基于STM32單片機控制的全自動家用澆花機器人研究

關鍵詞：STM32；麥克納姆輪；安全可靠；通過性強

中圖分類號：TP242.3 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2025）13-0052-04

D0l：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.13.013

0 引言

植物在家居環境中可以起到美化環境、凈化空氣、調節濕度的作用，在提升居住舒適度等方面有重要意義。但隨著社會的進步與發展，人們的生活節奏不斷加快，對智能家居產品的需求不斷增長。在此趨勢下，家用澆花機器人應運而生。因此，設計研發一款通過性強、安全可靠的家用澆花機器人有其必要性和現實意義。

傳統的固定式澆花裝置只適用于植物相對集中的區域，不能滿足多種植物的澆水需求。呂鵬飛等[]設計的室內移動式澆花機器人可以沿預定路線，對植物進行澆水作業，降低了人力成本。吳立波等[2設計的自動澆花機器人可精準定位花盆位置并按照需求澆水，實現植物的無人化管理。但現有研究都無法滿足多種植物以及復雜室內布局下的澆花需求。

本文針對現有家用澆花裝置存在的缺陷進行了改進，設計出基于STM32單片機的全自動家用澆花機器人，其采用麥克納姆輪底盤，以STM32F103C8T6單片機作為主控板，并集成了紅外傳感器以及K210視覺識別模塊，使得機器人可以在復雜的家居環境下以較高的靈活度和精準度進行作業。該機器人提高了澆水作業效率，減少了人力資源的浪費，可以在復雜家居環境下穩定運行。

1 系統總體設計

該機器人設計主要包括機械結構部分和控制系統部分，機械結構部分由麥克納姆輪底盤以及噴灑裝置構成，控制系統部分設計包括硬件模塊以及控制原理。機器人結構框圖如圖1所示，整體結構如圖2所示。

2 機械結構部分

2.1 麥克納姆輪底盤結構設計

為了保證全自動家用澆花機器人能夠在室內錯綜復雜的空間移動，采用了麥克納姆輪底盤結構，如圖3所示。采用麥克納姆輪底盤的全自動澆花機器人可以實現全方位、全角度的運動。麥克納姆輪底盤主要由麥克納姆輪、底板、直流無刷電機、電機支架以及電池包構成，麥克納姆輪上的斜向輥子使底盤可以實現全方位、全角度的運動。

麥克納姆輪底盤的運動可以看作是多種運動形式的疊加，機器人的全方位移動是通過控制四個麥克納姆輪的轉速和旋轉來實現的3]。平臺的移動具體包括以下幾種方式：

1）直行：當四個麥克納姆輪以相同的旋向和轉速運行時，同側的兩個麥克納姆輪所產生的橫向力相互抵消，使整體合力方向為縱向，實現底盤的前后移動。

2）橫移：當對角的兩個麥克納姆輪的旋向及轉速相同時，同側的兩個麥克納姆輪以相反的旋向與相同的轉速運行，從而使得縱向力相互抵消，只留下橫向合力，底盤整體實現左右移動。

③）斜行：當對角的兩對麥克納姆輪以相同的旋向及不同轉速運行時，底盤產生斜向的合力，可以實現斜向移動。例如，當左前輪和右后輪的轉速大于右前輪和左后輪的轉速時，底盤整體向斜前方移動；反之，底盤整體將向斜后方移動。

4旋轉：以底盤中心點作為旋轉運動的圓心，同側兩個麥克納姆輪以相同的轉速與旋向運動，另一側兩個麥克納姆輪則以相同速度以及與另一側兩個麥克納姆輪相反的旋向運動，使得斜對角兩對麥克納姆輪產生順時針或逆時針的力矩，使得底盤整體實現旋轉運動。

2.2 噴灑裝置結構設計

噴灑裝置由噴頭、水泵、水箱以及升降臺等構成，如圖4所示。當視覺系統識別到植物時，機器人在麥克納姆輪底盤的作用下使噴頭移動到植物上方，并根據植物高度，利用絲桿電機調節升降臺，使得噴頭處于植物葉片上方，并進行噴水作業，同時根據不同植物種類調節噴水量。

升降臺的設計方式有兩種：第一種是將舵機安裝在擺臂上，通過控制擺臂的夾角來實現升降功能；第二種是利用電機帶動絲桿，通過控制絲桿滑塊調節兩擺臂與限位板連接點處距離以實現升降功能。第一種方案舵機需要長時間受力，從而會縮短舵機壽命。因此，采用第二種方案實現裝置的升降功能。

