【《基于esp32系统的智能农产品采收装置设计》13000字（论文）】

基于esp32系统的智能农产品采收装置设计摘要：本文主要目的是专门研究了一种农产品自动采收的农业智能小车,该应用技术目前属于基于智能型采收机器人的自然科学应用技术领域,这种新型农业智能采收循迹小车的实际开发应用研究价值很高,它可以使得我们不仅能够独立地在顽劣气候,风沙、毒气、等顽劣的自然环境下自动进行产品采收,而且完全不受周围的自然环境造成干扰。智能车可以在一个人类不能够适应的环境中进行安全而又不被影响地完成他们想要做的任务,这也在一定程度上催生了人们对智能车出现的迫切需求，同时也由于一些特殊行业和场合对智能车的特殊要求[1-3]。本文所要涉及的智能小车在系统设计上综合了编程设计、控制理论、电路设计、传感器等技术等许多的理论进行了计算。该系统的设计意图就是通过对独立行驶的智能驾驶小车进行实时监测,以防止路面上不平整的曲线和轨道,行驶时不会从轨道中偏移。本文主要从三个方面介绍了一辆智能车的基础设计,分别为硬件设计、软件和核心的控制算法的设计。首先从硬件上进行制造与开发这两个方面就对于小车控制系统进行了阐述。由系统进行拼装。由硬件和软件模块组合构成了一辆小车的整体，包括了单片机控制系统模块、传感器和控制算法、电机舵机驱动和电源模块,这些功能是基于所接收到的信号上差别而可以实现各自的功能。然后，小车的运行速度由一种路径控制加权速度检测仪器来进行精确检查并对小车路径加速度控制电路进行实现精确控制,从而直接可以达到对高速转弯转向角度和路径加速率的精准控制，这样就很好地直接完成了对智能小车沿着特定的运行轨道方向运行所有需要的技术要求和控制目标。关键词：智能小车；esp-32；控制系统；循迹；算法；目录30477摘要： I19418第1章绪论 1181621.1智能农产品采收系统的研究背景 1109931.2研究目的与意义 126700第2章智能农产品采收系统整体方案设计 3308872.1小车轨道的设计 384492.2传感器方案的选定 4173192.3循迹控制方案的选定 4206792.4系统功能分析 5127032.5系统整体设计方案 534第3章硬件电路的设计 8257023.1智能小车的硬件设计 880373.1.1循迹功能的硬件设计 8290453.1.2电机驱动原理及设计 87183.1.3舵机原理与设计 9179393.1.4速度控制传感器的设计 10113983.1.5单片机接口及电源的设计 1126075第4章小车控制算法分析 12152344.1小车PID方案设计 1278204.1.1PID简介 12201264.1.2PID的参数调试 13254134.2循迹算法设计 1425965第5章软件设计 16211345.1西瓜运输车的总体软件流程图 16216415.2西瓜运输车的循迹流程图 17179035.3中断控制流程 1720844总结 1932471参考文献 20第1章绪论1.1智能农产品采收系统的研究背景时代在快速发展，群众的生活越来滋润，不愿意打工当苦力，所以导致人工工资很高。很多工作也都是交给机器来做，这也是科技现在发展的主要关键方向。我国土地资源超级多，所以离不开耕田种地并且耕田种地是一项苦力活。现在的年轻人一般也都不去干苦力活，而且土地面积太大了导致不好收成。中国现在的农业机械也存在着各种各样的缺点，很多都有改进的必要，应该按照需求和实际应用区设计，本设计的目的是想让农产品采收后输送至车上和整理节省人力和时间的。在中国有非常多种植西瓜，种西瓜的地方都是很大的，一旦到了西瓜成熟的时候就需要用人力去采摘和搬到车上。这个搬西瓜的过程是非常耗费人力的，所以我们需要一个可以节省的人力成本的装置来代替人工。我在想，中国农民在这么广阔的土地上种植其他产品也应该会遇到这样的问题吧？如果可以用一个自动的机器来代替那不是很好吗？最后我想到了可以利用智能运输车的方式运输。