基于多傳感器技術(shù)的園林綠籬修剪裝置設(shè)計(jì)

馬志寬，牛得學(xué)，桑 晨，肖文學(xué)，董家沐

（濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 濱州 256600）

綠化養(yǎng)護(hù)裝置的自動(dòng)化設(shè)計(jì)是將草坪修剪、綠籬造型修剪、配比噴灑農(nóng)藥功能集合于一體，采用純電子模塊化設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)距離通信設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，故需通過對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)可隨意調(diào)節(jié)草坪水平度和割草深度、實(shí)現(xiàn)高精度草坪修剪功能，滿足特殊場合的需求。通過遠(yuǎn)近距離的信號(hào)傳輸來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，搭配傳感以確定不同位置的配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

1 基于單片機(jī)的綠籬修剪裝備的組成及工作原理

1.1 基于單片機(jī)的綠籬修剪裝備的組成

基于單片機(jī)的綠籬修剪裝備組成見圖1。由圖1 可以看出，綠籬修剪裝備主要由4G 網(wǎng)絡(luò)透傳模塊、LCD 液晶顯示屏、矩陣鍵盤、六軸傳感器、紅外傳感模塊、直流穩(wěn)壓模塊等組成。4G網(wǎng)絡(luò)透傳模塊主要作用為接收控制指令，遠(yuǎn)程接受操作信號(hào)并反饋給單片機(jī)以完成相應(yīng)操作；六軸傳感器用于檢測修機(jī)械臂各連桿自身姿態(tài)，確保修剪刀初始化為默認(rèn)姿態(tài)及基本功能的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)修剪刀運(yùn)動(dòng)時(shí)，調(diào)節(jié)修剪刀的姿態(tài)，使其能夠精確完成工作；紅外傳感模塊用于確定綠籬修剪高度，確定綠籬上高度邊緣的位置；LCD 液晶顯示屏及矩陣鍵盤用于時(shí)刻向用戶反饋工作狀態(tài)，方便用戶調(diào)試設(shè)備，及時(shí)排查故障；直流穩(wěn)壓模塊主要用于向各工作元器件以及傳感器提供穩(wěn)定電壓，保證其正常工作。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖Fig.1 Schematic diagram of system composition

1.2 單片機(jī)的綠籬修剪裝備的工作原理

當(dāng)水平修剪時(shí)，通過紅外傳感器檢測綠籬上高度邊緣并發(fā)送信號(hào)進(jìn)行定位，單片機(jī)計(jì)算修剪高度，同時(shí)姿態(tài)傳感器反饋機(jī)械臂各連桿的3 個(gè)歐拉角確保修剪刀正常工作，單片機(jī)將光耦繼電器控制引腳電平拉高使修剪刀上電，修剪刀開始工作，綠籬修剪機(jī)水平向前移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)綠籬的水平修剪；當(dāng)波浪形修剪時(shí)，在確定綠籬上高度邊緣位置后，單片機(jī)通過指定算法以控制修剪刀及機(jī)械臂進(jìn)行上下往復(fù)配合運(yùn)動(dòng)，同時(shí)綠籬修剪機(jī)恒速向前沿直線遠(yuǎn)動(dòng)，最終繪制正弦函數(shù)曲線，以實(shí)現(xiàn)波浪形綠籬修剪的目的。

2 基于單片機(jī)的綠籬修剪裝備的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)以STM32F103C8T6為核心，包括復(fù)位電路和時(shí)鐘電路，其中PC13 指示燈連接到上方的C13 管腳，在編程時(shí)算作運(yùn)行指示燈。復(fù)位按鍵與相關(guān)電容連接至VCC。供電部分主要采用AMS1117-3.3v 正向降壓穩(wěn)壓電路作為處理電源的主要元件，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 AMS1117-3.3V電路圖Fig.2 AMS1117-3.3V circuit diagram

