基于Raspberry Pi的智能滅蚊飛行機(jī)器人*

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(1. 吉林大學(xué) 珠海學(xué)院，珠海 519041；2. 廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院)

基于RaspberryPi的智能滅蚊飛行機(jī)器人*

張程1，陳彥升1，張可茵1，劉松翰1，張卓2

(1. 吉林大學(xué) 珠海學(xué)院，珠海 519041；2. 廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院)

設(shè)計(jì)了一種基于Raspberry Pi的智能滅蚊蟲飛行機(jī)器人，其能夠攜帶滅蚊蟲藥水噴灑地面和溝渠區(qū)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效滅蚊蟲的功能。主要介紹飛行機(jī)器人的設(shè)計(jì)及開發(fā)，包括飛行控制器設(shè)計(jì)、Raspberry Pi通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、Android控制端設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)可以移植到其他農(nóng)林藥物噴灑作業(yè)中，具有一定的創(chuàng)新意義。

飛行機(jī)器人；Raspberry Pi；Android；Arduino

引 言

近些年，飛行機(jī)器人得到科技領(lǐng)域的關(guān)注并快速地發(fā)展，應(yīng)用前景十分可觀[1-2]。夏季的蚊蟲叮咬給人們帶來嚴(yán)重的困擾，需要采取噴灑滅蟲藥水的措施消滅蚊蟲。目前，此類消殺工作通常是通過人工作業(yè)的方式實(shí)現(xiàn)，效率低且成本高，當(dāng)遇到大面積的草叢或者人員難以進(jìn)入的溝渠時(shí)，藥水更難以做到全面噴灑，且藥物的揮發(fā)會(huì)對(duì)人體造成極大的危害。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于Raspberry Pi的智能滅蚊蟲飛行機(jī)器人，其能夠攜帶滅蚊蟲藥水噴灑地面和溝渠區(qū)域，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)高效滅蚊蟲功能。主要介紹飛行器的設(shè)計(jì)及開發(fā)，包括飛行控制器設(shè)計(jì)、Raspberry Pi通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、Android控制端設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、噴藥系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 飛行機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體框圖

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)由Arduino控制器、Raspberry Pi、Android控制終端、電調(diào)電機(jī)、傳感器及輔助功能模塊構(gòu)成。Android終端通過局域網(wǎng)將控制指令發(fā)送到Raspberry Pi，Arduino通過UART串口接收Raspberry Pi的指令以及通過I2C總線協(xié)議接收十軸傳感器的參數(shù)，通過PMW波控制電調(diào)，進(jìn)而控制電機(jī)。傳感器等輔助功能模塊包括MPU6050陀螺儀、HMC5883L電子羅盤、MS5611氣壓傳感器、Arduino-Water Sensor水位傳感器、微型水泵及必要的人體熱釋電檢測(cè)模塊、視頻攝像頭及聲光報(bào)警模塊。

1.2 飛行機(jī)器人控制方式設(shè)計(jì)

目前，大眾普遍使用Android智能手機(jī)，且Android系統(tǒng)相對(duì)于其他系統(tǒng),有相對(duì)廣闊的開發(fā)空間，故本設(shè)計(jì)采取搭載Android系統(tǒng)的智能手機(jī)作為上位機(jī)。飛行控制器收到Android控制端的控制指令后，先判斷指令類型再提取指令數(shù)據(jù)，得到油門參數(shù)后根據(jù)油門參數(shù)生成PWM波傳送給電調(diào)。電調(diào)中的諧振晶體把電池提供的直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，電調(diào)的信號(hào)接收端收到PWM波會(huì)送到電調(diào)中的晶體管上，控制諧振晶體的頻率來控制速度。通過控制多個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制飛行姿態(tài)。

1.3 Raspberry Pi通信方式設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采取Raspberry Pi 2 model B作為接收和發(fā)射通信鏈路節(jié)點(diǎn)，其核心是Broadcom BCM2836 900 MHz 4核ARM Cortex-A7 CPU，它是實(shí)現(xiàn)多任務(wù)同時(shí)運(yùn)作、控制響應(yīng)低延遲的重要保證，能夠比較穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)無線傳輸數(shù)據(jù)和信號(hào)[3]。其中，WiFi模塊采用EDUP的EP-N8508GS，由于其與Raspberry Pi能夠直接兼容，因此簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)編寫的相關(guān)問題。在同一局域網(wǎng)下，Raspberry Pi應(yīng)用中通過Server Socket建立服務(wù)器，Android終端上的應(yīng)用中打開Socket使其與Raspberry Pi相連接并得以通信。Raspberry Pi收到來自Android終端的控制數(shù)據(jù)后，轉(zhuǎn)換成飛行控制器匹配的控制指令，通過UART串口連接發(fā)送給飛行控制器。