这几年智能运输车正处在高速发展的时期，可以参考很多资料去设计，本设计的开展更加具有优势。现在智能车技术的研究特点主要有以下两个：第一，应用的领域不断扩大；第二，智能化程度越来越高[4]。我国在2006年2月发表了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，这篇文章表明，智能机器人将会是未来发展中的核心范畴，并纳入国家十一五“863”计划[5]。我国最早对于智能机器人的研究需求可以追溯到《国家中长期科学和技术发展规划纲要》[6]，在上面规划纲要中，很明白地提出了国家在智能科技领域的重要发展对象是机器智能技术，所以这个智能车技术就是在群众需要和国家很多行业需要的背景下产生的。1.2智能农产品采收系统的研究目的与意义农作物的人工采收输送过程操作是目前我国进行现代农业粮食生产当中的一个重要环节,其劳动强度相对比较大,人工智能采收技术的广泛应用下也使得它不仅可以直接自动实现对各种农作物采收进行人工智能化以及采收后的输送,在极大地有效提升了作物采收过程成本和生产效率的前提同时,有效地大大降低了采收工作人员的劳动强度。当前,农作物的采收智能化以及采收后饲料输送主要通过农业智能机车驱动配合农业人力驱动来进行实现。对于目前我国这样一个人口众多、地形复杂、均资源配置严重、气候和环境条件变化明显的传统农业强国来说,智能化农业采收和生产技术的发展相对比较欠发达,制约了我国农业的进步。各国对于智能机器人已经探索了有一段时间，智能机器人应用在每一个行业也有很多年的经历了。但是迄今为止，各国对于智能机器人却没有一个明确统一的定义[7]。要发展智能化的农业机器人,也就是要促使我国农业朝着自动化和智能化两个方向前进。在当今社会,我国的农业行政部门也已经总结了一些关于农业智能化和机器人发展的实践。比方说,在现代农业上已经应用了计算机技术、传感器与检测技术、图像信号处理技术,促使现代农业机器进一步走向自动化,以此不断地推动现代农业化的进程;同时,我国还研制和开展了各种智能化的农业机械,比如山东寿光市的智能化蔬菜拖拉机,大棚内全部采取了自动化的采摘设备,这便是实现了农业的自动化和智能化相互融合,同时我国还研制和生产出了各种自动化的拖拉机。同时,我国还不断地向外资企业汲取先进的经验,以便于更好地开发和利用智能化的农业机器。在科研方面，智能车可探测太阳系外行星，或发送图像等任务[8]。我们的科学家是这样定义的机器人，机器人是一种自动机器的能力，这是智能机器和不同的人或类似机构，如感知能力、计划能力、行为能力和协调，是一种高活性的自动机器[9]。农业机械设备的现代化和智能化服务方式可以降低工作人员的手动操纵时间,大幅度地提升工作效率,从而促进了相关农业生产的各个环节。智能化的农业机械设备内部所安装的多种类型传感器,不仅只是简单地对作业过程进行了监控,还因为我们可以迅速地绕开各种不利于正常工作的环境条件,把各种机械设备始终控制到最好的正常工作运行状态之中,这样就大大地提升了正常工作的可靠性、操作的安全性与技术可靠度。到目前为止，我国机器人具体分为两个大类：一是工业机器人、二是特种机器人。工业机器人是主要应用于工业生产和工业制造上的机器人，而特种机器人则是应用在一些特殊的行业中，如军事上和消防上以及服务类等，本课题研究的智能车是属于特殊机器人的一种[10-12]，而且智能车技术在帮助盲人的日常生活，以及在深海探测和太空探测中均已有了一些应用[13]本此设计的智能车调试实在粘着有一定宽度和长度的黑色胶带的地板上，小车在行进的途中需要不间断地变换着车体的方向和位置，让车身沿着黑色的胶带稳定行进，而且这架小车要沿着一定的行驶速度前行。第2章智能农产品采收系统整体方案设计本文所要为您设计的智能运输车系统具备了步道循迹同步行驶的基本功能,。将一条还是白色的贴在纸板上已经绘制好的一条黑线线路当作一条跑道,通过一个安装在一辆智能驾驶小车头的前端或者挂在车头上的一个传感器感应模块或者传感器软件来自动检测并得到这条黑色的胶带，这时候传感器将检测得到的黑胶带的信息通过小车的单片机控制板进行数据分析后传送到小车。