基于ATmega32的遥控采摘机器人设计

目前采摘机器人研究重点大多集中在视觉系统对果实目标的识别和定位上，利用摄像头获取果实图片信息，通过复杂的图像信号处理算法，编制程序进行逻辑处理，实现果实判断，发出采摘命令。这种方式机器人具有较好的自动识别的能力，并且能够自动采摘，无需人工操作，是农业机器人最理想的方式，但目前相关技术不够成熟，投入较高。本设计采用人机协作方式，即采用人工判别果实，机器人负责摘取。通过人工现场观察判断，使用无线遥控远程控制机器人动作。这种方式现有技术比较成熟，使得机器人研发周期缩短，造价成本低，虽然不能够完全代替人劳动，但能够降低人的劳动强度，对于目前中国农业的水平，能够更好的普及。

针对以上存在的问题，本文设计了一款基于ATmega32的模拟采摘机器人，能实现人工操作的机械采摘，通过红外遥控控制机械臂使末端夹持器伸到目标果实所在位置，进行抓取工作，完成采摘任务。

1 机器人总体方案设计

机器人设计融合了机械制造技术，电子电路技术，自动控制和传感器检测技术，以及软件开发编程等。本文中机器人的传感器和红外遥控器的信号输人到主控制板，主控制板处理后输出控制三自由度机械臂和履带底盘结构的机器人，红外遥控机械臂，实现抓取果实。机器人结构框图如图1所示。

机器人的控制模式为无线控制机器人采用直接操纵方式，操纵者通过遥控器向远端发送操纵指令。控制机器人的车体的前向运动，左右转向，三自由度的机械臂的运动，及夹持器旋转、张与合。文中设计的机器人具有结构简单，功能丰富，可扩展性强等特点。

2 机械装置设计

遥控采摘机器人机械装置图如图2所示，主要包括两部分：两自由度的移动载体和三自由度带夹持器的机械臂。机器人主体使用网孔铝板材料和工程塑料组装成机器人机体，结构轻巧，方便在车体上增加模块。移动载体为履带式底盘，加装了主控电路板、采摘辅助装置、多种传感器、电源模块等。履带底盘每一侧采用双履带结构，使用4台FAULHABER电机驱动。机械臂固定在履带式行走机构上，机械臂上的伺服电机使用扭矩10 kg／cm的MG995金属齿轮舵机，机械臂上伺服电机1控制夹持器的张开和合并，使得夹持器能够完成采摘和剪切等任务。伺服电机2控制夹持器的左右旋转。伺服电机3控制小臂上下运动，伺服电机4通过连杆和伺服电机5联合驱动大臂上下运动。


3 硬件电路设计

由于机器人需要处理众多传感器输入数据，同时控制众多电机，这对微控制器提出苛刻要求。基于开放性，可靠性，实时性等方面考虑，本设计采用高性能AVR处理器--ATmega系列，选择芯片型号为ATmega32 16AU作为控制核心。ATmega32 16AU，具有44个Pin，是32KB系统内可编程Flash的8位的高性能、低功耗微控制器。ATmega32是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。

ATmega32的数据吞吐率高达1 MIPS／MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。其内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器。其具有先进的RISC结构，131条指令大多数指令执行时间为单个时钟周期，32个8位通用工作寄存器，全静态工作，工作于16 MHz时，性能高达16 MIPS，只需2个时钟周期的硬件乘法器。

3．1 控制主板设计

基于ATmega32主板电路由电源模块，晶振模块，通信模块，电机驱动模块，遥控编码模块和输入输出部分等。主板电路上设计了8个输入接口、8个输出接口、4个直流电机输出接口，ISP接口和程序下载接口、IR红外遥控接收头接入端口及IR红外遥控器通道设置拨码开关，各个模块接口采用插拔式，可便于各种模块的使用和功能扩展。输入接口以多种传感器，检测信号输入MCU中。在计算机上使用AVR开发软件，编写程序，然后将程序下载到ATmega32中。红外发射模块发出控制信号给红外接收模块，通过红外接收模块将信号处理后传入MCU中，外界传感器模块将感应信号处理后传入MCU中，其将各种输入信号进行处理分析后向执行器件发出控制信号。

本设计的控制主板具有很强的扩展性，通过增添模块和修改程序，可用于各种机器人开发和智能电路制作，应用广泛。控制电路如图3所示。

3．2 USB转UART下载电路

AVR与PC之间进行串口通信，主板下载端口采用UART的串行通信方式，而计算机无法与UART端口直接相连，故需要一个USB转UART的转换器。综合实用性及可靠性等因素，设计转换电路芯片为单芯片桥接器CP2101。CP2101上集成的USB收发器无需外部电阻，集成的时钟无需外部振荡器，集成的512字节