果园喷药竞赛机器人设计

高研 李昕宇 史颖刚 刘利

摘   要：文章设计了一种面向中国机器人大赛的果园喷药机器人，根据竞赛要求，结合平面四杆机构的工作原理，设计了机器人的机械系统;以STM32F103ZET6单片机为控制核心，通过搭载电机驱动器、循迹传感器、平面定位系统以及喷药系统，设计了竞赛机器人的控制系统，其中，以步进电机控制器、丝杠滑台、电磁继电器、电磁阀、增压泵等构建了机器人喷药系统。最后，设计了控制算法，实现了果园喷药机器人的竞赛功能。

关键词：机器人竞赛;果园喷药;自主寻迹;平面定位系统;单片机控制

1    果园喷药机器人竞赛相关简介

果园喷药机器人竞赛是中国机器人大赛的子项目，比赛场地如图1所示。比赛时，机器人从起始区出发，经A，B，C，D四区，对不同类型的靶标完成自主对靶喷药，并在完成所有作业任务后返回起始区。

A区为对靶喷药，靶标竖直方向上均匀分布3个同心圆，有白色循迹线和作业点提示线。B区为固定树形喷药，树形为三角形、竖椭圆形和平椭圆形，有白色循迹线，无作业点提示线。C区为不同树龄的树形喷药，树形和B区一致，大小分别为B区树形的90%和80%，有作业点提示线，无循迹线。D区有3个模拟树形，大小为B区树形的70%，无循迹线，靶标位置随机。

根据竞赛要求，为实现精准喷药，机器人需自主移动到作业点，并对靶标指定区域喷药。因此，机器人應包括基本运动模块、循迹模块、平面定位系统、喷药执行机构等部分，需从机械结构、控制系统和软件设计3方面进行研究。

2    机械结构设计

机器人车体为铝合金板材，4个橡胶车轮对称分布在两侧;底层前端安装4路循迹传感器，引导机器人运动，左右各装一个光电开关，检测靶标位置[1];上层考虑防水要求，将单片机、直流电机驱动器、稳压模块、电子罗盘等电子元件装在前侧，增压泵、水箱、电磁阀等涉水元件装在后侧，喷药执行机构固定在中央。整体结构如图2所示。

喷药执行机构主要由滚珠丝杠副、平面四杆机构及喷板喷头组成。滚珠丝杠副固定在车体中央，平面四杆机构安装在丝杠螺母上，喷板喷头通过L形连接件与平面四杆机构相连[2]。通过控制步进电机及舵机的转动可使平面四杆机构上下移动、左右伸缩，满足不同喷药要求，在调节喷头与喷靶距离的同时，保证喷头始终与喷靶垂直。

针对精准喷药的要求，将不同树形靶标图纸重叠，再重合部分合理设置喷头数量及位置，以适应普遍喷药要求。在保证有效喷药的前提下，减少喷头数量，缩小丝杠移动范围。以B区靶标为例，其喷头作业效果如图3所示。图4为喷药机器人实物。

3    控制系统设计

果园喷药竞赛机器人以STM32F103ZET6单片机为主控制核心，控制系统架构如图5所示。

机器人工作时，主控制器通过向直流电机驱动器发送可调脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）波，驱动电机转动，控制电机转速;通过控制各直流电机驱动器转向逻辑电平，调节电机转向，实现机器人进退、转向等基本运动。比赛过程中，有循迹线时，通过4路循迹传感器输出逻辑电平的变化，引导机器人循线运动。无循迹线时，由电子罗盘MPU9250和直流电机上搭载的霍尔编码器实时传输机器人的姿态、速度和位移信息，引导机器人到达指定位置。根据光电开关电平变化，判断机器人是否到达喷药作业点[3]。

到达靶标位置后，主控制器根据预定的作业位置，驱动喷药平台移动，并进行药液喷射。主控制器通过步进电器驱动器控制步进电机转动，带动丝杠螺母升降，以调整喷药机构高度;通过控制舵机转动，实现喷头伸缩，以贴近喷药位置;到达目标位置后，主控制器通过直流电机驱动器V调节增压泵压力和流量，并通过电磁继电器控制相应电磁阀阀口的开闭，实现多喷头独立控制，完成对靶标指定区域的精准喷药。

