山楂采摘平台行走控制系统设计.docx

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山楂采摘平台行走控制系统设计

山茶采摘平台行走控制系统设计

摘要：

近年来，山茶采摘作业的效率提高问题已成为茶农提高作物生产经济效率需突破的瓶颈问题之一，在各地，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也必然将提高。

因此推广发展机械化采摘平台技术和研究具有重要的意义。

根据题目要求，为实现平台能按使用者的意愿前进后退、改变行走方向、作固定路径行走等功能。

本设计采用了以AT89S52单片机为主的控制系统。

红外遥控部分采用遥控车模专用编、解码芯片TX-2/RX-2，提高控制的可靠性；同时采用步进电机对底盘小车的转向进行精确的控制。

采用AT24C08串行EEPROM记录底盘小车的行驶轨迹，并能按照所记录的轨迹自动行驶。

而升降机构的设计中利用了液压系统体积小，传动平稳，性能可靠且承载能力大等优势特点设计了一种安全、稳定、可靠性高的平台。

关键词：

采摘平台；单片机；红外遥控；轨迹规划；液压系统

TheDesignofDrivingControlSystemofCamelliaPickingPlatform

Abstract:

Inrecentyears,theproblemofimprovingtheefficiencyofcamelliapickingworkhasbecomeanbottleneckoftheeconomicefficientpromotionthatneedtobreakthroughincropproduction.Asthepopulationagesandagriculturallaborreducing,theagriculturalproductioncostswillalsoinevitableimproved.Sothedevelopmentofmechanizationpickingplatformtechnologyandresearchhasthevitalsignificance.Accordingtothetopic,mydesignneedstoadoptAT89S52toformacontrolsystemofprincipalandsubordinate.ThePickingplatformcangototheadjacentplaceofthetreewiththesoftware.ThedesignadoptsserialEEPROMofAT24C08towritedowntheorbitofthecar,andcanrepeattherouteautomaticallywhichhasbeenrecorded.Thedesignofliftingmechanismtaketheadvantagesofthehydraulicsystemthatsmallsize,stable,reliableperformanceandcarryingcapacitycharacteristics,whichmakeasafety,stabilityandreliabilityplatform.

Keywords:

pickingplatform;singlechipmicrocomputer;infraredremotecontrol;motionplanning;hydraulicsystem

