【正文】 模式下以單片機(jī)的P0口的低四位為控制端口的正序和反序的控制碼。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。四相步進(jìn)電機(jī)按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。本運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)速度的精度無(wú)特殊要求，控制直流電機(jī)方法相對(duì)簡(jiǎn)單。避障系統(tǒng)的程序思路是：發(fā)現(xiàn)障礙物后，番茄采摘機(jī)器人停止動(dòng)作，等待排除障礙再運(yùn)動(dòng)。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送入累加器 A 與安全距離進(jìn)行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過(guò)程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。由于系統(tǒng)采用的是 12M 晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是一微秒，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)按公式d=(c*t)/2=172*T0/10000計(jì)算。是否有采摘任務(wù)開始初始化信息顯示調(diào)用采摘程序N小車前進(jìn)小車停止前進(jìn)Y 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)總程序流程圖開始比較避障并處理計(jì)算距離發(fā)射超聲波脈沖接受超聲波脈沖 超聲波測(cè)距模塊流程圖主程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行初始化之后，超聲波測(cè)距程序設(shè)置定時(shí)器 T0 為 16位定時(shí)器，開中斷允許位 EA，清零顯示端口 P0 和 P2。首先小車進(jìn)行上電初始化程序，屏幕顯示小車初始狀態(tài)，后小車開始前進(jìn)，前進(jìn)過(guò)程中單片機(jī)通過(guò)超聲波模塊不斷檢測(cè)距前方障礙物。8腳：電源正極，～5V。6腳：該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率F0，阻值越大，中心頻率越低。但C1 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，典型參數(shù)R1= ，C1=1μF。2腳：該腳與地之間連接RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。其總放大增益80db。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz與本設(shè)計(jì)中超聲波頻率 40KHz較為接近，所以利用它來(lái)制作超聲波檢測(cè)接收電路。Q10 的作用是提高單片機(jī) I/O 口的輸出電壓，目的也是提高超聲波發(fā)射的功率。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動(dòng)能力。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高的另一個(gè)電極。為此設(shè)計(jì)中采用了 CD4069 六非門反相器來(lái)增強(qiáng)超聲波的發(fā)射功率，由于非門實(shí)質(zhì)上是放大倍數(shù)很大的反相放大器，如果給非門加上合適的負(fù)反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進(jìn)入線性放大區(qū)。（1）超聲波發(fā)射電路超聲波換能器兩端的震蕩脈沖是由單片機(jī) I/O口產(chǎn)生的 40kHz 方波提供的。 LED燈光報(bào)警 聲報(bào)警，是將番茄采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)用直觀的方法顯示出來(lái)。報(bào)警模塊是依據(jù)避障部分提供的信號(hào)而動(dòng)作的。LED燈與電阻組成光報(bào)警；蜂鳴器與驅(qū)動(dòng)電路組成的聲報(bào)警。（1） 前輪控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)的電路設(shè)計(jì)前輪電機(jī)用ULN2003A作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，用于完成電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 最小系統(tǒng)電路原理圖 本設(shè)計(jì)中電機(jī)的控制方式是PWM波控制方式。通過(guò)某種方式，使單片機(jī)內(nèi)的寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復(fù)位。CC2電容值取530pF，電容的大小可以起頻率微調(diào)作用，外部時(shí)鐘電路的XTAL1接地，XTAL2接外部振蕩器，一般頻率低于12MHz的方波信號(hào)。時(shí)鐘電路。RST/Vpd（9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。 總結(jié)：番茄采摘機(jī)械系統(tǒng)部分電路運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)障礙物檢測(cè)模塊運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制器電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊聲光報(bào)警模塊顯示模塊 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的總框圖本設(shè)計(jì)的主控制器是AT89C52單片機(jī)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過(guò)程中有衰減。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于使用，且在10m以內(nèi)能給出精確的測(cè)量。方案三：探測(cè)障礙的最簡(jiǎn)單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來(lái)判定距離的。視覺傳感器優(yōu)點(diǎn)是尺寸小，價(jià)格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測(cè)量定多個(gè)目標(biāo)，并且可以利用測(cè)量的圖像根據(jù)外形和大小對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分類。