小车的单片机控制板接收到并且分析了这条黑色轨道和信息，这样就可以直接让一辆智能车完成一次根据设定好的路径循迹。本次设计的硬件关键是利用esp-32单片机集成控制器，这个单片机的控制系统和管理系统是专门用来让小车的每一个控制功能之间可以互相调节和进行监控。信号直接采集这一部分主要实现使用的是我们所正在研究和使用的一种新型激光信号传感器，通过在其中直接地添加一个激光检测信号编辑器的操作程序就已经完全能够将所有的判别信号都很直接地收集到程序中，然后通过对esp-32单片机中的判别信号进行自动分析后,接着一个pwm的信号发生，控制模块就应该有能力自动输出一个pwm波，分别可以用于对高压电机和电动舵机的两种工作运行状态分别进行自动控制，这样可以增强小车的平稳驾驶能力并且高速行驶时也能够依照先前设置好的路径进行行驶，并使高速行驶时候转弯的稳定性大大加强。小车控制系统的硬件设计主要原理是由各种控制模块直接组合而成,用于设计本次智能小车的系统结构的构成。2.1智能农产品采收系统的小车轨道设计如今的道路是一通八达的，很多之前不可通行的山和河道甚至是海，现在也都是被改做成了一条一条大道了。但是并不是每一条路都是平坦无痕的，每一条公路都是有它的拐弯处和上下坡处或者公路用久了会有沟槽。所以想在实验室里对小车进行道路上的调试是不可能跟现实生活中或者农场里面的道路一样的，本次设计只能尽量用简单的道路情况来模拟，用黑色胶带粘贴在浅色的地板上（最好是白色）来进行模拟。但是这个模拟轨道不能是一成不变的，需要用弯曲和不平的路径对此小车进行测试，只有这样我们才能说和真实的道路环境比较贴近一点点，使得我们的测试结果也更加可靠。将地板作为背景，然后黑胶带粘贴成一个闭环，中间的路途情况随便我们布置，这样就跟收西瓜的真实情况比较贴近，我们需要设置定点让其装西瓜和卸西瓜。等到西瓜装到一定的小车承载重量的时候，小车就沿闭环继续向前开去直至回到起点。2.2信息采集传感器方案的选定本次设计的智能车是利用传感器去感应场地的信息，然后转信息转换成图像再转换成数字信号。现在那些比较发达的国家或者科技新兴的地方对于这种科技工业生产水平和信息都是比较先进的。现在的图像传感器都是很好用的，都可以很清楚地采集到信息然后在传输时的品质也是越来越高。然而现如今CCD和COMS传感器都被数码行业的人士广泛利用。而在道路这方面的检测传感器也是有分好几种的：第一个方案：CCD传感器。虽然在价格上有优势挺便宜的也可以很容易就安装在电路上，而且大街小巷上都有人在卖。但是它也有它的不足之处：它需要的给它提供的电源电压要很高才能带得动它，所以这个东西的电源的消耗功率肯定会很大，所以说价格便宜在这个方面也显得无力了。并且这个传感器的数据在设置的时候会需要有更大的储存的地方来保存它的数据，然后它还要用很多很多时间来进行数据处理还有它的输出信号的提取和处理是非常困难的，不是说像我们平常提取信号那么简单，还要花费一定的工序才能提取。所以我并不想要用这个方案。第二个方案：光电处理器。我本此设计想的是激光传感器和红外线光电管。还有一个就是电磁传感器，但是它的制作技术是需要我们在制作过程中能够对这个的模拟电路摸得很透而且能够在使用它的时候得心应手，不然很难控制得了它。这样复杂的过程使得我们在使用了它以后会有很多困难，比如工作量大，复杂程度高等等。所以我也不用电磁这个方案。从以上两种方案看来，还是激光传感器比较好用。它不但可以比较容易地被我们制作，而且它的信号也比较容易被我们提取出来，这使得我们的操作比较简单和很快让我们懂得。虽然它也有缺点：在静电的影响下很容易产生来自激光传感器的误差。结合以上的方案的优缺点，然后根据自己的实际情况等多个方面，最后本次设计我坚定地选择方案二的光电传感器。