積輕薄，有利于輸送車(chē)進(jìn)行定時(shí)充電。采用12V的直流穩(wěn)壓電源為發(fā)射模塊供電，經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換成交流電，傳輸至發(fā)射線圈，電流在線圈內(nèi)形成電磁場(chǎng)，最終通過(guò)電磁感應(yīng)的方式為超級(jí)電容充電，完成充電儲(chǔ)能過(guò)程。圖4為系統(tǒng)充電方案示意圖。

圖4 充電方案示意圖

為了提高輸送車(chē)的行走時(shí)間，使用漆包線緊密纏繞制成無(wú)線接收線圈，經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)可以有效提高輸送車(chē)的充電效率，保證輸送車(chē)行走時(shí)間更長(zhǎng)。圖5所示為無(wú)線能量接收線圈的結(jié)構(gòu)。

圖5 無(wú)線能量接收線圈

無(wú)線能量傳輸?shù)陌l(fā)射和接收模塊電路如圖6、圖7所示。

圖6 無(wú)線發(fā)射模塊電路圖

圖7 無(wú)線接收模塊電路圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

相比于常規(guī)使用的L298N芯片，TB6612FNG[16]具有集成化程度高、體積小、功能強(qiáng)和效率高的優(yōu)點(diǎn)，如圖8所示。TB6612FNG的主要引腳功能為：AINI/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB為控制信號(hào)輸入端；AO1/AO2、BO1/BO2為2路電機(jī)控制輸出端；STBY為正常工作/待機(jī)狀態(tài)控制引腳；VM(3—13.5 V)和VCC(2.7—5.5 V)分別為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓輸入和邏輯電平輸入端。TB6612FNG可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，分別控制兩個(gè)電機(jī)的I/O口和STBY口與單片機(jī)的I/O口連接，通過(guò)AIN1、AIN2、BIN1和BIN2來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

圖8 TB6612FNG電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

TB6612FNG模塊用于控制輸送車(chē)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和停車(chē)等運(yùn)動(dòng)，主要原理是基于PWM波對(duì)轉(zhuǎn)速的控制，調(diào)速控制過(guò)程如圖9所示。

圖9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)速過(guò)程

具體調(diào)速方法是根據(jù)控制表中的電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為AINI/AIN2、BIN1/BIN2提供相應(yīng)的高低電平，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，表1為T(mén)B6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊控制邏輯表。需要注意的是，在邏輯表中，當(dāng)AINI/AIN2、BIN1/BIN2、PWMA/PWMB均為1時(shí)，電機(jī)的控制輸出端發(fā)出的邏輯指令表示剎車(chē)狀態(tài)。

表1 TB6612FNG驅(qū)動(dòng)模塊控制邏輯表

2.4 繼電器控制模塊

繼電器控制模塊選用5 V常開(kāi)模式，觸發(fā)可靠，穩(wěn)定性高。在輸送車(chē)底部加裝無(wú)線能量接收線圈，為繼電器獨(dú)立供電。無(wú)線接收線圈通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流，為繼電器模塊提供標(biāo)準(zhǔn)工作電壓。圖10所示為繼電器供電線圈。

圖10 繼電器供電線圈

為了使輸送車(chē)能夠自啟動(dòng)，將繼電器的常開(kāi)端串聯(lián)到超級(jí)電容與電機(jī)的支路，繼電器工作時(shí)，處于常開(kāi)狀態(tài)，車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)不通電，此時(shí)系統(tǒng)為超級(jí)電容充電；繼電器斷電時(shí)，恢復(fù)常閉狀態(tài)，此時(shí)超級(jí)電容模塊放電，輸送車(chē)開(kāi)始啟動(dòng)，圖11和圖12分別為繼電器模塊的控制線路圖與實(shí)際圖。

圖11 繼電器模塊控制圖

圖12 繼電器模塊

2.5 循跡模塊

循跡模塊選用3個(gè)灰度傳感器，輸出類(lèi)型為數(shù)字高低電平式，優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性高。采用高亮白色聚光LED，接收時(shí)對(duì)不同反射光的強(qiáng)弱進(jìn)行對(duì)比處理，僅需對(duì)比白光反射的強(qiáng)弱即可，差值越大，分辨度越好，比普通紅外傳感器抗干擾能力強(qiáng)。選用3個(gè)灰度傳感器，可以精準(zhǔn)判斷出所循跡黑線軌道的位置并能減少外界紅外線的干擾，圖13所示為循跡模塊。