2 硬件系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

本設(shè)計(jì)主控模塊部分采用Arduino Pro Mini，Arduino Pro Mini是基于ATmega328P單片機(jī)的最小系統(tǒng)[4]，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、性能強(qiáng)，工作在5 V和16 MHz時(shí)鐘下，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口(其中6路可作為PWM輸出)和6路模擬輸入。

2.2 傳感器組

為了保持飛行機(jī)器人的穩(wěn)定飛行，在機(jī)身上裝有10軸GY-86傳感器組模塊，包含MPU6050陀螺儀(6軸)、HMC5883L電子羅盤(3軸)和MS5611氣壓傳感器，通過I2C總線與ATmega328P進(jìn)行通信并以電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，如圖2所示。其中，MPU-6050陀螺儀的角速度全格感測(cè)范圍為±250、±500、±1000與±2000 °/sec (dps)，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，該傳感器傳輸可透過最高至400 kHz的I2C總線[5-6]。HMC5883L電子羅盤是一種高集成度的帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域，其包括最先進(jìn)的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，并附帶霍尼韋爾專利的集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、能使羅盤精度控制在1°～2°的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器[5-6]。MS5611氣壓傳感器是由MEAS推出的一款SPI和I2C總線接口的新一代高分辨率氣壓傳感器，分辨率可達(dá)到10 cm。該傳感器模塊包括一個(gè)高線性度的壓力傳感器和一個(gè)超低功耗的24位Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，保證產(chǎn)品具有高穩(wěn)定性以及非常低的壓力信號(hào)滯后[5-6]。

圖2 控制系統(tǒng)示意圖

2.3 電機(jī)模塊

由于Arduino Pro Mini每路輸出引腳只能提供20 mA的驅(qū)動(dòng)電流，不能滿足直流電機(jī)的需求，因此引入驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路主要是采用SI2302MOS管驅(qū)動(dòng)電路，優(yōu)點(diǎn)是元器件質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，本設(shè)計(jì)每個(gè)SI2302驅(qū)動(dòng)1路PWM。此外，飛行機(jī)器人每個(gè)角上的電機(jī)分別配有電子調(diào)速器，每個(gè)電子調(diào)速器則分別與飛行機(jī)器人的飛行控制板中的Arduino進(jìn)行通信，Arduino對(duì)陀螺儀和加速度傳感器采集回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)融合、姿態(tài)解算等處理之后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的PWM信號(hào)傳送給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器接收到PWM信號(hào)之后根據(jù)PWM信號(hào)的脈寬去調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由此可以對(duì)每個(gè)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)控制，從而可實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.4 通信模塊

本設(shè)計(jì)通信模塊如圖3所示，手機(jī)終端通過TCP/IP協(xié)議將指令數(shù)據(jù)傳輸至WiFi模塊EP-N8508GS上，WiFi模塊通過EDUP將數(shù)據(jù)傳送至Raspberry Pi[7]。

圖3 通信系統(tǒng)示意圖

2.5 噴藥及其他模塊

本設(shè)計(jì)使用Arduino-Water Sensor水位傳感器及微型水泵方式實(shí)現(xiàn)藥物噴灑，水位傳感器通過平行導(dǎo)線線跡測(cè)量水滴及水量大小以判斷水位，輸出的模擬值可以直接被控制器讀取，達(dá)到識(shí)別水位控制噴藥及水位限值報(bào)警功能。此外，系統(tǒng)還可以擴(kuò)展攝像頭及HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊。

3 飛行姿態(tài)四元數(shù)算法

在飛行機(jī)器人的飛行過程中，可以側(cè)傾、仰俯及旋轉(zhuǎn)，且角度隨著飛行器飛行狀態(tài)的改變而改變。欲確定每個(gè)時(shí)刻的飛行狀態(tài)，就要以飛行器自身指向建立起一個(gè)坐標(biāo)系(稱為飛行器坐標(biāo)系)，并且在空間中建立一個(gè)參考坐標(biāo)系(稱為地理坐標(biāo)系)，根據(jù)兩者建立起轉(zhuǎn)換關(guān)系，并由地理坐標(biāo)系表示飛行器當(dāng)前狀態(tài)，即為飛行姿態(tài)的解析。

