大棚蔬菜疾病檢測(cè)小車硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u29894大棚蔬菜疾病檢測(cè)小車硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例 119526第1章需求分析與整體設(shè)計(jì) 14012第2章機(jī)械設(shè)計(jì) 3319992.1小車骨架選取 338132.2小車運(yùn)動(dòng)模型 42627第三章硬件設(shè)計(jì) 522813.1動(dòng)力裝置 5283923.2控制與傳感裝置 8第1章需求分析與整體設(shè)計(jì)自動(dòng)化檢測(cè)蔬菜疾病流程大致如下，首先用戶在計(jì)算機(jī)端配置小車巡檢信息，隨后小車進(jìn)行巡邏拍照，并將照片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)端。計(jì)算機(jī)端對(duì)圖片進(jìn)行疾病識(shí)別，并顯示識(shí)別結(jié)果。分析可知，本文疾病檢測(cè)系統(tǒng)需具備的主要功能包括：移動(dòng)導(dǎo)航、拍照、通信、疾病識(shí)別和用戶界面。下面對(duì)這些主要功能進(jìn)行介紹。本文小車的移動(dòng)導(dǎo)航方式應(yīng)有兩種，一為自動(dòng)模式，二為手動(dòng)模式。自動(dòng)模式下小車進(jìn)行自主移動(dòng)導(dǎo)航，手動(dòng)模式下則由人工操作其移動(dòng)移動(dòng)。自動(dòng)導(dǎo)航功能要求小車能夠在蔬菜大棚內(nèi)不發(fā)生碰撞的情況下有效的移動(dòng)，并遍歷到大棚內(nèi)的每一條田壟。由于壟間空間狹小且道路崎嶇，小車應(yīng)具備合適的外形尺寸，一定的穩(wěn)定性和足夠大的動(dòng)力。為了避免小車毀壞作物，小車的移動(dòng)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)需具有較高的控制精度，這就需要為小車配備一個(gè)一個(gè)高精度的步進(jìn)電機(jī)以及可以一個(gè)發(fā)射PWM波的主控器件。拍照功能是一個(gè)極其重要的功能，所拍攝圖像的質(zhì)量將直接影響到后續(xù)的疾病識(shí)別過程。首先應(yīng)選用一個(gè)適合于本應(yīng)用要求的攝像頭，此攝像頭應(yīng)具有較小的尺寸與重量，且易于與小車的主控制器相連接。除了拍照質(zhì)量，拍照的頻率也是另一個(gè)重要參數(shù)，此參數(shù)的設(shè)定應(yīng)根據(jù)小車巡檢過程中的平均移動(dòng)速度，種植蔬菜間距以及患病率等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。一個(gè)合適的拍照頻率能夠使得大部分的蔬菜可以被采樣并且不會(huì)因?yàn)橹貜?fù)采樣而浪費(fèi)時(shí)間。通信功能為建立小車與計(jì)算機(jī)之間的通信，通信方式以無(wú)線為佳。這就需要為小車配備一個(gè)無(wú)線模塊，此模塊與小車主控制器相連接，以便與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行無(wú)線通信。疾病識(shí)別的準(zhǔn)確度意味著本文系統(tǒng)的有效性，每一次識(shí)別的失敗都會(huì)對(duì)用戶帶來(lái)麻煩，故設(shè)計(jì)一個(gè)高準(zhǔn)確率的疾病識(shí)別算法是非常必要的。根據(jù)功能需求，本文疾病檢測(cè)小車的總體設(shè)計(jì)如圖3.1所示。圖3.1小車總體設(shè)計(jì)Fig.3.1Overalldesignoftrolley小車的機(jī)械設(shè)計(jì)包括車體骨架的選取，拍攝平臺(tái)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)等。小車的骨架選取需考慮兩個(gè)指標(biāo)：一是外形尺寸，二是穩(wěn)定性。以便小車能夠在大棚中的田壟內(nèi)進(jìn)行有效移動(dòng)避障。拍攝裝置為安放攝像機(jī)的架子，應(yīng)保證其高度與角度有利于拍攝到作物的葉片，從而捕捉到作物患病信息。小車的運(yùn)動(dòng)裝置決定著小車的運(yùn)動(dòng)模型，也決定著小車的轉(zhuǎn)彎半徑。一個(gè)好的運(yùn)動(dòng)裝置應(yīng)可以讓小車的移動(dòng)更加靈活。硬件設(shè)計(jì)包括器件的選取，動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)，通信電路的連接等。器件的選取包括小車的控制器的選擇以及一些傳感器的選擇，選擇應(yīng)在保證小車功能的前提下盡量降低成本，如此小車的整體價(jià)格便能夠?yàn)椴宿r(nóng)所接受。動(dòng)力裝置的設(shè)計(jì)是以電機(jī)為核心的小車的動(dòng)力來(lái)源，大棚內(nèi)的道路相對(duì)崎嶇，小車具有足夠的動(dòng)力進(jìn)行移動(dòng)。此外，動(dòng)力裝置應(yīng)具備足夠的控制精度，以便小車在田壟內(nèi)精確導(dǎo)航。軟件設(shè)計(jì)包括核心算法設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。