全地形智能采摘機(jī)器人電路設(shè)計(jì)*

張 嵩 ，吳 波 ，潘相龍，3 ，楊立爽，4

（1.吉林廣播電視臺(tái)衛(wèi)視頻道，吉林 長(zhǎng)春 130119；2.長(zhǎng)春工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；3.重慶渝江壓鑄有限公司機(jī)加二部，重慶 400000；4.上海劍平動(dòng)平衡機(jī)制造有限公司技術(shù)中心，上海 200000）

1 緒論

2010—2015 年，我國(guó)生果總產(chǎn)值由2.14 億t 增至2.74 億t。據(jù)我國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院預(yù)測(cè)，到2024 年，我國(guó)人均生果消費(fèi)量將達(dá)到93.9 kg，生產(chǎn)規(guī)模將達(dá)到3.24 萬(wàn)億元。林果工業(yè)已成為我國(guó)林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)和支柱工業(yè)，規(guī)模化生產(chǎn)需求越來(lái)越迫切。此外，林果采摘是整個(gè)林果生產(chǎn)環(huán)節(jié)中最重要的部分，所用勞動(dòng)力約占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的35%～45%，且具有季節(jié)性強(qiáng)、周期性短、勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)力成本高、采摘效率低下的特點(diǎn)，大大限制了我國(guó)林果工業(yè)的進(jìn)一步開展。

基于現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外眾多農(nóng)業(yè)機(jī)器人巨頭，如普瑞瓦、CropTeq、Inaho、AppHarvest、Sweeper、Crux Agribotics、豐疆智能、博田自動(dòng)化、極飛科技等紛紛投入全地形智能農(nóng)林采摘機(jī)器人的研發(fā)，由此，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人技術(shù)也取得巨大發(fā)展。然而從客觀來(lái)看，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人技術(shù)尚不成熟，技術(shù)仍面臨控制電路設(shè)計(jì)不合理、智能識(shí)別困難、互換性差、成本高昂等方面的問(wèn)題，其中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人行走、避障及采摘控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔性、低成本及工作穩(wěn)定性是尤為棘手的難題。而為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的智能控制，并實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的推廣普及，勢(shì)必要解決其控制電路簡(jiǎn)潔性欠佳、穩(wěn)定性差、成本高昂的問(wèn)題。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)履帶采摘機(jī)器人行走、避障及采摘控制電路，旨在解決上述問(wèn)題。本文主要介紹了基于本團(tuán)隊(duì)全地形智能農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的配套電路設(shè)計(jì)[1]。

2 全地形智能采摘機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

如圖1 所示，全地形智能采摘機(jī)器人包括底盤、左行走履帶、右行走履帶、平衡臺(tái)、貨箱、攝像頭、機(jī)械臂底座、旋轉(zhuǎn)盤、旋轉(zhuǎn)臂、擺臂及手爪。左行走履帶由左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)，右行走履帶由右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)，攝像頭的運(yùn)動(dòng)由攝像頭俯仰舵機(jī)和攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)盤相對(duì)于機(jī)械臂底座的旋轉(zhuǎn)由底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臂相對(duì)于旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)由旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，擺臂相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)由擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪相對(duì)于擺臂的旋轉(zhuǎn)由手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪的開合由手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖1 電路控制流程圖

全地形智能采摘機(jī)器人行走、避障及采摘控制電路包括核心控制器模塊，核心控制器模塊為Raspberry Pi 4B開發(fā)板，核心控制器模塊包括底盤行走控制模塊和采摘機(jī)械臂控制模塊[2-3]。同時(shí)，底盤行走控制模塊的輸入端連接有超聲波測(cè)距模塊，用以檢測(cè)機(jī)器人四周的障礙物；連接有紅外測(cè)距模塊，用以檢測(cè)機(jī)器人前進(jìn)方向履帶下方的垂直落差[4-5]。底盤行走控制模塊的輸出端連接有用于驅(qū)動(dòng)左行走電機(jī)的左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)右行走電機(jī)的右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。采摘機(jī)械臂控制模塊的輸入端連接有攝像頭模塊用以實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、連接有壓力感知模塊用以檢測(cè)手爪抓握力度。采摘機(jī)械臂控制模塊的輸出端連接有用于驅(qū)動(dòng)攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)的攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)攝像頭俯仰舵機(jī)的攝像頭俯仰舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)的底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)的手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、用于驅(qū)動(dòng)手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。各執(zhí)行元件與對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路的輸出端連接。左行走電機(jī)和右行走電機(jī)均為三相直流電機(jī)，左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)相同，且左行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和右行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路均包括電機(jī)a 相驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)b 相驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)c 相驅(qū)動(dòng)電路。攝像頭俯仰舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和手爪驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)相同[6-8]。

