基于51單片機(jī)智能循跡采摘收集小車

張成杰 趙 楠 馬 賽 王佳怡 蘇 浩 張 旭

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北保定 071000

1 整體方案

1.1 整體原理

在小車的底部和側(cè)部分別都裝有紅外傳感器。車底的紅外傳感器保證小車沿既路線跡行駛，小車側(cè)邊的紅外傳感器用來檢測(cè)紅色果實(shí)位置和存放分揀以后的果實(shí)。當(dāng)小車開始運(yùn)行時(shí)，小車進(jìn)行循跡，當(dāng)小車一側(cè)邊的紅外傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，將采集到的信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)接收到傳感器的信號(hào)后對(duì)舵機(jī)發(fā)送指令，由舵機(jī)組成的機(jī)械臂進(jìn)行果實(shí)夾取、放置。當(dāng)機(jī)械臂夾取動(dòng)作結(jié)束時(shí)，小車?yán)^續(xù)循跡。當(dāng)小車兩側(cè)邊的紅外傳感器同時(shí)探測(cè)到信號(hào)后，機(jī)械臂再次工作，機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)將采摘的果實(shí)從車體上放到指定的儲(chǔ)物箱的位置。當(dāng)放置動(dòng)作結(jié)束時(shí)，繼續(xù)循跡。當(dāng)小車走到賽道末端時(shí)，小車停止運(yùn)行。

1.2 方案論證

1.2.1 硬件論證

1.2.1.1 電源模塊

因?yàn)橛扇舾啥鏅C(jī)組成的機(jī)械臂功率很大，只由單片機(jī)的電源給機(jī)械臂供電會(huì)引發(fā)單片機(jī)的電壓不穩(wěn)定，影響單片機(jī)芯片的運(yùn)行速度，以及機(jī)械臂的正常運(yùn)行。并且，采用同一塊電池供電會(huì)導(dǎo)致電源功率過大，降低電源的使用壽命。因此使用兩個(gè)電源同時(shí)供電。一個(gè)電源為5V的電池給單片機(jī)供電，另一個(gè)電源使用12V電池給機(jī)械臂供電。兩個(gè)電源同時(shí)供電使單片機(jī)和機(jī)械臂能夠同時(shí)正常工作。

1.2.1.2 機(jī)械臂模塊

此機(jī)械臂使用4個(gè)舵機(jī)、若干舵機(jī)支架和夾子構(gòu)成。四個(gè)舵機(jī)的配合使用實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的動(dòng)作要求。1號(hào)舵機(jī)充當(dāng)云臺(tái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向；2、3號(hào)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)X、Y方向的轉(zhuǎn)向；4號(hào)舵機(jī)控制夾子，實(shí)現(xiàn)夾取。

1.2.1.3 紅外傳感器模塊

小車一共有4個(gè)紅外傳感器，有兩個(gè)紅外傳感器在小車底邊前端，另外兩個(gè)分別位于車體兩側(cè)。其中，小車底邊前端的2個(gè)傳感器，用來檢測(cè)路面上白線，讓小車能夠精確的沿著白線自主進(jìn)行行駛；小車側(cè)邊的紅外傳感器用來檢測(cè)果實(shí)以及停車儲(chǔ)物箱的位置，使機(jī)械臂能夠精確地采摘果實(shí)。紅外傳感器使用5V的電池盒供電，在正常狀態(tài)下，小車底部傳感器輸出口輸出高電平信號(hào)；當(dāng)傳感器探測(cè)到白線時(shí)，會(huì)輸出低電平信號(hào)，直到檢測(cè)不到白線。同理，小車側(cè)部的紅外傳感器，正常狀態(tài)下，傳感器輸出口輸出高電平；當(dāng)傳感器檢測(cè)到紅色（由于紅色和藍(lán)色對(duì)光的反射率不同）時(shí)，會(huì)輸出一個(gè)低電平。從而可以檢測(cè)不同顏色的果實(shí)。

1.2.1.4 分揀模塊

本模塊為一個(gè)機(jī)械裝置，通過改變果實(shí)通道上預(yù)留縫隙的大小從而分揀出大小果實(shí)。分揀順序從小到大，當(dāng)較小果實(shí)滑落時(shí)，通過第一條縫隙落下到達(dá)小果實(shí)暫存位置，當(dāng)較大果實(shí)落下時(shí)，通過第一條縫隙無法落下，從而向一條縫隙滾落，依次類推，直到果實(shí)落下，從而實(shí)現(xiàn)分揀大小。

1.2.2 軟件方案

1.2.2.1 循跡方案

小車的前輪分別連接兩個(gè)電機(jī)為主動(dòng)輪，后輪為從動(dòng)輪。單片機(jī)通過接收車頭底部的紅外傳感器返回的信號(hào)使用LN98驅(qū)動(dòng)可直接控制兩個(gè)前輪電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎及停止等功能，具體情況：

