單片機在便攜式智能小型采摘作業機器人的應用

侯文芳，曹國華

( 1.蘇州信息職業技術學院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州　215200；2.南京師范大學 電氣與自動化工程學院，南京　210042)

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單片機在便攜式智能小型采摘作業機器人的應用

侯文芳1，曹國華2

( 1.蘇州信息職業技術學院 電氣與電子工程系，江蘇 蘇州215200；2.南京師范大學 電氣與自動化工程學院，南京210042)

摘要：為了滿足山地和丘陵地帶的小面積果蔬采摘作業需求，開發了一種新型的便攜式智能采摘機器人，并利用單片機設計了機器人的紅外線視覺和運動控制系統，降低了機器人的本體體積，節約了設計成本。采用RT-Thread實現了單片機嵌入式系統的設計，并開發了RT-Thread Builder 集成環境，利用Gcc編譯器可以實現單片機嵌入式系統的實時控制。為了驗證便攜式機器人工作的可靠性，對機器人的紅外線和無線控制系統及單片機嵌入式系統進行了測試。結果表明：采摘機器人線程調度和串口通信可以正常工作，便攜式采摘機器人利用紅外線追蹤可以成功地鎖定指定目標采摘區域，并且移動耗時與人工移動相比大大節省了時間，提高了采摘的作業效率，可以滿足山區和丘陵地帶采摘作業的需求。

關鍵詞：采摘機器人；紅外線視覺；嵌入式系統；線程調度；串口通信；單片機

0引言

隨著電子技術和計算機技術的發展，機器人技術在各大領域得到了廣泛的應用，其自動化和智能化水平也得到了大幅度的提高。在農業生產中，作業對象具有多樣性和復雜性，這使得新型農業機械作業工具機器人具有了巨大的市場前景。果蔬收獲屬于勞動密集型工作，但隨著人口老齡化和農村勞動力的資源缺乏，果蔬的收獲成本有了大幅度的提高，降低了產品的競爭力。采摘機器人的研發不僅解放了勞動生產力，使采摘作業效率也有了大幅度的提高。在山區和丘陵地帶的農業生產過程中，由于地塊的復雜性和多樣性，使得機器人的設計和常規機器人的設計有所不同，在山區和丘陵地帶，機器人需要具有較小的體積和較好的操作性，才能提高自身的作業質量和作業效率，因此研究便攜式小型采摘機器人對于丘陵和山區地帶的果蔬采摘作業具有重要的意義。

1采摘機器人結構和控制系統框架

為了適應山區和丘陵地帶的果蔬采摘作業，將采摘機器人設計成便攜式小型機器人。采摘機器人的系統主要由5部分組成，包括移動系統、采摘執行末端、視覺系統、關節控制系統和動作規劃系統，如圖1所示。

圖1　便攜式采摘機器人系統整體框架圖

圖2為采摘機械手的三維結構示意圖。機械手的運動在三維空間內為無約束體，可以進行三方向的移動和旋轉，因此對于目標鎖定時的空間位姿需要6個自由度，其自由度決定于旋轉關節。在對采摘機器人進行運動控制時，需要建立機器人移動和動作姿態的動力學方程，并采用單片機采集和處理信息，實現智能化控制。

圖2　采摘機械手總體結構示意圖

2機器人運動姿態控制和通信系統

為了實現便攜式采摘機器人的智能化控制，需要采用單片機和無線通信技術對機器人的姿態實現遠程控制。首先建立機器人剛體位姿的運動學方程，方程的建立依據是齊次變化法，該方法將運動關系和映射與矩陣相聯系，假設三維空間內和剛體固接的兩個坐標系為{A}和{B}，采用齊次變換的方法可以實現位姿的描述，矩陣為齊次4 × 4矩陣，表達式為

(1)

其中，R3×3為描述坐標系旋轉的矩陣；P3×1為坐標系平移的位置矢量矩陣；O1×3為1×3階的零矩陣。

X、Y、Z軸轉角矩陣可表示為

(2)

(3)

(4)

便攜式采摘機器人的體積較小，其運動姿態是可以通過單片機和無線通信技術來控制的，并且利用單片機和紅外線技術可以實現機器人的自動追蹤。本次開發設計采用英飛凌16位單片機XE162FN處理器為核心，其集成化程度較高，無需大量的添加附件和相關軟件，節省了成本。藍牙和ZigBee技術一種低成本的無線通信技術，傳輸效率高、功耗低、成本小，可以用于采摘機器人智能控制的開發。機器人的移動采用驅動電機來控制，并添加紅外線跟蹤和遠程控制功能，其控制系統的結構框架如圖3所示。

圖3　便攜式采摘機器人控制系統硬件設計框架

硬件系統的設計功能主要包括智能追蹤、遠程控制、系統檢測和故障檢測，而實現方式為電機驅動、信號捕捉、報警裝置和短信收發裝置。

3采摘機器人單片機硬件控制系統設計

由于丘陵和山區地塊的分散性，在待作業區域可以安裝紅外線發射器，使便攜式機器人具有自動追蹤功能，降低人工搬運的工作強度。系統的自動追蹤功能利用紅外線來實現，當機器人接收器接收到紅外線信號時，會追蹤信號發射源。紅外線發生源由紅外發射管組成，其形狀為球面形狀，可以將紅外線向各個方向發射，便于機器人快速的定位。紅外線發射的載波是占空比為0.6、載波頻率為38kHz的方波。紅外線發射和接收電路如圖4所示。