3 控制系統部分

3.1 控制系統工作流程

該機器人采用STM32F103C8T6單片機作為主控板，當該機器人啟動電源進入作業區域后，紅外傳感器采集地面標志信息，電機驅動麥克納姆輪底盤運動，使機器人按照預定路線行進前往作業地點。K210視覺識別模塊利用YOLO目標檢測算法識別植物位置，通過邊界框回歸計算目標中心坐標，確定植物位置與高度。單片機接收視覺信息并通過L298N型電機驅動芯片調節電機PWM輸出，電機帶動絲桿旋轉，使噴頭高度降低直至目標高度，驅動5V水泵并通過設定工作時間的方式控制澆水量。作業完成后，通過重力傳感器利用電壓-質量線性關系檢測水箱剩余水量，并檢測電池剩余電量。若剩余水量、電量較多則繼續作業；若剩余水量或電量不足以支撐下一次澆水作業，則檢測剩余電量是否支持返航，若電量支持則機器人返航，若電量不足則蜂鳴器工作并通過藍牙模塊上傳云端，通知工作人員操作。該機器人避障模塊采用KS106超聲波傳感器，通過計算超聲波的傳播時間計算機器人與障礙物的距離，提高了機器人的避障能力，使機器人可以在復雜的環境中自主作業。另外，采用HC-06藍牙模塊實現無線通信與數據傳輸的功能4，提高機器人遠程操作能力。控制系統工作流程圖如圖5所示。

3.2 控制系統工作原理

3.2.1 傳感器數據

避障模塊采用KS106超聲波傳感器，測距原理為

基于超聲波傳播時間進行計算。測距公式如下：

scriptstyled=ct/2

式中： d 為測量距離；c為超聲波傳播速度（約 343m/s） ：t為超聲波發射與接收時間差[5]。

超聲波傳感器可有效探測機器人前方障礙物，確保路徑規劃的安全性。

此外，機器人通過重力傳感器進行水量檢測，依據輸出電壓變化計算當前水箱水量，其電壓-質量關系可近似為線性關系： V=kM+b 。其中， V 為傳感器輸出電壓，M為水箱內水量， k，b 為傳感器的標定系數。該傳感器可以對水量進行監測，保證了機器人作業的穩定性。

3.2.2 視覺處理

機器人采用K210視覺處理模塊對圖像進行處理，利用YOLO神經網絡進行目標檢測，實現對植物的精確識別。YOLO的損失函數如下：

式中： L 為總損失值，用于衡量預測結果與真實值的偏差； λ_coord 為坐標誤差的權重系數，用于平衡位置誤差與其他誤差項的重要性； s 為網格數； B 為邊界框個數；1為指示函數，表明該網格單元是否包含目標； x，y 為目標中心坐標； c 為置信度。

該視覺模塊能快速檢測不同種類的植物，并依據其位置進行精準澆水，提高機器人工作的自動化程度。

3.2.3 運動控制

機器人采用了抗干擾能力較強的串級控制策略（PD-PI控制），保證了作業過程中機器人的穩定性。速度環（PI控制）：

式中： U_speed 為速度控制輸出量； V_ref 為目標速度； V_act 為當前速度； K_p?K_i 為PI參數。

該控制方法保證了機器人在運行過程中保持速度穩定，減少了軌跡偏差。

方向環（PD控制）：

式中： U_angle 為方向控制輸出量； θ_ref 為期望角度； θ_act 為當

前角度；" 為PD參數。

該策略使機器人能夠快速調整方向，提高避障和路徑跟蹤的能力。

4結束語

基于麥克納姆輪設計的全自動家用澆花機器人，解決了現有澆花裝置通過性差、效率較低等問題，其采用麥克納姆輪底盤設計，可以在復雜的室內環境中靈活移動。該全自動家用澆花機器人通過STM32F103C8T6單片機對麥克納姆輪以及噴灑裝置的控制，滿足了家居環境下對自動化澆花裝置的需求，為家用澆花機器人領域提供了全新的解決方案。該機器人可以在未來的智能家居生活中發揮重要作用。

[參考文獻]

[1]呂鵬飛，高學山，羅定吉，等.室內移動式澆花機器人[J]。兵工自動化，2021，40（12）：42-46.

[2]吳立波，張南，宋文豪，等.自動澆花機器人的研制[J].邯鄲職業技術學院學報，2021，34（4）：46-50.

[3]馮長業.基于麥克納姆輪技術的自動化引導車（AGV）設計[J].河南科技，2024，51（15）：31-36.

[4]鄭來芳，徐佳偉，趙立杰，等.基于藍牙監控的智能循跡運輸小車設計[J].山西電子技術，2024（6）：38-40.

[5]朱高中.基于DSP超聲波測距系統的設計與研究［J].電子產品世界，2012，19（3）：42-45.

收稿日期：2025-03-24

作者簡介：田家煬 （2004-） ，男，河北辛集人，研究方向：結構設計。通信作者：郭特特 （2003-） ，男，遼寧昌圖人，研究方向：仿真分析。