2.3西瓜输送车的循迹控制方案选定根据设定的路况和路径行进，智能小车的循迹有下面这几种方案可以参考和选择：第一：利用发光二极管和光敏电阻完成小车循迹，这个在室内进行的话还是比较理想，但是一但在室外的话，外面的太阳光和物体的反射光对这个二极管的影响还是很大的，所以这就让这个小车的行进影响很大了。第二：红外光电传感器。这个方案是根据交流调制信号，就比较不怕外界光的影响，不管是室内还是室外都同样可用，所以这个方案是可以让本次设计的可信度更加可靠的，而且它的反应时间也是相对比较快的，可以达到较好的效果。第三：采用CCD摄像头，如2.2所述。根据上面这三种循迹方案的优缺点比较，本次设计我采用的用来做收集信号终端的传感器是用红外传感器。它卖的价格又不贵在可以接受的范围，而且它的反应速度还算敏捷，实时跟踪的性能还是比较优良。2.4智能农产品采收系统的功能分析这种应用于农业的智能运输车大部分都应用于土地辽阔的农场之间的输送，这就要求这种智能运输车可以进行远距离的输送，而且它的带载能力必须很强大，最重要的是能够在各中地形中穿梭，不能仅仅是在平原。

(1)系统构造。装置选用智能车与人力的配合。

(2)带载能力。我们做本次设计的目的就是为了搬运东西，所以它的带载能力肯定要达到一定的量，并且还得具备稳定性。带载能力包括两个方面：一个是一次性循迹能够带回多少产品；第二个是稳定性：要说每一次都能够带回那个量得产品，不能够说一次可以装很多然后一次就歇菜了，这样就不具备稳定性。

(3)实用性。因为农场得农作物成熟都是在差不多一定得时间，并不是说一年四季都是在运行中。所以我们的输送车不能说一段时间没用之后再来用它的时侯就坏了，这样我们相当于得用一次修一次，就不具备实用性和稳定性了。我们还要求在不用它得时候能够教方便地对它进行保养。(4)安全性。本次设计的智能运输车还是得用人工来配合完成的，不是说全自动地装卸货。既然是机器就有一定的操作误差，它也不像人这样具有人情和善良的心，这也就需要这个输送车具备一定的防护装置，避免在人与它配合时被误伤到。

(5)自适应性。因为本次设计的智能车都运用于室外的农产上，所以地形是各式各样的，天气也是随天而变的，这不是我们人为可以控制的事情。这就要求本次设计的车子可以适应各种地形和各种天气的变化。

(6)使用年限。产品的使用年限应该是我们一开始就在考虑的东西。我们拿农场输送车来看，如果你一个输送车只用了一年或者两年就坏了，那这样人家地主买你的这个产品来用几次就坏了，这样不如直接雇用人力。因此，这就要求我们产品的使用年限至少在五年。这就使得我们在运用材料构造时得更加用心去挑选和期间的保养。2.5智能农产品采收系统的整体设计方案智能小车硬件的整体电路框架设计如图2.1所示:图2.1智能小车硬件设计框架图图2.1是该小车中硬件的整体电路设计框架。我们在这张线路图中就已经可以清楚地清晰看到，本次设计的小车它的信后采集是可以一次性地把两个信号一起收集，然后这个输出是可以利用两种不一样的输送方法进行数据的同时输送的。再通过本次设计前面选定的传感器对小车的行进路径进行非常智能的扫描和识别和自动控制，通过各种智能车实现所要求需要的各项控制功能，单片机将车电动机控制输出两列互相并行的pwm波,通过两列pwm的电波分别来对此智能小车的轮胎和前面的舵机进行驱动控制，智能车里面承载的自动导航系统就是利用自行手动完成控制一辆车的并且可以使其事先设定好的所有的在行驶过程中的功能可以实现。在我的pcb板上，本文把所有基于单片机的控制集成系统，电源的微控制器集成电路，电机的驱动控制器集成电路，传感器电路驱动的微控制电路等全部集成应用到了上面。如下图是本次设计的智能小车实物：图2.2智能小车实物根据上面硬件的讨论，本次的智能小车由单片机esp32控制系统、电源控制、传感器控制、速度检测控制和电机舵机控制这五个部分组合而成的。而这五个部分中的每个部分都是要交由软件的编程来使它们的每个功能都能实现，然后再用硬件电路来组合而成小车的实物。本次设计的智能小车最基本的要求是使其能够载货以一定的速度在原先设定的轨道上面行驶，并且对于弯道可以很迅速的做出转弯的行为。