其利用紅外原理制成的，這也就決定其在對(duì)物體探測(cè)過(guò)程中對(duì)溫度依賴過(guò)大，對(duì)溫度相同的物體不能做出準(zhǔn)確的判斷。不能直接測(cè)量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。測(cè)量范圍小，對(duì)空氣溫度變化敏感。易于多目標(biāo)測(cè)量和分類，分辨率好。 點(diǎn)缺（1）常見傳感器的比較傳感器種類多，應(yīng)用廣泛，以下是幾種常用傳感器的比較。若有則執(zhí)行避障任務(wù)，即急停、報(bào)警提示。果實(shí)識(shí)別與采摘采用視覺傳感器、位置傳感器、力傳感器，系統(tǒng)導(dǎo)航采用電磁傳感器，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)避障采用超聲波傳感器。采用單片機(jī)產(chǎn)生不同的信號(hào)來(lái)控制閃光LED燈和蜂鳴器完成聲光報(bào)警提示， 其主要應(yīng)用于番茄采摘機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)的自動(dòng)警報(bào)功能。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。128X64LCD是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。本設(shè)計(jì)的顯示模塊目標(biāo)是能夠顯示出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)停等信息。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注：—）。 ULN2003A的極限參數(shù)項(xiàng)目符號(hào)數(shù)值單位最大輸入電壓Vi(max)30V集電極發(fā)射極電壓Vo(max)50V最大基極輸入電流IB(MAX)25mA輸出電流Io500mA貯存溫度Ts65～150℃結(jié)溫Tj175℃引線耐焊接溫度TD300℃（2）后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。單個(gè)達(dá)林頓對(duì)的集電極電流500mA。ULN2003A是一個(gè)單片高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。設(shè)計(jì)中所控制的步進(jìn)電機(jī)是四相單極式35BY48HJ120減速步進(jìn)電機(jī)。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制是很容易的，只要改變電機(jī)定子繞組電壓的通、斷電時(shí)間，即可達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。設(shè)脈沖寬度為t，脈沖周期為T，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)速為；式中, 稱為占空比，占空比越大，轉(zhuǎn)速越高，反之就越低。小功率直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法是將電動(dòng)機(jī)電源接通一段時(shí)間，然后切斷電源，再次接通電源，改變電動(dòng)機(jī)通斷時(shí)間的比列，即可達(dá)到調(diào)速的目的。其方法是通過(guò)改變電機(jī)電樞電壓接通時(shí)間與通電周期的比值（即占空比）來(lái)控制電機(jī)速度。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片體積和PCB板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對(duì)MCU工作環(huán)境的有害影響。優(yōu)勢(shì)：開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達(dá)70％～90%。在本電路設(shè)計(jì)中，我選擇開關(guān)型穩(wěn)壓電源LM25765作為電壓轉(zhuǎn)換模塊：根據(jù)分析可以知道機(jī)器人底盤控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，需要電源提供不同大小的穩(wěn)壓電壓。目前，提供穩(wěn)壓直流電壓的方法主要有兩種：集成線性穩(wěn)壓電路，開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路。在設(shè)計(jì)中，我用一個(gè)直流電源（24V，10A）為機(jī)器人系統(tǒng)供電，其中，控制電路需要的5V電壓也是由24V電源提供的。電源模塊對(duì)于番茄采摘機(jī)器人的底盤控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)極其重要，關(guān)系到整個(gè)底盤系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)該選好合適的電源。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有以下的設(shè)計(jì)思路。鑒于番茄采摘機(jī)器人的本職工作是順利完成采摘工作，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)處于輔助的地位而并不需要像搶險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人等機(jī)器人精于路況處理的智能機(jī)器人那樣處理復(fù)雜的實(shí)時(shí)環(huán)境問題。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的介紹（1）FAULHBER3863型號(hào)電機(jī)有如下特點(diǎn)：1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、啟動(dòng)電壓低、空載電流小；2 最高轉(zhuǎn)速達(dá)20200rpm，適當(dāng)提高電壓可獲更高的速度并對(duì)電機(jī)壽命無(wú)影響；3 ~48VDC，功率最大226W，直徑范圍6~38mm，長(zhǎng)度12~63mm；4 最大輸出扭矩1290ｍNｍ，配減速箱后，最大輸出扭矩高達(dá)20Nm；。（2）前輪的電機(jī)選擇前輪的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，可以使小車轉(zhuǎn)向更加靈活，本設(shè)計(jì)中前后輪的電機(jī)功率及力矩應(yīng)該相當(dāng)。