基于STM32單片機(jī)控制的全自動(dòng)家用澆花機(jī)器人研究

關(guān)鍵詞：STM32；麥克納姆輪；安全可靠；通過(guò)性強(qiáng)

中圖分類號(hào)：TP242.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2025）13-0052-04

D0l：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.013

0 引言

植物在家居環(huán)境中可以起到美化環(huán)境、凈化空氣、調(diào)節(jié)濕度的作用，在提升居住舒適度等方面有重要意義。但隨著社會(huì)的進(jìn)步與發(fā)展，人們的生活節(jié)奏不斷加快，對(duì)智能家居產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)。在此趨勢(shì)下，家用澆花機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。因此，設(shè)計(jì)研發(fā)一款通過(guò)性強(qiáng)、安全可靠的家用澆花機(jī)器人有其必要性和現(xiàn)實(shí)意義。

傳統(tǒng)的固定式澆花裝置只適用于植物相對(duì)集中的區(qū)域，不能滿足多種植物的澆水需求。呂鵬飛等[]設(shè)計(jì)的室內(nèi)移動(dòng)式澆花機(jī)器人可以沿預(yù)定路線，對(duì)植物進(jìn)行澆水作業(yè)，降低了人力成本。吳立波等[2設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆花機(jī)器人可精準(zhǔn)定位花盆位置并按照需求澆水，實(shí)現(xiàn)植物的無(wú)人化管理。但現(xiàn)有研究都無(wú)法滿足多種植物以及復(fù)雜室內(nèi)布局下的澆花需求。

本文針對(duì)現(xiàn)有家用澆花裝置存在的缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)出基于STM32單片機(jī)的全自動(dòng)家用澆花機(jī)器人，其采用麥克納姆輪底盤，以STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控板，并集成了紅外傳感器以及K210視覺(jué)識(shí)別模塊，使得機(jī)器人可以在復(fù)雜的家居環(huán)境下以較高的靈活度和精準(zhǔn)度進(jìn)行作業(yè)。該機(jī)器人提高了澆水作業(yè)效率，減少了人力資源的浪費(fèi)，可以在復(fù)雜家居環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該機(jī)器人設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和控制系統(tǒng)部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由麥克納姆輪底盤以及噴灑裝置構(gòu)成，控制系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)包括硬件模塊以及控制原理。機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

2.1 麥克納姆輪底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證全自動(dòng)家用澆花機(jī)器人能夠在室內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的空間移動(dòng)，采用了麥克納姆輪底盤結(jié)構(gòu)，如圖3所示。采用麥克納姆輪底盤的全自動(dòng)澆花機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)全方位、全角度的運(yùn)動(dòng)。麥克納姆輪底盤主要由麥克納姆輪、底板、直流無(wú)刷電機(jī)、電機(jī)支架以及電池包構(gòu)成，麥克納姆輪上的斜向輥?zhàn)邮沟妆P可以實(shí)現(xiàn)全方位、全角度的運(yùn)動(dòng)。

麥克納姆輪底盤的運(yùn)動(dòng)可以看作是多種運(yùn)動(dòng)形式的疊加，機(jī)器人的全方位移動(dòng)是通過(guò)控制四個(gè)麥克納姆輪的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的3]。平臺(tái)的移動(dòng)具體包括以下幾種方式：

1）直行：當(dāng)四個(gè)麥克納姆輪以相同的旋向和轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，同側(cè)的兩個(gè)麥克納姆輪所產(chǎn)生的橫向力相互抵消，使整體合力方向?yàn)榭v向，實(shí)現(xiàn)底盤的前后移動(dòng)。

2）橫移：當(dāng)對(duì)角的兩個(gè)麥克納姆輪的旋向及轉(zhuǎn)速相同時(shí)，同側(cè)的兩個(gè)麥克納姆輪以相反的旋向與相同的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而使得縱向力相互抵消，只留下橫向合力，底盤整體實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)。

