基于STM32单片机控制的全自动家用浇花机器人研究

0引言

植物在家居环境中可以起到美化环境、净化空气、调节湿度的作用,在提升居住舒适度等方面有重要意义。但随着社会的进步与发展,人们的生活节奏不断加快,对智能家居产品的需求不断增长。在此趋势下,家用浇花机器人应运而生。因此,设计研发一款通过性强、安全可靠的家用浇花机器人有其必要性和现实意义。

传统的固定式浇花装置只适用于植物相对集中的区域,不能满足多种植物的浇水需求。吕鹏飞等^[1]设计的室内移动式浇花机器人可以沿预定路线,对植物进行浇水作业,降低了人力成本。吴立波等^[2]设计的自动浇花机器人可精准定位花盆位置并按照需求浇水,实现植物的无人化管理。但现有研究都无法满足多种植物以及复杂室内布局下的浇花需求。

本文针对现有家用浇花装置存在的缺陷进行了改进,设计出基于STM32单片机的全自动家用浇花机器人,其采用麦克纳姆轮底盘,以STM32F103C8T6单片机作为主控板,并集成了红外传感器以及K210视觉识别模块,使得机器人可以在复杂的家居环境下以较高的灵活度和精准度进行作业。该机器人提高了浇水作业效率,减少了人力资源的浪费,可以在复杂家居环境下稳定运行。

1 系统总体设计

该机器人设计主要包括机械结构部分和控制系统部分,机械结构部分由麦克纳姆轮底盘以及喷洒装置构成,控制系统部分设计包括硬件模块以及控制原理。机器人结构框图如图1所示,整体结构如图2所示。

2机械结构部分

2.1 麦克纳姆轮底盘结构设计

为了保证全自动家用浇花机器人能够在室内错综复杂的空间移动,采用了麦克纳姆轮底盘结构,如图3所示。采用麦克纳姆轮底盘的全自动浇花机器人可以实现全方位、全角度的运动。麦克纳姆轮底盘主要由麦克纳姆轮、底板、直流无刷电机、电机支架以及电池包构成,麦克纳姆轮上的斜向辊子使底盘可以实现全方位、全角度的运动。

麦克纳姆轮底盘的运动可以看作是多种运动形式的叠加,机器人的全方位移动是通过控制四个麦克纳姆轮的转速和旋转来实现的^[3]。平台的移动具体包括以下几种方式:

1)直行:当四个麦克纳姆轮以相同的旋向和转速运行时,同侧的两个麦克纳姆轮所产生的横向力相互抵消,使整体合力方向为纵向,实现底盘的前后移动。

2)横移:当对角的两个麦克纳姆轮的旋向及转速相同时,同侧的两个麦克纳姆轮以相反的旋向与相同的转速运行,从而使得纵向力相互抵消,只留下横向合力,底盘整体实现左右移动。

3)斜行:当对角的两对麦克纳姆轮以相同的旋向及不同转速运行时,底盘产生斜向的合力,可以实现斜向移动。例如,当左前轮和右后轮的转速大于右前轮和左后轮的转速时,底盘整体向斜前方移动;反之,底盘整体将向斜后方移动。

4)旋转:以底盘中心点作为旋转运动的圆心,同侧两个麦克纳姆轮以相同的转速与旋向运动,另一侧两个麦克纳姆轮则以相同速度以及与另一侧两个麦克纳姆轮相反的旋向运动,使得斜对角两对麦克纳姆轮产生顺时针或逆时针的力矩,使得底盘整体实现旋转运动。

2.2 喷洒装置结构设计

喷洒装置由喷头、水泵、水箱以及升降台等构成,如图4所示。当视觉系统识别到植物时,机器人在麦克纳姆轮底盘的作用下使喷头移动到植物上方,并根据植物高度,利用丝杆电机调节升降台,使得喷头处于植物叶片上方,并进行喷水作业,同时根据不同植物种类调节喷水量。

升降台的设计方式有两种:第一种是将舵机安装在摆臂上,通过控制摆臂的夹角来实现升降功能;第二种是利用电机带动丝杆,通过控制丝杆滑块调节两摆臂与限位板连接点处距离以实现升降功能。第一种方案舵机需要长时间受力,从而会缩短舵机寿命。因此,采用第二种方案实现装置的升降功能。