摘要……………………………………………………………………………………1

关键词…………………………………………………………………………………1

1前言…………………………………………………………………………………2

1.1研究意义…………………………………………………………………………2

1.2国内外研究现状…………………………………………………………………2

1.2.1国外研究现状…………………………………………………………………2

1.2.2国内研究现状…………………………………………………………………3

1.3课题研究内容……………………………………………………………………3

2系统总体设计方案…………………………………………………………………4

2.1系统功能分析……………………………………………………………………4

2.2控制芯片的选择…………………………………………………………………4

2.3系统原理框图……………………………………………………………………5

2.4系统的两种工作模式……………………………………………………………6

2.5本章小结…………………………………………………………………………6

3系统硬件电路设计…………………………………………………………………7

3.1红外遥控模块的设计……………………………………………………………7

3.1.1遥控模块的功能需求…………………………………………………………7

3.1.2编解码芯片的选型……………………………………………………………7

3.1.3遥控模块原理图………………………………………………………………8

3.2声音提示功能的设计……………………………………………………………9

3.3前轮转向模块的设计……………………………………………………………10

3.3.1转向控制设计…………………………………………………………………10

3.3.2前轮转向中点校准功能的设计………………………………………………10

3.3.3步进电机驱动芯片……………………………………………………………11

3.3.4步进电机的选择………………………………………………………………11

3.4后轮驱动模块的设计……………………………………………………………13

3.4.1直流电机驱动芯片L298N……………………………………………………13

3.5行驶路线的记录与重放模块的设计……………………………………………15

3.5.1AT24C08串行EEPROM介绍…………………………………………………15

3.5.2存储记录的格式………………………………………………………………15

3.6液压采摘平台升降系统模块的设计……………………………………………15

3.6.1选择液压系统设计升降平台的原因…………………………………………15

3.6.2采摘平台升降系统结构原理图………………………………………………16

3.6.3采摘平台升降系统位置参数设计……………………………………………17

3.7本章小结…………………………………………………………………………18

4系统软件的设计……………………………………………………………………18

4.1系统软件主要特色………………………………………………………………18

4.1.1软件分层结构…………………………………………………………………19

4.1.2多任务结构……………………………………………………………………19

4.2消息驱动结构……………………………………………………………………22

4.3前轮转向任务的软件设计………………………………………………………24

4.4后轮驱动任务的软件设计………………………………………………………24

4.5手动模式下记录行驶路线功能的软件设计……………………………………25

4.6重放行驶路线功能的软件设计…………………………………………………25

4.7采摘平台升降系统软件设计……………………………………………………26

4.8本章小结…………………………………………………………………………26

5系统的抗干扰设计…………………………………………………………………26

5.1单片机系统的主要干扰源………………………………………………………27

5.2干扰的耦合方式…………………………………………………………………27

5.3单片机的硬件抗干扰设计………………………………………………………27

5.4单片机的软件抗干扰设计………………………………………………………27

6结论…………………………………………………………………………………28

参考文献………………………………………………………………………………29

致谢……………………………………………………………………………………30

附录……………………………………………………………………………………30

1前言

1.1研究意义

农业是国民经济的基础,这是不以人们意志为转移的客观经济规律。

农业生产力发展的水平和农业劳动生产率的高低,决定了农业为其他部门提供剩余产品和劳动力的数量,进而制约着这些部门的发展规模和速度。

近年来，采摘作业的效率提高问题已成为农业经济发展需突破的瓶颈问题之一，目前在国内，果实采摘的成本普遍比较高，效率也低，人工采摘成为制约各地生产效率提高的一个瓶颈。

在各地的采摘作业基本上还是手工完成,随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也将提高。

因此推广发展机械化收获采摘技术和研究具有重要的意义。

现今国内外有某些公司已经解决了机器采茶的问题，但是由于该机器结构复杂，核心机构和工作部件需要进口，价格昂贵。

而且该机的易损部件也是核心零部件还不能国产化，导致使用成本大大提高，所以国内的机械化采茶的效率还很低，中小型茶农也很难购买该类机器，即使有能力购买采摘机，高昂的使用维护成本会使茶农的种植收益大打折扣[1]。

针对这种状况，本文主要以山茶采摘平台作为研究对象，目标是提高采摘工作效率，降低茶农成本，提高利润。

山茶采摘平台行走控制系统设计的目的是用先进的机械化来替代繁重且低效益的农业生产方式，使农民采摘作业的更高效、更科学化、更省力。

利用山楂采摘平台行走控制系统实现对果实成熟时采摘的机械化，智能化。

极大地提高了采摘的工作效率，降低了人工作业的工作强度[2]。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

收获作业的自动化和机器采摘平台的研究始于20世纪60代的美国（1968年），采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式。

从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟。

以日本为代表的西方发达国家，包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等国家，在收获采摘机器的研究上做了大量的工作，试验成功做出了多种具有人工智能的收获采摘机器[3]。

