基于stm32的农业采摘机器人设计与实现.docx

基于stm32的农业采摘机器人设计与实现 包军民 支双双 余有江摘 要：为了缓解随着城市化进程的加快，农村人口老龄化的加重，导致从事农业服务的人越来越少，农业劳动成本越来越高的压力，综合各种因素，设计并实现了这款农业采摘机器人，致力于最大化的将人从繁重的劳动中解放出来机器人采用STM32作为机器人的核心控制系统，用直流编码电机和H桥驱动作为机器人的动力系统，用PWM调速方法来控制机器人速度，再加之以三轴姿态陀螺仪传感器和灰度传感器协调工作作为机器人的定位系统，当机器人到达特定位置后，控制机械臂和机械抓进行采摘果蔬并且收集起来经测试，该款机器人较好的解决了果蔬采摘耗时、耗力、季节性强等重要影响因素对果蔬经济的影响提高了采摘作业完成的质量，增强了其经济效益与市场效益这款基于STM32的农业采摘服务机器人可以有效快速的完成采摘作业，实现了在误差允许范围内精确的停车和果蔬采摘，性能稳定，工作效率高，在后期加以进一步的研究后，有望投于市场中大规模生产关键词：检测控制;农业服务;采摘机器人Abstract：In order to alleviate the pressure of fewer people engaged in agricultural services and increasing agricultural labor costs due to the acceleration of urbanization and the aged tendency of population， an agricultural harvesting robot is designed and implemented to maximize the liberation of people from heavy labor. STM32 is used as the core control system of the robot， DC-coded motor and H-bridge drive are used as the power system of the robot， PWM speed control method is used to control the speed of the robot， and coordinate work of three-axis gyroscope sensor， and gray sensor is used as the positioning system of the robot. When the robot reaches a specific place， it manipulates its mechanical arms and grips to pick fruits and vegetables and collect them. The tests has shown that the robot can effectively solve the problems of fruit and vegetable picking economy caused by time-consuming， energy-consuming， seasonal and other important factors. The robot can improve the quality of harvesting operation， and enhance its economic and market benefits. This STM32-based agricultural picking service robot can effectively and quickly complete the picking task by realizing precise parking and finishing the picking within the allowable range of error. With its stable performance and high efficiency， after further research in the later stage， the robot is expected to be put into mass production in the market.Key words：detection control;agricultural service;harvesting robot0 引言众所周知，我国是农业大国，果蔬种植面积广大，品种繁多，果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节，其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的工作。

而最具智慧的人恰恰是农业劳动的中坚力量，在当今科学技术迅猛发展的情况下，实现农业的技术化、机械化成了刻不容缓的问题在近几年经济高速发展的推动下，农业机械化已经得到了大规模的实现，但这在当中，科学技术的含量还是远远不够，依然没有把农民从传统的以人为中心的劳作中解放出来其次，由于工业生产的迅速发展，分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因，使得能够从事农业生产的劳动力越来越少，单靠人工劳作已经不能满足现有的需要[1]自1968年美國学者Brown和Schertz提出以来，果蔬采摘技术就一直不断发展着，1983年第一台番茄采摘机器人在美国诞生，并且随着算法的成熟和果蔬识别系统与图像处理技术的完善，加以人工智能的提出，使得果蔬采摘机器人的研究越来越成熟，美国、法国、意大利、日本、西班牙等国在这方面的研究遥遥领先与中国，取得了斐然的成绩，但由于果园气候、天气、湿度、温度、地形等诸多因素都变化莫测，导致对采摘机器人有特殊的要求，目前市场上还没 有完善的可以量化生产的并且可以采摘多种果蔬的机器人[1]国内对于采摘机器人的研究更是远远落后于其他国家，而集体农庄已成为一种不可阻挡的潮流，对采摘机器人的要求将极为迫切[2-3]，我国必须大力发展科学技术产业。

在德国工业4.0，美国工业互联网的驱动下，我国提出中国制造2025这就要求每一个社会主义接班人都必须牢记自己的使命，并努力为之奋斗基于上述背景，通过分析目前我国农业劳动的状况，设计并且制作出了这款基于STM32的农业采摘机器人该机器人用的STM32作为主控芯片，大大提高了系统的反应速度和处理能力;并且装配有大扭矩金属舵机，避免了机械臂扭矩不够的问题;此外，采用前后双排传感器进行路线矫正，极大的提高了机器人行走的稳定性和定点的准确性机器人在模拟果园中进行测试，并且获得了初步成效，模拟果园如图1和图2所示模拟果园场地为平整硬质木板，上铺绿色地毯，周围有高 20CM 高的一体化围墙，由A，B，C，D四个区域构成：（1） A 区模拟基础设施完整的现代化果园、菜地，有 3 个果实，3 个蔬菜，在 A区的中心线上，有机器人行走引导线在果实与蔬菜的收获实施地点A2、A3、A4，有采收地点提示线2） B 区模拟基础设施不太齐全，或者辅助采摘设备发生故障后的现代化果园、菜地，有 3 个果实，3 个蔬菜，在 B 区的中心线上，有机器人行走引导线在果实与蔬菜的收获实施地点 B2、B3、B4，没有采收地点示意线，虚线只是表示其方位，实际场地中不存在。