③）斜行：當(dāng)對(duì)角的兩對(duì)麥克納姆輪以相同的旋向及不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，底盤產(chǎn)生斜向的合力，可以實(shí)現(xiàn)斜向移動(dòng)。例如，當(dāng)左前輪和右后輪的轉(zhuǎn)速大于右前輪和左后輪的轉(zhuǎn)速時(shí)，底盤整體向斜前方移動(dòng)；反之，底盤整體將向斜后方移動(dòng)。

4旋轉(zhuǎn)：以底盤中心點(diǎn)作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圓心，同側(cè)兩個(gè)麥克納姆輪以相同的轉(zhuǎn)速與旋向運(yùn)動(dòng)，另一側(cè)兩個(gè)麥克納姆輪則以相同速度以及與另一側(cè)兩個(gè)麥克納姆輪相反的旋向運(yùn)動(dòng)，使得斜對(duì)角兩對(duì)麥克納姆輪產(chǎn)生順時(shí)針或逆時(shí)針的力矩，使得底盤整體實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.2 噴灑裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴灑裝置由噴頭、水泵、水箱以及升降臺(tái)等構(gòu)成，如圖4所示。當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別到植物時(shí)，機(jī)器人在麥克納姆輪底盤的作用下使噴頭移動(dòng)到植物上方，并根據(jù)植物高度，利用絲桿電機(jī)調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使得噴頭處于植物葉片上方，并進(jìn)行噴水作業(yè)，同時(shí)根據(jù)不同植物種類調(diào)節(jié)噴水量。

升降臺(tái)的設(shè)計(jì)方式有兩種：第一種是將舵機(jī)安裝在擺臂上，通過(guò)控制擺臂的夾角來(lái)實(shí)現(xiàn)升降功能；第二種是利用電機(jī)帶動(dòng)絲桿，通過(guò)控制絲桿滑塊調(diào)節(jié)兩擺臂與限位板連接點(diǎn)處距離以實(shí)現(xiàn)升降功能。第一種方案舵機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間受力，從而會(huì)縮短舵機(jī)壽命。因此，采用第二種方案實(shí)現(xiàn)裝置的升降功能。

3 控制系統(tǒng)部分

3.1 控制系統(tǒng)工作流程

該機(jī)器人采用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控板，當(dāng)該機(jī)器人啟動(dòng)電源進(jìn)入作業(yè)區(qū)域后，紅外傳感器采集地面標(biāo)志信息，電機(jī)驅(qū)動(dòng)麥克納姆輪底盤運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按照預(yù)定路線行進(jìn)前往作業(yè)地點(diǎn)。K210視覺(jué)識(shí)別模塊利用YOLO目標(biāo)檢測(cè)算法識(shí)別植物位置，通過(guò)邊界框回歸計(jì)算目標(biāo)中心坐標(biāo)，確定植物位置與高度。單片機(jī)接收視覺(jué)信息并通過(guò)L298N型電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)節(jié)電機(jī)PWM輸出，電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，使噴頭高度降低直至目標(biāo)高度，驅(qū)動(dòng)5V水泵并通過(guò)設(shè)定工作時(shí)間的方式控制澆水量。作業(yè)完成后，通過(guò)重力傳感器利用電壓-質(zhì)量線性關(guān)系檢測(cè)水箱剩余水量，并檢測(cè)電池剩余電量。若剩余水量、電量較多則繼續(xù)作業(yè)；若剩余水量或電量不足以支撐下一次澆水作業(yè)，則檢測(cè)剩余電量是否支持返航，若電量支持則機(jī)器人返航，若電量不足則蜂鳴器工作并通過(guò)藍(lán)牙模塊上傳云端，通知工作人員操作。該機(jī)器人避障模塊采用KS106超聲波傳感器，通過(guò)計(jì)算超聲波的傳播時(shí)間計(jì)算機(jī)器人與障礙物的距離，提高了機(jī)器人的避障能力，使機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境中自主作業(yè)。另外，采用HC-06藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，提高機(jī)器人遠(yuǎn)程操作能力?？刂葡到y(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

