全地形智能采摘机器人电路设计*

张 嵩 ，吴 波 ，潘相龙，3 ，杨立爽，4

（1.吉林广播电视台卫视频道，吉林 长春 130119；2.长春工程学院机电工程学院，吉林 长春 130012；3.重庆渝江压铸有限公司机加二部，重庆 400000；4.上海剑平动平衡机制造有限公司技术中心，上海 200000）

1 绪论

2010—2015 年，我国生果总产值由2.14 亿t 增至2.74 亿t。据我国农业科学院预测，到2024 年，我国人均生果消费量将达到93.9 kg，生产规模将达到3.24 万亿元。林果工业已成为我国林果产区经济发展和农民增收致富的新亮点和支柱工业，规模化生产需求越来越迫切。此外，林果采摘是整个林果生产环节中最重要的部分，所用劳动力约占整个生产过程所用劳动力的35%～45%，且具有季节性强、周期性短、劳动强度大、劳动力成本高、采摘效率低下的特点，大大限制了我国林果工业的进一步开展。

基于现状，国内外众多农业机器人巨头，如普瑞瓦、CropTeq、Inaho、AppHarvest、Sweeper、Crux Agribotics、丰疆智能、博田自动化、极飞科技等纷纷投入全地形智能农林采摘机器人的研发，由此，农业采摘机器人技术也取得巨大发展。然而从客观来看，农业采摘机器人技术尚不成熟，技术仍面临控制电路设计不合理、智能识别困难、互换性差、成本高昂等方面的问题，其中，实现农业采摘机器人行走、避障及采摘控制电路结构简洁性、低成本及工作稳定性是尤为棘手的难题。而为实现农业采摘机器人的智能控制，并实现农业采摘机器人的推广普及，势必要解决其控制电路简洁性欠佳、稳定性差、成本高昂的问题。鉴于此，本文设计了一种农业履带采摘机器人行走、避障及采摘控制电路，旨在解决上述问题。本文主要介绍了基于本团队全地形智能农业采摘机器人结构设计的配套电路设计[1]。

2 全地形智能采摘机器人电路设计

如图1 所示，全地形智能采摘机器人包括底盘、左行走履带、右行走履带、平衡台、货箱、摄像头、机械臂底座、旋转盘、旋转臂、摆臂及手爪。左行走履带由左行走电机驱动，右行走履带由右行走电机驱动，摄像头的运动由摄像头俯仰舵机和摄像头旋转电机共同驱动，旋转盘相对于机械臂底座的旋转由底座旋转电机驱动，旋转臂相对于旋转盘的旋转由旋转臂驱动电机驱动，摆臂相对于旋转臂的旋转由摆臂驱动电机驱动，手爪相对于摆臂的旋转由手爪旋转电机驱动，手爪的开合由手爪驱动舵机驱动。

图1 电路控制流程图

全地形智能采摘机器人行走、避障及采摘控制电路包括核心控制器模块，核心控制器模块为Raspberry Pi 4B开发板，核心控制器模块包括底盘行走控制模块和采摘机械臂控制模块[2-3]。同时，底盘行走控制模块的输入端连接有超声波测距模块，用以检测机器人四周的障碍物；连接有红外测距模块，用以检测机器人前进方向履带下方的垂直落差[4-5]。底盘行走控制模块的输出端连接有用于驱动左行走电机的左行走电机驱动电路、用于驱动右行走电机的右行走电机驱动电路。采摘机械臂控制模块的输入端连接有摄像头模块用以实现图像识别、连接有压力感知模块用以检测手爪抓握力度。采摘机械臂控制模块的输出端连接有用于驱动摄像头旋转电机的摄像头旋转电机驱动电路、用于驱动摄像头俯仰舵机的摄像头俯仰舵机驱动电路、用于驱动底座旋转电机的底座旋转电机驱动电路、用于驱动旋转臂驱动电机的旋转臂驱动电机驱动电路、用于驱动摆臂驱动电机的摆臂驱动电机驱动电路、用于驱动手爪旋转电机的手爪旋转电机驱动电路、用于驱动手爪驱动舵机的手爪驱动舵机驱动电路。各执行元件与对应驱动电路的输出端连接。左行走电机和右行走电机均为三相直流电机，左行走电机驱动电路和右行走电机驱动电路的电路结构相同，且左行走电机驱动电路和右行走电机驱动电路均包括电机a 相驱动电路、电机b 相驱动电路和电机c 相驱动电路。摄像头俯仰舵机驱动电路和手爪驱动舵机驱动电路的电路结构相同[6-8]。

