基于51 單片機的環湖植樹智能小車的設計

河北農業大學 趙一州 常悅 張德林

關鍵字：51 單片機；顏色傳感器；環湖植樹；循跡避障；智慧農業

1 設計要求

本小車的設計功能是實現“環湖種樹”：該小車能夠沿規定圍墻外側行駛，在指定位置撿取目標物“樹木”，“樹木”分為藍色與綠色兩種，運輸到“種樹”區域，區域中存在藍色與綠色兩種，對應顏色“樹木”需種入對應顏色“樹坑”中，成功完成全部“種樹”任務后，機器人繼續沿圍墻行駛至起點為完成全部任務。全過程靠小車自行完成，無人工干預。（注：樹苗和樹坑顏色的識別只需識別地面顏色即可，在樹苗存放處有擋板標識物，在樹坑處無標識物。各顏色樹苗存放處均有兩棵樹，每個樹坑只允許放一棵樹苗。）

圖1 小車行駛路線圖

2 整體設計思路

小車要滿足設計要求，需從“環湖”和“植樹”兩處考慮。環湖可以以循跡和避障相結合的方式入手；植樹需要傳感器來檢測和識別樹木，用機械臂來完成拾取動作；小車整體結構，需結合實際情況而定。具體如下圖：

圖2 基于51 單片機的環湖植樹智能小車的設計

3 整體構造

小車的主體構造為車板、分有左右兩室的車廂、兩個直流減速電機驅動兩個車輪作為前輪（驅動輪）、后輪是一個萬向輪（從動輪）、AT89C52 單片機控制模塊、L298N 電機驅動板模塊、5V和12V 直流電源模塊、電源壓降模塊、傳感器模塊、機械臂模塊。

4 功能實現與原理

4.1 整體原理

該小車基于AT89C52 單片機,通過L298N 電機驅動板模塊控制兩個直流減速電機的正反轉向來實現小車的前進倒退以及轉彎。在車體側前方和靠近湖泊側方裝有紅外傳感器，在車的底部裝有光電開關和顏色傳感器。車體前方和側方的紅外傳感器保證小車在與擋板保持一定距離的情況下前進和轉彎。在小車進行環湖繞行時，當小車底部的光電開關和顏色傳感器協同檢測識別樹苗標識物時，將產生的信號發送給單片機，單片機控制小車停止的同時向舵機發送信號，由舵機控制機械臂進行樹苗的夾取，并放入車廂相應的分室內。小車繼續前行檢測到相應的樹坑，舵機控制機械臂將樹苗從相應分室取出放置到坑位中。

4.2 小車“環湖”行走功能實現與原理

該車由紅外傳感器傳給單片機信號[1]，單片機控制L298N 電機驅動板模塊進而控制兩個直流減速電機的正反轉來實現小車的前進倒退以及轉彎。電機和傳感器均用5V 電池供電。將靠近湖泊（即圍墻，下文皆用圍墻代替）側方裝的紅外傳感器定義為1號傳感器，側前方的定義為2 號傳感器，二者尾部相靠，1 號與車體水平，2 號與1 號呈45 度夾角指向側前方。1 號傳感器靈敏度調為10 厘米，2 號為5 厘米。

狀態一：當1 號檢測到圍墻而2 號沒有時，說明小車與圍墻距離在5 到10 厘米內，距離合適，兩車輪均向前轉，小車直行；

狀態二：當兩個傳感器都有檢測信號傳給單片機時，說明小車與圍墻距離已小于5 厘米，此時單片機控制靠近圍墻一側車輪向前轉，遠離一側的向后轉，從而使小車向遠離圍墻一側轉彎，直到恢復到狀態一為止；

狀態三：當兩傳感器均未檢測到圍墻時，說明小車離圍墻距離大于10 厘米，此時近側車輪向后轉，另一側的向前轉，使得小車向圍墻一側轉彎行駛，直到恢復到狀態一為止。

以上三種狀態保證了小車一直與圍墻保持在5 到10 厘米的距離行駛，從而實現“環湖”行駛。

4.3 小車“植樹”功能實現與原理

該小車底部裝有光電開關和顏色傳感器，二者協同檢測識別“樹苗”和相應顏色的樹坑，其中顏色傳感器朝下，光電開關朝向側面；車后面有兩室的車廂，分別裝載藍色和綠色樹苗；車頂裝有機械臂，負責將樹苗拾取到相應的車廂分室內以及從分室內取出樹苗放到相應的樹坑中。其具體動作如下：

在顏色傳感器檢測到地面顏色時，小車停下，如果光電開關也檢測到側面的擋板標識物，說明小車來到相應顏色的樹苗存放區，則機械臂執行拾取動作，夾取地面上的兩棵樹苗，當顏色傳感器檢測到藍色，機械臂將樹苗放到左側分室；若檢測到綠色，則放到右側分室。完成動作后小車繼續前行。

在顏色傳感器檢測到地面顏色而光電開關未檢測到標識物時，說明小車來到樹坑處。若傳感器檢測到藍色地面，機械臂從左側分室夾取樹苗并放入樹坑；若為綠色，則從右面夾取并放入樹坑。完成動作后，小車繼續前行。

上述動作使小車完成植樹。其中，傳感器和機械臂具體結構原理如下：

（1）顏色傳感器部分：由三原色原理可知，如果知道構成各種顏色的三原色值，就能夠知道檢測物的顏色。單片機控制顏色傳感器內紅色濾波器、綠色濾波器、藍色濾波器的工作狀態，由顏色傳感器輸出脈沖信號給單片機，得到檢測物的RBG 值[3]。

（2）機械臂部分：如下圖所示，該機械臂由三個舵機和機械爪以及舵機支架組成，自上而下分別為，一號、二號、三號舵機。一號舵機控制機械臂在水平面內轉向移動，二號舵機控制機械臂在豎直面內運動，三號舵機控制機械爪的張開與閉合。

圖3 三舵機機械臂

5 實現情況與存在問題

該小車的設計滿足設計要求，經實驗，該小車可以順利完成所有工作。不過這是在光線適當且均勻的室內，遮光工作比較到位的前提下。如若有強光干擾或者小車在室外運行，小車存在光線干擾的問題，無法順利完成相應動作。對此，可用超聲波傳感器替換紅外傳感器，以解決光線干擾問題。

6 結語

在當今社會發展智慧農業的背景下，該設計在滿足設計要求的同時，也對現代農業機械，尤其是植樹機械有一定的參考價值和啟迪意義。但是，該小車目前只是一個智能小車，距現實中的環湖植樹還有很大差距。不過我們會繼續研發，愿為我國農業機械的發展以及智慧農業發展做出貢獻。