【《大棚蔬菜疾病检测小车硬件结构设计案例》4800字】

大棚蔬菜疾病检测小车硬件结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29894大棚蔬菜疾病检测小车硬件结构设计案例 119526第1章需求分析与整体设计 14012第2章机械设计 3319992.1小车骨架选取 338132.2小车运动模型 42627第三章硬件设计 522813.1动力装置 5283923.2控制与传感装置 8第1章需求分析与整体设计自动化检测蔬菜疾病流程大致如下，首先用户在计算机端配置小车巡检信息，随后小车进行巡逻拍照，并将照片传输到计算机端。计算机端对图片进行疾病识别，并显示识别结果。分析可知，本文疾病检测系统需具备的主要功能包括：移动导航、拍照、通信、疾病识别和用户界面。下面对这些主要功能进行介绍。本文小车的移动导航方式应有两种，一为自动模式，二为手动模式。自动模式下小车进行自主移动导航，手动模式下则由人工操作其移动移动。自动导航功能要求小车能够在蔬菜大棚内不发生碰撞的情况下有效的移动，并遍历到大棚内的每一条田垄。由于垄间空间狭小且道路崎岖，小车应具备合适的外形尺寸，一定的稳定性和足够大的动力。为了避免小车毁坏作物，小车的移动转向运动需具有较高的控制精度，这就需要为小车配备一个一个高精度的步进电机以及可以一个发射PWM波的主控器件。拍照功能是一个极其重要的功能，所拍摄图像的质量将直接影响到后续的疾病识别过程。首先应选用一个适合于本应用要求的摄像头，此摄像头应具有较小的尺寸与重量，且易于与小车的主控制器相连接。除了拍照质量，拍照的频率也是另一个重要参数，此参数的设定应根据小车巡检过程中的平均移动速度，种植蔬菜间距以及患病率等指标进行设定。一个合适的拍照频率能够使得大部分的蔬菜可以被采样并且不会因为重复采样而浪费时间。通信功能为建立小车与计算机之间的通信，通信方式以无线为佳。这就需要为小车配备一个无线模块，此模块与小车主控制器相连接，以便与计算机之间进行无线通信。疾病识别的准确度意味着本文系统的有效性，每一次识别的失败都会对用户带来麻烦，故设计一个高准确率的疾病识别算法是非常必要的。根据功能需求，本文疾病检测小车的总体设计如图3.1所示。图3.1小车总体设计Fig.3.1Overalldesignoftrolley小车的机械设计包括车体骨架的选取，拍摄平台的设计与运动装置的设计等。小车的骨架选取需考虑两个指标：一是外形尺寸，二是稳定性。以便小车能够在大棚中的田垄内进行有效移动避障。拍摄装置为安放摄像机的架子，应保证其高度与角度有利于拍摄到作物的叶片，从而捕捉到作物患病信息。小车的运动装置决定着小车的运动模型，也决定着小车的转弯半径。一个好的运动装置应可以让小车的移动更加灵活。硬件设计包括器件的选取，动力装置的设计，通信电路的连接等。器件的选取包括小车的控制器的选择以及一些传感器的选择，选择应在保证小车功能的前提下尽量降低成本，如此小车的整体价格便能够为菜农所接受。动力装置的设计是以电机为核心的小车的动力来源，大棚内的道路相对崎岖，小车具有足够的动力进行移动。此外，动力装置应具备足够的控制精度，以便小车在田垄内精确导航。软件设计包括核心算法设计和系统设计。核心算法有三个：故障检测算法、自动导航算法和疾病识别算法。这三个算法较为复杂，是本疾病检测系统的核心算法，也是本文重要贡献之所在，故单独列出。系统设计包括对于拍照算法、通信算法以及用户界面的设计。其中拍照算法的功能为操控相机按照给定的频率进行拍摄；导航算法为根据控制模式控制小车进行移动；通信算法的功能为建立起小车与计算机之间的信息传递，其中需要从小车端传输至计算机端的信息有图片、小车位置等，需要从计算机端传输至小车端的信息有巡检参数、移动控制指令、开始或结束巡检指令等。以上设计完成后，将进行系统集成与测试，包括小车的组装，硬件的连接与软件的部署等步骤。第2章机械设计2.1小车骨架选取蔬菜大棚内空间有限，道路狭窄且崎岖不平，地貌如图3.2所示。由于小车需要在垄间穿梭，故其尺寸不能过大，移动灵活性要高，且应具有较好的稳定性。如此可保证小车可以在大棚内有效移动且不伤害作物。图3.2蔬菜大棚种植结构Fig.3.2Vegetablegreenhouseplantingstructure下表3.1为网上统计的大棚内不同蔬菜品种的一般种植模式，其中包括田垄的垄沟宽度以及田垄的高度两个信息。