通過(guò)查找電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)，可以選擇FAULHBER 3863型號(hào)，當(dāng)工作電壓為24V時(shí)，其輸出功率為130W。電動(dòng)機(jī)的輸出功率按下式計(jì)算： （9）故 因載荷平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)的額定功率只需要略大于即可。一般取。——工作機(jī)的線速度，m／s。且進(jìn)入符合條件。根據(jù)力矩方面進(jìn)行選擇1 計(jì)算力矩M M＝軸上的力矩/(減速比*減速箱效率) （1） ＝靜態(tài)摩擦力*輪半徑/(減速比*減速箱效率) ＝靜態(tài)摩擦系數(shù)小車質(zhì)量*g*輪半徑/(減速比*減速箱效率)2 計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速n ｎ=(線速度*60*減速比)/(2*pi*軸半徑) （2）3 計(jì)算功率P0 （3）4 根據(jù)最選擇功率合適的電機(jī)，要求電機(jī)的輸出功率滿足Pmax≥P0,一般選擇2 P0≥Pmax≥ P05 進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)選擇是否合適，驗(yàn)證方法： （4）從力矩的角度來(lái)為機(jī)器人選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)：M＝15**(14*80)= n=(2*60*14)/(2*pi*)=3600rpmP0=*3600*2pi/60=73W因此，~146Ｗ之間。減速比即為減速箱的齒輪比，通過(guò)查找減速箱datasheet查找一般的減速比和減速效率。（1）后輪的電機(jī)選擇我們先假設(shè)車體重量是10千克，可以采摘的果實(shí)最大總重量是5千克。 車體布局示意圖 從車體后方角度觀察 執(zhí)行器選擇依據(jù)作為番茄采摘機(jī)器人中承擔(dān)機(jī)器人的移動(dòng)任務(wù)，車體載荷決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。前后輪各用一個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，前輪用步進(jìn)電機(jī)控制方向；后輪采用的是直流電機(jī)控制車體的前進(jìn)后退暫停。為此本設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)器人采用的是四輪式底盤結(jié)構(gòu)。事實(shí)證明，一般的智能番茄生產(chǎn)大棚都是一個(gè)場(chǎng)地規(guī)劃相對(duì)整齊干凈的環(huán)境。采用5個(gè)電機(jī)控制，使機(jī)器人能夠多自由度工作。 Kondo N等研制的番茄采摘機(jī)器人 番茄采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖圖 是番茄采摘機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖。以日本Kondo N等人研制的番茄采摘機(jī)器人為例，、。（2）要具備柔性和靈活性都比較好的機(jī)械手及末端執(zhí)行器，即機(jī)械手具有一定的冗余度。 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)根據(jù)番茄采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)出番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并完成了車體載荷的估算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。研究?jī)?nèi)容：結(jié)合實(shí)際的果實(shí)采摘工作，研究番茄采摘機(jī)器人整體的機(jī)械結(jié)構(gòu)；研究傳感器應(yīng)用及避障系統(tǒng)的功能要求；研究運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能需求和電機(jī)控制策略。機(jī)械臂機(jī)、械末端方面，由于自由度選擇和傳感器技術(shù)的進(jìn)步、以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)。對(duì)目標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定后，用面積匹配實(shí)現(xiàn)共軛圖像中目標(biāo)的配準(zhǔn)。視覺識(shí)別方面，得益于數(shù)學(xué)模型及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，果實(shí)采摘機(jī)器人已經(jīng)能夠完成果實(shí)識(shí)別、果實(shí)成熟度識(shí)別以及精確快速處理等功能[15]。果實(shí)采摘機(jī)器人在技術(shù)層面的發(fā)展，就視覺識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)械臂、機(jī)械末端、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面都有了豐碩的成果。（4）考慮到使用機(jī)器人采摘的果實(shí)的初衷是用機(jī)械代替人工從而提高工作效率。即自由度個(gè)數(shù)適中，同時(shí)能夠保證采摘的效率。果實(shí)采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面：（1）要具有精確度高的視覺識(shí)別系統(tǒng)，能夠區(qū)分出果實(shí)和植物的枝蔓，準(zhǔn)確識(shí)別出成熟果實(shí)和非成熟果實(shí)，提高準(zhǔn)確率和成功率。隨著研究中遇到的問題和難題一一解決和攻破，果實(shí)采摘機(jī)器人將不斷完善。要想讓采摘機(jī)器人真正造福于人，必須進(jìn)行更深入廣泛的研究，改進(jìn)目前采摘機(jī)器人存在的問題與不足，完善采摘機(jī)器人的新功能、新特點(diǎn)，確保機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。其利用機(jī)器人的多傳感器融合功能，對(duì)采摘對(duì)象進(jìn)行信息獲取、成熟度判別，并確定采摘對(duì)象的空間位置，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的控制與操作的智能化系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)、區(qū)域視野快速搜索、局部視野內(nèi)果實(shí)成熟度特征識(shí)別及果實(shí)空間定位、末端執(zhí)行器控制與操作，最終實(shí)現(xiàn)黃瓜果實(shí)的采摘收獲[12