翟傳龍，張國運(yùn)，姚春磊，薛龍震，張逸飛，王思玉，田 園

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018）

0 引言

近年來我國水果產(chǎn)量持續(xù)增加，果園面積不斷擴(kuò)大，水果在居民生活中具有重要作用[1]。當(dāng)前果園采摘大多依靠人工登梯，勞動強(qiáng)度大，安全系數(shù)低，果樹修枝大多采用人工修剪，效率低下且費時費力。為提高果品質(zhì)量、提高果園作業(yè)效率、增加果農(nóng)收入，果園機(jī)械化問題引起各級政府的重視[2]。然而我國果園大多分布在丘陵山地，地勢起伏，傳統(tǒng)機(jī)械難以滿足現(xiàn)代果園發(fā)展的需要。果園作業(yè)平臺的投入使用不僅提高了采摘效率，增加了農(nóng)民收入，還對提升果園機(jī)械化程度有著十分重要的作用[3]。

為解決丘陵果園作業(yè)困難的問題，國內(nèi)學(xué)者研發(fā)了功能不一的作業(yè)平臺。樊桂菊等[4]研發(fā)了丘陵山區(qū)果園作業(yè)平臺并進(jìn)行了仿真和實驗；買合木江·巴吐爾等[5]研發(fā)了全液壓動力的多功能自走式果園作業(yè)平臺；佟嘉瑋等[6]以矮砧密植現(xiàn)代果園為載體研發(fā)了果園生產(chǎn)多功能遙控平臺。針對丘陵山地等復(fù)雜地形和果園機(jī)械效率低下等問題，王學(xué)良[7]等研發(fā)了果園履帶式多功能作業(yè)機(jī)，實現(xiàn)了各種作業(yè)裝置的快速更換。耿佳期[8]等利用Autodesk Inventor三維軟件設(shè)計了一款輪式果園作業(yè)升降平臺，并對靜力學(xué)強(qiáng)度進(jìn)行了校核與模態(tài)分析。以往果園作業(yè)多采用人工作業(yè)和傳統(tǒng)機(jī)械作業(yè)，這些傳統(tǒng)機(jī)械雖在一定程度上緩解了果園作業(yè)中的繁重工作，但仍存在安全系數(shù)小、效率低且操控復(fù)雜等問題。本文針對丘陵山區(qū)果園樹枝修剪、輔助套袋、水果采摘等作業(yè)勞動強(qiáng)度大、已有裝備易失穩(wěn)、智能化程度低等問題，基于已研制的果園作業(yè)平臺研發(fā)了可視化人機(jī)交互模式的管控系統(tǒng)。提高了丘陵果園作業(yè)平臺的適應(yīng)性。

該系統(tǒng)能夠利用藍(lán)牙通訊將檢測信號與控制信號在傳感器與微控制器之間相互傳遞，從而實現(xiàn)工作臺的升降和回轉(zhuǎn)，通過遙控器實現(xiàn)整機(jī)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，通過兩軸角度傳感器的反饋實現(xiàn)工作臺的調(diào)平，完成各種作業(yè)集成，使作業(yè)效率大大提高，助力果園產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級，推動鄉(xiāng)村振興。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于前期已研制的果園作業(yè)平臺（圖1）研發(fā)可視化人機(jī)交互模式的數(shù)字化管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由角度傳感器、電機(jī)、單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和電推桿組成，系統(tǒng)原理如圖2。功能實現(xiàn)的總體流程為：操作人員點觸基于Android的手機(jī)APP操控界面，通過藍(lán)牙通信模塊將指令發(fā)送至以STM32單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，單片機(jī)接收到信號后，控制電機(jī)驅(qū)動模塊進(jìn)而控制電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)載人平臺升降、回轉(zhuǎn)，同時可將采集到的載人平臺的傾斜角等信息上傳至單片機(jī)控制系統(tǒng)作出相應(yīng)的判斷，并對果園作業(yè)平臺的姿態(tài)做出調(diào)整，從而實現(xiàn)雙向自動調(diào)平。

圖1 果園作業(yè)平臺

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計遵循自頂向下的模塊化設(shè)計思想（圖3），主要由藍(lán)牙通信模塊、信息采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和調(diào)平控制模塊組成。信息采集模塊用來采集角度，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)采集到的角度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，調(diào)平控制模塊分為橫向調(diào)平模塊和縱向調(diào)平模塊，可以實現(xiàn)作業(yè)平臺的橫向及縱向調(diào)平。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)存儲有控制程序，可用于接收藍(lán)牙通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，接收角度傳感器模塊發(fā)送的角度值和控制電機(jī)驅(qū)動模塊實現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動；單片機(jī)控制系統(tǒng)采用STM32芯片，藍(lán)牙通信模塊選用HC-05，電機(jī)驅(qū)動模塊采用BTS7960和AQMD6008BLS。

