基于樹(shù)莓派的松果采摘機(jī)器

王力程 陳銳 韓旭 蘇龍霞 丁永昌

摘要

基于Wi-Fi傳輸技術(shù)、PWM控制技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)，構(gòu)建基于樹(shù)莓派的松果采摘機(jī)器。系統(tǒng)主要由上位機(jī)信息處理和下位機(jī)信息采集兩部分組成，其中下位機(jī)由圖像捕獲技術(shù)、Wi-Fi、藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)和機(jī)械臂執(zhí)行模塊構(gòu)成本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)穩(wěn)定、適用范圍廣，能夠代替人工進(jìn)行危險(xiǎn)高空作業(yè)。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 高空作業(yè) 藍(lán)牙 Wi-Fi

1 需求分析

1.1 需求分析

松果，別稱：松塔，為松科植物的種子，成熟后內(nèi)有松子?？勺魉幱?，有祛風(fēng)止痛、消炎止血、滋養(yǎng)強(qiáng)壯的功效，樣子像峰塔，具有一定的藥用價(jià)值，然而松樹(shù)的整體較高，導(dǎo)致目前松果的獲取方法是人爬上20米以上的松樹(shù)進(jìn)行人工采摘，危險(xiǎn)系數(shù)較高。主要存在以下問(wèn)題：

（1）人工采集效率低，成本高。本設(shè)計(jì)首先考慮采摘效率，力圖通過(guò)機(jī)器作業(yè)，減少作業(yè)時(shí)間，降低人工成本，提高松子的收貨量，滿足市場(chǎng)日益增加的需求。

（2）完善生產(chǎn)安全措施，由于采摘松子仍然由人工完成，然而人工采摘松子最主要的缺點(diǎn)是對(duì)于人身安全有很大風(fēng)險(xiǎn)，本作品能夠代替人工作業(yè)，避免工人的危險(xiǎn)，提高安全性。我們使用爬樹(shù)機(jī)器人與機(jī)械手臂以及監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合的方式，一方面提高安全性，另一方面提高效率從而降低了成本。

1.2 設(shè)計(jì)思路

一種基于樹(shù)莓派的可爬樹(shù)果實(shí)采摘機(jī)器，第一點(diǎn)，采摘機(jī)器結(jié)構(gòu)介紹：樹(shù)莓派是機(jī)械臂的CPU。其通過(guò)拓展板與機(jī)械臂上的舵機(jī)相連，從而可以通過(guò)手柄對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制。其上連接著一個(gè)攝像頭。攝像頭可以實(shí)時(shí)傳輸視頻到手機(jī)APP上。用戶可以觀察手機(jī)APP上的視頻進(jìn)而確定松果的位置。另外安裝了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以第三人稱的視角觀測(cè)機(jī)械臂的位置及情況，從而方便用戶進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)人眼無(wú)法觀測(cè)的位置時(shí)，我們可以通過(guò)第三視角的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行觀測(cè)，從而進(jìn)行操作。第二點(diǎn)，移動(dòng)機(jī)器介紹：此機(jī)器由一個(gè)主動(dòng)輪、一個(gè)從動(dòng)輪和一個(gè)渦輪蝸桿電機(jī)構(gòu)成。其與桿子之間形成杠桿結(jié)構(gòu)。由于其杠桿原理和渦輪蝸桿電機(jī)，當(dāng)機(jī)器不供電時(shí)，物體不會(huì)落下，當(dāng)機(jī)器正負(fù)極接電源正負(fù)極時(shí)，機(jī)器向上行駛，反接時(shí)，機(jī)器向下行駛。該機(jī)器上下有兩個(gè)V形的尖狀物體，上或下時(shí)與樹(shù)枝進(jìn)行摩擦，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)向

2 特色與創(chuàng)新

2.1 項(xiàng)目創(chuàng)新

本作品以爬樹(shù)機(jī)器人與機(jī)械手臂以及監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合的方式代替人工采摘松籽，一方面降低了人工作業(yè)的危險(xiǎn)，提高了安全性，另一方面提高了工作效率，降低了成本，從而大大增加收益，同時(shí)滿足了日益增加的對(duì)松籽的市場(chǎng)需求。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人是由一個(gè)爬樹(shù)機(jī)器人平臺(tái)搭載機(jī)械手臂和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械手臂中植入樹(shù)莓派芯片，通過(guò)Wi-Fi與手機(jī)、PC、或者手柄連接而實(shí)現(xiàn)控制的目的，只通過(guò)Wi-Fi連接使得連接過(guò)程大大減少所花費(fèi)的時(shí)間。

監(jiān)控系統(tǒng)從外觀看看似獨(dú)立于總系統(tǒng)，其實(shí)它是通過(guò)手機(jī)APP或者PC端軟件將監(jiān)控功能與控制功能結(jié)合集成在同一應(yīng)用里，在控制的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，代替人眼，保證整個(gè)控制過(guò)程中的精確性以及穩(wěn)定性，Wi-Fi可靠的帶寬以及軟件高效的數(shù)據(jù)采集算法盡可能降低了視頻傳輸?shù)难舆t，保證了視頻信息的實(shí)時(shí)可靠。

爬樹(shù)機(jī)器人的電氣特性方面，由于需要多個(gè)I/O口控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以采用樹(shù)莓派作為控制芯片;機(jī)械特性上，采用非仿生設(shè)計(jì)，大大提高了負(fù)載能力，保證機(jī)械手臂的穩(wěn)定。

