基于STM32 的智能種樹機器人＊

吳昊棟，宋宗曉，王藝佳，任怡宣，李冰冰

（河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003）

植被是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，具有固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、防風固沙和文化旅游等功能。對于維護全球生態(tài)安全、保護地球生態(tài)環(huán)境具有不可替代的作用。據(jù)報道，4 000 m2林帶，一年中可吸收并同化100 000 kg 的污染物。它調(diào)節(jié)著自然界中空氣和水的循環(huán)，影響著氣候的變化，減輕環(huán)境污染給人們帶來的危害。森林也是多種動物的棲息地，是多類植物的生長地，是地球生物繁衍最為活躍的區(qū)域。中國生態(tài)環(huán)境的基本狀況是：治理能力遠遠趕不上破壞速度，生態(tài)赤字在一定程度上逐漸擴大；森林資源銳減，中國許多主要林區(qū)的森林面積大幅度減少；全國森林采伐量和消耗量遠遠超過林木生長量。

1 總體設計及工作流程

基于STM32 的智能植樹機器人主要可分為機械部分與控制部分2 個部分。機械部分主要包括樹苗存儲投送裝置、挖洞裝置、填土裝置、澆水裝置等。控制部分分為STM32 單片機控制板和直流電機驅(qū)動板等幾部分。

整個工作流程由準備工作和進行作業(yè)2部分組成。準備工作主要是先將樹苗放入樹苗存儲盒并保證每個格柵只放一棵樹苗，之后為澆水水箱加滿水。完成準備工作之后開始進行作業(yè)，啟動機器，由stm32 控制機器按既定程序運行，它控制直流電機驅(qū)動板，對各個電機進行控制。進而控制樹苗存儲投送裝置、挖洞裝置、填土裝置、澆水裝置等各個裝置穩(wěn)定高效有序運行。裝置運行大致如下：首先進行挖洞作業(yè)，用挖洞裝置完成，用樹苗儲存投送裝置將樹苗穩(wěn)定運至洞口處。再通過填土裝置對周圍土壤進行聚攏，從而穩(wěn)定并直立樹苗。最后澆水裝置進行澆水作業(yè)。輸送適量的水對土壤進行濕潤，保證樹苗直立及之后樹苗成活?？傮w設計如圖1 所示。

圖1 總體設計

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由主控制器、超聲波避障模塊、直流電機驅(qū)動板等構(gòu)成。

2.1 主控制器

主控芯片采用STM32F103ZET6，此芯片為中等容量增強型，32 位基于ARM 核心的128 kB 字節(jié)閃存微控制器USB、CAN，7 個定時器、2 個ADC、9 個通信接口、2 個12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1 μs 轉(zhuǎn)換時間（多達16 個輸入通道）；ARM 32 位的Cortex-M3 CPU（最高72 MHz 工作頻率），內(nèi)核為Cortex-M3，該款處理器適合處理大量信息和同時控制多個硬件，能夠較好地完成此次任務。

系統(tǒng)整體軟件設計流程思路為：首先初始化程序并設定樹苗總數(shù)為N，然后開始前進，在前進途中識別系統(tǒng)識別前方是否有障礙，若有障礙，則進行避障；若無障礙，則一直前進。同時系統(tǒng)會實時檢測行進距離是否達到設定距離，當達到距離后，機器停下并開始一次作業(yè)，并減去數(shù)目，然后進入下次流程，直到N=0，則機器停止運行。系統(tǒng)軟件設計流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件設計流程

2.2 超聲波避障設計

避障模塊采用超聲波避障模塊HC-SR04，由于小車作業(yè)地點在戶外可能會有障礙物干擾小車工作，所以選用超聲波避障模塊檢測障礙物與小車的距離，并對檢測的距離與程序設定的安全距離進行判定，判斷是否需要啟動自動避障動作。此避障模塊向外界發(fā)送40 kHz 的工作頻率，能夠自行設定發(fā)射超聲波的頻率，但設定頻率需要適中（頻率過高會加重單片機內(nèi)核運算負荷，過低會導致距離檢測不及時，無法避障）。超聲波模塊將反射時間輸入給單片機內(nèi)核，單片機將時間代入聲波和距離計算公式，即可計算小車與障礙物的距離，有效躲避障礙物。

2.3 直流電機驅(qū)動板

直流電機驅(qū)動板采用L298N 電機驅(qū)動板，L298N芯片可以驅(qū)動2 個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50 V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO 口提供信號；電路簡單，使用比較方便。同時L298N 可接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS 可接4.5～7 V 電壓。4 腳VS接電源電壓，VS 電壓范圍為+2.5～46 V。輸出電流可達2 A，可驅(qū)動電感性負載。1 腳和15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298 可驅(qū)動2 個電動機，OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 之間可分別接電動機，5、7、10、12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。En A、En B 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)[1]，而本小型植樹機器人使用的均為直流電機。此外該驅(qū)動板體積小，符合此機器設計要求。其原理圖如圖3 所示。

圖3 L298N 電機驅(qū)動板原理圖

3 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)由樹苗存儲投送裝置、挖洞裝置、填土裝置、澆水裝置等組成。