3控制系统部分

3.1控制系统工作流程

该机器人采用STM32F103C8T6单片机作为主控板,当该机器人启动电源进入作业区域后,红外传感器采集地面标志信息,电机驱动麦克纳姆轮底盘运动,使机器人按照预定路线行进前往作业地点。K210视觉识别模块利用YOLO目标检测算法识别植物位置,通过边界框回归计算目标中心坐标,确定植物位置与高度。单片机接收视觉信息并通过L298N型电机驱动芯片调节电机PWM输出,电机带动丝杆旋转,使喷头高度降低直至目标高度,驱动5 V水泵并通过设定工作时间的方式控制浇水量。作业完成后,通过重力传感器利用电压—质量线性关系检测水箱剩余水量,并检测电池剩余电量。若剩余水量、电量较多则继续作业;若剩余水量或电量不足以支撑下一次浇水作业,则检测剩余电量是否支持返航,若电量支持则机器人返航,若电量不足则蜂鸣器工作并通过蓝牙模块上传云端,通知工作人员操作。该机器人避障模块采用KS106超声波传感器,通过计算超声波的传播时间计算机器人与障碍物的距离,提高了机器人的避障能力,使机器人可以在复杂的环境中自主作业。另外,采用HC—06蓝牙模块实现无线通信与数据传输的功能^[4],提高机器人远程操作能力。控制系统工作流程图如图5所示。

3.2控制系统工作原理

3.2.1传感器数据

避障模块采用KS106超声波传感器,测距原理为基于超声波传播时间进行计算。测距公式如下:

d=ct/2

式中:d为测量距离;c为超声波传播速度(约343m/s);t为超声波发射与接收时间差^[5]。

超声波传感器可有效探测机器人前方障碍物,确保路径规划的安全性。

此外,机器人通过重力传感器进行水量检测,依据输出电压变化计算当前水箱水量,其电压—质量关系可近似为线性关系:V=KM十b。其中,V为传感器输出电压,M为水箱内水量,K、b为传感器的标定系数。该传感器可以对水量进行监测,保证了机器人作业的稳定性。

3.2.2视觉处理

机器人采用K210视觉处理模块对图像进行处理,利用YOLO神经网络进行目标检测,实现对植物的精确识别。YOLO的损失函数如下:

式中:L为总损失值,用于衡量预测结果与真实值的偏差;λcoord为坐标误差的权重系数,用于平衡位置误差与其他误差项的重要性;s为网格数;B为边界框个数;I为指示函数,表明该网格单元是否包含目标;x、y为目标中心坐标;C为置信度。

该视觉模块能快速检测不同种类的植物,并依据其位置进行精准浇水,提高机器人工作的自动化程度。

3.2.3运动控制

机器人采用了抗干扰能力较强的串级控制策略(PD—PI控制),保证了作业过程中机器人的稳定性。

速度环(PI控制):

式中:usPeed为速度控制输出量;Vref为目标速度;Vact为当前速度;KP、Ki为PI参数。

该控制方法保证了机器人在运行过程中保持速度稳定,减少了轨迹偏差。

方向环(PD控制):

式中:uangle为方向控制输出量;θref为期望角度;θact为当前角度;KP、Kd为PD参数。

该策略使机器人能够快速调整方向,提高避障和路径跟踪的能力。

4 结束语

基于麦克纳姆轮设计的全自动家用浇花机器人,解决了现有浇花装置通过性差、效率较低等问题,其采用麦克纳姆轮底盘设计,可以在复杂的室内环境中灵活移动。该全自动家用浇花机器人通过 STM32F103C8T6单片机对麦克纳姆轮以及喷洒装置的控制,满足了家居环境下对自动化浇花装置的需求,为家用浇花机器人领域提供了全新的解决方案。该机器人可以在未来的智能家居生活中发挥重要作用。

[参考文献]

[1] 吕鹏飞,高学山,罗定吉,等.室内移动式浇花机器人[J].兵工自动化,2021,40(12):42-46.

[2]吴立波,张南,宋文豪,等.自动浇花机器人的研制[J].邯郸职业技术学院学报,2021,34(4):46-50.

[3]冯长业.基于麦克纳姆轮技术的自动化引导车(AGV)设计[J].河南科技,2024,51(15):31-36.

[4]郑来芳,徐佳伟,赵立杰,等.基于蓝牙监控的智能循迹运输小车设计[J].山西电子技术,2024(6):38-40.

[5]朱高中.基于DSP超声波测距系统的设计与研究[J].电子产品世界,2012,19(3):42-45.

《机电信息》2025年第13期第13篇