如番茄采摘机器平台、葡萄采摘机器、黄瓜收获机器、西瓜收获机器、甘蓝采摘机器和蘑菇采摘机器等。

1950年，迪尔公司推出了行业内第一台自走式摘棉机[4]。

它的诞生引起了当时整个果实采摘行业的轰动。

该机的采摘方式，实现了果实的快速机械化收获，采摘效率远远高于当时其它同类型的摘摘机，一天的采摘效率相当于80名摘花工人的工作量。

1.2.2国内研究现状

农业的机械化在我国的发展中起着十分重要的作用，尤其在大力推进科学发展观并实行新农村建设的今天。

因此用先进的机械化来替代繁重且低效益的农业生产方式就成为了当今新农村建设的重要内容，从而实现我国农业的现代化。

茄子采摘机器人是果蔬采摘机器人的一种，它能提高果蔬采摘的效率，成为降低成本和提高生产率的重要设备。

中国农户种植规模小,家家户户购买农业机械不经济,也没有必要,发展农机社会化服务显得尤为重要。

以1996年开始的全国性跨区机收小麦为标志,中国的农机作业向市场化、社会化服务发展。

1996年以来,中国有关部门大力配合,利用从南到北小麦收获的时间差,组织开展了联合收割机跨区机收小麦作业,使联合收割机使用时间从平均每年7～10天增加到一个多月,提高了联合收割机的利用率,即满足了农民的机械化收割要求,也提高了购机者效益,促进了小麦机械化水平的提高和联合收割机保有量的增加。

1.3课题研究内容

根据题目要求，本设计需要完成的以下几项功能：

红外遥控功能，启停、自动或手动；

前或后直线行进；

任意曲线行进；

记录/播放行驶路线功能；

采摘平台升降功能

（1）手动控制功能。

在手动控制模式下，可以控制底盘小车的前进、后退、左转、右转、停止。

同时，在转弯或后退时相应的转向灯和倒车灯会闪烁发光，底盘小车接收到一个按键命令后除了执行相应的动作外蜂鸣器还会响一声，以告知操作者已收到了命令。

在手动控制模式下，还设置了一个记录行驶路线的开关。

操作者按下这个开关后，先选择这一次记录的路线的名称，此后对小车的控制命令将被存入EEPROM中，直至操作者下一次再按这个开关结束这次路线的记录。

记录的路线可在重放路线模式下重放。

（2）记录路线与重放路线功能。

在手动模式下打开记录路线开关，开始记录路线；在重放路线模式下选择重放的路线，开始重放指定的路线。

在重放过程中操作者按下“停止”键将结束本条路线的重放，等待选择下一条需要重放的路线或选择另外一种模式。

（3）平台升降功能。

底盘小车所承载的平台必须有升降功能，保证使用者能采摘到不同高度的山茶，增加采摘效率。

同时由于人处于平台高空之上，就必然要求保证平台升降运动时的平稳性，并且平台所处的高度位置不会因其他因素干扰导致上下位置偏移变化。

（4）其他功能。

除此之外，底盘小车上还有左、右转向灯，倒车灯，模式指示灯，蜂鸣器报警提示电路[5]，采摘行走平台系统的状态一目了然，十分方便使用者操作。

2系统总体设计方案

2.1系统功能分析

按照设计要求，山茶树采摘行走平台控制系统[6]可以分为以下几个基本功能模块：

底盘小车中的遥控模块、显示模块、前轮转向模块、后轮驱动模块、记录与重放路线模块，采摘平台的液压升降系统。

有些模块的功能是由硬件或机械完成，有些模块的功能由软、硬件配合完成，有些模块则是由软件、硬件、机械三部分共同完成。

将系统拆分成以上的这些基本功能模块后，再根据各个模块所要完成的功能分别去设计，也就是按照“逐步求精”的思想去设计本系统，这将使设计工作细化，也有助于制定进度安排。

