首页 > 论文范文 > 社会科学论文 > 科技论文 > 自动化论文 > STM32基础上空两用农业信息采集机器人研究

STM32基础上空两用农业信息采集机器人研究

2020-08-25 192 上传者：管理员

摘要：随着农业科技的发展,机器人在农业生产方面的应用日益广泛,但机器人受地形环境的影响较大,不能保证农业信息采集的连续性,容易导致农业信息采集不完整、不准确。为此,设计了基于STM32微处理器的地空两用农业信息采集机器人,完成了总体方案设计,同时进行了功能分析,并建立了地空两用机器人地面系统和飞行系统的运动模型,进行了地空两用机器人的硬件结构及软件流程设计。最后,通过试验验证了地空两用机器人采集农业信息的可靠性。

关键词：
STM32
信息采集
地空两用
机器人
自动化
加入收藏

随着传感器技术、电子技术和微电子技术的发展,机器人控制逐渐由自动化向智能化转变、由粗略化向精细化转变。农业精细化作业需要实现对农田和农作物信息的采集和监控,且保证要求信息采集能够全面、准确、快速和具有一定的连续性。传统采集农业信息的手段方式单一,信息种类受硬件条件的限制导致采集数据不全面,同时受农田和农作物的生长环境,遇到障碍物或沟壑时,无法实现越障功能,环境适应性差,导致农业信息采集出现间断现象,影响农业信息的准确性和完整性。为此,设计了基于STM32微处理器的地空两用农业信息采集机器人,引入先进的微电子技术和传感器技术,在克服传统机器人环境适应性差的同时,能够保证数据传输的实时性、快速性。同时,通过设计地面运动系统和飞行运动系统,实现农业信息立体式全方位采集,保证农业信息采集的准确、高效和完整。

1、总体方案设计

基于STM32微处理器的地空两用机器人的核心是STM32微处理器,包含有多个输入和输出接口,主要用于接收各类传感器采集的农业信息数据,以及接收摄像头采集的图像信息和GPS导航模块采集的农田地理位置信息,并将这些数据信息进行分析、处理、计算,再传递给地面系统主控器和飞行系统主控器。此外,微处理器还可以完成对控制指令的传输和判断,保证机器人正常稳定运行。

地面系统主控器和飞行系统主控器主要负责接收远程控制平台的控制指令,并驱动地面系统或飞行系统行动部分动作,其总体方案如图1所示。

图1地空两用机器人总体方案图

远程控制平台主要负责向地面系统和飞行系统发送控制指令,控制机器人进行地面移动或飞行运动。显示屏和鼠标/键盘等外接设备安装在远程控制平台上,用于实时显示农田数据信息,同时完成对机器人工作状态的监控,存在故障时进行报警。

传感器包含温湿度传感器、光照度传感器和高度传感器:温湿度传感器用于采集农田及农作物所处环境的温湿度;光照度传感器用于采集光照度信息;高度传感器用于测量地空两用机器人在飞行状态时的高度,便于完成对机器人的控制。

2、功能需求分析

由于机器人工作环境的特殊性,地空两用机器人需要同时完成在地面运动状态、空中飞行状态和空中悬停状态的农作物信息采集。在地面运动状态条件下,机器人必须具备一定的越障功能;遇到难以逾越的障碍时可以飞行通过,在飞行状态可以在空中悬停一段时间,完成农业信息的采集。

2.1 地面运动模型

机器人在地面运动时,由于农田地理环境复杂,要求机器人地面运动系统能够克服一定的地面阻力,同时具有较好的减震性能,防止机器人受到较大的冲击而遭到损坏。图2为机器人地面运动示意图。

图2机器人地面运动示意图

地面运动系统减震措施选定的是双横臂悬架减震机构,主要由两根横臂和一个弹簧减震器组成。两横臂由上下不等长的连杆机构组成,一般下横臂长于上横臂,弹簧减震器则为支柱式减震器。为此,针对双横臂悬架减震机构的横臂连杆机构进行数学建模。假设x、y、z分别表示上下横臂与支撑面所组成的3个顶点的坐标,则上下横臂的长度及支撑面上的两点之间的长度表示为

根据三角形原理,确定垂足坐标为

2.2 飞行运动模型

机器人在地面运动无法工作时,通过摄像头捕捉机器人环境信息,根据信息判断工作工况,在远程控制平台选择相应的飞行模式进行作业,从而使机器人能够绕过沟壑、大坑等障碍物,保证农业信息采集的连续性。图3为机器人飞行运动示意图。