3.1 樹苗存儲投送裝置設計

樹苗存儲投送裝置如圖4 所示，此裝置由直流電機、樹苗存儲盒（底部無擋板）、推桿（桿為齒條）、齒輪組等構(gòu)成。

圖4 樹苗存儲投送裝置

該樹苗存儲盒可一次儲存多棵樹苗，以便于一次填充長期使用，盒內(nèi)壁有多對由軟性材料制成的齒形擋板，這些齒形擋板將樹苗一一分隔開來，即2 對相鄰擋板構(gòu)成一個格柵且只存放一棵樹苗。同時齒形擋板限制了推桿進給的距離，以便于將樹苗逐個投送，此外軟性材料還可以減少對推桿的磨損，增加裝置使用年限。在此儲存盒下有一個擋板，擋板在儲存盒末端對應位置處有一適當開口，便于將單個樹苗掉落至樹苗引導管中（樹苗引導管在挖洞裝置中演示）。在送苗過程中，控制系統(tǒng)控制直流電機以一定速度轉(zhuǎn)動，帶動其上安裝的齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪和齒條嚙合，使推桿向前推進，推進的距離保持在2 對齒形擋板之間的長度，使其每次只進給一棵樹苗至樹苗引導管，樹苗最終平穩(wěn)落至挖洞機構(gòu)挖的洞中，完成送苗任務。

3.2 挖洞裝置設計

挖洞裝置由挖洞尖錐、樹苗引導管、直流電機等組成。挖洞流程為：首先直流電機驅(qū)動挖洞尖錐插入土中進行打洞，接著為樹苗引導管，如圖5 所示，將樹苗存儲輸送裝置中輸送的樹苗平穩(wěn)運送至土壤洞中。在此過程中挖洞尖錐在左邊管道進行工作，而右邊管道輸送樹苗。挖洞尖錐完成挖洞任務后縮退至2管道連接處上方。而此時樹苗存儲投送裝置中的直流電機開始工作帶動齒輪以一定速率轉(zhuǎn)動，推動樹苗至末尾鏤空處掉落進右邊管道，最終落至洞中。

圖5 樹苗引導管

挖洞尖錐采用三瓣式結(jié)構(gòu)，如圖6 所示，在挖洞過程中三瓣式收緊呈錐狀，當打孔深度達到設置值后，反復展開閉合三瓣式結(jié)構(gòu)，使坑洞變大，隨后再閉合此結(jié)構(gòu)，向上回收，最后閉合過程中還能將孔洞的多余土壤取出。

圖6 挖洞尖錐

鑒于土壤松軟程度不同，可使用大扭矩行星齒輪直流減速電機。如28GP-385 行星齒輪直流減速電機其額定扭力輸出至高可達到50 kgf·cm，極限扭力輸出至高可達120 kgf·cm。能夠適應不同土壤環(huán)境進行打洞。同時采用了D 型輸出軸，能夠進行穩(wěn)定連接。除此之外樹苗引導管還能充當挖洞尖錐的外保護殼，防止外部作業(yè)環(huán)境對錐具造成損傷。而樹苗引導管相當于挖洞尖錐保護殼與樹苗輸送管的結(jié)合裝置，此裝置符合小體積智能機器的集成化要求。同時控制系統(tǒng)可以設置打洞深度，以滿足不同品種樹苗對于種植深度的不同需求，實現(xiàn)差異化作業(yè)的同時，能在一定程度上優(yōu)化能源分配。

3.3 填土裝置設計

填土機構(gòu)主要由填土壓片、連接桿、直流電機等構(gòu)成。填土裝置安裝在整個機器尾部，通過直流電機提供能源使連接桿按照設定路徑運動，而連接桿采用雙關節(jié)連接，能夠大大提高其自由度，使其完成較為復雜的填土路徑作業(yè)。而填土壓片由U 型鋼材板件構(gòu)成，U 型缺口的設計是為了防止在填土過程中誤壓到樹苗，造成損失。而鋼材的使用使得壓片板能適應大部分土壤環(huán)境，減小材料的磨損而且經(jīng)濟性高。此外要保證U 型壓板傾斜工作，這種工作方式能在移向樹苗的過程中攏聚更多土壤。同時使用直流電機控制其移動的正反方向來實現(xiàn)填土壓片的左右往復運動，從而完成培土過程中的反復拍土工作，提高填土質(zhì)量，保證樹苗直立穩(wěn)定種植[2]。

3.4 澆水裝置設計

澆水裝置主要由噴頭、閥門、水箱等結(jié)構(gòu)組成。當填土步驟結(jié)束之后，通過STM32 來控制閥門的開關，進而完成澆水作業(yè)。與此同時，針對不同樹苗所需要的不同水量，可以通過改變開關閥門出水間隔時長來實現(xiàn)，以此滿足差異化需求。這樣使得此澆水裝置能夠滿足大部分樹苗的需求，使此澆水系統(tǒng)普遍化，被廣泛使用[3]。

4 結(jié)語

當代科技飛速發(fā)展，但環(huán)境也不斷被惡化，改善環(huán)境的方法多種多樣，而植樹是其中最簡單也很有效的方法之一，但人工植樹效率較慢且十分耗費體力，由機器代替植樹就可以避免這一點。本文主要介紹了一種基于STM32 的智能種樹機器人的結(jié)構(gòu)及運動設計，本機器采用了全新自主設計的送苗機構(gòu)，并且整體具有高度集成化及自動化的特點。為了實現(xiàn)預期的機器高效工作過程，采用多種機構(gòu)聯(lián)合作業(yè)，利用齒輪齒條傳動的的特點，并借助STM32 單片機的良好性能控制電機轉(zhuǎn)速，完成行進、挖洞、送苗、培土、澆水等過程。用Solidworks 進行結(jié)構(gòu)上的模型設計，并對它進行仿真模擬，數(shù)據(jù)表明此結(jié)構(gòu)完全符合早期的期望效果。機器工作中還可以調(diào)整一些作業(yè)參數(shù)，以增強機器在各種環(huán)境中的適應性。該機器為以后大型全自動植樹機器的發(fā)展提供新思路。