田垄高度决定了超声波传感器的安装高度，垄沟宽度限制了小车的宽度。根据表中信息，本文设计的小车的宽度应限制在25cm之内，超声波传感器的安装高度应小于10cm。表3.1田垄的高度与垄沟宽度Table3.1Theheightandweightofridges品种垄沟宽度（cm）田垄高度（cm）白菜萝卜黄瓜小葱西红柿茄子辣椒30-3535-40401540-5030-4035-40510-151510101515综合考虑应用场景对于小车的外形尺寸、移动灵活性以及稳定性这三方面的要求，本文所设计的小车模型图如下图3.3所示，其车身长约25cm，宽约18cm，高约22cm，较小的宽度使得其能够在田垄中移动，较矮的高度增加了车体稳定性。而且小车为三轮结构，后轮为两个驱动轮，前轮为一个万向从动轮，这种差分驱动的方式使得小车能够进行零半径转向，相比于四轮结构不仅大大增加了灵活性，还避免了四轮结构所可能产生的轮悬空问题。图3.3小车模型图Fig.3.3Trolleymodeldiagram2.2小车运动模型小车的运动可分为直行和转向两种，直行时两个驱动轮旋转方向相同，轮子转过的周长即为小车移动距离。转向时两个驱动轮旋转方向不同，小车的转向示意图如下图3.4所示，图中两轮的实线部分表示小车的原始位置，与实线部分相隔∆θ角度的虚线部分表示小车向左转弯后的位置。当小车一侧车轮向前转另一侧车轮向后转，即可实现图中的原地转弯。设两轮之间的距离为D，则旋转半径d＝D/2。根据几何关系可以得出：l=∆θ上式（3.1）中，l为轮子在转向过程中走的路程，移向可得：∆θ=180l由上式（3.2）便建立起了小车转向角度∆𝜃与轮子转过的周长l之间的关系。在使用步进电机时很容易控制l，从而控制小车转向角度和直行距离。此问题将在3.1步进电机处讨论。图3.4小车转向示意图Fig.3.4Diagramoftrolleysteering第三章硬件设计本节将介绍小车的硬件结构，包括一些芯片，传感器，电机等设备。它们受到软件的控制，并对外界环境进行测量或反应，在软件与机械结构之间起着桥梁的作用。3.1动力装置动力装置是移动小车的核心组件，负责小车的移动功能，此装置将用户的移动控制信号一步步的传递给电机，带动轮子旋转。手动控制本小车移动时，移动指令首先通过无线网络从计算机端传输至小车控制器，控制器将指令转化为PWM波并下达至电机驱动芯片，经过功率放大的信号最后传输至电机。移动指令的传输流程如下图3.5所示。图3.5小车移动信号传递路径Fig.3.5Trolleymobilesignaltransmissionpath由图可见，移动信号传递经历了树莓派、L298N 和电机三个器件。下文自底向上首先对电机进行介绍。在电机的选择方面，因小车的移动导航需要精度，故而选用步进电机。步进电机是可以将脉冲信号转换成角位移的电动机，它每接收到一个脉冲信号，电机就会转动一定的角度。算法可以通过控制脉冲信号的频率来控制电机的转速，通过控制脉冲信号的数量来控制电机的转动角度，从而精细控制小车的移动。步进电机因其速度的可控性而被广泛应用于轮式机器人领域。为使得小车能够在蔬菜大棚内的崎岖环境下移动，小车应具有足够大的动力，这就要求步进电机应该具有足够的力矩。步进电机负载力矩的计算公式如下（3.3）。F=[Ma+Mg上式中：F为负载力矩，M为小车质量，a为运动加速度，g为重力常数，f为摩擦力，θ为角度，r为轮子半径，n为电机个数。本文中采用的机器人总质量约为3kg，主动轮半径为0.1m，电机个数为2，经测量轮胎与地面摩擦系数约为0.5。设定小车行驶速度约为0.2m/s，加速度为0.3m/s，最大可爬坡角度30°。经过计算得电机的负载力矩约为1.43。根据要求选用57MM25A13型号电机作为小车动力装置。其保持力矩为1.3N/m，基本满足需求。57MM25A13步进电机设计优良，使用方便，具有故障报警功能，支持过压，欠压，过热，过流，堵转等保护功能。其使用环境为温度0摄氏度到40摄氏度，相对湿度10%RH-85%RH。具体参数如下表3.2所示。表3.2步进电机参数Table3.2Steppermotorelectricalparameters型号额定电流额定电压保持力矩步距角相数机身长度重量57MM25A132.5A10-36VDC1.3N/m1.8°254mm0.67kg本文小车使用两个电机分别控制两个驱动轮。