圖13 循跡模塊

灰度傳感器識(shí)別出黑色軌跡后，返回給MSP430F5529LP單片機(jī)1和0兩個(gè)電平信號(hào)，單片機(jī)處理之后經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制輸送車(chē)行走，如圖14所示。

圖14 循跡模塊功能框圖

2.6 超級(jí)電容模塊

輸送車(chē)使用的超級(jí)電容模塊由多個(gè)超級(jí)電容組合而成，超級(jí)電容儲(chǔ)能模塊的儲(chǔ)能為物理過(guò)程，其功率性要優(yōu)于鋰電池，可以使用大電流快速充放電，充放電次數(shù)能達(dá)到50萬(wàn)次以上，具有使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。圖15所示為超級(jí)電容模塊。

圖15 超級(jí)電容模塊

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成對(duì)系統(tǒng)的初始化和對(duì)硬件的啟動(dòng)、檢測(cè)等功能，其中運(yùn)動(dòng)控制程序的主要任務(wù)是完成更為精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制，使運(yùn)動(dòng)隨著工作過(guò)程和任務(wù)的不同而進(jìn)行改變。整個(gè)系統(tǒng)程序可分為四部分，分別為：主程序、初始化程序、延時(shí)子程序和循跡檢測(cè)程序。圖16為系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖16 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 測(cè)試及分析

為了驗(yàn)證上述分析，在2 min的時(shí)間內(nèi)測(cè)量了輸送車(chē)的行走距離，并測(cè)量了動(dòng)態(tài)無(wú)線充電電壓。

4.1 輸送車(chē)運(yùn)動(dòng)距離測(cè)試及分析

由表2可以看出，隨著充電時(shí)間的增加，輸送車(chē)運(yùn)動(dòng)距離也逐漸增加。

表2 運(yùn)動(dòng)距離測(cè)試

4.2 灰度傳感器安裝距離測(cè)試及分析

對(duì)3個(gè)灰度傳感器的靈敏度進(jìn)行測(cè)試，以尋找合適的安裝高度和距離，采用多次試驗(yàn)綜合取值分析的方法，每組試驗(yàn)進(jìn)行20次，測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。最終得到灰度傳感器安裝距離為：傳感器距離地面10 mm，3個(gè)傳感器相互距離為20 mm。

表3 灰度傳感器靈敏度測(cè)試

4.3 充電電壓測(cè)試及分析

選用12 V直流電源為動(dòng)態(tài)無(wú)線充電系統(tǒng)充電，首先，對(duì)輸送車(chē)連續(xù)充電1 min；然后，每測(cè)一次時(shí)間增加30 s，使用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí)；最后，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并繪制電容充電電壓曲線如圖17所示?？梢钥吹?，隨著充電時(shí)間的增加，電容充電電壓也逐漸變大。

圖17 電容充電電壓曲線

5 結(jié)論

本文以MSP430F5529LP單片機(jī)為主控核心，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)態(tài)無(wú)線充電的草莓溫室大棚自動(dòng)輸送車(chē)系統(tǒng)，主要由無(wú)線能量發(fā)射模塊與接收模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器控制模塊、循跡模塊與超級(jí)電容模塊構(gòu)成。通過(guò)超級(jí)電容模塊為輸送車(chē)快速充電，極大地提高了充電效率，降低了充電時(shí)間。使用TB6612FNG電機(jī)控制模塊控制輸送車(chē)的轉(zhuǎn)彎、前進(jìn)等運(yùn)動(dòng)，輕便靈活。在草莓運(yùn)輸過(guò)程中可進(jìn)行不間斷動(dòng)態(tài)充電，無(wú)需停車(chē)，提高了轉(zhuǎn)運(yùn)效率，降低了采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步改善了我國(guó)溫室大棚內(nèi)草莓運(yùn)力不足的現(xiàn)狀，并為溫室大棚內(nèi)其他作物果實(shí)的多樣化運(yùn)輸?shù)於搜芯炕A(chǔ)。