【正文】 模式下以單片機的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)動力矩又可以提高控制精度。四相步進電機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。本運動系統(tǒng)對速度的精度無特殊要求，控制直流電機方法相對簡單。避障系統(tǒng)的程序思路是：發(fā)現(xiàn)障礙物后，番茄采摘機器人停止動作，等待排除障礙再運動。測出距離后結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式送入累加器 A 與安全距離進行比較，若判定前方有障礙物則執(zhí)行避障操作，等待上述過程結(jié)束，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復(fù)測量過程。由于系統(tǒng)采用的是 12M 晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是一微秒，當主程序檢測到接收成功標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)按公式d=(c*t)/2=172*T0/10000計算。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小車前進小車停止前進Y 運動控制系統(tǒng)總程序流程圖開始比較避障并處理計算距離發(fā)射超聲波脈沖接受超聲波脈沖 超聲波測距模塊流程圖主程序?qū)ο到y(tǒng)進行初始化之后，超聲波測距程序設(shè)置定時器 T0 為 16位定時器，開中斷允許位 EA，清零顯示端口 P0 和 P2。首先小車進行上電初始化程序，屏幕顯示小車初始狀態(tài)，后小車開始前進，前進過程中單片機通過超聲波模塊不斷檢測距前方障礙物。8腳：電源正極，～5V。6腳：該腳與地之間接一個積分電容，標準值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，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 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，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)，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，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。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz與本設(shè)計中超聲波頻率 40KHz較為接近，所以利用它來制作超聲波檢測接收電路。Q10 的作用是提高單片機 I/O 口的輸出電壓，目的也是提高超聲波發(fā)射的功率。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)用以提高驅(qū)動能力。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高的另一個電極。為此設(shè)計中采用了 CD4069 六非門反相器來增強超聲波的發(fā)射功率，由于非門實質(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反饋電阻，就能夠使它從飽和區(qū)進入線性放大區(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 I/O口產(chǎn)生的 40kHz 方波提供的。 LED燈光報警 聲報警，是將番茄采摘機器人的運動狀態(tài)用直觀的方法顯示出來。報警模塊是依據(jù)避障部分提供的信號而動作的。LED燈與電阻組成光報警；蜂鳴器與驅(qū)動電路組成的聲報警。（1） 前輪控制電機轉(zhuǎn)向的步進電機的電路設(shè)計前輪電機用ULN2003A作為電機驅(qū)動器，用于完成電機的正反轉(zhuǎn)。 最小系統(tǒng)電路原理圖 本設(shè)計中電機的控制方式是PWM波控制方式。通過某種方式，使單片機內(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。時鐘電路。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。功能強大的微型計算機的AT89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8xc52 相同，其主要用于會聚調(diào)整時的功能控制。 總結(jié)：番茄采摘機械系統(tǒng)部分電路運動系統(tǒng)障礙物檢測模塊運動系統(tǒng)控制器電機驅(qū)動模塊聲光報警模塊顯示模塊 運動控制系統(tǒng)的總框圖本設(shè)計的主控制器是AT89C52單片機。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在10m以內(nèi)能給出精確的測量。方案三：探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。視覺傳感器優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標進行分類。其利用紅外原理制成的，這也就決定其在對物體探測過程中對溫度依賴過大，對溫度相同的物體不能做出準確的判斷。不能直接測量距離，算法復(fù)雜，處理速度慢。測量范圍小，對空氣溫度變化敏感。易于多目標測量和分類，分辨率好。 點缺（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、報警提示。果實識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，運動系統(tǒng)避障采用超聲波傳感器。采用單片機產(chǎn)生不同的信號來控制閃光LED燈和蜂鳴器完成聲光報警提示， 其主要應(yīng)用于番茄采摘機器人在遇到障礙物時的自動警報功能。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。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)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16點漢字，和128個16*、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。本設(shè)計的顯示模塊目標是能夠顯示出電機的正反轉(zhuǎn)停等信息。當三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠（注：—）。 ULN2003A的極限參數(shù)項目符號數(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）后輪電機的驅(qū)動模塊所示為一個典型的直流電機控制電路。單個達林頓對的集電極電流500mA。ULN2003A是一個單片高電壓、高電流的達林頓晶體管陣列集成電路。設(shè)計中所控制的步進電機是四相單極式35BY48HJ120減速步進電機。