通常解析關(guān)系有三種表示方法即歐拉角法、余弦矩陣法、四元數(shù)法[8-9]。其中，歐拉角法相對(duì)來說比較直觀，計(jì)算也方便，但存在萬向節(jié)死鎖的缺點(diǎn)；方向余弦法和歐拉角法沒有本質(zhì)區(qū)別，故歐拉角和余弦函數(shù)不能做到全姿態(tài)解析；四元數(shù)用作旋轉(zhuǎn)的作用明顯，簡(jiǎn)化運(yùn)算且可以避免萬向節(jié)死鎖。故本文選擇四元數(shù)法進(jìn)行解析。

四元數(shù)由實(shí)數(shù)加上三個(gè)元素i、j、k組成，且具有如下的關(guān)系：

每個(gè)四元數(shù)都是1、i、j和k的線性組合，即四元數(shù)一般可表示為：

利用四元數(shù)代表旋轉(zhuǎn)，在載體系定義的一個(gè)矢量rb可以直接利用四元數(shù)將其在參考系中表示為rn。首先定義一個(gè)四元數(shù)rb′，它的虛部等于rb的相應(yīng)分量，標(biāo)量分量為零[8-9]：

參考系中的rn′表示為：

其中q=a+bi+cj+dk，q*為q的復(fù)共軛，q*=a-bi-cj-dk，則有：

寫成矩陣式：

因?yàn)榫硎拘D(zhuǎn)，所以式(7)理論上與余弦矩陣是等效的，從而可以計(jì)算歐拉角。

式(8)顯示了四元數(shù)和余弦矩陣的關(guān)系：

根據(jù)式(9)可以反求出歐拉角：

4 軟件系統(tǒng)分析及設(shè)計(jì)

4.1 Android客戶端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)Android客戶端，控制界面設(shè)置了2個(gè)遙控桿、6個(gè)指示燈、4個(gè)按鈕開關(guān)。其中遙控桿分別用于控制飛行器的油門與飛行方向，指示燈接收飛行器的電源、照明等信息，電源按鈕則控制飛行器的電源、照明燈開關(guān)。其虛擬引腳分布如表1所列，分別設(shè)計(jì)油門、方向控制、照明控制、噴藥控制等按鍵及相關(guān)指示燈。

表1 虛擬引腳分布表

4.2 通信功能軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)Android客戶端與Raspberry Pi通信[10]，其程序流程圖如圖4所示。

圖4 Android端與Raspberry Pi通信流程圖

5 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)試

飛行機(jī)器人整機(jī)上電，打開Android客戶端，控制界面指示燈均為常亮狀態(tài)，Android客戶端作業(yè)狀態(tài)示意圖如圖5所示。按下相關(guān)控制按鈕，手機(jī)端可以順利發(fā)送控制指令至飛行機(jī)器人，依據(jù)上文控制參數(shù)完成系統(tǒng)整機(jī)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)飛行機(jī)器人飛行動(dòng)作及藥水噴灑閥門的控制。

圖5 Android控制端作業(yè)示意圖

結(jié) 語

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孟一飛(副教授)，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、圖像處理。

IntelligentFlyingRobotforMosquitoKillerBasedonRaspberryPi

ZhangCheng1,ChenYansheng1,ZhangKeyin1,LiuSonghan1,ZhangZhuo2

(1.Zhuhai College of Jilin University,Zhuhai 519041,China;2.Guangdong Science and Technology Cadre College)

In this paper,a kind of intelligent mosquito fly robot based on Raspberry Pi is designed,which can be used to carry out the mosquito repellent spray on the ground and ditch area to achieve the function of automatic and efficient mosquito killing.The modules of the flying robot are introduced,including the flight controller,the Raspberry Pi communication system,the Android control terminal,the motor drive and the spraying system.The design can be transplanted to the other agricultural and forestry medicine spraying operation,which has certain innovation significance.

flying robot;Raspberry Pi;Android;Arduino

吉林大學(xué)珠海學(xué)院教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目(ZLG20170701)；吉林大學(xué)珠海學(xué)院創(chuàng)新能力培育工程項(xiàng)目(2016XJCQCX19)；廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目(XJPY2016022)；廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201413684008)。

TP242

A

2017-06-02)

(責(zé)任編輯：薛士然 收稿日期：2017-07-25)