核心算法有三個(gè)：故障檢測(cè)算法、自動(dòng)導(dǎo)航算法和疾病識(shí)別算法。這三個(gè)算法較為復(fù)雜，是本疾病檢測(cè)系統(tǒng)的核心算法，也是本文重要貢獻(xiàn)之所在，故單獨(dú)列出。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括對(duì)于拍照算法、通信算法以及用戶界面的設(shè)計(jì)。其中拍照算法的功能為操控相機(jī)按照給定的頻率進(jìn)行拍攝；導(dǎo)航算法為根據(jù)控制模式控制小車進(jìn)行移動(dòng)；通信算法的功能為建立起小車與計(jì)算機(jī)之間的信息傳遞，其中需要從小車端傳輸至計(jì)算機(jī)端的信息有圖片、小車位置等，需要從計(jì)算機(jī)端傳輸至小車端的信息有巡檢參數(shù)、移動(dòng)控制指令、開始或結(jié)束巡檢指令等。以上設(shè)計(jì)完成后，將進(jìn)行系統(tǒng)集成與測(cè)試，包括小車的組裝，硬件的連接與軟件的部署等步驟。第2章機(jī)械設(shè)計(jì)2.1小車骨架選取蔬菜大棚內(nèi)空間有限，道路狹窄且崎嶇不平，地貌如圖3.2所示。由于小車需要在壟間穿梭，故其尺寸不能過大，移動(dòng)靈活性要高，且應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性。如此可保證小車可以在大棚內(nèi)有效移動(dòng)且不傷害作物。圖3.2蔬菜大棚種植結(jié)構(gòu)Fig.3.2Vegetablegreenhouseplantingstructure下表3.1為網(wǎng)上統(tǒng)計(jì)的大棚內(nèi)不同蔬菜品種的一般種植模式，其中包括田壟的壟溝寬度以及田壟的高度兩個(gè)信息。田壟高度決定了超聲波傳感器的安裝高度，壟溝寬度限制了小車的寬度。根據(jù)表中信息，本文設(shè)計(jì)的小車的寬度應(yīng)限制在25cm之內(nèi)，超聲波傳感器的安裝高度應(yīng)小于10cm。表3.1田壟的高度與壟溝寬度Table3.1Theheightandweightofridges品種壟溝寬度（cm）田壟高度（cm）白菜蘿卜黃瓜小蔥西紅柿茄子辣椒30-3535-40401540-5030-4035-40510-151510101515綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于小車的外形尺寸、移動(dòng)靈活性以及穩(wěn)定性這三方面的要求，本文所設(shè)計(jì)的小車模型圖如下圖3.3所示，其車身長(zhǎng)約25cm，寬約18cm，高約22cm，較小的寬度使得其能夠在田壟中移動(dòng)，較矮的高度增加了車體穩(wěn)定性。而且小車為三輪結(jié)構(gòu)，后輪為兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，前輪為一個(gè)萬(wàn)向從動(dòng)輪，這種差分驅(qū)動(dòng)的方式使得小車能夠進(jìn)行零半徑轉(zhuǎn)向，相比于四輪結(jié)構(gòu)不僅大大增加了靈活性，還避免了四輪結(jié)構(gòu)所可能產(chǎn)生的輪懸空問題。圖3.3小車模型圖Fig.3.3Trolleymodeldiagram2.2小車運(yùn)動(dòng)模型小車的運(yùn)動(dòng)可分為直行和轉(zhuǎn)向兩種，直行時(shí)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)方向相同，輪子轉(zhuǎn)過的周長(zhǎng)即為小車移動(dòng)距離。轉(zhuǎn)向時(shí)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)方向不同，小車的轉(zhuǎn)向示意圖如下圖3.4所示，圖中兩輪的實(shí)線部分表示小車的原始位置，與實(shí)線部分相隔?θ角度的虛線部分表示小車向左轉(zhuǎn)彎后的位置。當(dāng)小車一側(cè)車輪向前轉(zhuǎn)另一側(cè)車輪向后轉(zhuǎn)，即可實(shí)現(xiàn)圖中的原地轉(zhuǎn)彎。設(shè)兩輪之間的距離為D，則旋轉(zhuǎn)半徑d＝D/2。根據(jù)幾何關(guān)系可以得出：l=?θ上式（3.1）中，l為輪子在轉(zhuǎn)向過程中走的路程，移向可得：?θ=180l由上式（3.2）便建立起了小車轉(zhuǎn)向角度???與輪子轉(zhuǎn)過的周長(zhǎng)l之間的關(guān)系。在使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)很容易控制l，從而控制小車轉(zhuǎn)向角度和直行距離。此問題將在3.1步進(jìn)電機(jī)處討論。圖3.4小車轉(zhuǎn)向示意圖Fig.3.4Diagramoftrolleysteering第三章硬件設(shè)計(jì)本節(jié)將介紹小車的硬件結(jié)構(gòu)，包括一些芯片，傳感器，電機(jī)等設(shè)備。它們受到軟件的控制，并對(duì)外界環(huán)境進(jìn)行測(cè)量或反應(yīng)，在軟件與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間起著橋梁的作用。3.1動(dòng)力裝置動(dòng)力裝置是移動(dòng)小車的核心組件，負(fù)責(zé)小車的移動(dòng)功能，此裝置將用戶的移動(dòng)控制信號(hào)一步步的傳遞給電機(jī)，帶動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)。