3.2 控制系統(tǒng)工作原理

3.2.1 傳感器數(shù)據(jù)

避障模塊采用KS106超聲波傳感器，測(cè)距原理為

基于超聲波傳播時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。測(cè)距公式如下：

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式中： d 為測(cè)量距離；c為超聲波傳播速度（約 343m/s） ：t為超聲波發(fā)射與接收時(shí)間差[5]。

超聲波傳感器可有效探測(cè)機(jī)器人前方障礙物，確保路徑規(guī)劃的安全性。

此外，機(jī)器人通過(guò)重力傳感器進(jìn)行水量檢測(cè)，依據(jù)輸出電壓變化計(jì)算當(dāng)前水箱水量，其電壓-質(zhì)量關(guān)系可近似為線性關(guān)系： V=kM+b 。其中， V 為傳感器輸出電壓，M為水箱內(nèi)水量， k，b 為傳感器的標(biāo)定系數(shù)。該傳感器可以對(duì)水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證了機(jī)器人作業(yè)的穩(wěn)定性。

3.2.2 視覺(jué)處理

機(jī)器人采用K210視覺(jué)處理模塊對(duì)圖像進(jìn)行處理，利用YOLO神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)植物的精確識(shí)別。YOLO的損失函數(shù)如下：

式中： L 為總損失值，用于衡量預(yù)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值的偏差； λ_coord 為坐標(biāo)誤差的權(quán)重系數(shù)，用于平衡位置誤差與其他誤差項(xiàng)的重要性； s 為網(wǎng)格數(shù)； B 為邊界框個(gè)數(shù)；1為指示函數(shù)，表明該網(wǎng)格單元是否包含目標(biāo)； x，y 為目標(biāo)中心坐標(biāo)； c 為置信度。

該視覺(jué)模塊能快速檢測(cè)不同種類的植物，并依據(jù)其位置進(jìn)行精準(zhǔn)澆水，提高機(jī)器人工作的自動(dòng)化程度。

3.2.3 運(yùn)動(dòng)控制

機(jī)器人采用了抗干擾能力較強(qiáng)的串級(jí)控制策略（PD-PI控制），保證了作業(yè)過(guò)程中機(jī)器人的穩(wěn)定性。速度環(huán)（PI控制）：

式中： U_speed 為速度控制輸出量； V_ref 為目標(biāo)速度； V_act 為當(dāng)前速度； K_p?K_i 為PI參數(shù)。

該控制方法保證了機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中保持速度穩(wěn)定，減少了軌跡偏差。

方向環(huán)（PD控制）：

式中： U_angle 為方向控制輸出量； θ_ref 為期望角度； θ_act 為當(dāng)

前角度；" 為PD參數(shù)。

該策略使機(jī)器人能夠快速調(diào)整方向，提高避障和路徑跟蹤的能力。

4結(jié)束語(yǔ)

基于麥克納姆輪設(shè)計(jì)的全自動(dòng)家用澆花機(jī)器人，解決了現(xiàn)有澆花裝置通過(guò)性差、效率較低等問(wèn)題，其采用麥克納姆輪底盤設(shè)計(jì)，可以在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中靈活移動(dòng)。該全自動(dòng)家用澆花機(jī)器人通過(guò)STM32F103C8T6單片機(jī)對(duì)麥克納姆輪以及噴灑裝置的控制，滿足了家居環(huán)境下對(duì)自動(dòng)化澆花裝置的需求，為家用澆花機(jī)器人領(lǐng)域提供了全新的解決方案。該機(jī)器人可以在未來(lái)的智能家居生活中發(fā)揮重要作用。

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收稿日期：2025-03-24

作者簡(jiǎn)介：田家煬 （2004-） ，男，河北辛集人，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通信作者：郭特特 （2003-） ，男，遼寧昌圖人，研究方向：仿真分析。