基于STM32 的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人*

許子康 ，呂志華 ，李雙斌

（山東華宇工學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，極大地提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備通常是基于輪式或履帶式的結(jié)構(gòu)[1]，但是在不平整的土地上，這些設(shè)備的移動(dòng)效率和穩(wěn)定性都不夠理想。因此，基于六足結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人成為一種新的研究方向。

課題組基于STM32 控制器研發(fā)的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人是一種新型的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，它通過(guò)模仿昆蟲(chóng)六足運(yùn)動(dòng)方式，在不平整的土地上實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和操作。這種機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、靈活性強(qiáng)和移動(dòng)效率高等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，如噴霧、收割等操作[2]。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，考慮機(jī)器人的尺寸、重量、載荷、電源等參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)器人的六足結(jié)構(gòu)，選擇合適的傳感器，使用STM32 微控制器編寫(xiě)控制程序，集成機(jī)器人的電源、控制電路和傳感器等組件，完成機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)。

課題組介紹了基于STM32 的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)、控制程序編寫(xiě)、傳感器選擇和集成等方面。同時(shí)，還將對(duì)機(jī)器人的性能進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，以驗(yàn)證機(jī)器人的可行性和實(shí)用性。通過(guò)研究，可以為未來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展提供一定的參考和借鑒，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和智能化。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

國(guó)內(nèi)外在基于STM32 控制器的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人的研究和發(fā)展方面都取得了一定的進(jìn)展。

國(guó)外，美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在積極研究和開(kāi)發(fā)基于六足結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。美國(guó)的波士頓動(dòng)力公司開(kāi)發(fā)了一款名為“Spot”的六足機(jī)器人[3]，它可以在不平整的地形上行走和操作，可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、建筑、安防等領(lǐng)域。日本的東京大學(xué)也開(kāi)發(fā)了一款名為“Mantis”的六足機(jī)器人，它可以在稻田中行走和操作，可以用于稻田的管理和維護(hù)。

國(guó)內(nèi)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的不斷提高，越來(lái)越多的企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始關(guān)注農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)[4]。中科院自動(dòng)化研究所開(kāi)發(fā)了一款名為“六足機(jī)器人”的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，它可以在農(nóng)田中行走和操作，可以應(yīng)用于種植、施肥、噴霧等農(nóng)業(yè)操作。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)也開(kāi)發(fā)了一款名為“六足農(nóng)業(yè)機(jī)器人”的機(jī)器人，它可以在稻田中行走和操作，可以用于稻田的管理和維護(hù)。

基于STM32 控制器的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型農(nóng)業(yè)機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外都在積極研究和開(kāi)發(fā)這種機(jī)器人。未來(lái)隨著農(nóng)業(yè)智能化的不斷推進(jìn)，基于六足結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[5]。

基于以上調(diào)研，課題組設(shè)計(jì)了一種基于STM32控制器的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人。

2 整體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體需求

機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)：機(jī)器人具有六足結(jié)構(gòu)，能夠在不平整的土地上行走和操作，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和靈活性[6]。機(jī)器人的尺寸、重量、載荷等參數(shù)滿足農(nóng)業(yè)操作的需求。

機(jī)器人的電子控制：機(jī)器人使用STM32 微控制器作為控制核心，編寫(xiě)控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制?？刂瞥绦蚓哂袑?shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，能夠處理傳感器反饋的信息，調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

機(jī)器人的傳感器：機(jī)器人選擇合適的傳感器，如陀螺儀、加速度計(jì)、距離傳感器等，用于檢測(cè)機(jī)器人的姿態(tài)、速度、距離等信息[7]。傳感器具有高精度和高靈敏度，能夠?qū)崟r(shí)反饋機(jī)器人的狀態(tài)信息。

機(jī)器人的電源：機(jī)器人使用高性能的電池作為電源，能夠提供足夠的電量和穩(wěn)定的電壓，以保證機(jī)器人的正常運(yùn)行。電池的重量和容量滿足機(jī)器人的需求。

機(jī)器人的農(nóng)業(yè)操作：機(jī)器人通過(guò)安裝農(nóng)業(yè)工具[8]，如噴霧器、收割器等，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)操作。農(nóng)業(yè)工具與機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子控制相匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)操作。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