手動(dòng)控制本小車移動(dòng)時(shí)，移動(dòng)指令首先通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從計(jì)算機(jī)端傳輸至小車控制器，控制器將指令轉(zhuǎn)化為PWM波并下達(dá)至電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，經(jīng)過功率放大的信號(hào)最后傳輸至電機(jī)。移動(dòng)指令的傳輸流程如下圖3.5所示。圖3.5小車移動(dòng)信號(hào)傳遞路徑Fig.3.5Trolleymobilesignaltransmissionpath由圖可見，移動(dòng)信號(hào)傳遞經(jīng)歷了樹莓派、L298N 和電機(jī)三個(gè)器件。下文自底向上首先對(duì)電機(jī)進(jìn)行介紹。在電機(jī)的選擇方面，因小車的移動(dòng)導(dǎo)航需要精度，故而選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是可以將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的電動(dòng)機(jī)，它每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。算法可以通過控制脈沖信號(hào)的頻率來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過控制脈沖信號(hào)的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而精細(xì)控制小車的移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)因其速度的可控性而被廣泛應(yīng)用于輪式機(jī)器人領(lǐng)域。為使得小車能夠在蔬菜大棚內(nèi)的崎嶇環(huán)境下移動(dòng)，小車應(yīng)具有足夠大的動(dòng)力，這就要求步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該具有足夠的力矩。步進(jìn)電機(jī)負(fù)載力矩的計(jì)算公式如下（3.3）。F=[Ma+Mg上式中：F為負(fù)載力矩，M為小車質(zhì)量，a為運(yùn)動(dòng)加速度，g為重力常數(shù)，f為摩擦力，θ為角度，r為輪子半徑，n為電機(jī)個(gè)數(shù)。本文中采用的機(jī)器人總質(zhì)量約為3kg，主動(dòng)輪半徑為0.1m，電機(jī)個(gè)數(shù)為2，經(jīng)測(cè)量輪胎與地面摩擦系數(shù)約為0.5。設(shè)定小車行駛速度約為0.2m/s，加速度為0.3m/s，最大可爬坡角度30°。經(jīng)過計(jì)算得電機(jī)的負(fù)載力矩約為1.43。根據(jù)要求選用57MM25A13型號(hào)電機(jī)作為小車動(dòng)力裝置。其保持力矩為1.3N/m，基本滿足需求。57MM25A13步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)良，使用方便，具有故障報(bào)警功能，支持過壓，欠壓，過熱，過流，堵轉(zhuǎn)等保護(hù)功能。其使用環(huán)境為溫度0攝氏度到40攝氏度，相對(duì)濕度10%RH-85%RH。具體參數(shù)如下表3.2所示。表3.2步進(jìn)電機(jī)參數(shù)Table3.2Steppermotorelectricalparameters型號(hào)額定電流額定電壓保持力矩步距角相數(shù)機(jī)身長(zhǎng)度重量57MM25A132.5A10-36VDC1.3N/m1.8°254mm0.67kg本文小車使用兩個(gè)電機(jī)分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪。通過控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來(lái)控制輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，通過控制PWM脈沖波數(shù)來(lái)控制輪子轉(zhuǎn)動(dòng)角度，如此便可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車移動(dòng)的精確控制。本文所使用步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.8°，標(biāo)志著著該電機(jī)每接收到一個(gè)脈沖波則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°的角度。則車輪移動(dòng)的距離為：l=1.8n其中n為脈沖波數(shù)，r為輪子半徑。結(jié)合公式（3.2）可得：?θ=1.8nr上式（3.5）中小車兩輪距離一半d和車輪半徑r已知，則建立起轉(zhuǎn)向角與脈沖波數(shù)之間的關(guān)系，而脈沖波數(shù)可以通過編程控制。