【2022项目复盘】第六届大学生智能农业装备竞赛

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概述

在2020年底，我参加了在山东淄博举办的“中联重科”杯第六届大学生智能农业装备国际创新大赛，这篇文章是复盘与部分代码的解析。

这次比赛，我首次使用CubeMX+Keil5的工作流程，在上一届学长成果的基础上进行了修改，完成了硬件设计工作。整体的工作自由度比较高，非常适合用来进行创新设计。软件根据题目要求可以分成两个部分：行走部分和栽苗部分。行走部分通过超声波和编码器检测测距控制电机、转向舵机。栽苗部分通过自制的Openmv4摄像头检测，反馈给行走机构调整位置，最后完成栽苗工作。

硬件部分

机械结构

整体硬件结构是使用跨垄大车的结构，使用2020欧标的铝材进行搭建，使用连接件在必要的位置进行连接和加强。在跨垄大车的两垄间部分，每个部分安装两组云台+电机的行走机构，每组行走机构均为全向，即舵机云台实现180°旋转，直流电机实现正反转。在每个部分还安装5只超声波距离传感器，以保证在前后左右每个方向都有至少两个超声波传感器进行测距。在跨垄大车的垄上部分上设计任务所需的作业机构，在第五届是割草机构，在第六届是栽苗机构，在第七届是采摘机构。根据每个机构的作业需求，可适当加高车辆。

云台结构为普通云台结构，在尺寸上进行缩小，整个直径控制在15cm。电机为普通的12V有刷直流电机，每个电机配有编码器，可进行单个电机的单独调速。
作业机构为使用精确切割的亚克力板和3D打印的套筒。使用两个舵机进行控制，一个舵机负责安放套筒，防止放苗的时候的倒伏，一个舵机负责转动苗盘进行放苗操作。
整体上来说，多使用板材和已有的型材进行拼装。思路是多使用一维（2020铝型材）和二维（云台定制铝板、切割的亚克力板）进行DIY制作，这种条状和平面状的材料自由度高，而且获取方便，用来DIY一些即兴的作品非常有效。

主控板

整个软件控制集中在主控板上，主控板用于控制所有的作业舵机、云台舵机和行走电机，同时接收来自从板发过来的距离信号和Openmv发过来的栽苗信号，通过这些信号来决定动作。使用的是STM32F407VGT6的芯片，共有100pin。总计使用10路PWM输出（4个用于直流电机调速，6个用来驱动舵机）、4路AB相编码器（用于记录直流电机转速，以进行闭环调速）、2路USART串口（一个接收距离信号，一个接收栽苗信号）、一个IIC（MPU9250的陀螺仪读参）、一个SPI（驱动OLED屏幕）、4个LED和4个按键（用于操作）。

超声波扩展板与从控板

在每个垄间行走机构的周围都有5个超声波距离传感器，它们的供电和信号集中在一块超声波扩展板上。5个超声波传感器的触发和接收各需要5根线，一共是10根。两个垄间行走机构一共是20根。这些信号线都被接在了一块从控板上，因为主控板上的资源已经不够用了。从控板的性能与主控板一致，只是在外设上取消了较多的PWM和编码器信号，用来统一处理超声波信号，然后通过串口发送给主控板。

OpenMV板

采用开源的OpenMV v4的结构，使用STM32H743芯片作为主控，整个板子为自制，用于检测红色色块。具体的设计以后有机会可以介绍。

软件部分

软件使用HAL库进行编程，主要设计为在main函数中设计赛道数据，在联合中断函数（控制函数）中设计各级中断，和它们分别处理的功能，每相功能都留了开关，以便于随时切换。

底层代码设计

在电机部分是从单个电机控制到横向和纵向的控制，再到以编码器数据为主的控制。其中编码器的PID计算参数有一些不同，大致分为三种情况，一种情况是Position模式，第二种情况是Distance模式，第三种是Openmv模式。
舵机部分比较简单，就是一个驱动代码，然后整合各个位置参数进行封装，最后云台位置舵机联调后整体封装。
串口方面，主控板用一个简单的串口中断进行接收，从控板在一个10ms的中断内发送距离信息（每10ms发送最新数据）。Openmv板不停检测，检测不到就发送0，检测到就会发送目标的坐标，主控板的第二个串口中断也不停接收信息，如果信息有效，并进行操作。
其余的MPU9250就是用一个简单的IIC协议进行读取访问，SPI的OLED屏幕进行显示参数和当前状态，LED和按键也是一些简单的配置。

控制代码设计

在只使用一个时钟中断中，通过记录中断次数，可以做出不同时间间隔的中断，虽然来说时间不能严格遵守，因为执行中断也需要一部分时间。但是只要中断操作内容比较简单，或者降低整个设备操作对时间的容忍度，这些时间误差是可以忽略的。
在这个项目的控制代码中，我主要使用了10ms和20ms两个中断。在20秒的中断中，仅进行MPU9250的数据采集。在10ms的中断中，进行编码器状态选择和Running Mode选择。编码器状态选择之前已经介绍了，Running Mode分为5个状态，就是横向左右，纵向上下和停止。在不同Running Mode中采用不同的PID布局。
运行的PID方面，我们整体使用MPU的陀螺仪位置PID以及内侧超声波距离PID，两个PID并联来调整车辆动态，通过设定参数来调节权重，保证车辆的行走动态。在轮上的编码器也写了一个PID，它是常驻的，主要是用来调速；当然编码器还有一个用途是记录车辆行驶距离。