这也就意味着我们的单片机esp-32就是一个大脑，能够及时地对于突发情况进行判断和反应，并且还得调动舵机转向使其可以及时避开危险地事物，才能让小车可以及时地减速，不会因为一点轨道上的变化而撞上。第3章智能农产品采收系统的硬件电路设计3.1智能农产品采收系统的硬件设计3.1.1智能农产品采收系统的循迹功能硬件设计本文设计的智能循迹小车的循迹功能是用单片机esp-32的编程控制算法来与小车硬件前面的红外线光管相互配合而成的，esp-32单片机控制系统是可以根据发生的情况的信息来及时地进行自我调节的，如果小车发生左偏或者右偏的情况下，小车是会立刻自动地调整行进方向的，使整个车子行驶在原先设定好的轨道上。要想使智能小车在白板上或者地板上发生自动循迹状态，必须要事先设置好清晰的轨道引导线（也就是本次设计的黑胶带）。在调试过程中，本次设计使选用木板或者白色地板砖作为智能车的一个行驶范围，然后在上面贴上黑色胶带用做引导线，但是那个黑色胶带的宽度要适中，不能过宽也不能过窄，不然的话小车无法检测到也就无法循迹了。利用黑胶带和白板的原因使因为黑胶带和白板对红外光线的反射率有所不同，红外线在与黑胶带对上之后几乎全部都会被小车的接收器所吸收，几乎没有会反射的光线。然而红外线要是与白板对上之后就几乎全部被反射，几乎没有被接收器吸收的。那我们就可以依靠这样的原理得知反射光的强度以及频率的大小来确定小车行驶在哪个位置了，从而可以判断小车是否已经驶出了轨道。本文采用单片机控制系统、信号检测装置、电机驱动控制这三个方面来组成智能小车的循迹功能。而这三个方面采用的硬件内容如下：运用esp-32单片机控制器。而信号检测的装置利用红外光电传感器来进行信号检测工作，然而光电传感器利用红外光对管了进行操作。工作原理如同上文所说的因为红外光线对于黑胶带和白板的反射率不同，从而可以知道小车的运行状态和所在的位置是否偏离轨道，这些都得益于红外线可以被光电管所采集到并且转换成数字信号的形式。3.1.2智能农产品采收系统的电机驱动原理及设计要想使小车进行加速行驶就要求要有电机控制驱动器，这个驱动器还必须是具有很小的电阻，同时还要有一定的制动能力和一定的稳定性，并且这个驱动器还不能太难操作。这样的驱动器不仅能够有效促进整个小车加速具备较高的转矩,而且能够在其他车出入各个弯道时能够同步自动完成小车加速和制动降压等重要工作。通过利用单片机的引脚接口来自动分别调节左边两个端口引出的电压输入和引脚,在给出该芯片的最高可靠性要求使得两个功率控制端口的n7引脚自动输入一个新的低电平电压信号时,其引脚输出的电流状控制电压在一些现实情况下,智能车在进行快速逆转电机循迹的操作过程中,一定态信号是一个低电压高电阻。由引脚对应地进行输出一个vcc的输入占空比不需要特别注意如何保证每个控制源的电机都必须是在正常逆转的运行状态,一定不能随意让任何一个人知道想什么办法去指令其他控制源的电机信号进行快速逆转,如果其他控制源的电机逆转想要大大减少小车运行的加速度的话,只能在需要将其他控制源的电机信号进行快速逆转后在运动的这个时候和其他反向源的控制手机电压信号进行相互组合。Esp-32的原理图：图3.1esp-32原理图3.1.3智能农产品采收系统的舵机原理与设计舵机的设置原因就是要利用它来控制智能车的转弯角度。pwm的脉宽电路调制，使现如今被人民称之为电流脉冲世间宽度信号调制也可以叫它的简称是缓冲脉宽调制，使用计算机射频控制的输入占空比控制来直接达到控制输出实际的输入电压真实的数值，现在这个技术功能已经被很多行业和国家成功地运用了。根据要求交流开关电缆通过交流逆变转换器控制电路模块中的交流开关电源控制转换设备,以及进入输出的交流开关电源,以便于提供一系列控制幅值脉冲大小大于相等和正弦波的交流脉冲将其改变在一个位于相应交流负载上的脉冲改变宽度的滤波调制器中来用以代替一个大小剩余的正弦波。