基于单片机的植树小车

刘铭祥 宋毅飞 徐雯雯 田新颖 王志松

摘要：本设计以红外线传感器，颜色传感器，STC98C51最小系统，舵机控制板，机械臂部模块为基本构造，以直流电机驱动的履带式车地盘为基础载体。红外传感器位于车体四周，用以检测路线，感知周围障碍物，判断终点位置;颜色传感器识别目标;单片机综合、分析各传感器传回的信息，控制小车沿指定路线前进并躲避障碍物、识别并抓取树苗、最终将树苗运送到终点，完成种植。本设计的开发制作立足于探讨现实中以机器代替劳动力进行植树等偏重体力的农业作业的可行性，为机械化作业提供开发经验。

关键词：循迹;机械;单片机;红外传感器

1 系统设计方案

工作原理：小车底部以及左右侧各有一对红外传感器。底部传感器控制小车沿指定路线前进，左右传感器感知车体两旁物体，左右两侧传感器感受到物体后，由颜色传感器判断该物体是树苗还是障碍物，单片机接收到颜色传感器传回的树苗（绿色）指令之后，控制小车保持静止，并对舵机发出指令，舵机带动机械臂将树苗抓起，机械臂收回后将树苗放在车体漏斗中。小车继续循迹，到达终点后，机械臂将树苗放入树坑，完成一次种植。

2 系统分述

2.1 电源系统

由于小車车体再加上机械臂总质量较大，故小车需要用到大功率电机带动小车前进，如果用单片机驱动可能导致单片机功率不稳，影响单片机处理效率，所以对电机和单片机分别供电，单片机由5V电池盒供电，电机采用12V学生电源供电。两个电源分别供电保证了小车前进动力充沛以及单片机始终保持以最佳状态处理信息。

2.2 机械臂模块

机械臂由五个舵机，若干支架、舵机座组成。五个舵机负责机械臂运动的五个自由度，使机械臂可以完成弯曲、抓取等规定动作。舵机座将整个机械臂固定在车体上，给机械臂一个牢固的支撑点。支架等作为机械臂的主干部分，延长机械臂长度，增加机械臂的工作范围。

2.3 传感器模块

本装置装有六个红外传感器，一个颜色传感器，其中两个红外传感器位于小车地盘底部，用于检测路线，使得小车沿着指定路线（白线）前进，车体左右两侧各有两个红外传感器，用来检测障碍物物，（当障碍物经过第一个传感器时，小车继续前进，当经过第二个传感器时，小车后退一小段距离，使得两个传感器都检测不到物体，即物体位于两个红外传感器之间，完成定位。）

3  软件部分

小车共四轮，前两轮为驱动轮，后轮为两个万向轮。单片机通过驱动控制两个前轮电机，实现小车的前进后退以及转向。

具体为：

两轮同时正向旋转，小车前进两轮同时停止，小车停止左轮反向旋转，右轮正向旋转，小车左转左轮正向旋转，右轮反向旋转，小车右转车底的两个红外传感器，在行驶过程中分部在路线两侧，单片机通过分析传感器返回的信号，控制小车直行，转弯。

具体如下：

当两个传感器为高电平时，小车直行左侧传感器为低电平，右侧为高电平时，小车往左转反之小车右转两传感器为低电平时，小车停止。

4 机械臂部分

机械臂含有五个自由度，分别由五个舵机承担。其工作流程如下：当检测到树苗之后，一号舵机转动就是度，机械臂整体面对树苗，二号舵机转动六十度，机械臂下部抬起，三号舵机转动一百二十度，机械臂前端伸向树苗，四号舵机转动一百二十度，机械臂碰触树苗，五号舵机转动三十度，打开机械抓，抓取树苗。完成抓取之后，舵机整体以相反的顺序转动，机械臂收回，树苗装载入车斗。

5 程序测试

5.1 循迹测试以及调整

将程序烧录进单片机之后，对小车进行测试，赛道以黑色为底，路线以白色宽线标出。白色线分为直线，直角，S弯道。

将小车放置与赛道中，测试小车是否可以沿路线行驶。

5.2 机械臂测试

将机械臂接入电源以及单片机，用手挡住传感器，使单片机对舵机发出相应的指令，观察各个多级是否可以按照规定顺序和幅度完成相应动作。如果有不合适的动作幅度，记下舵机最佳的运动角度，修改对应的程序，再进行测试，如此往复，直到调整出最佳的运动流程。

5.3 综合测试

将各个部件安装到位，在赛道中摆放好树苗模型，将小车置入赛道，打开总开关，小车沿路线前进，在树苗处判断完成后，抓取树苗，放入漏斗，运送至终点。

6 拓展

本植树小车主要由上文中提到的车体，机械臂，传感器等模块组成。模块化的好处在于可以根据任务的不同基于同一个底盘进行拓展，只需调整传感器位置，加装其他模块，就可以实现制作适应不同工作环境以及完成不同任务的设备并投入使用。

同时对于单一任务也可以通过加装不同模块来优化作业结果，例如：在完成植树任务的基础上，加装灌溉模块，即可以在植树的同时完成灌溉任务，提高作业效率。

模块化设备相对于现有集成度较高的设备以及机器人，有着更加灵活多变的优势，降低了开发成本。这也是将来设备、机器人的发展趋势之一。

7 结语

随着社会的发展，科技水平的不断进步，我国的基础行业-农业势必也会脱离以往主依靠人力的处境，向科技农业，大规模农业发展。大批量的设备、机器人一定会慢慢投入应用，减轻农民劳动负担，提升农业作业效率。同时该51单片机植树小车的制作可以作为一个检验用机器人植树可行性的实验模型，而植树机器人只是其中的一个小分支，研究制作植树机器人可以对其他方面的农业作业的机器人制作研发积累经验，用以验证机器人分担人类农业劳动的可行性和预见的一些会遇到的问题，对问题加以解决，为未来更加先进的农业生产，减轻人类劳动强度的设备研发做铺垫。

参考文献：

[1]索雪松.单片机原理及应用（第二版）.电子工业出版社.

[2]范红刚51单片机自学笔记第二版.北京航空航天大学出版社.

[3]赵文钰，郭桥雨.基于 51 单片机自主循迹灌溉小车.信息记录材料，2018.

[4]张铁.工业机器人及智能制造发展现状分析[J].机电工程技术，2014，（4）：1-3.