基于stm32的智能农业水利作业车

张兴宇 韩 策 訾 宝 曹雷天 付利荣



基于stm32的智能农业水利作业车

张兴宇 韩 策 訾 宝 曹雷天 付利荣

（河北农业大学 河北 保定 071000）

本作品由黑白传感器，红外传感器，stm32单片机，角度传感器，机械臂，舵机组成。本系统以四轮小车为载体，在车的底部装有黑白传感器，两侧装有红外传感器，车底板装有角度传感器，车上装有机械臂，水箱，舵机。黑白传感器用来检测道路信息，单片机通过处理黑白传感器的信息，控制小车沿既定的轨迹行驶；红外传感器用来检测水箱和植株，单片机接收到信号，控制小车精确抽水和灌溉；机械臂用来把抽水管和放水管放到指定的位置；角度传感器用来检测小车底盘倾角，用舵机保持水箱水平。最终实现小车沿白色轨迹运行，遇到上下坡，及时调整水箱角度，遇到水箱，植株，自动抽水和灌溉。

循迹；角度传感器；机械臂；灌溉

1 系统方案

1.1 系统原理

小车的底部装有黑白传感器，侧部装有红外传感器，中部装有GY25角度传感器，车上的水箱里装有液位传感器。底部的黑白传感器用于小车延一定的轨迹行驶，侧部的红外传感器用来检测水箱和被灌溉植株，中部的角度传感器用来检测小车底板的倾角，液位传感器用来检测水箱中水的液位。正常运行时，小车根据底部三个黑白传感器的信号正常循迹，当侧部的红外传感器1检测到信号，机械臂带动抽水管伸进水箱，继电器打开，水泵开始工作，水进入车上的水箱，当到达设定的液位继电器关闭，水泵停止工作，小车继续循迹。当侧部的红外传感器2检测到信号，机械臂带动放水管到目标植株，继电器打开，水泵工作，同时单片机开始计时，计时满后停止放水。循迹过程中，道路可能不平坦，角度传感器检测车底盘的角度，通过舵机调节水箱的角度，使水箱保持水平。

1.2 系统论证

1.2.1硬件系统

电源模块

系统采用三套电源供电，循迹用的减速电机和抽水用的水泵用12V开关电源供电；舵机使用5V开关电源供电；单片机，传感器，电机驱动器使用3.3V电源供电；三电源供电可以减少水泵，减速电机和舵机对单片机的影响。

运动模块

本次制作的小车由于需要载重，上下坡，所以平常智能小车上使用的直流减速电机不能满足要求，故本次选用12V大扭矩直流减速电机。单片机控制电机驱动L298N,从而控制控制电机的转速和转向，使小车可以循迹和转弯。

机械臂模块

机械臂由三个MG996R模拟舵机，若干舵机云台，抽放水管和水泵构成。三个舵机控制机械臂的三个自由度，按照程序运动。水管用来导流，水泵用来抽水。

水箱平衡模块

水箱通过两个轴固定在车上，一端为固定端，一端为活动端，活动端连接舵机，角度传感器检测车底盘的角度，通过单片机控制舵机运动，使水箱保持水平。

传感器模块

本装置使用3个黑白传感器，2个红外传感器，一个角度传感器，一个水位传感器。黑白传感器位于小车的底部，用于寻白线，使小车沿设定的轨迹行驶。两个红外传感器，分别用于检测水箱和植株，当红外传感器1检测到信号，触发单片机外部中断EXIT_1，单片机控制机械臂和水泵完成抽水动作，当红外传感器2检测到信号，触发单片机外部中断EXIT_2，单片机控制机械臂和水泵完成放水动作；角度传感器用于检测小车底盘的角度，通过舵机控制水箱保持水平；水位传感器，在小车抽水时检测水箱中的水位，当水箱中的水到达设定水位，停止抽水。

1.2.2

软件系统

小车前轮为主动轮，后轮为从动轮。单片机通过控制前轮的转速和转向来控制小车左转，右转，前进和停止。具体分析：

a:左轮和右轮以相同的速度向前，小车前进；

b:左轮转速慢于右轮转速，小车S弯左转；

c:左轮转速快于右轮转速，小车S弯右转；

d:左轮停止右轮前进，小车直角弯左转；

e:左轮前进右轮停止，小车直角弯右转；

f:左轮和右轮停止转动，小车停止；

车底部安装有三个黑白传感器，三个传感器分别位于白线的左侧，右侧，和白线上，并把传感器简称为左，中，右。单片机通过分析传感器返回的信号来控制小车循迹。具体分析：

a:当左高电平，中低电平，右高电平时小车前进;