如圖2 所示，攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電路結(jié)構(gòu)相同且均包括MSP430G2553 微控制器模塊。MSP430G2553 微控制器模塊包括MSP430G2553微控制器、晶振電路、供電穩(wěn)壓電路和下載復(fù)位電路，MSP430G2553 微控制器的DVSS 引腳接地。攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的P1.0 引腳分別與核心控制器Raspberry Pi 4B 的GP14 引腳、GP15 引腳、GP18 引腳、GP23 引腳和GP25 引腳連接[9-10]。晶振電路由晶振X1、非極性電容C6 和非極性電容C7 組成，晶振X1 的一端和非極性電容C6的一端均與MSP430G2553 微控制器的第18 引腳連接，晶振X1 的另一端和非極性電容C7 的一端則均與MSP430G2553 微控制器的第19 引腳連接。非極性電容C6 的另一端和非極性電容C7 的另一端均接地。供電穩(wěn)壓電路包括AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊、電源BATACC、非極性濾波電容C1、非極性濾波電容C2、非極性濾波電容C3 和非極性濾波電容C4。MSP430G2553 微控制器的DVCC 引腳與AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊的第4 引腳連接，并通過(guò)并聯(lián)的非極性濾波電容C1 和非極性濾波電容C2 接地。AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊的第1 引腳接地，AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊的第3 引腳與電池BATACC 電源5 V 電壓的輸出端連接，且通過(guò)并聯(lián)的非極性濾波電容C4 和非極性濾波電容C3 接地。下載復(fù)位電路包括復(fù)位按鍵K、電阻R1 和非極性電容C8。復(fù)位按鍵K 的一端、電阻R1的一端和非極性電容C8 的一端均與MSP430G2553微控制器的RST 引腳連接。電阻R1 的另一端與3.3 V 電源的輸出端連接。復(fù)位按鍵K 的另一端和非極性電容C8的另一端均接地。

圖2 MSP430G2553微控制器電路結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3 所示，底盤行走控制模塊中的紅外測(cè)距模塊分為前紅外測(cè)距模塊和后紅外測(cè)距模塊，前紅外測(cè)距模塊和后紅外測(cè)距模塊的電路結(jié)構(gòu)相同且均包括紅外測(cè)距模塊AM312。紅外測(cè)距模塊AM312 的電源端引腳VCC 與5 V 電源的輸出端連接，紅外測(cè)距模塊AM312 的接地端引腳GND 接地，紅外測(cè)距模塊AM312 的信號(hào)輸出引腳VO 與核心控制器Raspberry Pi 4B的GP17引腳或GP27引腳連接。

圖3 Raspberry Pi 4B開發(fā)板GPIO 引腳接口圖

3 總結(jié)

1）本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路均采用MSP430G2553微控制器和AT 8 2 3 6 驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用AMS1117-3.3 穩(wěn)壓模塊對(duì)微控制器輸入端穩(wěn)壓，超聲波測(cè)距模塊采用了HC-SRO4，紅外測(cè)距模塊采用了AM312，壓力感知模塊采用了KEYES，采用MG995舵機(jī)和Raspberry Pi Camera V2 攝像頭，在實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人功能性的同時(shí)，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，使得技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便且成本相對(duì)低廉。

2）本設(shè)計(jì)的避障控制電路包括用于對(duì)農(nóng)業(yè)全地形智能采摘機(jī)器人四周的障礙物進(jìn)行檢測(cè)的超聲波測(cè)距模塊、用于對(duì)農(nóng)業(yè)全地形智能采摘機(jī)器人前進(jìn)方向路面落差進(jìn)行檢測(cè)的前紅外測(cè)距模塊和后紅外測(cè)距模塊，并借此實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)全地形智能采摘機(jī)器人四周的障礙物及路面嚴(yán)重坑洼均進(jìn)行檢測(cè)，機(jī)器人避障功能強(qiáng)大。

3）此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)多采用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改造融合，設(shè)計(jì)穩(wěn)重合理，使電路得到高穩(wěn)定性和高可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)、底座旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)、手爪旋轉(zhuǎn)電機(jī)穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)。

4）本設(shè)計(jì)核心控制模塊采用Raspberry Pi 4B 開發(fā)板，技術(shù)穩(wěn)定，維修便捷，且具備強(qiáng)大的功能擴(kuò)展能力。

5）本設(shè)計(jì)應(yīng)用于能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能（如搶險(xiǎn)救災(zāi)、科考探測(cè)、智能家政、尋航噴淋）的履帶機(jī)器人上，為機(jī)器人的行進(jìn)驅(qū)動(dòng)及避障識(shí)別提供了硬件電路設(shè)計(jì)參考方案，具有強(qiáng)實(shí)用性，便于推廣與應(yīng)用。

綜上所述，課題組所設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，電路具備高穩(wěn)定性、高可靠性和強(qiáng)實(shí)用性，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉、功能完備且功能擴(kuò)展性強(qiáng)，便于推廣及應(yīng)用，可搭配收獲機(jī)械、噴淋設(shè)備等，也可投入搶險(xiǎn)救災(zāi)、科考探測(cè)、物流運(yùn)輸?shù)绕渌I(lǐng)域。