在整个过程中，语音模块实时播报作业任务完成情况。

4    软件系统设计

4.1  机器人基本运动程序设计

机器人采用4轮独立驱动、差速控制，通过控制各直流电机的运转状态，实现车体的基本运动。在运动过程中，为减少车体重心偏移及摩擦力不同引起的速度误差，保证机器人沿直线快速稳定运动，采用比例—积分—微分（Proportion-Integral-Differential，PID）控制算法调节车轮转速。其基本原理为：由主控制器设定各车轮的给定转速，并对霍尔编码器返回脉冲进行定时采样，利用采样接收结果计算各车轮的实际转速，并以此作为反馈信号进行偏差调节。

PID控制算法的数学模型如下：

OUT=KP×EK+KI+SK+KD×KD×DK+OUT0

其中，KP，KI，KD分别为比例常数、积分常数、微分常数，EK表示第K次编码器测量的实际速度与给定速度偏差，SK表示前K次速度偏差代数和，DK表示最近两次速度偏差之差。

EK，SK，DK的数学模型如下：

公式中，SV，PV分别为通过控制程序设定的给定转速和编码器测得的实际转速。

在果园喷药竞赛机器人的实际应用中，设定KP值为60，KI值为0.5，KD值为0，可实现机器人车轮速度的PID控制，使机器人沿直线稳定运动。

4.2  机器人循迹控制程序设计

果园喷药竞赛机器人车体前端装有4路循迹传感器SEN-1595，从左至右依次为L2，L1，R1，R2。

循迹传感器初始电平信号为1，检测到循迹线时为0。若车体向右偏转，L1路检测到循迹线，电平置0，主控制器分别调节两侧PWM波占空比，使左侧两轮速度小于右侧两轮速度，车体向左校正。若到达左转位置，L2路检测到循迹线，电平置0，主控制器控制车体左侧两电机同速反转，右侧两电机同速正转，车体左转;反之亦然。

4.3  机器人平面定位系统程序设计

平面定位系统由电子罗盘和直流电机霍尔编码器组成。主控制器通过中断计算编码器返回脉冲数，得到车轮转过的路程，并结合电子s罗盘返回的航向角信息，实现平面定位[4]。其流程如图6所示。

以起始区为坐标原点，横向为X轴，纵向为Y轴。设机器人当前位置坐标为（X0，Y0），目标点坐标为（X1，Y1）。通过比较Y1，Y0，控制车体进退，车轮转动同时编码器外部中断计数，达到预设值Z1时，到达（X0，Y1）点。再根据横向距离，即X1-X0，判断车体转向，同时，编码器外部中断计数，达到预设值Z2时，车体制动，到达目标点（X1，Y1），完成导航。其中，预设值Z根据编码器的线数n、电机的减速比i、相对坐标的差值△、车轮直径d确定，公式如下：

4.4  机器人喷药程序设计

在运动过程中，光电开关检测到喷靶，电平置1，到达喷药作业点，车体制动。在主控制器控制下，步进电机工作，滚珠丝杠副带动平面四杆机构移动到预定位置;舵机正转，喷头伸出。同时，主控制器控制电磁继电器打开相应电磁阀阀口，电机驱动器V驱动增压泵工作，开始喷药。主控制器通过控制输入直流电机驱动器V的PWM波占空比调节流经喷头药液的流量和压强，实现变量、精准喷药。喷药完成后，增压泵停止工作，电磁阀阀口关闭，舵机反转，收回喷头。最后，步进电机反转，滚珠丝杠副回到初始位置，喷药结束。

5    结语

根据竞赛要求，基于平面四杆机构的工作原理，以STM32F103ZET6單片机作为控制核心，设计了果园喷药竞赛机器人的机械结构、控制系统和软件系统。机器人在直流电机的驱动下完成前进、后退及转弯等基本运动。在运动的过程中，利用循迹传感器和电子罗盘实现循迹、导航定位功能。在到达喷药作业点后，通过步进电机和舵机控制喷药执行机构到达预定喷药位置;控制电磁继电器和直流电机驱动器V实现变量、精准喷药。经过实地调试，参加竞赛，得到了良好的效果。

[参考文献]

[1]孙雪，姚名晖，宋朋.果园喷药机器人的创新设计[J].安徽农业科学，2013（30）：12204-12206.

[2]李锟，王洪臣，郑晓培，等.微型喷药机构型设计与仿真分析[J].农机化研究，2017（8）：72-76.

[3]刘涛，吕勇，刘立双.智能车路径识别与控制性能提高方法研究及实现[J].电子技术应用，2016（1）：54-57.

[4]曹慧芳，吕洪波，孙启国.基于MEMS陀螺仪的随机误差分析[J].计算机测量与控制，2016（1）：178-181.