3） C 区模拟基础设施不齐全，或者辅助采摘设备发生严重故障后的现代化果园、菜地，有 3 个果实，3 个蔬菜，没有机器人行走引导线，虚线只是表示其方位，实际场地中不存在在果实与蔬菜的收获实施地点 C2、C3、C4，有收获地点提示标志4） D 区模拟开放的菜地、果园，没有机器人行走引导线，且比 A 区、B 区、C区要高D 区有 16 个放置蔬菜的地点模拟果园与普通果园主要有一下几点区别：（1） 模拟果园里面的模拟果树没有过多的枝条，与实际果树错落繁杂的树枝有一定差距2） 模拟果园当中的蔬菜直接放在地表，而不是埋在地下3） 模拟果园除了有4个陡坡以外，其他地方都比较平坦4） 模拟果园缺少实际果园中其他不定环境因素的影响虽然模拟果园与普通果园有诸多差异，但与管理良好的现代化果园相似程度较高，机器人测试的数据可靠1 系统整体设计机器人的整体系统主要由控制系统、电源系统、寻迹系统、采摘系统、动力系统5部分组成控制系统的主要作用是控制机器人的各部分协调、稳定的工作，采用STM32控制板，可以给机器人提供充足的控制端口，通过控制板向机器人各部分发送指令，实现一指令一运动的准确控制机器人的电源系统目前由12伏3300毫安的航模电池组成，用于为系统各个部分提供所需的电压，尽力使各个模块都在额定电压下工作，随着后期的发展改进，航模电池可以由蓄电池代替。

寻迹系统是机器人行动的关键部分，要很准确的控制机器人稳定行走，不能出现任何偏差，主要由二值灰度传感器和三轴陀螺仪传感器组成在模拟果园中，二值灰度传感器主要用在有标志线和停车标志的地方，其识别迅速，传值稳定，是寻迹的不二选择;三轴陀螺仪传感器主要用在角度转弯的地方，用于解决特定角度停车的难题采摘系统负责机器人果蔬的采集和收集任务，纯钢机械臂加上大扭矩舵机，再配备16路舵机控制板，能够准确高效的完成果蔬采集收集的任务动力系统用于实现机器人在温室内的自由移动，由减速电机、H桥直流电机驱动和金属轮组成，三部分协作实现机器人的前进、后退和转弯系统整体结构如图3所示2 硬件设计机器人的硬件系统电路，如图4所示图4通过C语言编程来将指令写入主控板中，主控板通过代码发送信号给各个模块，使各个模块协调稳定的工作首先，发送指令给电机模块，使机器人先运动到指定的位置，在这个过程中，配合给寻迹模块发送指令，使机器人能寻迹前行，自我修正路线;等机器人稳定到达后，主控板再发送信号给舵机控制板，控制采摘模块抓取果实与蔬菜;等指定位置的果蔬收集完毕后，机器人按照指令前往下一个收集点2.1 电机模块电机驱动采用大功率H桥直流电机驱动，其采用大功率NMOS管，且带200 mA的5 V电源输出，可方便控制板供电，实现单电源操作，其上有5个可供用户使用的引脚。

如表1所示其5个引脚功能为：A1与A2控制电机的状态，其逻辑功能见表1;PA为PWM波输入（电机速度调节）;G为与控制板共地引脚;5 V为200 mA的控制电压输出，电机采用AB双相增量式磁性霍尔编码电机，其好处是自带上拉整形电阻，可与单片机直连直流电机的转动惯量相对较小，容易控制，能够最大程度地提高采摘机器人运动灵敏性，一般由电动机、转子、位置传感器和开关器组成[4]编码器最大的用处在于当没有定点停车标志时，可根据其A、B的输出方波，计算距离，从而实现标准位置停车2.2 采摘模块抓取果实的机械臂由数字舵机与支架构成，数字舵机发送一次PWM信号就能锁定角度不变，而且可以通过上位机软件与舵机控制板通信直接调节舵机角度，在利用舵机控制板控制舵机时，注意电源供电不足，会引起舵机乱动，或者舵机不受控供电不足表示电流不够，不是电压不夠，电流是用多少取多少，而且舵机控制板是个辅助工具，只能接收单片机发送的命令，或者执行事先设置好的命令，不能对其编程，只能作为一个驱动板在与单片机通信时，要严格按照所用舵机控制板的协议来通信，否则，可能损坏舵机控制板或者舵机在给舵机控制板刚通电时，舵机可能会乱动，这是上电复位的情况。

可以在电脑上先设置一个简单的动作组，并且用上位机软件设置为脱机工作，这样就可以解决舵机在刚通电时乱动的问题2.3 寻迹模块不能按照既定路线行驶往往是机器人设计时的一大难题，为了解决这一难题，我们采用了2排7路的传感器，这样，可以多路协同工作，在误差区间进行补偿，从而使。