这样，输出电压的电源时，改变能保持恒定的工作条件，是一种非常有效的控制用微处理器的模拟信号转换成数字信号的电路的技术[21]。其中现如今运用pwm电机的控制技术来进行操作的很大的优势就是非常渐简便和很灵敏地进行操作，这个技术已经逐渐被现在很多权威学者当作非常重要的一项技术来进行研究和探讨。在现在这个信息互通有无的时代或者说是大数据时代，一项信息类的技术很有可能被运用于不同的行业范围内，因此不同的领域之间也是越来越紧密地联系在一起。所以这样看来，在这个信息时代，这项pwm控制技术很有可能会成为这个时代的信息技术发展地领路人。转向驱动信号的运行频率可以用来指示控制电平舵机的运行方向，但是pwm转向信号的频率高电平舵机运行持续时间应该是短的可以通过控制转向信号舵机会自发地对自己的路向进行相应的改变。接收器就是用于测量接收调制输入和偏置调制输出信号的一个控制电路，能够自动测量并且同时得到一个交换二极管的偏置输出电压。在舵机的内部结构中隐藏着一个交流的基准偏置电路，而这个偏置电路的作用是需要其输出脉冲宽度是15并且时间脉冲长度大约为20ms的交流参考相位信号，这样通过计算出来的数据可以得出直流偏置相位电压与移动电位器的交流基准偏置电压之间的相位误差。最后，电机驱动控制器的芯片系统决定了输入相位差确定值后的电机输入输出电压及其幅值根据是否正或负反转来对其进行自动调节，这样保证电机的正或负和反转都已经被系统确定。转向盘由齿轮的传动输入转向轴被带动通过一个电位器将其连接到对应的反馈最低电位，这就使得一旦这个齿盘发生高速转到的时候，这时候就会让舵机的速度运行在相对于的反馈的最低点位中，而此时的舵机也会及时地收到可以自主控制电路的反馈相位电压控制信号，而这个自主控制电路则可以对智能车的旋转位置和运行速度以及马达的旋转的方向进行一定的控制，当电压检测器感到反馈电压信号为零或等于零,电机就变得没有必要再高速转动。3.1.4智能农产品采收系统的速度控制传感器设计增量式脉冲的编码器是在运行之后即可通过输入360脉冲以这样的编码方式运行来控制精度。增量脉冲的编码器通常可以通过它被用来产生抵消的一个具有周期性的脉冲电信号，然后，转换成这个电信号的位移计数器该脉冲的每个脉冲振荡次数被用来表示代表其位移。编码器通常是一种把角位移或者射频线路上的位移频率变化信号转换成成为一种无线电射频信号的编码方式。它还是有非常多它自身的优势点：在此编码器中，我们可以从中发现如果当旋转轴在快速运行的时候，我们可以自己设置和创建自己的一个数据测量脉冲点数，这样我们就可以轻松实现我们目前所能做到的很多数据测量库的积累内容。而输出光栅轴的脉冲编码处理器光栅脉冲数是常数，编码器中每个光栅的脉冲线数也就直接决定了它的脉冲数。在根据速度环路电流的速度的同时进行检测，在发动机控制减小速度如果快，那么下降的更快[8]。3.1.5智能农产品采收系统的单片机接口及电源设计这种装置绝大多数都被广泛地应用到了工业设计中，尤其是在电子领域。拥有众多的接口I/O及其通讯接口，这是该系列单片机的最大优势。原理图如3.1所示:图3.1原理图第4章智能农产品采收系统控制算法分析4.1智能农产品采收系统的PID方案设计4.1.1智能农产品采收系统的PID简介开环控制系统（Open-loopcontrolsystem）：此系统可以直接控制物体的输出（数量控制）但不能直接影响控制器的输出。而在这个系统不用让它的受控量再送回到起点。闭环控制系统（Closed-loopcontrolsystem）：此系统控制对象的输出将被送回至起点，这样起点和终点形成一个闭环或者多个闭环。而不是一条线走到底。这种控制系统被人们称为闭环控制系统，而在闭环控制中的又可分为正反馈系统和负反馈系统，反馈系统是要看反馈回去的和原先系统给定的值是否相同，相同的就是正反馈，不同的就是负反馈。阶跃响应：也就是指一个阶跃响应输入加到系统上时，另外一个新的系统的输出。PID的参数可分为P、I、D；其中，D（S）为控制器，完成PID控制规律。