2.2 信號(hào)接收電路

信號(hào)接收電路主要由4G 網(wǎng)絡(luò)透傳模塊連接單片機(jī)構(gòu)成的下位機(jī)，通過MQTT 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議及云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸，內(nèi)置看門狗以保證其安全穩(wěn)定。通過AT 指令配置好訂閱及上傳主題，保證信號(hào)的上傳及接收。其中4G 網(wǎng)絡(luò)透傳模塊的VCC 與GND 接口直接與單片機(jī)相連接，其TXD 接口與單片機(jī)最小系統(tǒng)板PA10 引腳相連接，RXD 與PA9 相連接，實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)透傳模塊與單片機(jī)的串行口通信。

2.3 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路主要包括姿態(tài)采集電路、紅外檢測電路和電壓采集電路等3個(gè)部分。姿態(tài)采集電路主要由六軸傳感器電源與單片機(jī)相連接，其SCL 與SDA 引腳分別與PB4 和PB3連接實(shí)現(xiàn)I2C 總線通信，AD0 串聯(lián)電阻R1 與GND 連接，VCC直接連接單片機(jī)，用于輸出綠籬修剪刀的3 個(gè)連桿在運(yùn)動(dòng)過程中的歐拉角。紅外檢測電路由紅外傳感器、1 kΩ 電阻R2和三極管Q3組成。其VCC 與GND 分別接電源正負(fù)極，D0為TTL 開關(guān)輸出量，接單片機(jī)PB5 引腳。當(dāng)修剪刀不斷上升并超出綠籬高度，傳感器檢測到障礙物消失，D0 引腳輸出信號(hào)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)檢測到電平變化后進(jìn)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)綠籬的上高度邊緣定位，完成高度信號(hào)的采集。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序流程見圖3。首先，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，機(jī)械臂回到默認(rèn)位置，姿態(tài)檢測電路開始工作，單片機(jī)獲得修剪刀姿態(tài)并將機(jī)械臂調(diào)節(jié)至默認(rèn)姿態(tài)；其次，用戶通過移動(dòng)控制端選擇綠籬修剪機(jī)的工作模式，以及控制其移動(dòng)到指定地點(diǎn)；再次，綠籬修剪機(jī)開始工作，將機(jī)械臂緩慢移動(dòng)至指定位置，同時(shí)紅外檢測電路工作，當(dāng)單片機(jī)檢測到電平變化后確定綠籬最高位置，降低機(jī)械臂至指定距離，按照不同模式進(jìn)行工作；最后，工作完成后，綠籬修剪機(jī)各部位調(diào)整為默認(rèn)姿態(tài)，等待下一階段工作。在水平修剪時(shí)，只需打開修剪刀后按照一定速度沿直線移動(dòng)即可；在波浪形修剪時(shí)，需2個(gè)電機(jī)及綠籬修剪刀互相搭配繪制正弦函數(shù)曲線。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Main program flow chart

3.2 綠籬上高度邊緣定位程序設(shè)計(jì)

綠籬修剪機(jī)由最低位置向上抬升，紅外檢測電路進(jìn)入工作狀態(tài)并且時(shí)刻返還障礙物信息，當(dāng)檢測軌道抬升至障礙物消失時(shí)，紅外檢測模塊拉高引腳電平，單片機(jī)接收到反饋信息，機(jī)械臂停止抬升，此時(shí)綠籬修剪刀剛好處于綠籬上高度邊緣位置。此過程可簡化為單片機(jī)始終檢測引腳電平。設(shè)置變量h，當(dāng)判斷到上高度邊緣位置時(shí)，機(jī)械臂只需下降h 即可定位到綠籬際修剪高度。

此綠籬修剪機(jī)使用六自由度機(jī)械臂搭載綠籬修剪刀進(jìn)行修剪，故需要控制機(jī)械臂，但要實(shí)現(xiàn)通過給定坐標(biāo)計(jì)算各連桿旋轉(zhuǎn)角度，就必須對機(jī)械臂進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算。對此，先將此機(jī)械臂簡化為旋轉(zhuǎn)云臺(tái)及三軸機(jī)械臂再進(jìn)行計(jì)算。三軸機(jī)械臂如圖4，三軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系如圖5。