2.2控制芯片的选择

AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

在电子行业中有着广泛的应用。

AT89S52单片机的基本结构如图1所示，其主要性能如下：

与MCS-51单片机产品兼容

8K字节在系统可编程Flash存储器

1000次擦写周期

全静态操作：

0Hz～33Hz

三级加密程序存储器

32个可编程I/O口线

三个16位定时器/计数器

八个中断源

全双工UART串行通道

低功耗空闲和掉电模式

掉电后中断可唤醒

看门狗定时器

双数据指针

掉电标识符

FiglThebasicstructureofsinglechipmicrocomputer

2.3系统原理框图

系统原理框图如图2所示：

Fig2Systemprincipleblockdiagram

2.4系统的两种工作模式

采摘行走平台控制系统具有2种工作模式[6]，分别是手动控制模式和重放路线模式，对应2个模式处理函数：

shoudong（）、zouluxian（）。

2种模式之间可以通过“模式切换”键互相切换。

2.4.1手动模式的设计

在手动控制模式下，操作者可以通过遥控器上的按键控制底盘小车的前进、后退、左转、右转、停止和采摘平台的升起、降落等动作。

并且可以打开“记录路线”开关，让系统自动把行驶的路线记录到AT24C08存储器中。

2.4.2路线重放模式的设计

该模式下主要完成路线的重放功能。

路线重放功能就是要将先前记录下来的路线按顺序取出来，并按照命令的类型和里程差值，让底盘小车在适当的时候执行某一个动作。

在重放路线模式下，底盘小车可以从AT24C08中读出先前记录的路线信息，并且自动按照所记录的路线行驶。

在重放过程中操作者按下“停止”键将结束本次的路线重放，等待选择下一条需要重放的路线或切换到其他模式。

2.5本章小结

本章将系统拆分成了若干个功能模块，并且采用AT89S52单片机来分担各部分功能。

在软件方面通过对结构的特殊设计，基本上实现了多任务并发运行，并且通过软件的分层结构将功能实现和具体的硬件分离开，再加上消息驱动的结构，这将给后续的各模块软件的设计带来方便。

在硬件方面使用液压系统控制采摘平台的升降运动，利用单片机控制了液压系统中电磁阀换向，实现液压缸伸缩运动。

并且使用液压系统设计升降平台时，可以通过合理的中位机能使采摘平台升降时的冲击达到最小，保证运动中的稳定性。

3系统硬件电路设计

3.1红外遥控模块的设计

3.1.1遥控模块的功能需求

遥控模块采用红外遥控方式，因为采用红外遥控抗干扰能力强，且不会对周围的无线电设备产生干扰电波，接口简单；但是红外方式遥控的距离比较有限，一般在几米之内。

鉴于本设计中使用人一般位于采摘平台上操作系统平台的运动，不需要远距离遥控，所以综合考虑之下采用红外遥控较为合适。

本设计中要求能用遥控器控制底盘小车的前进、后退、左转、右转、停止、记录路线、播放路线、控制液压采摘平台升降等很多种功能；遥控距离在几米之内即可。

3.1.2编解码芯片的选型

由于在遥控端的按键数目有多个，而红外通道传输的只能是由0、1组成的串行代码，所以需要在发射端对按键进行“并-串”编码，在接收端相应的要进行“串-并”解码[7]。

码的波特率在收、发两端应该是一致的。

方案一，使用MC145026、MC145027编解码芯片，其特殊的编码方式保证了信息的可靠传输，但是外围器件参数的选定较为烦琐，并且不能利用到其所提供的地址功能，也就是说传输的信息当中地址码部分是多余的，这就降低了信道的利用率。

方案二，采用台湾瑞昱公司生产的专用于遥控车模的CMOS大规模集成电路TX-2/RX-2，该编解码芯片具有5种控制功能，使用方便，所以本设计中采用了该方案。

TX-2/RX-2配套遥控集成电路具有以下特点：

（1）采用CMOS工艺制造，静态功耗小，外围元件小，电源电压适应范围宽（Vcc=2.5V~5.0V）。

工作稳定可靠。

（2）具有5路独立遥控开关控制功能。

由于遥控发射集成电路可输出带载波的编码信号及不带载波的编码信号两种输出信号，所以它与相应的射频电路配合，不仅可以实现5种独立的无线电遥控，而且可方便地实现5种独立的红外遥控。

（3）TX-2具有自动关机功能，既便于遥控发射器的设计，又可节能。

（4）利用多片TX-2与RX-2并接，可以方便地实现多路（5倍的倍数）遥控。

图3芯片端口引脚示意图

Fig3Chipportpinschemes

3.1.3遥控模块原理图

遥控模块发送部分原理如图4所示。

TX-2的11脚和12脚之间接的电阻决定振荡频率；3脚接地；10脚接3-5V电源；14脚、1脚、4脚、5脚、6脚分别为5路发射控制端；9脚为发射指示端，当有按键按下时LED1发光提示；7脚为带载波的编码信号输出端，即编码信号已经内调制到38KHz的载波上，该脚的信号通过一个NPN型三极管放大后可直接驱动红外发射二极管发射信号；8脚为不带载波的编码信号输出端[8]。

