基于Arduino的小型綠籬造型機器人設計

宋黎明，管翼森，孟文寶

（1.洛陽理工學院機器人學院，河南洛陽 471023；2.固高科技（深圳）有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快和人民對美好生活需求的提升，公園、廣場、道路兩旁、社區周圍的綠籬等，是不可或缺的人文風景線。綠籬苗木的修剪及造型作為城市綠化作業中的一項經常性工作，涉及面廣，不僅作業內容、對象及條件差異大，而且季節性和地域性特點鮮明[1]。目前，在城市園林、道路兩側隔離綠帶養護中，工作人員普遍使用修枝剪刀和手持式綠籬機進行修剪[2]。這種作業方式具有消耗大量體力、工作效率低下和發生事故率高等缺點[3]。由于養護工人短缺的原因，綠化工人上崗前的培訓常常無法得到有效落實，技術水平存在著很大的差異，所以修剪后綠籬尺寸的整齊性和美觀性往往得不到保證[4]。同時，用機器人代替人力工作是未來的趨勢。這就迫切需要研制出一種專門用于綠籬造型的機器人來提高設備的自動化、智能化水平，減少人工造型所帶來的各種缺點。

本文采用智能車與修剪機械手相結合的設計思路，以單片機為控制核心，采用人體紅外、超聲波模塊實現移動避障與測距，并且通過Raspberry Pi（樹莓派）控制視覺模塊識別綠籬外觀，并與預設造型匹配，并建立信息通訊，最終由Arduino單片機讀取各個模塊數據進行實時判斷，并進行電機控制，使得機器人自動對小型綠籬進行平面軌跡和正弦軌跡形狀的修剪造型。該機器人具有高度的自動化，能夠較好地克服人工的缺點，大大減少了人力物力的浪費，實現了設計要求。

1 總體方案設計

本設計以小型綠籬為工作對象，應具備的功能有：（1）識別工作環境中的人和物，保證機器人能夠安全、準確地進行移動；（2）根據綠籬高度調節機器人高度，裁剪出符合要求的造型。由于圓柱形機械手具有結構緊湊、活動空間適中，控制簡單等優點，因此，本設計將具有四自由度的圓柱形機械手置于具有避障功能的智能車上，共同組成了小型綠籬造型機器人[5]。其組成示意圖如圖1所示，圖中機械手由動力系統、修剪機構和視覺系統組成。該機器人系統以Arduino單片機為主控芯片，由直流電機、舵機和各類傳感器和多種調壓電路組成。其包括基于ATMEGA系列為核心的主控系統和樹莓派為核心的視覺控制系統，控制智能車運動，控制機械臂運動。系統總體框圖如圖2所示。

圖1 機器人組成示意圖

圖2 系統設計總體結構圖

2 硬件設計

2.1 機器人本體機械設計

智能車主體采用了12 V供電的25-GA370直流減速電機作為動力源，設計并選擇了專用的鋁制底板，前、后輪均采用直流電機控制，保證車體的穩定性。機械手由直流電機伸縮桿調節修剪高度，舵機（DG-995 15 kg）用來控制末端執行器旋轉的自由度，共同完成末端在空間上的位置變換。末端執行器選擇齒形刀具，通過直流減速電機帶動齒條移動完成切割工作。機器人三維模型如圖3所示。

圖3 機器人三維模型圖

2.2 主控制板

主控制板是機器人的核心，承擔著接收和發送各個模塊指令的任務，主控板選用ArduinoUNO R3開發板。因為Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，其生態中包括多種開發板、模塊、擴展板[6]。其中，UNO R3是最適合入門且功能齊全、使用量最多的Arduino開發板。Arduino Uno是一款基于ATmega328P的微控制器板。它有14個數字輸入/輸出引腳(其中6個可用作PWM輸出)，6個模擬輸入，16 MHz晶振時鐘，USB連接，電源插孔，ICSP接頭和復位按鈕。只需要通過USB數據線連接電腦就能供電、程序下載和數據通訊。

2.3 電源模塊

電源模塊由電池和可調降壓穩壓模塊組成，其中電池采用4塊14.8 V/2 200 mA的航模電池分別為主控板、舵機、直流電機供電和視覺系統供電。可調降壓穩壓模塊選用LM2596S芯片，可以將輸入電壓為3.3～40 V的輸出為1.25～35 V。在系統中需要的輸入電壓為5 V和12 V，通過調節該模塊電阻的阻值來得到需要的電壓[7]。