3.2 采摘機(jī)器概念系統(tǒng)組成

如圖1所示。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

如圖2所示。

附圖說(shuō)明：攝像頭采集圖像信息，通過(guò)Raspberry pi 3 Model B進(jìn)行圖像信息的處理，然后傳輸?shù)绞謾C(jī)上，從而能夠在手機(jī)上實(shí)時(shí)觀測(cè)爬樹(shù)機(jī)器人的周圍情況，以便于操控者通過(guò)手機(jī)發(fā)出控制爬樹(shù)機(jī)器人的的信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)代替人手采摘松果的功能。

4.2 感知層技術(shù)

本作品以攝像頭作為基本傳感器件進(jìn)行圖像采集實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。該攝像頭采用CMOS光學(xué)鏡頭，景物通過(guò)鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，通過(guò)無(wú)線Wi-Fi傳輸至顯示器看到圖像。如圖3所示。

4.3 傳輸層

本設(shè)計(jì)中傳輸層技術(shù)主要是控制部件與執(zhí)行部件的通信傳輸，采用的是Wi-FiWireless-Fidelity，無(wú)線高保真）無(wú)線通信協(xié)議，正式名稱是IEEES02.11b，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無(wú)線通信技術(shù)。Wi-Fi速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)差一點(diǎn)，但在電波的覆蓋范圍方面卻好于藍(lán)牙，可達(dá)100m左右，完全滿足本設(shè)計(jì)的對(duì)控制距離的需求，手柄、手機(jī)和PC端都可通過(guò)Wi-Fi對(duì)整機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，而且手機(jī)和PC端還通過(guò)Wi-Fi進(jìn)行視頻傳輸。

4.4 控制層

本設(shè)計(jì)控制層由TBS2701舵機(jī)、上位機(jī)、Raspberry pi 3 Model B構(gòu)成。舵機(jī)由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字舵機(jī)，它區(qū)別于傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)，模擬舵機(jī)需要給它不停的發(fā)送PWM信號(hào)，才能讓它保持在規(guī)定的位置或者讓它按照某個(gè)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字舵機(jī)則只需要發(fā)送一次PWM信號(hào)就能保持在規(guī)定的某個(gè)位置，利用占空比的變化改變舵機(jī)位置。本設(shè)計(jì)采用raspberry pi 3目的：控制攝像頭捕獲視頻傳輸視頻，使操作者準(zhǔn)確定位松果位置進(jìn)而采摘松果;接受上位機(jī)指令控制舵機(jī)執(zhí)行動(dòng)作即采摘松果。

4.4.1 控制核心

本設(shè)計(jì)采用raspberry pi 3為CPU，其控制攝像頭捕獲視頻傳輸視頻，使操作者準(zhǔn)確定位松果位置進(jìn)而采摘松果;其上位機(jī)指令控制舵機(jī)執(zhí)行動(dòng)作即采摘松果。如圖4所示。

4.4.2 舵機(jī)

本設(shè)計(jì)采用舵機(jī)：

（1）舵機(jī)名稱：TBS2701

（2）技術(shù)參數(shù)：尺寸：40mm×20mm×36.5mm，重量：62g，控制方式：串口指令，通信波特率115200，工作電壓5-8.4v轉(zhuǎn)動(dòng)速度：0.13sec/60°（4.8v）0.15sec/60°（6v）舵機(jī)精度：0.24°。

控制原理：本設(shè)計(jì)采用數(shù)字舵機(jī)，它區(qū)別于傳統(tǒng)的模擬舵機(jī)，模擬舵機(jī)需要給它不停的發(fā)送PWM信號(hào)，才能讓它保持在規(guī)定的位置或者讓它按照某個(gè)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，數(shù)字舵機(jī)則只需要發(fā)送一次PWM信號(hào)就能保持在規(guī)定的某個(gè)位置，利用占空比的變化改變舵機(jī)位置。其工作流程為：控制信號(hào)一控制電路板一電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一齒輪組減速一舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一位置反饋電位計(jì)一控制電路板反饋。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms～2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。舵機(jī)原理圖及結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

4.4.3 移動(dòng)機(jī)器

如圖6所示，此機(jī)器由一個(gè)主動(dòng)輪、一個(gè)從動(dòng)輪和一個(gè)渦輪蝸桿電機(jī)構(gòu)成。其與桿子之間形成杠桿結(jié)構(gòu)。由于其杠桿原理和渦輪蝸桿電機(jī)斷電自鎖功能，當(dāng)機(jī)器不供電時(shí)，物體不會(huì)落下，當(dāng)機(jī)器正負(fù)極接電源正負(fù)極時(shí)，機(jī)器向上行駛，反接時(shí)，機(jī)器向下行駛。該機(jī)器上下有兩個(gè)V形的尖狀物體，上或下時(shí)與樹(shù)枝進(jìn)行摩擦，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

渦輪蝸桿電機(jī)：全金屬齒輪，可配合調(diào)速器控制轉(zhuǎn)速（可控范圍0一選定的空載轉(zhuǎn)速），電機(jī)可正反轉(zhuǎn)，JGY370渦輪蝸桿電機(jī)具有斷電自鎖功能，齒輪承受力約30KG，該款電機(jī)有6V 12V 24V三款，本作品采用12V電機(jī)，每分鐘空載轉(zhuǎn)速有：160rpm/min。

參考文獻(xiàn)

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