图3机器人飞行运动示意图

2.3 悬停运动模型

机器人在农田进行农业信息采集过程中,受农田中杂物、农作物遮挡视野的影响,机器人摄像头拍摄图像信息严重受阻,需要机器人能在飞行状态下悬停在空中进行信息采集,从而保证农田信息采集的全方位性和完整性,如图4所示。

图4机器人悬停运动示意图

地空两用机器人的飞行系统采用模拟无人机系统设计,主要由主控器、4个驱动电机、4个螺旋桨和4个支架组成。针对机器人飞行系统的四旋翼结构进行数学建模。设地空两用机器人绕x轴旋转的翻滚角为ϕ,绕y轴旋转的翻滚角为θ,绕z轴旋转的翻滚角为δ,ϕ、θ、δ基于原点坐标系的方向余弦矩阵为Rϕ、Rθ、Rδ,则有

得到飞行系统四旋翼坐标系R为

3、硬件系统设计

3.1 STM32微处理器

选取ARM公司STM32系列STM32F103增强型处理器作为采集机器人控制的核心部件,采用并行总线结构,可同时进行信息数据的写入和读出,对系统控制指令能够快速响应,且在系统出现故障具有较快的中断能力。该处理器可以看作一个小型PC系统,主要以电路集成为基础,内部包含有多个子模块,可以进行运算结果的数据存储模块、计算数据的RAM及ROM模块、数据运算的CPU模块,以及与外部设备连接的I/0口等。图5为STM32F103增强型处理器的电路原理图。

图5STM32F103增强型处理器电路原理图

3.2 温湿度传感器

由于机器人必须同时满足采集地面和空中两种工况的温湿度,因此温湿度传感器信号传输范围必须满足采集条件,且功耗低。通过硬件选型和比较,确定采用DHT11温湿度传感器。该传感器采用单总线方式进行数据传输,输入输出均通过一个端口进行双向传输,采集原理电路图如图6所示。

图6温湿度传感器电路图

3.3 电源模块

电源模块是整个系统的动力来源,负责为STM32微处理器、地面运动系统、飞行系统及远程控制平台等提供动力来源。图7为电源模块电路图。

图7电源模块电路图

由于选取的电源模块供电电压为7.2V,需要进行电压转换并进行稳压处理。选择LM117稳压芯片进行电压转换,将电源模块输出的电压转换为系统所需的工作电压3.3V。

4、软件流程设计

地空两用机器人在信息采集之前,需要对所有电子元器件进行初始化,保证元件运行参数在初始状态。初始化完毕后下达数据采集控制指令,机器人各传感器开始采集农业信息,并将采集到的数据实时传输到STM32微处理器中,通过显示器进行实时显示;采集到的数据在处理器中经过数据分析与处理后,由处理器进行运动工况判断与选择,通过切换地面运动/飞行运动模式,结合运动方式下达对应的控制参数,从而控制地面运动系统动作或飞行系统动作。地空机器人软件流程如图8所示。

图8地空两用机器人软件流程图

5、试验验证

5.1 运动试验

地面运动能力是地空两用机器人的基本功能,为验证地空两用机器人地面运动稳定性和良好的运动性能,选取一处农田进行地面运动试验,结果如表1所示。

5.2 采集试验

为验证设计的地空两用机器人采集的农业信息的准确性,在同一时间段,针对同一农田进行温湿度数据采集试验。选取8个测量点,并单独布置温湿度传感器,在相同的时间点和同一测量点,进行信息采集,并将采集结果进行对比,如表2所示。

由表2可知:在同一时间段、同一测量点,地空两用机器人测量的温湿度数据和单独布置的传感器采集的参考数据基本一致,说明地空两用机器人能够实时准确地完成农田和农作物的环境信息,为高效、高质农业生产提供数据支撑。

6、结论

为解决传统农业机器人环境适应性差、采集数据不完整等问题,设计了基于STM32微处理器的地空两用机器人。在完成机器人总体方案设计基础上,对地空两用机器人功能需求进行分析,对地面系统和飞行系统进行数学模型分析,并对机器人信息采集系统进行软硬件设计,最后通过试验验证了地空两用机器人采集信息的准确性。

参考文献：

[1]王仲民:刘继岩;岳宏.移动机器人自主导航技术硏究综述[J].天津职业技术师范学院学报,2004,14(4):11-15.

[2]王晓娟.基于多传感器信息的移动机器人定位研究[D].杭州:浙江大学,2010.