圖4 三軸機(jī)械臂標(biāo)記圖Fig.4 Three axis mechanical arm marking diagram

圖5 三軸機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)系Fig.5 Kinematic coordinate system of three-axis manipulator

首先對三軸機(jī)械臂進(jìn)行解算，θ1、θ2、θ3是3個(gè)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，γ是桿3 相對于x軸的夾角，通過A點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y）并計(jì)算可得：

由此可得3 個(gè)角度，現(xiàn)在只需將機(jī)械臂下方云臺(tái)旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)點(diǎn)所在平面即可。

三軸機(jī)械臂程序設(shè)計(jì)：

之后通過姿態(tài)傳感器不斷掃描姿態(tài)角度對比3 個(gè)ritch角進(jìn)行調(diào)整即可使用機(jī)械手。

機(jī)械臂抬升過程中障礙物檢測程序設(shè)計(jì)：

3.3 波浪形修剪程序設(shè)計(jì)

波浪形修剪可等同于繪制正弦函數(shù)Asinωt曲線，即當(dāng)綠籬修剪機(jī)按照直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械臂做上下固定加速度的往復(fù)運(yùn)動(dòng)繪制正弦曲線。同時(shí)，綠籬修剪要在不同時(shí)刻旋轉(zhuǎn)不同角度，即繪制一個(gè)完整的函數(shù)曲線時(shí)，綠籬修剪刀正好旋轉(zhuǎn)一周。綠籬修剪刀的旋轉(zhuǎn)選用步進(jìn)電機(jī)，即通過改變PWM波的占空比、頻率以及方波個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn)對綠籬修剪刀旋轉(zhuǎn)的精確調(diào)控，同時(shí)姿態(tài)傳感器時(shí)刻反饋修剪刀的翻滾角即Roll角φ，以一個(gè)π為周期，即步進(jìn)電機(jī)按照變化頻率f 旋轉(zhuǎn)直到Roll 角旋轉(zhuǎn)至φ+π時(shí)為一個(gè)周期，重復(fù)操作完成修剪。對波形的幅值以及波長的改變需要進(jìn)行計(jì)算。首先確定綠籬修剪機(jī)的移動(dòng)速度V1即質(zhì)點(diǎn)的水平速度以及機(jī)械臂啟動(dòng)時(shí)的豎直方向速度V3；確定機(jī)械臂上下運(yùn)動(dòng)的速度V2，默認(rèn)V1為定值，通過PWM 調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)機(jī)械臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以改變。設(shè)幅值為A、波長為λ、豎直方向上加速度為a。通過計(jì)算可得幅值以及波長:

即可繪制函數(shù)曲線:

對f（x）進(jìn)行微分，即:

以此可得在任意時(shí)刻綠籬修剪刀旋轉(zhuǎn)的角度為：

以此可獲得任意時(shí)刻修剪刀的旋轉(zhuǎn)角度，只需要通過改變PWM脈沖數(shù)量即可控制旋轉(zhuǎn)角度。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)采用MQTT 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其可包容不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，MQTT 和MQ 可從斷開連接之類的故障中恢復(fù)，無需進(jìn)一步的代碼要求，容錯(cuò)率較高；其低功耗的優(yōu)點(diǎn)正好滿足綠籬修剪機(jī)器的使用需求。本設(shè)計(jì)是通過單片機(jī)技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信、紅外檢測、姿態(tài)傳感器以及矩陣鍵盤等模塊，對傳統(tǒng)綠籬修剪裝備進(jìn)行改造，可滿足絕大部分綠籬修剪工作的需要。該綠籬修剪機(jī)可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工作，減少了大量不必要的勞動(dòng)力，具有一定社會(huì)價(jià)值。