比例（P）控制器：U(t)Kpe(t)（4-1）比例+积分（PI）控制器：Ut=K比例+积分+微分（PID）控制器:Ut=K以上各种参数的含义：Kp代表比例放大的系数；Ti代表积分的时间；Td代表微分的时间PID可以分为位置式PID和增量式PIDPID算法表示为：Uk=KPe式中U(k)表示第K个采样时刻的控制，KP表示比例放大系数，Ki=KPTSTi表示积分放大系数，K增量式PID算法为：Uk=Uk−U位置式PID的输出与整个程序的过去的数据有关，用到了误差的累加值。要在每一次输出的时候累加它的误差，这样就显得工作量很庞大，而且误差还会越到后面越大，所以本文并不提倡用此种方法。而增量式PID的输出只与当前拍和前两拍的误差有关，所以输出的是一个增减量（△），△表示增减的多少。如果一个系统在增量PID的时候，系统每次都会输出PWM的增减量（△），而输出不了PWM的真实输出值。因此本文就是利用增量式PID。4.1.2智能农产品采收系统的PID参数调试（1）负反馈使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定。一般我们在使其自动化方面采用的都是负反馈，因为其可以使系统输出与系统目标的误差减小。如果想要知道这个电路是负反馈电路还是正反馈电路一般都在连接线路，通过输出跟输入的对比来判断正负反馈。PID调试的原则由各个参数的规律可知，比例P使反应变快，微分D使反应提前，积分I使反应滞后。在一定范围内，P、D值越大表明调节的效果越好。各个参数的调节原则如下：a.在输出不振荡的情况下，增大比例增益P。b.在输出不振荡的情况下，减小积分时间常数Ti。c.在输出不振荡的情况下，增大微分时间常数Td。（3）PID调试的一般步骤a.确定比例增益P在PID调试过程中，首先我们需要考虑去掉PID算法公式中的积分项和微分项，以便于计算得出比例增益系数P，根据PID的参数设置说明就是要把Ti和Td都设置为0即Ti=0、Td=0，将PID变成完全比例调节函数。将系统输入控制在系统峰值的60%至70%之间，将比例增益系数从0逐渐增大直到系统出现振荡为止，并记录此时的数值P1；以上的过程再反向做一次，将比例增益系数从P1逐渐减小直到系统停止振荡为止，记录此时的比例增益系数P2，最终将PID的比例增益系数P确定为0.6倍的P2，即P≈0.6×P2，至此，比例增益系数P的调试工作已经完成。b.确定积分时间常数Ti系统的比例增益系数P一旦得到了确定，就要为时间常数Ti假定一个初值，假定的这个值必须足够大，接下来再将Ti逐渐减小，直至整个系统开始出现振荡，然后又再逐渐地加大Ti直至整个系统地振荡完全消失。此时，记录此时Ti的值为Ti1，则系统的PID的积分时间常数Ti为当前值的1.6至1.8倍，用公式表达为：Ti=（1.6~1.8）×Ti1。至此，积分时间常数Ti地调试工作已经完成。c.确定积分时间常数Td确定积分时间常数Td的方法与确定P和Ti的方法相同，最终取值为系统振荡时的30%，通常系统中的积分时间常数Td不必设定，经验值为0。d.进行一次系统地调试，进行系统的调试时不仅要进行系统空载还要进行带载调试，在进行调试系统的同时也需要回头对PID参数进行一些微调，直至系统性能稳定。4.2智能农产品采收系统的循迹算法设计循迹控制算法的流程如4-1所示：图4-1循迹控制算法流程图本文设计是利用四个光电管依次置放于车体的车头部分，以用于探测信号。因为要保证探测的信号的全面性，这就要求我们要均匀的分布这四个传感器的位置了，相邻的两个传感器必须要分布在小于黑胶带宽度的位置，这样就能保证智能车在行驶过程中至少有两个传感器能够扫描到黑胶带，然后另外两个传感器则可以扫描到白板或者地板了。而当智能车在行驶中，如果定义传感器扫描到黑胶带时可以输出低电压0，然后定义扫描到白板或者地板的时候输出高电压1时，那么小车在行进时只能输出1001这样的数值。