基于單片機的植樹小車

劉銘祥 宋毅飛 徐雯雯 田新穎 王志松

摘要：本設計以紅外線傳感器，顏色傳感器，STC98C51最小系統，舵機控制板，機械臂部模塊為基本構造，以直流電機驅動的履帶式車地盤為基礎載體。紅外傳感器位于車體四周，用以檢測路線，感知周圍障礙物，判斷終點位置;顏色傳感器識別目標;單片機綜合、分析各傳感器傳回的信息，控制小車沿指定路線前進并躲避障礙物、識別并抓取樹苗、最終將樹苗運送到終點，完成種植。本設計的開發制作立足于探討現實中以機器代替勞動力進行植樹等偏重體力的農業作業的可行性，為機械化作業提供開發經驗。

關鍵詞：循跡;機械;單片機;紅外傳感器

1 系統設計方案

工作原理：小車底部以及左右側各有一對紅外傳感器。底部傳感器控制小車沿指定路線前進，左右傳感器感知車體兩旁物體，左右兩側傳感器感受到物體后，由顏色傳感器判斷該物體是樹苗還是障礙物，單片機接收到顏色傳感器傳回的樹苗（綠色）指令之后，控制小車保持靜止，并對舵機發出指令，舵機帶動機械臂將樹苗抓起，機械臂收回后將樹苗放在車體漏斗中。小車繼續循跡，到達終點后，機械臂將樹苗放入樹坑，完成一次種植。

2 系統分述

2.1 電源系統

由于小車車體再加上機械臂總質量較大，故小車需要用到大功率電機帶動小車前進，如果用單片機驅動可能導致單片機功率不穩，影響單片機處理效率，所以對電機和單片機分別供電，單片機由5V電池盒供電，電機采用12V學生電源供電。兩個電源分別供電保證了小車前進動力充沛以及單片機始終保持以最佳狀態處理信息。

2.2 機械臂模塊

機械臂由五個舵機，若干支架、舵機座組成。五個舵機負責機械臂運動的五個自由度，使機械臂可以完成彎曲、抓取等規定動作。舵機座將整個機械臂固定在車體上，給機械臂一個牢固的支撐點。支架等作為機械臂的主干部分，延長機械臂長度，增加機械臂的工作范圍。

2.3 傳感器模塊

本裝置裝有六個紅外傳感器，一個顏色傳感器，其中兩個紅外傳感器位于小車地盤底部，用于檢測路線，使得小車沿著指定路線（白線）前進，車體左右兩側各有兩個紅外傳感器，用來檢測障礙物物，（當障礙物經過第一個傳感器時，小車繼續前進，當經過第二個傳感器時，小車后退一小段距離，使得兩個傳感器都檢測不到物體，即物體位于兩個紅外傳感器之間，完成定位。）

3? 軟件部分

小車共四輪，前兩輪為驅動輪，后輪為兩個萬向輪。單片機通過驅動控制兩個前輪電機，實現小車的前進后退以及轉向。

具體為：

兩輪同時正向旋轉，小車前進兩輪同時停止，小車停止左輪反向旋轉，右輪正向旋轉，小車左轉左輪正向旋轉，右輪反向旋轉，小車右轉車底的兩個紅外傳感器，在行駛過程中分部在路線兩側，單片機通過分析傳感器返回的信號，控制小車直行，轉彎。

具體如下：

當兩個傳感器為高電平時，小車直行左側傳感器為低電平，右側為高電平時，小車往左轉反之小車右轉兩傳感器為低電平時，小車停止。

4 機械臂部分

機械臂含有五個自由度，分別由五個舵機承擔。其工作流程如下：當檢測到樹苗之后，一號舵機轉動就是度，機械臂整體面對樹苗，二號舵機轉動六十度，機械臂下部抬起，三號舵機轉動一百二十度，機械臂前端伸向樹苗，四號舵機轉動一百二十度，機械臂碰觸樹苗，五號舵機轉動三十度，打開機械抓，抓取樹苗。完成抓取之后，舵機整體以相反的順序轉動，機械臂收回，樹苗裝載入車斗。

5 程序測試

5.1 循跡測試以及調整

將程序燒錄進單片機之后，對小車進行測試，賽道以黑色為底，路線以白色寬線標出。白色線分為直線，直角，S彎道。

將小車放置與賽道中，測試小車是否可以沿路線行駛。

5.2 機械臂測試

將機械臂接入電源以及單片機，用手擋住傳感器，使單片機對舵機發出相應的指令，觀察各個多級是否可以按照規定順序和幅度完成相應動作。如果有不合適的動作幅度，記下舵機最佳的運動角度，修改對應的程序，再進行測試，如此往復，直到調整出最佳的運動流程。

5.3 綜合測試

將各個部件安裝到位，在賽道中擺放好樹苗模型，將小車置入賽道，打開總開關，小車沿路線前進，在樹苗處判斷完成后，抓取樹苗，放入漏斗，運送至終點。

6 拓展

本植樹小車主要由上文中提到的車體，機械臂，傳感器等模塊組成。模塊化的好處在于可以根據任務的不同基于同一個底盤進行拓展，只需調整傳感器位置，加裝其他模塊，就可以實現制作適應不同工作環境以及完成不同任務的設備并投入使用。

同時對于單一任務也可以通過加裝不同模塊來優化作業結果，例如：在完成植樹任務的基礎上，加裝灌溉模塊，即可以在植樹的同時完成灌溉任務，提高作業效率。

模塊化設備相對于現有集成度較高的設備以及機器人，有著更加靈活多變的優勢，降低了開發成本。這也是將來設備、機器人的發展趨勢之一。

7 結語

隨著社會的發展，科技水平的不斷進步，我國的基礎行業-農業勢必也會脫離以往主依靠人力的處境，向科技農業，大規模農業發展。大批量的設備、機器人一定會慢慢投入應用，減輕農民勞動負擔，提升農業作業效率。同時該51單片機植樹小車的制作可以作為一個檢驗用機器人植樹可行性的實驗模型，而植樹機器人只是其中的一個小分支，研究制作植樹機器人可以對其他方面的農業作業的機器人制作研發積累經驗，用以驗證機器人分擔人類農業勞動的可行性和預見的一些會遇到的問題，對問題加以解決，為未來更加先進的農業生產，減輕人類勞動強度的設備研發做鋪墊。

參考文獻：

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[2]范紅剛51單片機自學筆記第二版.北京航空航天大學出版社.

[3]趙文鈺，郭橋雨.基于 51 單片機自主循跡灌溉小車.信息記錄材料，2018.

[4]張鐵.工業機器人及智能制造發展現狀分析[J].機電工程技術，2014，（4）：1-3.