（1）兩電機(jī)同時(shí)同向轉(zhuǎn)動(dòng)，小車直線行駛；

（2）左邊電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，右邊電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，小車向左轉(zhuǎn)彎；

（3）右邊電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，左邊電機(jī)向前轉(zhuǎn)動(dòng)，小車向右轉(zhuǎn)彎；

（4）兩邊電機(jī)同時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，小車停止。

1.2.2.2 機(jī)械臂部分

此機(jī)械臂有四個(gè)自由度，每個(gè)自由度都由一個(gè)單獨(dú)的舵機(jī)進(jìn)行控制，四個(gè)舵機(jī)由若干舵機(jī)支架連接。其采摘的具體工作流程如下：

首先，舵機(jī)1，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，讓機(jī)械臂展開。然后舵機(jī)2和舵機(jī)3轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，將夾子送到果實(shí)附近。然后4號(hào)舵機(jī)連接一個(gè)夾子，進(jìn)行夾取果實(shí)。最后，四個(gè)舵機(jī)執(zhí)行逆向過程，將夾取的果實(shí)放到車上的分揀裝置入口中。此過程為一個(gè)夾取的循環(huán)過程。每次檢測(cè)的果實(shí)執(zhí)行一遍動(dòng)作。

1.2.2.3 放置部分

當(dāng)小車檢測(cè)到儲(chǔ)物箱位置時(shí)，分揀裝置的臨時(shí)儲(chǔ)物位置的遮擋板打開，讓果實(shí)自動(dòng)滾入儲(chǔ)物箱中。此過程為小車的最后一個(gè)過程，故小車執(zhí)行這個(gè)過程時(shí)，小車的一整套過程結(jié)束。

2 方案測(cè)試

2.1 循跡方案測(cè)試

方案：不接連機(jī)械臂模塊，只對(duì)小車的循跡進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試賽道為在黑色的底板，上面畫有白色的循跡線，循跡線路分為直線、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎、左轉(zhuǎn)直角彎、右轉(zhuǎn)直角彎和S型路線。將小車放在白色的循跡線上。接通電源，觀察小車運(yùn)行結(jié)果。

結(jié)果：小車在接通電源后，程序正常運(yùn)行，能夠沿著白線循跡行駛，并且可以完成預(yù)設(shè)的各種轉(zhuǎn)彎以及直線道路。

2.2 停車方案測(cè)試

方案：在接入機(jī)械臂前對(duì)小車進(jìn)行停車測(cè)試。在賽道的末端左右分別放置一個(gè)白色的盒子。啟動(dòng)系統(tǒng)，觀察小車的運(yùn)行。

結(jié)果：小車走到末端時(shí)，小車停車。

2.3 機(jī)械臂模塊測(cè)試

方案：首先，接通機(jī)械臂模塊，用大小不同顏色均為紅色的小球充當(dāng)成熟果實(shí)遮擋小車任意一側(cè)邊的傳感器，單片機(jī)采集到傳感器回傳的信號(hào)時(shí)給機(jī)械臂發(fā)送動(dòng)作指令，當(dāng)動(dòng)作開始時(shí)，觀察機(jī)械臂能否按照規(guī)定角度將檢測(cè)到的紅色小球夾取到車上的分揀裝置中。其次，用兩個(gè)紙盒同時(shí)遮擋側(cè)部傳感器，待動(dòng)作開始時(shí)，觀察分揀部分的裝置能否很好的將分揀裝置中的小球放入儲(chǔ)物箱中。

結(jié)果：機(jī)械臂可以很好的將小球按照要求夾取起來并且放到車上的分揀裝置中。并且當(dāng)兩個(gè)紙盒同時(shí)遮擋小車側(cè)部傳感器時(shí)能夠很好的將分揀裝置中的小球從車上放到指定位置的儲(chǔ)物箱中。

2.4 整體測(cè)試

方案：采用之前的循跡測(cè)試時(shí)候的線路，在賽道的開始部分在同一側(cè)放兩個(gè)紅球兩個(gè)綠球，在賽道的末端結(jié)束部分兩側(cè)分別放置一個(gè)紙盒，接通電源啟動(dòng)小車，觀察小車是否可以實(shí)現(xiàn)循跡并夾取紅色果實(shí)，以及分揀、放置果實(shí)等過程。

結(jié)果：小車能夠沿白色線循跡，可以很好地通過直線部分、左轉(zhuǎn)直角彎、右轉(zhuǎn)直角彎、S彎等道路，并且能夠在紅色小球位置夾取，在紙盒子部分進(jìn)行放置分揀好的小球。