2.4 避障模塊

機器人在戶外工作時，需要隨時獲取人和周圍障礙物的情況，從而實現對人和障礙物的避障功能。本機器人中選擇8個HC-SR04超聲波測距模塊和4個CT-418型人體熱釋傳感器，均布在智能車前、后、左、右4個方向，用來避障和測距。

HC-SR04超聲波測距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度達到3 mm。由VCC（電源正）、trig（控制端）、echo（接收端）和GND（電源負）4個引腳組成。超聲波測距利用I/O觸發實現，即主控板發出至少10 μs的高電平信號，模塊自動發送8個40 kHz的方波，并不斷檢測是否有超聲波信號返回，如果檢測到信號返回，I/O端口輸出高電平，且保持的時間就是超聲波從發射到接收的時間。最終根據公式s=vt/2計算出距離。

CT-418型人體熱釋傳感器是一種檢測人或動物身體發射的紅外線而輸出電信號的傳感器，用于檢測人體或動物的活動情況。當該傳感器監測到周圍溫度有變化時，受熱釋電效應影響會在傳感器內部的兩個電極上產生電荷，即在兩電極之間產生微弱的電壓，經放大電路放大后輸出信號。

2.5 電機驅動模塊

機器人中選擇常用的H橋電機驅動模塊L298N來實現直流減速電機的控制。主控板通過I/O對L298的輸入端寫入不同的高或低電平組合，就能夠實現對電機轉向的控制，從而實現智能車運動。L298N的邏輯表如表1所示。通過主控板基于PWM脈寬調頻控制方式的PID控制L298芯片輸入端PWM波的占空比可以調整電機轉速，以達到穩定控制電機的方向及運動速度，實現機器人在復雜環境下的穩定運動[8]。

表1 L298N的邏輯表

2.6 舵機驅動模塊

舵機的轉動角度是通過調節PWM（脈沖寬度調制）信號的占空比來實現的。因此，舵機驅動模塊選擇以PCA9685為芯片的PWM舵機驅動模塊。電壓范圍為3.3 V和5 V，通過地址控制腳來控制設備的IIC地址。

2.7 視覺系統

視覺系統主要由Raspberry Pi（樹莓派）控制板和攝像頭組成。Raspberry Pi是由樹莓派基金會研發的，基于Linux系統的單板機電腦，具有優秀的擴展性和易開發性，適用于各個年齡段的人學習使用，并且支持多種語言進行應用開發，包括C語言和Python腳本等，現有大量的開源軟件，也便于實行開發擴展。本項目中選擇Raspberry Pi 3B+，采用Broadcom BCM2837B0，CPU主頻1.4 GHz，內存為1 GB。

攝像頭型號為HBV-1714，采用OV9750（1/3）CMOS傳感器，視場角為30°，焦距為3.85 mm，分辨率為1 280×480、50幀/s，通過攝像頭實時拍攝綠籬外觀，結果反饋至樹莓派控制板中進行模板匹配，指導機器人進行外觀造型。

3 軟件設計

根據設計要求，機器人在上電后能夠獨立完成一段小型綠籬修剪，因此，在上電后，機器人需要能夠滿足自由移動，并修剪綠籬的動作。將機器人放置在指定位置，各模塊初始化，由視覺系統中攝像頭拍攝待修剪綠籬外觀[9]，通過匹配找到合適的修剪方式，并規劃機械手運動路徑[10]，由樹莓派將信號發送至Arduino的I/O端口，經過主控板處理后，驅動機械手舵機和末端執行器運動，并且主控板對各個傳感器識別信號進行算法邏輯處理后進行控制電機，實現機器人運動。軟件設計流程圖如圖4所示。

圖4 系統軟件流程圖

4 系統測試

按照設計圖將機器人機械和電控硬件分別安裝在相應區域，在實驗室中以冬青樹（長×寬×高為50 cm×50 cm×100 cm）為模擬實驗對象，測試其工作效果，實驗結果如表2所示。

表2 實驗結果匯總表

本款機器人完成了設計中要求的視覺檢測外觀，匹配綠籬造型，完成機械手水平、垂直和簡諧運動軌跡規劃，并能夠根據環境條件完成機器人移動作業。通過測試可得該機器人從原理上可以完成小型綠籬外觀造型的任務，但是存在一定的誤差，該誤差可以通過人工適當修復完成，誤差產生原因在于機械結構振動、環境中光線變化影響攝像頭拍攝等。

5 結束語

經過測試結果可知，本文在小型綠籬造型設計機器人正常移動的前提下，實現了水平、垂直和簡諧運動軌跡，總體上控制效果較好，能夠完成預期的功能，并且具有自動化較高、操作簡單等特點，具有良好的應用前景。