基于51單片機智能循跡采摘收集小車

張成杰 趙 楠 馬 賽 王佳怡 蘇 浩 張 旭

河北農業大學機電工程學院，河北保定 071000

1 整體方案

1.1 整體原理

在小車的底部和側部分別都裝有紅外傳感器。車底的紅外傳感器保證小車沿既路線跡行駛，小車側邊的紅外傳感器用來檢測紅色果實位置和存放分揀以后的果實。當小車開始運行時，小車進行循跡，當小車一側邊的紅外傳感器檢測到信號后，將采集到的信號發送給單片機，當單片機接收到傳感器的信號后對舵機發送指令，由舵機組成的機械臂進行果實夾取、放置。當機械臂夾取動作結束時，小車繼續循跡。當小車兩側邊的紅外傳感器同時探測到信號后，機械臂再次工作，機械臂實現將采摘的果實從車體上放到指定的儲物箱的位置。當放置動作結束時，繼續循跡。當小車走到賽道末端時，小車停止運行。

1.2 方案論證

1.2.1 硬件論證

1.2.1.1 電源模塊

因為由若干舵機組成的機械臂功率很大，只由單片機的電源給機械臂供電會引發單片機的電壓不穩定，影響單片機芯片的運行速度，以及機械臂的正常運行。并且，采用同一塊電池供電會導致電源功率過大，降低電源的使用壽命。因此使用兩個電源同時供電。一個電源為5V的電池給單片機供電，另一個電源使用12V電池給機械臂供電。兩個電源同時供電使單片機和機械臂能夠同時正常工作。

1.2.1.2 機械臂模塊

此機械臂使用4個舵機、若干舵機支架和夾子構成。四個舵機的配合使用實現機械臂的動作要求。1號舵機充當云臺實現轉向；2、3號舵機實現X、Y方向的轉向；4號舵機控制夾子，實現夾取。

1.2.1.3 紅外傳感器模塊

小車一共有4個紅外傳感器，有兩個紅外傳感器在小車底邊前端，另外兩個分別位于車體兩側。其中，小車底邊前端的2個傳感器，用來檢測路面上白線，讓小車能夠精確的沿著白線自主進行行駛；小車側邊的紅外傳感器用來檢測果實以及停車儲物箱的位置，使機械臂能夠精確地采摘果實。紅外傳感器使用5V的電池盒供電，在正常狀態下，小車底部傳感器輸出口輸出高電平信號；當傳感器探測到白線時，會輸出低電平信號，直到檢測不到白線。同理，小車側部的紅外傳感器，正常狀態下，傳感器輸出口輸出高電平；當傳感器檢測到紅色（由于紅色和藍色對光的反射率不同）時，會輸出一個低電平。從而可以檢測不同顏色的果實。

1.2.1.4 分揀模塊

本模塊為一個機械裝置，通過改變果實通道上預留縫隙的大小從而分揀出大小果實。分揀順序從小到大，當較小果實滑落時，通過第一條縫隙落下到達小果實暫存位置，當較大果實落下時，通過第一條縫隙無法落下，從而向一條縫隙滾落，依次類推，直到果實落下，從而實現分揀大小。

1.2.2 軟件方案

1.2.2.1 循跡方案

小車的前輪分別連接兩個電機為主動輪，后輪為從動輪。單片機通過接收車頭底部的紅外傳感器返回的信號使用LN98驅動可直接控制兩個前輪電機的運轉，從而實現小車的前進、轉彎及停止等功能，具體情況：

（1）兩電機同時同向轉動，小車直線行駛；

（2）左邊電機停止轉動，右邊電機向前轉動，小車向左轉彎；

（3）右邊電機停止轉動，左邊電機向前轉動，小車向右轉彎；

（4）兩邊電機同時停止轉動，小車停止。

1.2.2.2 機械臂部分

此機械臂有四個自由度，每個自由度都由一個單獨的舵機進行控制，四個舵機由若干舵機支架連接。其采摘的具體工作流程如下：

首先，舵機1，順時針旋轉90°，讓機械臂展開。然后舵機2和舵機3轉動一定角度，將夾子送到果實附近。然后4號舵機連接一個夾子，進行夾取果實。最后，四個舵機執行逆向過程，將夾取的果實放到車上的分揀裝置入口中。此過程為一個夾取的循環過程。每次檢測的果實執行一遍動作。

1.2.2.3 放置部分

當小車檢測到儲物箱位置時，分揀裝置的臨時儲物位置的遮擋板打開，讓果實自動滾入儲物箱中。此過程為小車的最后一個過程，故小車執行這個過程時，小車的一整套過程結束。

2 方案測試

2.1 循跡方案測試

方案：不接連機械臂模塊，只對小車的循跡進行測試。測試賽道為在黑色的底板，上面畫有白色的循跡線，循跡線路分為直線、左轉彎、右轉彎、左轉直角彎、右轉直角彎和S型路線。將小車放在白色的循跡線上。接通電源，觀察小車運行結果。

結果：小車在接通電源后，程序正常運行，能夠沿著白線循跡行駛，并且可以完成預設的各種轉彎以及直線道路。

2.2 停車方案測試

方案：在接入機械臂前對小車進行停車測試。在賽道的末端左右分別放置一個白色的盒子。啟動系統，觀察小車的運行。

結果：小車走到末端時，小車停車。

2.3 機械臂模塊測試

方案：首先，接通機械臂模塊，用大小不同顏色均為紅色的小球充當成熟果實遮擋小車任意一側邊的傳感器，單片機采集到傳感器回傳的信號時給機械臂發送動作指令，當動作開始時，觀察機械臂能否按照規定角度將檢測到的紅色小球夾取到車上的分揀裝置中。其次，用兩個紙盒同時遮擋側部傳感器，待動作開始時，觀察分揀部分的裝置能否很好的將分揀裝置中的小球放入儲物箱中。

結果：機械臂可以很好的將小球按照要求夾取起來并且放到車上的分揀裝置中。并且當兩個紙盒同時遮擋小車側部傳感器時能夠很好的將分揀裝置中的小球從車上放到指定位置的儲物箱中。

2.4 整體測試

方案：采用之前的循跡測試時候的線路，在賽道的開始部分在同一側放兩個紅球兩個綠球，在賽道的末端結束部分兩側分別放置一個紙盒，接通電源啟動小車，觀察小車是否可以實現循跡并夾取紅色果實，以及分揀、放置果實等過程。

結果：小車能夠沿白色線循跡，可以很好地通過直線部分、左轉直角彎、右轉直角彎、S彎等道路，并且能夠在紅色小球位置夾取，在紙盒子部分進行放置分揀好的小球。