基于樹莓派的果園智能噴藥車用遙控器設計與實現

穆元杰 王富軍 李喬宇 胡樹冉 秦磊磊

摘 要：為了實現“機器換人”，降低用工成本，結合果園智能噴藥車功能需求，文中研究設計了一種基于樹莓派的果園智能噴藥車用遙控器。該遙控器不僅可用于控制果園噴藥車的行進方向及動力，還可用于果園噴藥車位置點的采集、路徑的編輯/下發、模式切換、導航控制功能。實驗表明，該遙控器可滿足果園智能噴藥車的功能需求，工作穩定。

關鍵詞：樹莓派;遙控器;智能噴藥;無線傳輸;Arduino;USB

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

山東省素有“蘋果之鄉”的美稱，其蘋果種植面積穩定在30萬公頃左右[1-2]。隨著城市化的推進以及人口老齡化進程加劇，果園用工成本不斷增加。據有關數據統計，2016年全國蘋果種植人工成本和物質成本分別為3.58萬元/公頃（2 387元/畝）、3.32萬元/公頃（2 213元/畝），相比2015年分別上升4.95%，1.7%，人工成本已超過總成本的一半[3-6]，達到51.9%。

現代信息科技突飛猛進，無人駕駛、人工智能、專用機器人等高新技術不斷發展，為了實現“機器換人”，降低用工成本，果園智能噴藥車應運而生。現有的遙控器多用于控制車輛行進方向及動力，但均未涉及車輛自主導航時位置點的采集、路徑的編輯/下發、模式切換、導航控制功能[7-8]。為此，本研究團隊研發了一款基于樹莓派的果園智能噴藥車遙控器。

1 總體架構

果園智能噴藥車遙控器主要由樹莓派、通信模塊、顯示屏、操縱桿、自復位開關按鍵和功能指示燈組成。

（1）樹莓派為遙控器核心單元，用于總體功能控制。

（2）通信模塊采用2.4 GHz無線傳輸模塊，用于實現果園智能噴藥車與遙控器間雙向數據通信，接收噴藥車發送的坐標信息、車輛狀態信息，并向噴藥車發送模式切換信息、功能信息、路徑信息、操縱桿數據。

（3）采用帶有觸摸功能的3.5英寸顯示屏，用于顯示遙控器控制界面，通過控制界面實現“遙控”“學習”“導航”

三種模式的切換，及對路徑文件的“編輯”“刪除”“下發”操作。

（4）操縱桿用于遙控及學習模式下控制噴藥車的行進方向與動力。

（5）自復位開關按鍵在不同工作模式下功能有所不同：遙控模式下按鍵無作用;學習模式下為采點功能，按鍵用于位置信息采集，按鍵按下后控制單元識別并生成“采集位置信息命令”，并通過通信模塊發送至噴藥車端;導航模式下，按鍵用于導航啟停控制。

（6）功能指示燈用于指示噴藥車當前功能狀態：遙控模式下，指示燈無作用，為開路狀態;學習模式下，當有“位置信息”返回時，功能指示燈亮2 s后自行關閉;導航模式下，指示燈開啟，表示導航開始，指示燈關閉，表示導航停止。

果園智能噴藥車遙控器總體結構拓撲圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 樹莓派

樹莓派作為核心處理單元，各功能模塊與之連接：通信模塊通過USB口與其連接;操縱桿由Arduino UNO通過USB口與其連接;觸控顯示屏通過HDMI接口及多個GPIO引腳與其連接;功能指示燈及自復位開關按鍵分別通過GPIO引腳與其連接。連接接口見表1所列。

2.2 操縱桿

遙控器采用OM901-H52型操縱桿，它輸出0～5 V電壓信號。樹莓派不具有A/D轉換功能[9]，無法直接獲取操縱桿數據，因此使用Arduino UNO[10]作為控制器配合樹莓派獲取操縱桿數據，其硬件連接如圖2所示。Arduino獲取到操縱桿兩軸數據后，通過USB將其傳輸至樹莓派端。

圖2 Arduino UNO硬件連接圖

2.3 電源模塊

遙控器使用5 V，3.3 V兩種電壓類型，系統中樹莓派、Arduino及操縱桿為5 V供電;功能指示燈及自復位開關按鍵為3.3 V供電;遙控器為鋰電池供電（12 V），且帶有自充電功能。如圖3所示，系統設計有充電口DC0055.5-2.1，CON2-2.54處接鋰電池，通過AMS1117將電壓降至3.3 V，通過LM2576將電壓降至5 V。

3 軟件設計

遙控器有遙控、學習、導航三種工作模式：遙控模式利用遙控器操縱桿控制果園噴藥車行進;學習模式下可控制車輛行進，也可采集車輛位置信息點（即GPS坐標）以構建行進路徑;導航模式用于導航路徑的編輯、下發以及自主導航控制。遙控器程序采用PyQt開發，所有信息設置通過信號和槽機制更改在系統中的配置。

打開電源總開關，系統啟動，系統默認處于遙控模式狀態，接收串口2即操縱桿數據后通過通信模塊發送至車載端，用以控制車輛行進方向及速度。通過遙控器顯示屏可切換工作模式為學習模式（選取學習模式，點擊屏幕確認鍵即可），進入學習模式后，系統自動創建路徑文件，用以存儲位置點信息。通過操縱桿控制噴藥車前往要采集位置信息點處，按下功能按鍵，系統識別后通過通信模塊發送位置點采集指令至車載端，車載端獲取坐標并返回位置點相關信息至遙控器，如果遙控器功能指示燈亮2 s后熄滅，則位置信息點采集成功，否則需重新按下功能按鍵采集該點位置信息。通過顯示屏切換工作模式至導航模式，若需要編輯或下發（至車輛）路徑，則通過點擊界面中路徑編輯鍵進入路徑編輯界面，在此界面中可編輯或下發路徑。編輯/下發完成，點擊界面返回鍵可返回至導航模式界面;按下功能按鍵可控制車輛自主導航，功能指示燈亮;再次按下功能按鍵可控制車輛停止自主導航，功能指示燈滅。具體工作流程如圖4所示。

樹莓派中使用兩個USB接口進行串口輸入輸出，一個接通信模塊用于數據通信，一個接Arduino用于獲取操縱桿數據。遙控器軟件設計中分別創建線程以實現相應功能。首先對相應的串口進行初始化，通過判斷接收緩沖區數據長度來判斷是否有新數據到達。新數據到達接收并對數據進行解析，發送與之對應的信號，觸發相應操作。程序流程如圖5、圖6所示。

4 實驗情況

為測試基于樹莓派的果園智能車遙控器工作的穩定性，在棲霞及威海兩地進行實地測試。果園智能噴藥車遙控器實物如圖7所示。在測試過程中，按照噴藥車實際操作需求對遙控器進行測試，遙控模式下將噴藥車移動至工作場地附近，切換工作模式為學習模式，按照需要采集位置點信息，切換工作模式為導航模式，編輯工作路徑并下發工作路徑至車載端，按下開始導航鍵，車輛按工作路徑自主行進并進行噴藥作業，如圖8所示，系統工作穩定。

5 結 語

為了實現“機器換人”，降低用工成本，本文結合果園智能噴藥車功能需求，研究設計了一種基于樹莓派的果園智能噴藥車用遙控器，該遙控器不僅可用于控制果園噴藥車的行進方向及動力，還可用于果園噴藥車位置點的采集、路徑的編輯/下發、模式切換、導航控制功能，穩定性高，可滿足實際生產的需要。

注：本文通訊作者為秦磊磊。

參考文獻

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