自動調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計需要用角度傳感器進(jìn)行角度信息的采集，因此角度的采集與處理是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心，是載人平臺保持平穩(wěn)安全的的重要前提。安裝在工作臺的角度傳感器可實時測量作業(yè)平臺的姿態(tài)角，為保證采集信息準(zhǔn)確，信息采集模塊采用SINDT02系列的雙軸傾角傳感器，是新一代數(shù)字型小體積MEMS傾角傳感器，工作電壓5 V～36 V，可在-40～85℃的溫度下工作，x軸測量范圍為-180°～180°，y軸測量范圍為-90°～90°，測量精度為0.1°，波特率9 600 bps。內(nèi)置加速度計，通過測量靜態(tài)重力加速度，轉(zhuǎn)換成傾角變化，從而可以測量傳感器輸出相對于水平面的傾斜角度。內(nèi)置MCU控制系統(tǒng)使傳感器輸出線性度得到二次修正，彌補(bǔ)模擬型因為修正不夠?qū)е碌木认陆?。傳感器?nèi)部采用卡爾曼濾波融合算法，減少了主芯片的工作量，能夠直接輸出兩軸角度，使用高效方便，同時接口采用TTL電平，適用于大部分芯片，便于后期更新?lián)Q代。角度傳感器安裝于工作臺底座并與單片機(jī)相連。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖4為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計流程。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信，將上位機(jī)發(fā)出的指令傳給下位機(jī)。手機(jī)控制APP與藍(lán)牙控制模塊建立無線連接，作業(yè)人員通過點觸手機(jī)APP內(nèi)的按鍵向藍(lán)牙通信模塊發(fā)出控制數(shù)據(jù)。單片機(jī)系統(tǒng)通過設(shè)置中斷，當(dāng)藍(lán)牙通信模塊將接受到的控制數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)系統(tǒng)時，單片機(jī)系統(tǒng)中斷發(fā)生，并將控制數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)值對應(yīng)比較。單片機(jī)系統(tǒng)得到下一步工作狀態(tài)后，引腳輸出相應(yīng)的數(shù)字量，控制電機(jī)驅(qū)動模塊實現(xiàn)相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)動，然后對應(yīng)完成平臺升高、平臺降低、升降停止、平臺正轉(zhuǎn)、平臺反轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)停止等動作，從而實現(xiàn)作業(yè)平臺的控制。

圖4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.2 智能檢測系統(tǒng)及雙向自動調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計

角度傳感器和單片機(jī)相連構(gòu)成智能檢測系統(tǒng)，單片機(jī)可以讀取角度傳感器采集到的角度信息，同時可將采集到的載人平臺的傾斜角等信息上傳至控制系統(tǒng)作出相應(yīng)的判斷，并使作業(yè)平臺的姿態(tài)做出調(diào)整。

自動調(diào)平流程如圖5，單片機(jī)向角度傳感器發(fā)送讀數(shù)據(jù)指令并等待角度數(shù)據(jù)返回，待單片機(jī)系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)后，先將其存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，避免數(shù)據(jù)丟失。單片機(jī)系統(tǒng)接收完成后將接收的角度數(shù)據(jù)進(jìn)行解算校驗后得到真正的角度值，然后程序?qū)軸與Y軸的角度與設(shè)置的安全值區(qū)間進(jìn)行比較判斷，若角度值在安全值區(qū)間內(nèi)，則單片機(jī)系統(tǒng)向角度傳感器發(fā)送請求指令，重復(fù)上述步驟；若角度值大于安全值區(qū)間，則根據(jù)正負(fù)計算角度差值，按照一定的比例關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為時間，單片機(jī)按照該時間控制引腳輸出數(shù)字量，以減小角度差值的趨勢控制電推桿運(yùn)動，單片機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行完該時間內(nèi)的數(shù)字量輸出后，輸出數(shù)字量控制電推桿停止運(yùn)動，隨后單片機(jī)系統(tǒng)向角度傳感器發(fā)送請求指令，重復(fù)上述步驟。若角度值小于安全值區(qū)間，則根據(jù)正負(fù)計算角度差值，按照一定的比例關(guān)系將其轉(zhuǎn)化為時間，單片機(jī)按照該時間控制引腳輸出數(shù)字量，以增大角度差值的趨勢控制電推桿運(yùn)動，單片機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行完該時間內(nèi)的數(shù)字量輸出后，輸出數(shù)字量控制電推桿停止運(yùn)動，隨后單片機(jī)系統(tǒng)向角度傳感器發(fā)送請求指令，重復(fù)上述步驟循環(huán)執(zhí)行程序，實現(xiàn)縱坡與橫坡雙向調(diào)平。

圖5 自動調(diào)平系統(tǒng)的設(shè)計

4 手機(jī)APP控制系統(tǒng)界面

圖6為人機(jī)交互模式的手機(jī)APP操控界面。該操作系統(tǒng)分為藍(lán)牙連接和平臺控制兩部分，通過藍(lán)牙連接可打開或關(guān)閉藍(lán)牙。另外，操作人員可通過Android手機(jī)APP和遙控器來實現(xiàn)對作業(yè)平臺的控制，包括整機(jī)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向和工作臺升降、回轉(zhuǎn)以及通過兩軸角度傳感器的反饋實現(xiàn)工作臺的調(diào)平，提高了地形適應(yīng)能力。

圖6 人機(jī)交互界面

5 結(jié)論

本文創(chuàng)新點在于單片機(jī)系統(tǒng)可根據(jù)角度反饋值與藍(lán)牙信號實現(xiàn)對作業(yè)平臺的控制，以及將開發(fā)的Android手機(jī)APP應(yīng)用于單片機(jī)控制系統(tǒng)中。

（1）針對目前存在的果園作業(yè)智能化程度低、安全系數(shù)及工作效率低等問題，基于已研發(fā)的果園作業(yè)平臺設(shè)計了一種可視化人機(jī)交互模式的管控系統(tǒng)，該系統(tǒng)提高了果園作業(yè)平臺的智能化程度和農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合度。

（2）遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，通過手機(jī)與藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信，單人操作即可控制整機(jī)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向及工作臺升降、回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了果園的靈活作業(yè)，完成果枝修剪、疏花疏果、套袋和采摘等作業(yè)的集成，達(dá)到解放人力的目的。

（3）智能檢測系統(tǒng)和雙向自動調(diào)平系統(tǒng)可實現(xiàn)“縱向+橫向”雙向自動調(diào)平，使得平臺即使在坡面上工作時載人工作臺仍可保持水平狀態(tài)，該系統(tǒng)提高了作業(yè)人員的安全系數(shù)，對降低果園作業(yè)安全隱患具有重要的意義。