基于51單片機的智能耕耘機

(佛山科學技術學院 廣東 佛山 528000)

引言

我國雖然是一個具有悠久農業歷史的國家，但邁入新世紀后，智慧農業發展逐漸陷入困境。大部分農村地區，農業種植業科技化程度較低，主要依靠傳統手工勞動種植業為主，農業勞動生產效率較低，成本大，收益低，農業還不足以成為一個養家糊口的產業，大量農村勞動力不愿從事農業種養殖業，以至農村不斷出現空心化局面。在經濟高速發展、信息化逐漸普及的新形勢下,各個國家都先后經歷了農業革命，農業機械智慧化成為一個國家農業現代化的標志，而我國農業機械智慧化發展速度明顯滯后。

為了提升國家的農業生產智能化程度，我國出臺一系列政策引導農業朝智能化方向發展。大部分農村地區至少是80%以上農業種植業科技化程度較低，主要依靠傳統手工勞動種植業為主，農業勞動生產效率較低，成本大，收益低，農業還不足以成為一個養家糊口的產業，大量農村勞動力不愿從事農業種養殖業，以至農村不斷出現空心化局面。[1]

一、邊界算法思想

二、藍牙模塊

藍牙是一種可以支持多個設備在短距離范圍內通信的無線電技術，能夠十分有效地簡化移動通信終端設備之間的通信。藍牙模塊是一種可以實現藍牙信號收發的集成藍牙功能的PCBA板。藍牙模塊可以實現短距離無線傳輸數據，并通過IO口實現小車控制。據此本文采用hc-05藍牙模塊作為耕作小車通訊。hc-05藍牙模塊具有簡單易于操作特點。

三、超聲波識別

超聲波傳感器是一種將超聲波信號轉換成電信號的傳感器。超聲波是振動頻率高于20kHz的機械波，具有繞射現象小、方向性好等優點。超聲波模塊發射超聲波，形成射線定向傳播，碰到物體會產生顯著反射形成反射回波，碰到移動物體會產生多普勒效應，從而區分動靜物體確定障礙物位置及大小。

四、動靜態障礙物識別(多普勒效應)

物體輻射的波長會因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高；在運動的波源后面時，會產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低；波源的速度越高，所產生的效應越大。根據波紅(藍)移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。[2]其公式為：

f':為觀察到的頻率

f:為發射源于該介質中的原始發射頻率

v:為波在該介質中的行進速度

v0:為觀察者移動速度.

vs:為發射源移動速度

五、智能車路徑規劃的算法步驟

(一)電機驅動調速。由于四個電機的驅動特性等差異性，導致電機轉速不同，因而無法按直線行走。因此本文通過利用pwm(脈沖寬度調制)微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制技術，把每一個寬度相等的脈沖列為脈沖寬度波形，通過改變脈沖列的周期來調節頻率，改變脈沖的寬度或占空比，使得電壓與頻率協調變化，兩個電機因而同步轉動，直線行走。

(二)邊界面積測量。測量耕作區域，按國際單位記錄面積的長(m)、寬(m)。

(三)藍牙模塊數據輸入。將測量得的耕地的長寬數據通過hc-05藍牙模塊輸入至耕作機。

(四)數據處理。速度是描述質點運動快慢和方向的物理量，等于位移對時間的微分。同時也等于加速度對時間的積分。在勻速直線運動中，速度的大小等于單位時間內經過的路程。動點A作一般空間運動時，位移Δr和所用時間Δt的比，稱為Δt時間內的平均速度，記為v平

平均速度的方向即位移的方向(圖1)。當時間間隔Δt趨于零時，平均速度的極限稱為動點在t時的瞬時速度，簡稱速度，記為v：

空間運動速度：

我們通過以上公式計算得出小車一段時間通過的路程之比，多次測量從而計算出小車的行駛速度。

(五)形成路徑。輸入邊界長寬后，小車內部算法按照之前測定的速度進行計算出行駛時間，通過延時函數的調整，得出一條路徑。

(六)超聲波避障。超聲波模塊采用觸動IO來測量距離,信號輸入端將一個10ms以上的高電平信號輸入，超聲波發送口收到信號會自動發送若干個方波。同時，定時器將會啟動，待傳感器接收到返回的超聲波，計時器停止計時，并輸出回響信號。根據時間間隔可以計算距離,公式:距離=(高電平時間*聲速)/2；S=(t*v)/2。本文將超聲波避障模塊裝于模擬小車前方，底部加裝步進機，形成障礙物探測系統。1.靜止障礙物：當超聲波模塊檢測到小車前方有障礙物時，中斷小車運行函數，小車電機立刻停止，步進電機左右轉動，計算出前方障礙物的大小，按照規定軌跡繞過障礙物。2.移動障礙物：當超聲波模塊檢測到小車前方有障礙物時，中斷小車運行函數，舵機轉動并確定是否為移動障礙物，若超聲波模塊檢測的障礙物數值改變，則為移動障礙物，舵機繼續轉動，直到超聲波模塊檢測前方沒有障礙物，小車隨即繼續前進。

(七)剎車與停啟。小車的超聲波模塊檢測前方30cm有障礙物時，通過控制輸出電機電壓，達到控制小車速度，使得模擬小車，緩緩減速并停止。

結語

學者們在智慧農業領域也做過了許多研究，本文是對研制一種智能化自動耕地機的控制系統，在無人值守的情況下，實現目標田地自動化耕作方案中進行研究了基于51單片機的智能耕耘機。針對耕作區域采用可視圖空間法(C空間法)，實現路徑規劃，障礙物識別，智能耕作。