基于樹莓派的松果采摘機器

王力程 陳銳 韓旭 蘇龍霞 丁永昌

摘要

基于Wi-Fi傳輸技術、PWM控制技術和藍牙技術，構建基于樹莓派的松果采摘機器。系統主要由上位機信息處理和下位機信息采集兩部分組成，其中下位機由圖像捕獲技術、Wi-Fi、藍牙無線傳輸技術和機械臂執行模塊構成本系統硬件結構簡單、系統穩定、適用范圍廣，能夠代替人工進行危險高空作業。

【關鍵詞】物聯網 高空作業 藍牙 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，成熟后內有松子。可作藥用，有祛風止痛、消炎止血、滋養強壯的功效，樣子像峰塔，具有一定的藥用價值，然而松樹的整體較高，導致目前松果的獲取方法是人爬上20米以上的松樹進行人工采摘，危險系數較高。主要存在以下問題：

（1）人工采集效率低，成本高。本設計首先考慮采摘效率，力圖通過機器作業，減少作業時間，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是對于人身安全有很大風險，本作品能夠代替人工作業，避免工人的危險，提高安全性。我們使用爬樹機器人與機械手臂以及監控系統結合的方式，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 設計思路

一種基于樹莓派的可爬樹果實采摘機器，第一點，采摘機器結構介紹：樹莓派是機械臂的CPU。其通過拓展板與機械臂上的舵機相連，從而可以通過手柄對機械臂進行控制。其上連接著一個攝像頭。攝像頭可以實時傳輸視頻到手機APP上。用戶可以觀察手機APP上的視頻進而確定松果的位置。另外安裝了一個網絡攝像頭，以第三人稱的視角觀測機械臂的位置及情況，從而方便用戶進行控制。當機械臂到達人眼無法觀測的位置時，我們可以通過第三視角的網絡攝像頭進行觀測，從而進行操作。第二點，移動機器介紹：此機器由一個主動輪、一個從動輪和一個渦輪蝸桿電機構成。其與桿子之間形成杠桿結構。由于其杠桿原理和渦輪蝸桿電機，當機器不供電時，物體不會落下，當機器正負極接電源正負極時，機器向上行駛，反接時，機器向下行駛。該機器上下有兩個V形的尖狀物體，上或下時與樹枝進行摩擦，從而進行轉向

2 特色與創新

2.1 項目創新

本作品以爬樹機器人與機械手臂以及監控系統結合的方式代替人工采摘松籽，一方面降低了人工作業的危險，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 總體設計

3.1 總體設計

采摘機器人是由一個爬樹機器人平臺搭載機械手臂和監控系統構成。機械手臂中植入樹莓派芯片，通過Wi-Fi與手機、PC、或者手柄連接而實現控制的目的，只通過Wi-Fi連接使得連接過程大大減少所花費的時間。

監控系統從外觀看看似獨立于總系統，其實它是通過手機APP或者PC端軟件將監控功能與控制功能結合集成在同一應用里，在控制的過程中實現實時監控，代替人眼，保證整個控制過程中的精確性以及穩定性，Wi-Fi可靠的帶寬以及軟件高效的數據采集算法盡可能降低了視頻傳輸的延遲，保證了視頻信息的實時可靠。

爬樹機器人的電氣特性方面，由于需要多個I/O口控制舵機運轉，所以采用樹莓派作為控制芯片;機械特性上，采用非仿生設計，大大提高了負載能力，保證機械手臂的穩定。

3.2 采摘機器概念系統組成

如圖1所示。

4 系統實現

4.1 物聯網技術架構

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進行圖像信息的處理，然后傳輸到手機上，從而能夠在手機上實時觀測爬樹機器人的周圍情況，以便于操控者通過手機發出控制爬樹機器人的的信號，最終實現代替人手采摘松果的功能。

4.2 感知層技術

本作品以攝像頭作為基本傳感器件進行圖像采集實現實時監控。該攝像頭采用CMOS光學鏡頭，景物通過鏡頭生成的光學圖像投射到圖像傳感器表面上，然后轉為電信號，經過A/D（模數轉換）轉換后變為數字圖像信號，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

本設計中傳輸層技術主要是控制部件與執行部件的通信傳輸，采用的是Wi-FiWireless-Fidelity，無線高保真）無線通信協議，正式名稱是IEEES02.11b，與藍牙一樣，同屬于短距離無線通信技術。Wi-Fi速率最高可達11Mb/s。雖然在數據安全性方面比藍牙技術差一點，但在電波的覆蓋范圍方面卻好于藍牙，可達100m左右，完全滿足本設計的對控制距離的需求，手柄、手機和PC端都可通過Wi-Fi對整機實現控制，而且手機和PC端還通過Wi-Fi進行視頻傳輸。

4.4 控制層

本設計控制層由TBS2701舵機、上位機、Raspberry pi 3 Model B構成。舵機由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統。本設計采用數字舵機，它區別于傳統的模擬舵機，模擬舵機需要給它不停的發送PWM信號，才能讓它保持在規定的位置或者讓它按照某個速度轉動，數字舵機則只需要發送一次PWM信號就能保持在規定的某個位置，利用占空比的變化改變舵機位置。本設計采用raspberry pi 3目的：控制攝像頭捕獲視頻傳輸視頻，使操作者準確定位松果位置進而采摘松果;接受上位機指令控制舵機執行動作即采摘松果。

4.4.1 控制核心

本設計采用raspberry pi 3為CPU，其控制攝像頭捕獲視頻傳輸視頻，使操作者準確定位松果位置進而采摘松果;其上位機指令控制舵機執行動作即采摘松果。如圖4所示。

4.4.2 舵機

本設計采用舵機：

（1）舵機名稱：TBS2701

（2）技術參數：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轉動速度：0.13sec/60°（4.8v）0.15sec/60°（6v）舵機精度：0.24°。

控制原理：本設計采用數字舵機，它區別于傳統的模擬舵機，模擬舵機需要給它不停的發送PWM信號，才能讓它保持在規定的位置或者讓它按照某個速度轉動，數字舵機則只需要發送一次PWM信號就能保持在規定的某個位置，利用占空比的變化改變舵機位置。其工作流程為：控制信號一控制電路板一電機轉動一齒輪組減速一舵盤轉動一位置反饋電位計一控制電路板反饋。舵機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范圍內的角度控制脈沖部分。舵機原理圖及結構圖如圖5所示。

4.4.3 移動機器

如圖6所示，此機器由一個主動輪、一個從動輪和一個渦輪蝸桿電機構成。其與桿子之間形成杠桿結構。由于其杠桿原理和渦輪蝸桿電機斷電自鎖功能，當機器不供電時，物體不會落下，當機器正負極接電源正負極時，機器向上行駛，反接時，機器向下行駛。該機器上下有兩個V形的尖狀物體，上或下時與樹枝進行摩擦，從而進行轉向。

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

參考文獻

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