b:当左低电平，中高电平，右高电平时小车S弯左转；

c:当左高电平，中高电平，右低电平时小车S弯右转；

d:当左低电平，中低电平，右高电平时小车直角弯左转;

e:当左高电平，中低电平，右低电平时小车直角弯右转;

f:当左低电平，中低电平，右低电平时小车前进；

g:当左低电平，中高电平，右低电平时小车停止；

h:当左高电平，中高电平，右高电平时小车停止；

机械臂部分

机械臂有三个自由度，单片机通过舵机控制机械臂的三个自由度的大小，和机械臂张合的快慢，其工作过程如下：当检测到水箱时，舵机1顺时针旋转90度，舵机2逆时针旋转90度，机械臂向小车左侧打开，舵机3逆时针旋转90度把抽水管送入水箱，进行抽水。抽水完成后，整体收回机械臂。当检测到植株时，舵机1逆时针旋转90度，舵机2逆时针旋转90度，机械臂向小车右侧打开，舵机3逆时针旋转90度把放水管送到植株根部附近，进行放水。

角度传感器部分

角度传感器使用的是GY25模块，GY25检测小车底盘与地平线的夹角，通过串口把角度值返回给单片机，单片机根据返回的角度值，结合实验获得的舵机旋转角度和小车底盘倾角的关系，控制舵机运动，从而使舵机带动水箱保持水平。

2 系统调试

2.1 循迹调试

调试准备：根据以上分析的循迹的逻辑关系，编制程序，烧录进单片机。赛道底板是黑色，上面贴有的白色循迹线，循迹线上有S弯，直角弯，坡起，赛道左侧有水箱，右侧有植株。把小车放到循迹线上，使小车的左右黑白传感器位于白线两侧，中间的黑白传感器位于白线上，打开电源，启动小车。

调试结果：小车全程可以寻白线通过S弯，直角弯，顺利循迹，并可以上坡。

2.2 机械臂与水泵联合调试

调试过程：断开循迹部分，用装有水的水箱遮挡红外传感器1，单片机进入外部中断EXIT_1，单片机发送命令给机械臂，观察机械臂是否可以把抽水管送入水箱，完成抽水过程，并整体收回机械臂；之后植株模型遮挡红外传感器2，单片机进入外部中断EXIT_2，单片机发送命令给机械臂，观察机械臂是否可以把放水管送到植株根部，完成放水过程，并整体收回机械臂。

调试结果：机械臂可以顺利的把抽水管送入水箱，完成抽水过程，并收回机械臂；同时机械臂可以把放水管准确的放到植株根部，完成灌溉过程，并收回机械臂。

2.3 角度传感器与舵机联合调试

调试过程：小车后轮不动，抬高前轮，使车底板和地面呈任意角度（50度以内），观察舵机能否使水箱保持水平；小车前轮不动，抬高后轮，使车底板和地面呈任意角度（50度以内），观察舵机能否使水箱保持水平。

调试结果：抬起前轮或后轮使车底板和地面呈任意角度（50度以内），舵机能使水箱保持水平。

2.4 整体联调

调试准备：在赛道中间某处，白色循迹线左侧放置一个水箱，在赛道结束部分，白色循迹线右侧放置几个植株，把小车放在循迹线上。

调试结果：打开系统，小车开始循迹，在水箱处完成抽水操作，在植株部分完成灌溉操作，在上坡的过程中，车上的水箱保持水平。

[1]张耀辰.基于嵌入式的多功能智能小车的设计与实现[J].才智.2015.3.

[2]张强 赵丽琴 黄卓 冯靖凯 郭梁.基于倾角传感器技术的全地形水平运载系统 [J].电子设计工程.CSTPCD.2015.1.

this work consists of black and white sensor, infrared sensor stm 32 single chip, angle sensor, mechanical arm, steering gear. The system is carried by a four-wheeled car with black and white sensors at the bottom of the vehicle, infrared sensors on both sides, angle sensors on the bottom of the vehicle, and a mechanical arm, water tank and steering gear on the vehicle. Black and white sensors are used to detect road information, single chip computers process information of black and white sensors, and small cars are controlled to travel along a given track. Infrared sensors are used to detect water tanks and plants, and single chip computers receive signals. A control cart for precise pumping and irrigation; a mechanical arm used to place pumping pipes and discharge pipes on designated pipes. Position; angle sensor is used to detect the inclination of the chassis of the car and keep the water tank level with the steering gear. Finally, the car can run along the white track, meet the downhill, adjust the water tank angle in time, meet the water tank, plant, automatically pump water and irrigate.

tracking; angle sensor; manipulator; irrigation

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.11.040

U467.4;TP274

A

1672-9129(2017)11-0034-02