用單片機實現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制是很容易的，只要改變電機定子繞組電壓的通、斷電時間，即可達到調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的目的。設(shè)脈沖寬度為t，脈沖周期為T，電機的平均轉(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。小功率直流電動機的轉(zhuǎn)速控制方法是將電動機電源接通一段時間，然后切斷電源，再次接通電源，改變電動機通斷時間的比列，即可達到調(diào)速的目的。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值（即占空比）來控制電機速度。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MCU工作環(huán)境的有害影響。優(yōu)勢：開關(guān)穩(wěn)壓電源的功耗極低，其平均工作效率可達70％～90%。在本電路設(shè)計中，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)分析可以知道機器人底盤控制系統(tǒng)正常工作時，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)計中，我用一個直流電源（24V，10A）為機器人系統(tǒng)供電，其中，控制電路需要的5V電壓也是由24V電源提供的。電源模塊對于番茄采摘機器人的底盤控制系統(tǒng)來說極其重要，關(guān)系到整個底盤系統(tǒng)是否能夠正常工作，因此在設(shè)計控制系統(tǒng)時應(yīng)該選好合適的電源。單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(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，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有以下的設(shè)計思路。鑒于番茄采摘機器人的本職工作是順利完成采摘工作，運動控制系統(tǒng)處于輔助的地位而并不需要像搶險救災(zāi)機器人等機器人精于路況處理的智能機器人那樣處理復(fù)雜的實時環(huán)境問題。 執(zhí)行機構(gòu)電機的介紹（1）FAULHBER3863型號電機有如下特點：1 轉(zhuǎn)動慣量小、啟動電壓低、空載電流?。? 最高轉(zhuǎn)速達20200rpm，適當提高電壓可獲更高的速度并對電機壽命無影響；3 ~48VDC，功率最大226W，直徑范圍6~38mm，長度12~63mm；4 最大輸出扭矩1290ｍNｍ，配減速箱后，最大輸出扭矩高達20Nm；。（2）前輪的電機選擇前輪的電機采用步進電機，可以使小車轉(zhuǎn)向更加靈活，本設(shè)計中前后輪的電機功率及力矩應(yīng)該相當。通過查找電機的參數(shù)指標，可以選擇FAULHBER 3863型號，當工作電壓為24V時，其輸出功率為130W。電動機的輸出功率按下式計算： （9）故 因載荷平穩(wěn)，電動機的額定功率只需要略大于即可。一般取?！ぷ鳈C的線速度，m／s。且進入符合條件。根據(jù)力矩方面進行選擇1 計算力矩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 計算電機轉(zhuǎn)速n ｎ=(線速度*60*減速比)/(2*pi*軸半徑) （2）3 計算功率P0 （3）4 根據(jù)最選擇功率合適的電機，要求電機的輸出功率滿足Pmax≥P0,一般選擇2 P0≥Pmax≥ P05 進一步驗證電機選擇是否合適，驗證方法： （4）從力矩的角度來為機器人選擇驅(qū)動電機：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）后輪的電機選擇我們先假設(shè)車體重量是10千克，可以采摘的果實最大總重量是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)作為番茄采摘機器人中承擔機器人的移動任務(wù)，車體載荷決定驅(qū)動電機的選擇。前后輪各用一個電機進行控制，前輪用步進電機控制方向；后輪采用的是直流電機控制車體的前進后退暫停。為此本設(shè)計的番茄采摘機器人采用的是四輪式底盤結(jié)構(gòu)。事實證明，一般的智能番茄生產(chǎn)大棚都是一個場地規(guī)劃相對整齊干凈的環(huán)境。采用5個電機控制，使機器人能夠多自由度工作。 Kondo N等研制的番茄采摘機器人 番茄采摘機器人機械結(jié)構(gòu)示意圖圖 是番茄采摘機器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖。以日本Kondo N等人研制的番茄采摘機器人為例，、。（2）要具備柔性和靈活性都比較好的機械手及末端執(zhí)行器，即機械手具有一定的冗余度。 第二章 機械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計根據(jù)番茄采摘機器人的運動控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計出番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并完成了車體載荷的估算和執(zhí)行機構(gòu)的選擇。研究內(nèi)容：結(jié)合實際的果實采摘工作，研究番茄采摘機器人整體的機械結(jié)構(gòu)；研究傳感器應(yīng)用及避障系統(tǒng)的功能要求；研究運動控制系統(tǒng)的功能需求和電機控制策略。機械臂機、械末端方面，由于自由度選擇和傳感器技術(shù)的進步、以及機械結(jié)構(gòu)的不斷改進。對目標進行標定后，用面積匹配實現(xiàn)共軛圖像中目標的配準。視覺識別方面，得益于數(shù)學(xué)模型及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，果實采摘機器人已經(jīng)能夠完成果實識別、果實成熟度識別以及精確快速處理等功能[15]。果實采摘機器人在技術(shù)層面的發(fā)展，就視覺識別系統(tǒng)、機械臂、機械末端、運動控制系統(tǒng)方面都有了豐碩的成果。（4）考慮到使用機器人采摘的果實的初衷是用機械代替人工從而提高工作效率。即自由度個數(shù)適中，同時能夠保證采摘的效率。果實采摘機器人的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該包括以下幾個方面：（1）要具有精確度高的視覺識別系統(tǒng)，能夠區(qū)分出果實和植物的枝蔓，準確識別出成熟果實和非成熟果實，提高準確率和成功率。隨著研究中遇到的問題和難題一一解決和攻破，果實采摘機器人將不斷完善。要想讓采摘機器人真正造福于人，必須進行更深入廣泛的研究，改進目前采摘機器人存在的問題與不足，完善采摘機器人的新功能、新特點，確保機器人運行穩(wěn)定、可靠。其利用機器人的多傳感器融合功能，對采摘對象進行信息獲取、成熟度判別，并確定采摘對象的空間位置，實現(xiàn)機器人末端執(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)航運動、區(qū)域視野快速搜索、局部視野內(nèi)果實成熟度特征識別及果實空間定位、末端執(zhí)行器控制與操作，最終實現(xiàn)黃瓜果實的采摘收獲[12