OpenMV的控制代码是独立的。每当检测到靶心后，就会自动运行栽苗程序，栽苗步骤完成后，车会继续跑完编码器设定的路程。

主函数代码设计

我们结合主函数，把代码具体过一遍。下图是逻辑编号。
整个行驶分为溜边进场，1-2-3-4-5-6，出场。其中6为快速通过，不需要检测苗位。1-2-3-4-5每横向走过一段后要纵向走一小段，来切换到下一条垄。

初始化后，根据场上放靶子的垄，进行手动设置，没有靶子的垄迅速通过。然后等待陀螺仪指数不再进行偏移后，清零，并在裁判的指令下发车。

/***************车辆进场******************/
		START_GAME(8000);
		/*************Y_Up直行溜边****************/
		Running_Mode_Set(Y_Up, 50);
		HAL_Delay(3500);
		Running_Mode_Set(Y_Up, 20);
		HAL_Delay(500);
		while(1)
		{
		  if(SonicDistance[Sonic_5] < 18)
				break;
			else
				HAL_GPIO_TogglePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin);
			OLED_ShowNum(20, 52, (uint32_t)SonicDistance[4], 3, 12);
			OLED_Refresh_Gram();
			HAL_Delay(10);
		}
		Running_Mode_Set(STOP, 0);
		HAL_Delay(200);
		Stop_d();		

快速进场（START_GAME）后，将Running Mode设置为Y_Up，速度为50。Y_Up专门为溜边进场优化过，仅开启左侧超声波进行PID姿态校准。3500ms后手动减速，再过500ms后进入死循环。死循环中的显示均为问题记录，出问题后可以调查相应参数，对跑垄没有实际意义。在死循环中，当超声波5位置小于18cm时跳出循环，并将Running Mode设置为STOP，为停车模式，关闭所有PID处理，200ms后停车。

/*****************-1-********************/
    Choose_Fieldspeed(1);
		steer_Init_X();
		HAL_Delay(200);
		Running_Mode_Set(X_Right, Fieldspeed);
		Distance_STA = Distance_ON;
    HAL_Delay(800);		
		while(1)
		{
			if(Encoder_Distance <= -FieldEncoder)
				break;
			else
				HAL_GPIO_TogglePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin);
			Openmv_scaning(X_Right);
			HAL_Delay(10);
		}
		Distance_STA = Distance_OFF;
		Encoder_Distance = 0;
		SpeedSmooth(Fieldspeed,20);
		Running_Mode_Set(X_Right, 20);
    HAL_Delay(200); 
		while(1)
		{
			if((SonicDistance[Sonic_4] < 12) && (SonicDistance[Sonic_7] < 12))
			{		
			OLED_ShowNum(60, 0, (uint32_t)SonicDistance[3], 3, 12);
			OLED_ShowNum(60, 13, (uint32_t)SonicDistance[6], 3, 12);
			OLED_Refresh_Gram();
			break;	
			}
			else
				HAL_GPIO_TogglePin(LED3_GPIO_Port, LED3_Pin);
			HAL_Delay(10);
		}
		Running_Mode_Set(STOP, 0);
		HAL_Delay(200);
		Stop_d();		

根据预先设置的有靶子的垄进行速度选择，有靶子慢速检测，无靶子快速通过。steer_Init_X旋转舵机至横向。延时200ms等待舵机运动。将Running Mode设置为X_Right，速度为设置速度，并打开编码器的测距功能，开始测距。延时800ms后进入死循环，在编码器没有走完FieldEncoder前，会同时检测OpenMV发来的信号，一旦有有效信号，就会进行一段固定代码，进行栽苗操作，期间编码器数据保持不变。
不管栽苗与否，当编码器走完FieldEncoder规定路程后，跳出循环，并进行SpeedSmooth（平滑降速）从Fieldspeed降到20。无缝衔接X_Right后进入死循环，这个死循环是超声波检测，距离小于12cm时跳出循环，并停车。

/*****************-1short-********************/
		steer_Init_Y();
		HAL_Delay(200);
		Motor_Distance_Y_Move(-5200);
		HAL_Delay(200);

移向2号垄，切换舵机状态为纵向行走模式，打开编码器行走5200编码器单位后，关闭编码器，并停车。随后循环开始2号垄操作。
OpenMV有关的代码和栽苗代码是临时写的APP，比较杂乱，也因为bug经过多次调整。这里就不多介绍了。

回顾

这虽然是一个两年前的项目，但带给我的启发是很多的。在机械结构方面，我的化繁为简，用简单的结构分布再去实现任务需要的功能。在软件方面，我试着用操作系统的思考方式来进行自顶向下的设计，而且功能打包后用函数开关控制在终端中的启停，还是很有意思的。还要感谢我的队友，在那几个月也非常努力地准备着比赛。
更具体的内容由于时间关系，就不再整理了。这个2020年的比赛项目也在我人生中留下了难忘的记忆节点。