由于樹莓派輸出的數(shù)字信號(hào)電壓不足無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，需要使用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一款電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，它既可以驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)并可以提供6V-46V的電壓以及2A的電流。L298N具有四個(gè)輸入引腳接收來(lái)自樹莓派的控制信號(hào)，四個(gè)輸出引腳連接到電機(jī)。其驅(qū)動(dòng)兩項(xiàng)四拍的步進(jìn)電機(jī)的工作模式如表3.3所示。實(shí)際使用時(shí)，通過軟件控制樹莓派相關(guān)引腳的高低電平，從而控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。表3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式Table3.3Steppermotordrivemode步進(jìn)電機(jī)信號(hào)引腳第一拍第二拍第三拍第四拍正轉(zhuǎn)IN10111IN21011IN31101IN41110反轉(zhuǎn)IN11110IN21101IN31011IN401113.2控制與傳感裝置小車的硬件結(jié)構(gòu)組成可分為核心控制器以及外圍傳感器兩部分，控制器作為小車的大腦負(fù)責(zé)處理信息并發(fā)送指令。傳感器則負(fù)責(zé)感知外界環(huán)境信息，并傳輸給控制器。下文將對(duì)本小車所應(yīng)用的硬件器件進(jìn)行介紹。（1）控制器樹莓派作為一個(gè)手掌大小的微型計(jì)算機(jī)，它不僅可以像電腦一樣運(yùn)行程序，還可以通過引腳方便的與傳感器相連接。樹莓派麻雀雖小五臟俱全，不僅具備USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口和HDMI接口，某些型號(hào)的樹莓派還集成了WIFI模塊。因其具有功能強(qiáng)大、使用方便且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，本文使用其作為小車的控制器，全面負(fù)責(zé)小車的移動(dòng)、拍照以及通信等行為。本文所用樹莓派型號(hào)為3b，此樹莓派擁有1GB的內(nèi)存，17個(gè)GPIO接口，滿足本應(yīng)用要求。此外，此型號(hào)樹莓派還內(nèi)置了無(wú)線模塊，無(wú)需另配無(wú)線模塊就可以與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。本樹莓派其相關(guān)參數(shù)如表3.4所示。表3.4樹莓派3b參數(shù)Table3.4RaspberryPi3BparametersCPU內(nèi)存USB接口數(shù)GPIO數(shù)量無(wú)線網(wǎng)卡額定電壓操作系統(tǒng)ARMCortex-A531GB417802.11nWLAN5VLinux（2）超聲波測(cè)距傳感器超聲波測(cè)距傳感器利用超聲波來(lái)測(cè)量前方障礙物的距離，它有著較高的精度以及較快的響應(yīng)時(shí)間，故本文采用其來(lái)進(jìn)行距離測(cè)量。本文使用的超聲波傳感器型號(hào)為HC-SR04,如下圖3.6所示。從圖中可見其包含四個(gè)引腳，其中VCC引腳與GND引腳分別接電源與地線，Trig引腳控制超聲波就發(fā)送，Echo引腳負(fù)責(zé)接收返回的超聲波信號(hào)。使用須與樹莓派上的GPIO口相連接。圖3.6超聲波測(cè)距傳感器Fig.3.6Ultrasonicrangingsensor此款超聲波測(cè)距傳感器可提供0.02-4m的測(cè)距功能，測(cè)距精度達(dá)到3mm。滿足應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)于測(cè)距的需求。其詳細(xì)電氣參數(shù)如表3.5所示。表3.5HC-SR04電氣參數(shù)Table3.5ElectricalparametersofHC-SR04額定電壓額定電流測(cè)量距離測(cè)量角度觸發(fā)信號(hào)回響信號(hào)DC5V15mA2cm-4m15°10usTTL脈沖TTL脈沖在使用時(shí)，首先初始化將trig和echo端口都置為低電平，然后向trig發(fā)送至少10us的高電平脈沖，傳感器接收到觸發(fā)信號(hào)后會(huì)自動(dòng)向外發(fā)送8個(gè)40K的方波，之后記錄echo端高電平持續(xù)時(shí)間，根據(jù)測(cè)量距離=（高電平時(shí)間×聲速（340M/S））/2就可以算出超聲波到障礙物的距離。工作時(shí)時(shí)序圖如圖3.7所示。圖3.7HC-SR04工作時(shí)序圖Fig.3.7HC-SR04workingsequencediagram（3）PiCamera此款攝像頭尺寸為25mm×20mm×9mm，且可直接通過CSI(CameraSerialInterface)接口與樹莓派連接，安裝使用方便。攝像頭擁有約60°水平視場(chǎng)角，拍攝圖片尺寸為299×299。小車在巡檢過程中，距離所拍攝作物約為20cm，根據(jù)相機(jī)成像原理，可以計(jì)算出相機(jī)在目標(biāo)距離的拍攝視野長(zhǎng)度如下式（3.6）。D=20圖3.8相機(jī)成像示意圖Fig.