基于51单片机智能循迹采摘收集小车

张成杰 赵 楠 马 赛 王佳怡 苏 浩 张 旭

河北农业大学机电工程学院，河北保定 071000

1 整体方案

1.1 整体原理

在小车的底部和侧部分别都装有红外传感器。车底的红外传感器保证小车沿既路线迹行驶，小车侧边的红外传感器用来检测红色果实位置和存放分拣以后的果实。当小车开始运行时，小车进行循迹，当小车一侧边的红外传感器检测到信号后，将采集到的信号发送给单片机，当单片机接收到传感器的信号后对舵机发送指令，由舵机组成的机械臂进行果实夹取、放置。当机械臂夹取动作结束时，小车继续循迹。当小车两侧边的红外传感器同时探测到信号后，机械臂再次工作，机械臂实现将采摘的果实从车体上放到指定的储物箱的位置。当放置动作结束时，继续循迹。当小车走到赛道末端时，小车停止运行。

1.2 方案论证

1.2.1 硬件论证

1.2.1.1 电源模块

因为由若干舵机组成的机械臂功率很大，只由单片机的电源给机械臂供电会引发单片机的电压不稳定，影响单片机芯片的运行速度，以及机械臂的正常运行。并且，采用同一块电池供电会导致电源功率过大，降低电源的使用寿命。因此使用两个电源同时供电。一个电源为5V的电池给单片机供电，另一个电源使用12V电池给机械臂供电。两个电源同时供电使单片机和机械臂能够同时正常工作。

1.2.1.2 机械臂模块

此机械臂使用4个舵机、若干舵机支架和夹子构成。四个舵机的配合使用实现机械臂的动作要求。1号舵机充当云台实现转向；2、3号舵机实现X、Y方向的转向；4号舵机控制夹子，实现夹取。

1.2.1.3 红外传感器模块

小车一共有4个红外传感器，有两个红外传感器在小车底边前端，另外两个分别位于车体两侧。其中，小车底边前端的2个传感器，用来检测路面上白线，让小车能够精确的沿着白线自主进行行驶；小车侧边的红外传感器用来检测果实以及停车储物箱的位置，使机械臂能够精确地采摘果实。红外传感器使用5V的电池盒供电，在正常状态下，小车底部传感器输出口输出高电平信号；当传感器探测到白线时，会输出低电平信号，直到检测不到白线。同理，小车侧部的红外传感器，正常状态下，传感器输出口输出高电平；当传感器检测到红色（由于红色和蓝色对光的反射率不同）时，会输出一个低电平。从而可以检测不同颜色的果实。

1.2.1.4 分拣模块

本模块为一个机械装置，通过改变果实通道上预留缝隙的大小从而分拣出大小果实。分拣顺序从小到大，当较小果实滑落时，通过第一条缝隙落下到达小果实暂存位置，当较大果实落下时，通过第一条缝隙无法落下，从而向一条缝隙滚落，依次类推，直到果实落下，从而实现分拣大小。

1.2.2 软件方案

1.2.2.1 循迹方案

小车的前轮分别连接两个电机为主动轮，后轮为从动轮。单片机通过接收车头底部的红外传感器返回的信号使用LN98驱动可直接控制两个前轮电机的运转，从而实现小车的前进、转弯及停止等功能，具体情况：

（1）两电机同时同向转动，小车直线行驶；

（2）左边电机停止转动，右边电机向前转动，小车向左转弯；

（3）右边电机停止转动，左边电机向前转动，小车向右转弯；

（4）两边电机同时停止转动，小车停止。

1.2.2.2 机械臂部分

此机械臂有四个自由度，每个自由度都由一个单独的舵机进行控制，四个舵机由若干舵机支架连接。其采摘的具体工作流程如下：

首先，舵机1，顺时针旋转90°，让机械臂展开。然后舵机2和舵机3转动一定角度，将夹子送到果实附近。然后4号舵机连接一个夹子，进行夹取果实。最后，四个舵机执行逆向过程，将夹取的果实放到车上的分拣装置入口中。此过程为一个夹取的循环过程。每次检测的果实执行一遍动作。

1.2.2.3 放置部分

当小车检测到储物箱位置时，分拣装置的临时储物位置的遮挡板打开，让果实自动滚入储物箱中。此过程为小车的最后一个过程，故小车执行这个过程时，小车的一整套过程结束。

2 方案测试

2.1 循迹方案测试

方案：不接连机械臂模块，只对小车的循迹进行测试。测试赛道为在黑色的底板，上面画有白色的循迹线，循迹线路分为直线、左转弯、右转弯、左转直角弯、右转直角弯和S型路线。将小车放在白色的循迹线上。接通电源，观察小车运行结果。

结果：小车在接通电源后，程序正常运行，能够沿着白线循迹行驶，并且可以完成预设的各种转弯以及直线道路。

2.2 停车方案测试

方案：在接入机械臂前对小车进行停车测试。在赛道的末端左右分别放置一个白色的盒子。启动系统，观察小车的运行。

结果：小车走到末端时，小车停车。

2.3 机械臂模块测试

方案：首先，接通机械臂模块，用大小不同颜色均为红色的小球充当成熟果实遮挡小车任意一侧边的传感器，单片机采集到传感器回传的信号时给机械臂发送动作指令，当动作开始时，观察机械臂能否按照规定角度将检测到的红色小球夹取到车上的分拣装置中。其次，用两个纸盒同时遮挡侧部传感器，待动作开始时，观察分拣部分的装置能否很好的将分拣装置中的小球放入储物箱中。

结果：机械臂可以很好的将小球按照要求夹取起来并且放到车上的分拣装置中。并且当两个纸盒同时遮挡小车侧部传感器时能够很好的将分拣装置中的小球从车上放到指定位置的储物箱中。

2.4 整体测试

方案：采用之前的循迹测试时候的线路，在赛道的开始部分在同一侧放两个红球两个绿球，在赛道的末端结束部分两侧分别放置一个纸盒，接通电源启动小车，观察小车是否可以实现循迹并夹取红色果实，以及分拣、放置果实等过程。

结果：小车能够沿白色线循迹，可以很好地通过直线部分、左转直角弯、右转直角弯、S弯等道路，并且能够在红色小球位置夹取，在纸盒子部分进行放置分拣好的小球。