智能垂釣機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

董 路,高 源,婁珊珊,于治穎,郝宗睿

齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 海洋儀器儀表研究所,山東青島 266100

我國是漁具消費(fèi)大國,且近年來漁具市場呈不斷增加的趨勢,競技釣魚比賽也越來越多,金額越來越大,更多的人加入了釣魚的行列。

垂釣是一項(xiàng)具有技術(shù)性的活動(dòng),傳統(tǒng)的釣魚工具使用起來復(fù)雜且費(fèi)力,沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)釣魚知識(shí)很難釣到魚。王炯等人研制的釣魚浮漂通過藍(lán)牙通信的方式,能夠?qū)崟r(shí)反映魚漂狀態(tài)[1],但是局限性在于其通信距離有限。冉豪等人設(shè)計(jì)的仿生新型垂釣工具,能夠提高咬鉤成功率[2],但是自動(dòng)化水平較低。

本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的垂釣機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)、定深垂釣,避免了釣魚中的咬鉤不中等情況。同時(shí)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)和釣魚數(shù)據(jù)也會(huì)上傳到移動(dòng)終端,進(jìn)行存儲(chǔ)和分析,云平臺(tái)根據(jù)專家系統(tǒng),進(jìn)行垂釣方案的推送,提高垂釣成功概率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能垂釣機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,系統(tǒng)由ARDUINO mega為主控芯片,手機(jī)終端設(shè)備通過4G通信控制設(shè)備的推進(jìn)器,從而能在水面移動(dòng),當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置后,步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行定深放鉤[3]。

圖1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

魚咬鉤拉魚線時(shí),裝置內(nèi)定滑輪將拉力轉(zhuǎn)換為壓力,如圖2所示,壓力信號(hào)經(jīng)AD模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),輸入單片機(jī)內(nèi)。單片機(jī)根據(jù)傳感器信息確定收線時(shí)機(jī),將魚捕獲,并發(fā)出提示音,同時(shí)移動(dòng)端也會(huì)收到消息提醒[4]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

選用合適的硬件,采集到的傳感器信息將會(huì)更加準(zhǔn)確,系統(tǒng)響應(yīng)更快,成功率也更高。本系統(tǒng)以ARDUINO mega為主控芯片,外圍電路包括4G模塊、壓力傳感器、AD轉(zhuǎn)換器、步進(jìn)電機(jī)、推進(jìn)器等[5]。如表1所示:

表1 硬件選型

智能垂釣機(jī)器人的主控芯片選用了ARDUINO mega單片機(jī),該單片機(jī)有54個(gè)數(shù)字I/O口,16 MHz晶體振蕩器,能夠滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)硬件框架圖如圖3所示[6]:

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架

2.1 4G模塊

4G模塊采用SIM900A 模塊,它不僅支持4G全網(wǎng)通的網(wǎng)絡(luò)頻段,同時(shí)支持MQTT協(xié)議、TCP協(xié)議、UDP協(xié)議,具有GPS和北斗定位的功能[7]。

圖4 SIM900A模塊實(shí)物圖

2.2 壓力傳感器

壓力傳感器負(fù)責(zé)采集定滑輪上的拉力,判斷是否有魚咬鉤。HX711轉(zhuǎn)換模塊為24位的AD轉(zhuǎn)換模塊,是專業(yè)的壓力AD芯片,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 壓力傳感器接線圖

2.3 步進(jìn)電機(jī)模塊

步進(jìn)電機(jī)也叫脈沖電機(jī),當(dāng)電機(jī)收到一個(gè)脈沖信號(hào)之后,就會(huì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,這個(gè)角度稱為步進(jìn)角。86BYG250D步進(jìn)電機(jī)有低噪音、大扭矩、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),符合設(shè)計(jì)要求。

圖7 步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器實(shí)物圖

TB6600驅(qū)動(dòng)器,是專業(yè)的兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制,通過3位撥碼開關(guān)可以選擇7檔的細(xì)分控制。細(xì)分之后的步進(jìn)電機(jī)的步距角為:

通過TB6600驅(qū)動(dòng)器,可以精確控制其旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù),可以實(shí)現(xiàn)定深放鉤,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)只釣一種特定的魚種的功能。驅(qū)動(dòng)器接線圖如圖8所示:

圖8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接線圖

2.4 推進(jìn)器模塊

推進(jìn)器是控制智能垂釣機(jī)器人在水面移動(dòng)的裝置,位于設(shè)備的兩側(cè),采用電調(diào)來控制推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速和方向。通過調(diào)整設(shè)備位置,實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)垂釣功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

智能垂釣機(jī)器人的主程序如圖9所示。設(shè)備工作時(shí),系統(tǒng)啟動(dòng)初始化,各個(gè)模塊上電進(jìn)入工作狀態(tài)。通過4G網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)端進(jìn)行連接,由移動(dòng)端進(jìn)行控制釣魚機(jī)器人到達(dá)指定位置,進(jìn)行放線。壓力傳感器將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到主控芯片內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與處理。當(dāng)壓力數(shù)值到達(dá)設(shè)定閾值時(shí),進(jìn)行收線操作,操作完成后裝置會(huì)發(fā)出提示,移動(dòng)端也會(huì)收到消息提醒[8]。

圖9 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 裝置與阿里云平臺(tái)通信

上位機(jī)是基于阿里云平臺(tái)提供的云服務(wù)而設(shè)計(jì)的手機(jī)APP,實(shí)現(xiàn)裝置實(shí)時(shí)與移動(dòng)端數(shù)據(jù)通信。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖10所示。主機(jī)主控單元首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到4G模塊,4G模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云端,移動(dòng)端通過向云端發(fā)送請(qǐng)求,獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖10 4G模塊與阿里云通信程序設(shè)計(jì)流程圖

根據(jù)專家系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的分析,對(duì)釣魚方案進(jìn)行智能推薦,保證用戶能夠使用正確的餌料,提高了釣魚的成功率。專家系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如所示。系統(tǒng)知識(shí)庫包括數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫,數(shù)據(jù)庫包含了水域溫度等事實(shí)數(shù)據(jù)；規(guī)則庫包含了魚類品種、魚類對(duì)應(yīng)餌料等數(shù)據(jù)；推理機(jī)通過構(gòu)筑Rete網(wǎng)絡(luò),使用正向推理中的Rate算法實(shí)現(xiàn)推理,最終將推薦方案發(fā)送到用戶終端。

圖11 專家系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3.3 程序界面設(shè)計(jì)

移動(dòng)端基于JavaScript開發(fā)的APP。能夠與阿里云進(jìn)行通信,獲取設(shè)備狀態(tài)和操控設(shè)備[9]。

圖12 移動(dòng)端數(shù)據(jù)展示頁面

4 設(shè)備測試

將系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試后,進(jìn)行功能測試。裝置各模塊能夠正常工作,移動(dòng)端可以與設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,系統(tǒng)能夠快速響應(yīng),滿足設(shè)計(jì)要求。

圖13 設(shè)備實(shí)物圖

4.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

因?yàn)榇贯灥某晒β赎P(guān)乎溫度、濕度、水深等多種因素[10]。我們選擇在秋季十月上旬,天氣晴朗,微風(fēng),北京時(shí)間16.00,在水深10 m的,占地面積大約8×105m2的青島膠州如意湖進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn),試驗(yàn)用的魚鉤是伊豆雙鉤3號(hào)鉤、2號(hào)魚線。在垂釣機(jī)器人收線后,沒有脫鉤和空桿即為成功。結(jié)果如表2所示:

表2 試驗(yàn)記錄統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,在0.5 m、1.0 m、2.0 m和3.0 m水深時(shí),成功率均在75%以上。達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié) 論

本設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能垂釣機(jī)器人,能夠?qū)崿F(xiàn)定點(diǎn)定深垂釣,利用專家系統(tǒng)向用戶推薦垂釣方案,克服了傳統(tǒng)漁具上手難,自動(dòng)化水平低等問題。

本設(shè)計(jì)的局限性在于,當(dāng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)時(shí),設(shè)備的通信延遲將會(huì)較高。另外,設(shè)備脫鉤率太高,這方面還需要不斷優(yōu)化。