通过控制电机的旋转方向来控制轮子的转动方向，通过控制PWM脉冲波数来控制轮子转动角度，如此便可实现对小车移动的精确控制。本文所使用步进电机的步距角为1.8°，标志着着该电机每接收到一个脉冲波则转子转动1.8°的角度。则车轮移动的距离为：l=1.8n其中n为脉冲波数，r为轮子半径。结合公式（3.2）可得：∆θ=1.8nr上式（3.5）中小车两轮距离一半d和车轮半径r已知，则建立起转向角与脉冲波数之间的关系，而脉冲波数可以通过编程控制。由于树莓派输出的数字信号电压不足无法驱动电机，需要使用L298N电机驱动芯片作为电机驱动芯片。L298N是一款电机驱动器，它既可以驱动直流电机，也可以驱动步进电机并可以提供6V-46V的电压以及2A的电流。L298N具有四个输入引脚接收来自树莓派的控制信号，四个输出引脚连接到电机。其驱动两项四拍的步进电机的工作模式如表3.3所示。实际使用时，通过软件控制树莓派相关引脚的高低电平，从而控制电机正反转。表3.3步进电机驱动模式Table3.3Steppermotordrivemode步进电机信号引脚第一拍第二拍第三拍第四拍正转IN10111IN21011IN31101IN41110反转IN11110IN21101IN31011IN401113.2控制与传感装置小车的硬件结构组成可分为核心控制器以及外围传感器两部分，控制器作为小车的大脑负责处理信息并发送指令。传感器则负责感知外界环境信息，并传输给控制器。下文将对本小车所应用的硬件器件进行介绍。（1）控制器树莓派作为一个手掌大小的微型计算机，它不仅可以像电脑一样运行程序，还可以通过引脚方便的与传感器相连接。树莓派麻雀虽小五脏俱全，不仅具备USB接口、网络接口和HDMI接口，某些型号的树莓派还集成了WIFI模块。因其具有功能强大、使用方便且价格低廉等优点，本文使用其作为小车的控制器，全面负责小车的移动、拍照以及通信等行为。本文所用树莓派型号为3b，此树莓派拥有1GB的内存，17个GPIO接口，满足本应用要求。此外，此型号树莓派还内置了无线模块，无需另配无线模块就可以与计算机进行通信。本树莓派其相关参数如表3.4所示。表3.4树莓派3b参数Table3.4RaspberryPi3BparametersCPU内存USB接口数GPIO数量无线网卡额定电压操作系统ARMCortex-A531GB417802.11nWLAN5VLinux（2）超声波测距传感器超声波测距传感器利用超声波来测量前方障碍物的距离，它有着较高的精度以及较快的响应时间，故本文采用其来进行距离测量。本文使用的超声波传感器型号为HC-SR04,如下图3.6所示。从图中可见其包含四个引脚，其中VCC引脚与GND引脚分别接电源与地线，Trig引脚控制超声波就发送，Echo引脚负责接收返回的超声波信号。使用须与树莓派上的GPIO口相连接。图3.6超声波测距传感器Fig.3.6Ultrasonicrangingsensor此款超声波测距传感器可提供0.02-4m的测距功能，测距精度达到3mm。满足应用场景对于测距的需求。其详细电气参数如表3.5所示。表3.5HC-SR04电气参数Table3.5ElectricalparametersofHC-SR04额定电压额定电流测量距离测量角度触发信号回响信号DC5V15mA2cm-4m15°10usTTL脉冲TTL脉冲在使用时，首先初始化将trig和echo端口都置为低电平，然后向trig发送至少10us的高电平脉冲，传感器接收到触发信号后会自动向外发送8个40K的方波，之后记录echo端高电平持续时间，根据测量距离=（高电平时间×声速（340M/S））/2就可以算出超声波到障碍物的距离。工作时时序图如图3.7所示。图3.7HC-SR04工作时序图Fig.3.7HC-SR04workingsequencediagram（3）PiCamera此款摄像头尺寸为25mm×20mm×9mm，且可直接通过CSI(CameraSerialInterface)接口与树莓派连接，安装使用方便。摄像头拥有约60°水平视场角，拍摄图片尺寸为299×299。小车在巡检过程中，距离所拍摄作物约为20cm，根据相机成像原理，可以计算出相机在目标距离的拍摄视野长度如下式（3.6）。D=20图3.8相机成像示意图Fig.