基于高效農(nóng)業(yè)智能反光膜鋪膜機(jī)的設(shè)計(jì)

煙臺(tái)黃金職業(yè)學(xué)院 王晶晶 王裕欣

近年來，在果樹種植過程中，為了給果實(shí)的背光面充足的陽光照射和著色，需要在地面鋪設(shè)反光膜，用于反射陽光，使陽光反射到背陰面。由于果樹間距較小，無法采用大中型自動(dòng)農(nóng)機(jī)具鋪設(shè)反光膜，目前都是采用人工彎腰鋪設(shè)，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，鋪設(shè)效率較低。反光膜鋪膜機(jī)的設(shè)計(jì)就是應(yīng)用在每年十月摘袋以后讓果實(shí)全面著色、增加水果糖分的自動(dòng)鋪設(shè)果樹反光膜的設(shè)備。它通過履帶式底盤移動(dòng)和爬坡，較低的車身可以迅速通過被果實(shí)壓低的樹枝茂盛的地方。通過攝像頭連接手機(jī)APP，觀察到果園的復(fù)雜地形并及時(shí)避障。割草機(jī)可以在履帶式底盤移動(dòng)過程中，實(shí)現(xiàn)割草的功能，防止雜草對(duì)移動(dòng)造成影響，并且防止雜草戳破果樹反光膜。鋪膜器可調(diào)節(jié)寬度，適應(yīng)0.7～1.2m寬度的反光膜。

反光膜鋪膜機(jī)是為了解決人力手拉的鋪膜器存在的多人操作、時(shí)間過長、撞掉果實(shí)、不能適應(yīng)果園復(fù)雜地形、效率過低等問題。

1 工作原理

履帶車輪底盤的工作原理：左右履帶包裹車輪，通過連接直流減速電機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接直流減速電機(jī)與單片機(jī)控制板，實(shí)現(xiàn)控制車輪轉(zhuǎn)速。

攝像頭的工作原理：通過WIFI信號(hào)串口遠(yuǎn)程控制模塊實(shí)現(xiàn)利用手機(jī)APP對(duì)單片機(jī)的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸操作。

舵機(jī)控制云臺(tái)的工作原理：通過PS2手柄傳遞信號(hào)給單片機(jī)控制板，控制舵機(jī)云臺(tái)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)攝像頭觀察不同方向的位置。

小型割草機(jī)的原理與使用：通過連接單片機(jī)控制板，帶動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)刀片的旋轉(zhuǎn)，去除雜草，輔助小車移動(dòng)。鋪膜器的原理與使用：履帶車輪底盤通過連接板與鋪膜器支架相連，兩側(cè)放膜臂通過螺栓固定和調(diào)節(jié)寬度，滾動(dòng)萬向輪輔助移動(dòng)，滾軸用來固定反光膜的卷筒，通過履帶車輪底盤移動(dòng)滾軸帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)反光膜滾出。

單片機(jī)的原理與使用：單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，決定著機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和機(jī)器工作的效率，因此采用合適的單片機(jī)作為此系統(tǒng)的控制器是非常有必要也是非常關(guān)鍵的。

2 主要模塊及電氣特性設(shè)計(jì)

2.1 電源供電模塊

（1）供電接口：供電范圍 6.5～12V。

（2）舵機(jī)電壓調(diào)節(jié)：舵機(jī)接口電壓范圍可調(diào)節(jié)，默認(rèn)6V，通過電位器可調(diào)節(jié)不同電壓值以適應(yīng)市場上不同品牌舵機(jī)的電壓需求（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器增大舵機(jī)接口電壓，反之減少電壓）。

（3）控制板開關(guān)：控制的是供電接口電源是否接到板子上，撥到ON接到板子使其工作，撥到OFF則切斷供電，板子舵機(jī)停止工作。

（4）過載保護(hù)：是指流經(jīng)舵機(jī)接口的電源中加了2A保險(xiǎn)絲，以確保舵機(jī)在堵轉(zhuǎn)或者大電流情況下及時(shí)切斷電源，以防止損壞舵機(jī)（舵機(jī)特殊，沒有接）。

（5）其他電源：板載5.0V、3.3V電源接口，方便接傳感器等其他模塊時(shí)使用。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖1

說明：電源1和2只需要一組供電即可。

2.3 Wi-Fi攝像頭模塊

圖2

熱點(diǎn)模塊：模塊上電完成后,會(huì)發(fā)出APP熱點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)APP熱點(diǎn)出現(xiàn)，將手機(jī)連接該模塊熱點(diǎn)就可以用手機(jī)APP控制了。

（1）手機(jī)連接應(yīng)使用2.4GWi-Fi；

（2）供電電流需要5V@1.5A或12V@1A以上的供電能力；

（3）檢查模塊是否成功連接手機(jī)的APP。

視頻界面說明：

圖3

自動(dòng)：切換分辨率，默認(rèn)為本地是720P，遠(yuǎn)程是Auto自動(dòng)切換。

聲音：手機(jī)聲音播放和靜音。

拍照：手機(jī)本地拍照。

視頻：手機(jī)本地錄像。

語音：手機(jī)語音對(duì)講。

2.4 割草機(jī)模塊

圖4 R300C微型直流電機(jī)