如图2 所示，摄像头旋转电机驱动电路、底座旋转电机驱动电路、旋转臂驱动电机驱动电路、摆臂驱动电机驱动电路、手爪旋转电机驱动电路的电路结构相同且均包括MSP430G2553 微控制器模块。MSP430G2553 微控制器模块包括MSP430G2553微控制器、晶振电路、供电稳压电路和下载复位电路，MSP430G2553 微控制器的DVSS 引脚接地。摄像头旋转电机驱动电路、底座旋转电机驱动电路、旋转臂驱动电机驱动电路、摆臂驱动电机驱动电路、手爪旋转电机驱动电路的P1.0 引脚分别与核心控制器Raspberry Pi 4B 的GP14 引脚、GP15 引脚、GP18 引脚、GP23 引脚和GP25 引脚连接[9-10]。晶振电路由晶振X1、非极性电容C6 和非极性电容C7 组成，晶振X1 的一端和非极性电容C6的一端均与MSP430G2553 微控制器的第18 引脚连接，晶振X1 的另一端和非极性电容C7 的一端则均与MSP430G2553 微控制器的第19 引脚连接。非极性电容C6 的另一端和非极性电容C7 的另一端均接地。供电稳压电路包括AMS1117-3.3 稳压模块、电源BATACC、非极性滤波电容C1、非极性滤波电容C2、非极性滤波电容C3 和非极性滤波电容C4。MSP430G2553 微控制器的DVCC 引脚与AMS1117-3.3 稳压模块的第4 引脚连接，并通过并联的非极性滤波电容C1 和非极性滤波电容C2 接地。AMS1117-3.3 稳压模块的第1 引脚接地，AMS1117-3.3 稳压模块的第3 引脚与电池BATACC 电源5 V 电压的输出端连接，且通过并联的非极性滤波电容C4 和非极性滤波电容C3 接地。下载复位电路包括复位按键K、电阻R1 和非极性电容C8。复位按键K 的一端、电阻R1的一端和非极性电容C8 的一端均与MSP430G2553微控制器的RST 引脚连接。电阻R1 的另一端与3.3 V 电源的输出端连接。复位按键K 的另一端和非极性电容C8的另一端均接地。

图2 MSP430G2553微控制器电路结构示意图

如图3 所示，底盘行走控制模块中的红外测距模块分为前红外测距模块和后红外测距模块，前红外测距模块和后红外测距模块的电路结构相同且均包括红外测距模块AM312。红外测距模块AM312 的电源端引脚VCC 与5 V 电源的输出端连接，红外测距模块AM312 的接地端引脚GND 接地，红外测距模块AM312 的信号输出引脚VO 与核心控制器Raspberry Pi 4B的GP17引脚或GP27引脚连接。

图3 Raspberry Pi 4B开发板GPIO 引脚接口图

3 总结

1）本设计的电机驱动电路均采用MSP430G2553微控制器和AT 8 2 3 6 驱动芯片进行驱动，采用AMS1117-3.3 稳压模块对微控制器输入端稳压，超声波测距模块采用了HC-SRO4，红外测距模块采用了AM312，压力感知模块采用了KEYES，采用MG995舵机和Raspberry Pi Camera V2 摄像头，在实现采摘机器人功能性的同时，简化了电路结构，使得技术实现方便且成本相对低廉。

2）本设计的避障控制电路包括用于对农业全地形智能采摘机器人四周的障碍物进行检测的超声波测距模块、用于对农业全地形智能采摘机器人前进方向路面落差进行检测的前红外测距模块和后红外测距模块，并借此实现对农业全地形智能采摘机器人四周的障碍物及路面严重坑洼均进行检测，机器人避障功能强大。

3）此电机驱动电路的设计多采用现有技术进行改造融合，设计稳重合理，使电路得到高稳定性和高可靠性，能够实现对摄像头旋转电机、底座旋转电机、旋转臂驱动电机、摆臂驱动电机、手爪旋转电机稳定可靠的驱动。

4）本设计核心控制模块采用Raspberry Pi 4B 开发板，技术稳定，维修便捷，且具备强大的功能扩展能力。

5）本设计应用于能够实现各种功能（如抢险救灾、科考探测、智能家政、寻航喷淋）的履带机器人上，为机器人的行进驱动及避障识别提供了硬件电路设计参考方案，具有强实用性，便于推广与应用。

综上所述，课题组所设计的电路结构简洁，电路具备高稳定性、高可靠性和强实用性，技术实现方便，成本低廉、功能完备且功能扩展性强，便于推广及应用，可搭配收获机械、喷淋设备等，也可投入抢险救灾、科考探测、物流运输等其他领域。