如果输出时其他的数值时，我们就可以知道这个智能车是偏移轨道了或者停止了，这样我们就可以给定小车自我调整。而由此我们也可以轻而易举地看出小车此时的状态是车头偏左偏出还是偏右偏出。如果是输出1100、1000、1101、1110这几个值的时候，我们就可以清楚地知道小车是偏左偏出了。如果是输出了0011、0001、0111、1011这几个值的时候我们也可以清楚地看出小车是偏右偏出了。并且我们还可以知道小车的偏离程度，并使小车自动调整方向。如果是输出0000或者是1111这两个值。直接可以断定小车已经撞到了护栏或者已经冲出轨道了。就无法再继续向前行进了。第5章智能农产品采收系统的软件设计5.1西瓜运输车的总体软件流程图在给智能运输车开上电源之后，系统中的每个传感器都会在不停地扫描本文设定好的轨道的全部信息，然后将扫描到的数据直接通过各个方式传输集中到单片机esp-32上，而单片机的扫描智能不停地扫描到I\O口，这样一来，小车就能随时感受到I\O口的改变情况，一旦输入\输出这方面输出高电平变低电平或者低电平变成高电平，小车中的单片机就会选用出这个有关的处理机构去处理这些变化。举个例子，esp-32单片机可以把最后的处理结果送给电机舵机控制系统用来控制小车的行进的一个状态。图5-1为西瓜运输车的主程序流程图：图5-1为西瓜运输车的主程序流程图5.2西瓜运输车的循迹流程图一旦使西瓜运输车开始进入工作状态，小车车头的四个光电管传感器就会开始对既定好的轨道开始进行扫描。由于本文设计用到的是利用黑胶带和白板作为轨道平台来进行操作的，所以如上文所说，如果传感器扫描到黑胶带的话就会输出低电平0，扫描到白板的话则会输出高电平1。这样如果想这个西瓜输送车在很正常的状态行驶的话传感器就会输出1001，输出其他组合的话既可以判断它是偏离了轨道即没有以正常状态在轨道上循迹，这时候小车应该进去自调整状态了。则西瓜运输车循迹软件流程设计如图5-2所示：图5-2为西瓜运输车的循迹流程图5.3西瓜运输车的中断控制流程感受变化就是读取一个或多个传感28的值，分析判断是根据读取的传感器的值及预先设定的程序进行数据处理，做出反应是及时将程序运算的结果反馈给执行器执行。为了随时根据传感器的变化而做出反应，程序需要不断重复这个过程，这种处理方式叫做轮询。但是轮询有时候不能很好地完成上述过程，举个例子按钮信息输入的话，当这个按钮被按下的那一刻，当这一刻主应用的程序并没有直接理会它而是自己在执行其他的事情时，这时候这个按钮按下这个信息就很有可能被忽略掉，这个时候此系统就是正常状态的系统了。给按键适配外部中断，从而可以很好地避免上述问题的发生。所以外部中断是由外部设备发起请求的中断。每个中断都会对应一个中断程序，中断程序也就是被认为是一段独立于主程序之外的程序，也可称作中断回调函数。当中断被触发时，它的控制器会自动暂停当前正在运行的主程序，而自动跳转去运行中断程序。所以当中断程序已经运行完毕时，则会返回到原先主程序暂停的位置，继续执行它的主程序，如此便可同时达到对实时响应处理事件的最佳效果。中断程序运行示意图如5.3所示：图5-3为中断程序运行图总结智能农产品采收系统技术中本文采用的西瓜运输车这个系统运用到的技术，是一个非常与时俱进的高科技技术，这个技术在我们社会上的很多个领域都会被运用到，比如科学研究、工业生产领域；对于我们国家来说，这也是一项特别重要的一项技术，可以在军事和国防上面运用这项技术；在我们的日常生活中，现在也是有很多人运用这种智能车去取快递或者买东西，而且很多配送方式也改成了无人配送或者是机器人配送。在后面的调试过程，本文所设计的西瓜输送车能够平稳的行驶在直道或者弯道上面行驶，我们还可以根据我们要实现的场景去设置本次小车的速度，这基本就是使我们的智能西瓜运输车可以符合我们的设计要求。本论文完成的主要工作包括以下几个方面：第一方面：本文主要讨论了智能西瓜输送车的研究背景以及设计它的目的，还有目前关于这方面的所有研究现状。第二方面：主要是讨论和列举了本文关