本項(xiàng)目在山東華宇工學(xué)院電氣學(xué)院指導(dǎo)老師的共同指導(dǎo)下，由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)的課題小組研究基于STM32 控制器的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用六足結(jié)構(gòu)，每個(gè)足部由多個(gè)關(guān)節(jié)組成，能夠在不平整的土地上行走和操作。機(jī)器人的電子控制采用STM32 微控制器作為控制核心，編寫(xiě)控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。傳感器方面，機(jī)器人配備了空氣溫度和濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照度傳感器[9]，用于檢測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的環(huán)境因素，機(jī)器人還配備了物聯(lián)網(wǎng)（IoT）智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)查看作物生長(zhǎng)狀態(tài)，并為植物生長(zhǎng)提供適宜的環(huán)境，系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人的重要組成部分，它能夠控制機(jī)器人在不平整的土地上行走和操作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高效運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮多方面的因素，包括運(yùn)動(dòng)控制算法、運(yùn)動(dòng)控制電路、運(yùn)動(dòng)控制程序和運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)等。

1）運(yùn)動(dòng)控制算法是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的核心，它通過(guò)控制每個(gè)足部的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走和操作。運(yùn)動(dòng)控制算法根據(jù)機(jī)器人的環(huán)境和任務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高效運(yùn)動(dòng)控制。

2）運(yùn)動(dòng)控制電路連接到STM32 微控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)控制電路具有足夠的功率和精度[9]，以確保機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制能夠穩(wěn)定和精準(zhǔn)。

3）運(yùn)動(dòng)控制程序編寫(xiě)相應(yīng)的代碼，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制功能。運(yùn)動(dòng)控制程序根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制算法和環(huán)境需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高效運(yùn)動(dòng)控制。

4）運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)包括機(jī)器人的速度、加速度、轉(zhuǎn)向角度等，根據(jù)機(jī)器人的任務(wù)需求進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

3.2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）空氣溫度和濕度傳感器：采用數(shù)字式溫濕度傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的溫度和濕度測(cè)量，同時(shí)還具有快速響應(yīng)和低功耗的特點(diǎn)。

2）二氧化碳傳感器：采用非分散式紅外二氧化碳傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的二氧化碳測(cè)量，同時(shí)還具有快速響應(yīng)和低功耗的特點(diǎn)。

3）光照度傳感器：采用光敏電阻或光電二極管，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的光照測(cè)量，同時(shí)還具有快速響應(yīng)和低功耗的特點(diǎn)。

以上傳感器連接到STM32 微控制器，傳感器實(shí)物圖如圖2 所示，通過(guò)采集傳感器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理[10]，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。同時(shí)，為了保證傳感器的精度和可靠性，還要考慮傳感器的校準(zhǔn)和維護(hù)等問(wèn)題。

圖2 傳感器實(shí)物圖

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人的重要組成部分，根據(jù)機(jī)器人的功能需求和性能要求，進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件模塊設(shè)計(jì)、軟件編程、軟件測(cè)試和軟件優(yōu)化等多方面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)綜合考慮了機(jī)器人的硬件、軟件和通信等方面的設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件模塊設(shè)計(jì)、軟件編程、軟件測(cè)試和軟件優(yōu)化等多方面的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高效、穩(wěn)定和可靠工作。

5 結(jié)論

基于STM32 的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型農(nóng)業(yè)機(jī)器人，它可以在不平整的土地上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的移動(dòng)和操作，可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的噴霧、收割等操作，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，減輕勞動(dòng)力的負(fù)擔(dān)，是未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，綜合考慮機(jī)器人的尺寸、重量、載荷、電源等參數(shù)，選擇合適的傳感器和控制算法，集成機(jī)器人的電源、控制電路和傳感器等組件，完成機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)。在測(cè)試機(jī)器人性能時(shí)，考慮了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、負(fù)載能力、電池壽命等因素?；赟TM32 控制器的六足農(nóng)業(yè)仿生機(jī)器人是一項(xiàng)非常有前途的研究領(lǐng)域，將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展提供新的技術(shù)支持。