圖4　智能跟蹤紅外發射和接收電路圖

圖4中，10.0和一個普通的I/O引腳相連接，其作用是控制紅外線信號的通斷；10.3和PWM方波相連，其接收裝置使用2個1838紅外線接收器，安裝位置為便攜式采摘機器人的頭部和尾部；10.2和10.7和接收器的輸出引腳相連。紅外線接收器對紅外線可以實線感光功能，從而有效地實現紅外線發射源的定位，最終驅動電機向發射源行進。

當便攜式采摘機器人需要緊急停止工作時，需要對裝置發射停止信號。停止信號可以采用如圖5所示。LM324對采集到的信號進行比例放大，放大100倍后通過和兩個1N5819進行包絡線檢測；最后將獲取信號同LM358進行比較，比較電壓值通過1K電阻和880Ω電阻分壓獲得。機器人的移動采用直流驅動電機帶動輪子來實現，利用驅動電機可以控制輪子的正向和反向轉動，也可以調節速度。其中，驅動芯片采用SGS公司的L298N，內部為4條邏輯驅動電路。為了提高驅動功率和驅動能力，使用三極管的H橋型平衡電路，其PWM控制也具有較高的效率。

驅動電機的轉速控制和3個主要因素有關，包括電路的電壓、電流和負載。速度的控制可以通過調節脈沖寬度來實現，調整脈沖寬度即占空比的大小可以實現速度大小的調節。其中，驅動板采用6個高速光耦6N137將邏輯電路和驅動電路隔離，避免了邏輯電路和驅動電路之間產生的干擾。驅動電路的原理如圖6所示。

圖5　停止信號捕捉電路

圖6　直流電機驅動電路

圖7為電機旋轉控制的電路示意圖。使用單片機編程技術可以實現PWM脈沖信號的占空比調節，電機A和脈沖信號PWM相連接，電機B和單片機的I/O引腳相連接。當I/O引腳電平為1 時，電流的方向為從B端流向A端；當I/O引腳電平為0時，電流的方向為從A端流向B端，從而實現電機旋轉方向的控制，使采摘機器人具有前進和后退功能。利用不同的PWM信號占空比，可以實現每個驅動電機的速度調節，利用左右輪不同的速度可以實現機器人的轉彎新能，使便攜式機器人實現單片機的自動化控制。

圖7　I/O引腳電機旋轉控制示意圖

4基于單片機的采摘機器人性能測試

為了驗證本次研究設計的單片機便攜式采摘機器人的性能，設計了一款便攜式采摘機器人的樣機。同時，利用單片機設計了嵌入式實時控制系統，具有紅外線追蹤和無線通信功能，樣機如圖8所示。

圖8　便攜式小型采摘機器人

為了測試機器人的性能，利用RT-Thread Builder開發了機器人軟件控制平臺的集成環境，并選擇Gcc編譯器對實時系統進行編程控制，測試項目主要包括調度功能和信號通信功能。通過測試得到的調度功能測試結果如圖9所示。

圖9　調度功能測試結果

由測試結果可以看出:RT-Thread 的線程調度功能正常，系統的時鐘功能也正常。對信號量進行了測試，結果如圖10所示。

測試的目的是驗證信號量模塊功能是否正常。由測試結果可以看出：信號量功能正常。對機器人的目標鎖定功能進行了測試，結果如表1所示。

圖10　信號量測試結果

實驗次數單片機便攜式機器人耗時/s人工搬運耗時/s1221.2568.32278.3585.23227.1575.34123.2293.65185.6375.36162.2287.6

由表1可知：便攜式采摘機器人利用紅外線可以成功地到達指定的采摘區域，且耗時與人工搬運相比有了大幅度的降低，從而提高了作業機器人的作業效率，滿足了山地作業的需求。

5結論

1)采用單片機和紅外線追蹤技術，設計了一款滿足山地和丘陵地帶作業的小型果蔬采摘機器人，降低了機器人的體積和設計成本。利用RT-Thread開發了嵌入式系統的實時操作集成環境，使用RT-Thread Builder的Gcc編譯器編程實現了線程調度和信號量的調試。

2)為了驗證便攜式機器人性能的可靠性，對機器人作業性能進行了測試。結果表明：機器人在作業過程中，線程調度和串口通信可以正常工作，利用紅外線追蹤技術可以成功到達指定采摘區域，并且耗時和人工搬運相比有大幅度降低。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0213-EA

The Application of Single Chip Microcomputer in the Portable Intelligent Small Picking Robot

Hou Wenfang1, Cao Guohua2

(1.Department of Electrical and Electronic Engineering ,Suzhou College of Information Technology, Suzhou 215200, China; 2.School of Electrical & Automation Engineering , Nanjing Normal University, Nanjing 210042, China)

Abstract：In order to meet the needs of small area fruit picking,a new type of portable intelligent picking robot is developed,and the infrared vision and motion control system of robot is designed. It uses RT-Thread to realize the design of the embedded system, and develop the Builder RT-Thread integrated environment.The use of Gcc compiler can realize the real-time control of the embedded system. In order to verify the reliability of portable robot, the robot infrared and wireless control system and embedded microcontroller system were tested ,and it was found that picking robot thread scheduling and serial communication can be normal work, the portable picking robot can be successfully locked target the picking area with infrared ray tracing.And it can move the time-consuming and artificial mobile compared greatly,also can save time and enhance the operational efficiency of picking,which can meet the mountain and the hills picking operation demand.

Key words：picking robot; infrared vision; embedded system; thread scheduling; serial communication; single chip microcomputer

中圖分類號：S225；TP242.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0213-04

作者簡介：侯文芳(1979-)，女，江蘇邳州人，講師，碩士。通訊作者：曹國華(1963-)，男，江蘇張家港人，副教授，碩士，(E-mail)hwfcgh2015@sina.com。

基金項目：江蘇新能源產業發展研究項目(2013111TS90249)

收稿日期：2015-09-02