基于51单片机的智能耕耘机

2019-11-28

福建质量管理 2019年21期

(佛山科学技术学院广东佛山 528000)

引言

我国虽然是一个具有悠久农业历史的国家，但迈入新世纪后，智慧农业发展逐渐陷入困境。大部分农村地区，农业种植业科技化程度较低，主要依靠传统手工劳动种植业为主，农业劳动生产效率较低，成本大，收益低，农业还不足以成为一个养家糊口的产业，大量农村劳动力不愿从事农业种养殖业，以至农村不断出现空心化局面。在经济高速发展、信息化逐渐普及的新形势下,各个国家都先后经历了农业革命，农业机械智慧化成为一个国家农业现代化的标志，而我国农业机械智慧化发展速度明显滞后。

为了提升国家的农业生产智能化程度，我国出台一系列政策引导农业朝智能化方向发展。大部分农村地区至少是80%以上农业种植业科技化程度较低，主要依靠传统手工劳动种植业为主，农业劳动生产效率较低，成本大，收益低，农业还不足以成为一个养家糊口的产业，大量农村劳动力不愿从事农业种养殖业，以至农村不断出现空心化局面。[1]

一、边界算法思想

二、蓝牙模块

蓝牙是一种可以支持多个设备在短距离范围内通信的无线电技术，能够十分有效地简化移动通信终端设备之间的通信。蓝牙模块是一种可以实现蓝牙信号收发的集成蓝牙功能的PCBA板。蓝牙模块可以实现短距离无线传输数据，并通过IO口实现小车控制。据此本文采用hc-05蓝牙模块作为耕作小车通讯。hc-05蓝牙模块具有简单易于操作特点。

三、超声波识别

超声波传感器是一种将超声波信号转换成电信号的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波，具有绕射现象小、方向性好等优点。超声波模块发射超声波，形成射线定向传播，碰到物体会产生显著反射形成反射回波，碰到移动物体会产生多普勒效应，从而区分动静物体确定障碍物位置及大小。

四、动静态障碍物识别(多普勒效应)

物体辐射的波长会因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。[2]其公式为：

f':为观察到的频率

f:为发射源于该介质中的原始发射频率

v:为波在该介质中的行进速度

v0:为观察者移动速度.

vs:为发射源移动速度

五、智能车路径规划的算法步骤

(一)电机驱动调速。由于四个电机的驱动特性等差异性，导致电机转速不同，因而无法按直线行走。因此本文通过利用pwm(脉冲宽度调制)微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制技术，把每一个宽度相等的脉冲列为脉冲宽度波形，通过改变脉冲列的周期来调节频率，改变脉冲的宽度或占空比，使得电压与频率协调变化，两个电机因而同步转动，直线行走。

(二)边界面积测量。测量耕作区域，按国际单位记录面积的长(m)、宽(m)。

(三)蓝牙模块数据输入。将测量得的耕地的长宽数据通过hc-05蓝牙模块输入至耕作机。

(四)数据处理。速度是描述质点运动快慢和方向的物理量，等于位移对时间的微分。同时也等于加速度对时间的积分。在匀速直线运动中，速度的大小等于单位时间内经过的路程。动点A作一般空间运动时，位移Δr和所用时间Δt的比，称为Δt时间内的平均速度，记为v平

平均速度的方向即位移的方向(图1)。当时间间隔Δt趋于零时，平均速度的极限称为动点在t时的瞬时速度，简称速度，记为v：

空间运动速度：

我们通过以上公式计算得出小车一段时间通过的路程之比，多次测量从而计算出小车的行驶速度。

(五)形成路径。输入边界长宽后，小车内部算法按照之前测定的速度进行计算出行驶时间，通过延时函数的调整，得出一条路径。

(六)超声波避障。超声波模块采用触动IO来测量距离,信号输入端将一个10ms以上的高电平信号输入，超声波发送口收到信号会自动发送若干个方波。同时，定时器将会启动，待传感器接收到返回的超声波，计时器停止计时，并输出回响信号。根据时间间隔可以计算距离,公式:距离=(高电平时间*声速)/2；S=(t*v)/2。本文将超声波避障模块装于模拟小车前方，底部加装步进机，形成障碍物探测系统。1.静止障碍物：当超声波模块检测到小车前方有障碍物时，中断小车运行函数，小车电机立刻停止，步进电机左右转动，计算出前方障碍物的大小，按照规定轨迹绕过障碍物。2.移动障碍物：当超声波模块检测到小车前方有障碍物时，中断小车运行函数，舵机转动并确定是否为移动障碍物，若超声波模块检测的障碍物数值改变，则为移动障碍物，舵机继续转动，直到超声波模块检测前方没有障碍物，小车随即继续前进。

(七)刹车与停启。小车的超声波模块检测前方30cm有障碍物时，通过控制输出电机电压，达到控制小车速度，使得模拟小车，缓缓减速并停止。