R300C微型直流電機(jī)連接固定在履帶車的前端連接板上，通過STM32單片機(jī)控制板連接電機(jī)，由1.5～6V電壓供電，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到7000轉(zhuǎn)/分鐘，割草機(jī)刀片長70mm、寬8mm。

2.5 電氣特性

（1）供電接口：供電范圍6.5～12V。

（2）舵機(jī)電壓調(diào)節(jié)：舵機(jī)接口電壓范圍可調(diào)節(jié)，默認(rèn)6V，通過電位器可調(diào)節(jié)不同電壓值以適應(yīng)市場上不同品牌舵機(jī)的電壓需求（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器增大舵機(jī)接口電壓，反之減少電壓）。

（3）控制板開關(guān)：控制的是供電接口電源是否接到板子上，撥到ON接到板子使其工作，撥到OFF則切斷供電，板子舵機(jī)停止工作。

（4）過載保護(hù)：是指流經(jīng)舵機(jī)接口的電源中加了2A保險(xiǎn)絲，以確保舵機(jī)在堵轉(zhuǎn)或者大電流情況下及時(shí)切斷電源，以防止損壞舵機(jī)。

（5）其他電源：板載5.0V、3.3V電源接口，方便接傳感器等其他模塊時(shí)使用。

2.6 接口資源（節(jié)）

（1）6路舵機(jī)接口：舵機(jī)接口標(biāo)有“-”一排的插針是舵機(jī)電源的負(fù)極，標(biāo)有“+”一排的插針是舵機(jī)電壓的正極，最里面標(biāo)有引腳序號(hào)的一排是信號(hào)引腳。

（2）IIC接口：接IIC設(shè)備，比如IIC通信的OLED顯示屏、IIC通信的MPU6050等模塊。

（3）手柄接口：專門接PS2手柄接收器。

（4）3路傳感器接口：兩路模擬引腳，1路數(shù)字（模擬引腳也可以當(dāng)數(shù)字引腳使用）。

（5）串口接口：藍(lán)牙使用串口2，總線接口使用串口3，還預(yù)留一路串口1供外拓時(shí)使用（使用串口1時(shí)需要把小撥動(dòng)開關(guān)撥到OFF側(cè)，下載程序時(shí)撥到ON側(cè)）。

（6）2路總線接口：用來轉(zhuǎn)接總線設(shè)備，比如總線舵機(jī)，總線PM3等總線設(shè)備。

（7）蜂鳴器：用于低壓報(bào)警，開機(jī)提示等情況下。

2.7 下載通信

（1）USB電腦通信：當(dāng)下載程序或者和PC進(jìn)行通信時(shí)要將USB切換開關(guān)撥到ON側(cè)，撥到OFF是切斷芯片供電。

（2）串口通信：外接單片機(jī)串口或者其他TTL設(shè)備與板子通信時(shí)，可使用串口4或者串口1進(jìn)行通信。

3 調(diào)試

3.1 檢查手機(jī)APP輸入指令控制履帶車的性能

手機(jī)APP輸入指令控制履帶車的調(diào)試，主要調(diào)試如下：

（1）打開配置對(duì)話框，輸入履帶車前進(jìn)按下指令$DCR:1000,1000!抬起指令$DCR:0,0!，確認(rèn)以后按下屏幕左上前進(jìn)鍵，觀看履帶車操作效果。

（2）打開配置對(duì)話框，輸入履帶車前進(jìn)按下指令$DCR:-1000,-1000!抬起指令$DCR:0,0!，確認(rèn)以后按下屏幕左下前進(jìn)鍵，觀看履帶車操作效果。

（3）打開配置對(duì)話框，輸入履帶車前進(jìn)按下指令$DCR:-1000,1000!抬起指令$DCR:0,0!，確認(rèn)以后按下屏幕左左前進(jìn)鍵，觀看履帶車操作效果。

（4）打開配置對(duì)話框，輸入履帶車前進(jìn)按下指令$DCR:1000,-1000!抬起指令$DCR:0,0!，確認(rèn)以后按下屏幕左右前進(jìn)鍵，觀看履帶車操作效果。

3.2 檢查割草機(jī)性能

割草機(jī)的調(diào)試如下：

（1）先通電，觀看割草機(jī)刀片轉(zhuǎn)速。

（2）通過手機(jī)APP左右手桿分別控制履帶車輪底盤左右履帶前進(jìn)，觀看割草機(jī)刀片有無脫落或反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（3）草地中前進(jìn)是否會(huì)有無法割草的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

智能反光鋪膜機(jī)的設(shè)計(jì)可以通過攝像頭觀察前方視野，舵機(jī)控制云臺(tái)實(shí)現(xiàn)攝像頭轉(zhuǎn)向，觀察不同方向的視野，可以及時(shí)避障，履帶車輪底盤較低的車身可以通過果樹較小的間距，割草機(jī)可以在移動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)割草，降低對(duì)履帶車輪底盤移動(dòng)的影響，通過鋪膜器可以調(diào)節(jié)寬度，固定不同寬度的反光膜，滾軸可以讓反光膜包裹的卷筒自如地滾出反光膜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鋪設(shè)，降低人工彎腰鋪設(shè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高效率。