遥控接收电路如图5所示。

RX-2的4脚和5脚之间接的电阻阻值要和TX-2的11脚、12脚间的电阻阻值接近，相差在20%之内方可正确的解码，本设计中这两个电阻都选用150KΩ；2脚接地；13脚接3-5V电源；3脚接输入信号，由一体化红外接收头1838输出的信号需要加一个反向器才是正确的编码信号；6脚、7脚、10脚、11脚、12脚为5路遥控命令的输出端，分别和TX-2的5路输入端的状态相对应。

另外，为了方便操作，将TX-2的5路功能扩展成10功能，即在遥控发射端可以接10个按键。

这是通过对原先的5路输入进行组合得到的。

3.2声音提示功能的设计

和状态指示灯的设计目的一样，给小车加入声音提示功能也是为了更直观地显示各种状态。

在操作者通过遥控器给小车发出命令后，蜂鸣器将响一声，及时的提示操作者已经收到命令。

这是挺有必要的，因为红外遥控方式并不是很可靠，有时操作者发出的遥控命令小车可能是收不到的，因此操作者几乎处于“盲操作”状态。

加入了声音提示功能后，小车有没有接收到遥控命令很容易就能知道了。

本设计中所采用的压电电磁式蜂鸣器KXG1212使用很简便，只需给其正负端加上5V左右的电压就能够发出声音，在其内部已经含有一个振荡电路。

工作电流大约10mA,因此可以用P0口的某一位直接驱动。

声音提示功能被设计成一个单独的任务，原因是为了能让蜂鸣器响若干声，而同时单片机又能做其他的事情。

其他模块通过beep（n）函数设置静态变量n_beep，告诉声音提示模块需要响n声，大约50毫秒响一声后自动会将n_beep减去1，一直减到0后不再发声。

3.3前轮转向模块的设计

3.3.1转向控制设计

对转向控制常用有两种方案：

方案一：

普通电机转向控制。

采用普通电机控制电动机的转向，虽然此种电机的控制很简单，但是其不能实现精确的转向。

方案二：

步进电机转向控制。

用步进电机来控制电动车的转向，此方法的优点是转向算法易实现，且能实现具体的角度的转向，可靠性较高。

因此在本设计中选用了该方案。

步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个固定的角度（称为“步距角”），非常适合单片机控制。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲个数，故可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

同时步进电机只有周期性的无积累误差，精度高。

前轮的机械结构如图6所示。

通过步进电机来控制丝杆转动，通过中间竖直杆的移动带动横向杆的左右移动，从而控制前轮转到一定的角度，并且采用了一个遮挡型的红外对管来检测转向的中点，以便在开机时能自动找到转向的

Fig6Theschemeofkeepoutcalibration

中点。

而且在一定程度上可以校准由步进电机的失步带来的角度误差。

该机械结构能保证底盘小车前轮转向的角度以实现绕固定半径行走的运动[9]。

3.3.2前轮转向中点校准功能的设计

图7红外对管检测电路

Fig7Infraredtotubedetectioncircuit

如图7所示，在红外发射管和接收管之间无遮挡时，电压比较器输出低电平；当之间有遮挡时，电压比较器输出高电平。

当前轮转到中点时，细杆正好能遮挡住红外对管，此时电压比较器输出一个高电平；当前轮偏离中点时，输出低电平。

3.3.3步进电机驱动芯片

本设计中前轮的转向电机有专门的驱动芯片KA2821D。

驱动芯片引脚如图8所示，脉冲的输入、输出信号具体时序如图9所示。

当控制信号的周期为40Hz左右时，步进电机工作在最佳状态[10]。

3.3.4步进电机的选择