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)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、適用范圍廣，能夠代替人工進(jìn)行危險高空作業(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?？勺魉幱茫徐铒L(fēng)止痛、消炎止血、滋養(yǎng)強(qiáng)壯的功效，樣子像峰塔，具有一定的藥用價值，然而松樹的整體較高，導(dǎo)致目前松果的獲取方法是人爬上20米以上的松樹進(jìn)行人工采摘，危險系數(shù)較高。主要存在以下問題：

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

（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)是對于人身安全有很大風(fēng)險，本作品能夠代替人工作業(yè)，避免工人的危險，提高安全性。我們使用爬樹機(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)計思路

一種基于樹莓派的可爬樹果實采摘機(jī)器，第一點(diǎn)，采摘機(jī)器結(jié)構(gòu)介紹：樹莓派是機(jī)械臂的CPU。其通過拓展板與機(jī)械臂上的舵機(jī)相連，從而可以通過手柄對機(jī)械臂進(jìn)行控制。其上連接著一個攝像頭。攝像頭可以實時傳輸視頻到手機(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。另外安裝了一個網(wǎng)絡(luò)攝像頭，以第三人稱的視角觀測機(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)人眼無法觀測的位置時，我們可以通過第三視角的網(wǎng)絡(luò)攝像頭進(jìn)行觀測，從而進(jìn)行操作。第二點(diǎn)，移動機(jī)器介紹：此機(jī)器由一個主動輪、一個從動輪和一個渦輪蝸桿電機(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，物體不會落下，當(dāng)機(jī)器正負(fù)極接電源正負(fù)極時，機(jī)器向上行駛，反接時，機(jī)器向下行駛。該機(jī)器上下有兩個V形的尖狀物體，上或下時與樹枝進(jìn)行摩擦，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)向

2 特色與創(chuàng)新

2.1 項目創(chuàng)新

本作品以爬樹機(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，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，同時滿足了日益增加的對松籽的市場需求。

3 總體設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

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

監(jiān)控系統(tǒng)從外觀看看似獨(dú)立于總系統(tǒng)，其實它是通過手機(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，在控制的過程中實現(xiàn)實時監(jiān)控，代替人眼，保證整個控制過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時可靠。

爬樹機(jī)器人的電氣特性方面，由于需要多個I/O口控制舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，所以采用樹莓派作為控制芯片;機(jī)械特性上，采用非仿生設(shè)計，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)實現(xiàn)

4.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

如圖2所示。

附圖說明：攝像頭采集圖像信息，通過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)上實時觀測爬樹機(jī)器人的周圍情況，以便于操控者通過手機(jī)發(fā)出控制爬樹機(jī)器人的的信號，最終實現(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)行圖像采集實現(xiàn)實時監(jiān)控。該攝像頭采用CMOS光學(xué)鏡頭，景物通過鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號，經(jīng)過A/D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號，通過無線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，無線高保真）無線通信協(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)計的對控制距離的需求，手柄、手機(jī)和PC端都可通過Wi-Fi對整機(jī)實現(xiàn)控制，而且手機(jī)和PC端還通過Wi-Fi進(jìn)行視頻傳輸。

4.4 控制層

本設(shè)計控制層由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控制系統(tǒng)。本設(shè)計采用數(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，才能讓它保持在規(guī)定的位置或者讓它按照某個速度轉(zhuǎn)動，數(shù)字舵機(jī)則只需要發(fā)送一次PWM信號就能保持在規(guī)定的某個位置，利用占空比的變化改變舵機(jī)位置。本設(shè)計采用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)行動作即采摘松果。

4.4.1 控制核心

本設(shè)計采用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)行動作即采摘松果。如圖4所示。

4.4.2 舵機(jī)

本設(shè)計采用舵機(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，才能讓它保持在規(guī)定的位置或者讓它按照某個速度轉(zhuǎn)動，數(shù)字舵機(jī)則只需要發(fā)送一次PWM信號就能保持在規(guī)定的某個位置，利用占空比的變化改變舵機(jī)位置。其工作流程為：控制信號一控制電路板一電機(jī)轉(zhuǎn)動一齒輪組減速一舵盤轉(zhuǎn)動一位置反饋電位計一控制電路板反饋。舵機(jī)的控制一般需要一個20ms的時基脈沖，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 移動機(jī)器

如圖6所示，此機(jī)器由一個主動輪、一個從動輪和一個渦輪蝸桿電機(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，物體不會落下，當(dāng)機(jī)器正負(fù)極接電源正負(fù)極時，機(jī)器向上行駛，反接時，機(jī)器向下行駛。該機(jī)器上下有兩個V形的尖狀物體，上或下時與樹枝進(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。

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