穆元杰 王富軍 李喬宇 胡樹冉 秦磊磊

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”，降低用工成本，結(jié)合果園智能噴藥車功能需求，文中研究設(shè)計(jì)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(jìn)方向及動(dòng)力，還可用于果園噴藥車位置點(diǎn)的采集、路徑的編輯/下發(fā)、模式切換、導(dǎo)航控制功能。實(shí)驗(yàn)表明，該遙控器可滿足果園智能噴藥車的功能需求，工作穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：樹莓派;遙控器;智能噴藥;無線傳輸;Arduino;USB

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）05-00-04

0 引 言

山東省素有“蘋果之鄉(xiāng)”的美稱，其蘋果種植面積穩(wěn)定在30萬公頃左右[1-2]。隨著城市化的推進(jìn)以及人口老齡化進(jìn)程加劇，果園用工成本不斷增加。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年全國蘋果種植人工成本和物質(zhì)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(dá)到51.9%。

現(xiàn)代信息科技突飛猛進(jìn)，無人駕駛、人工智能、專用機(jī)器人等高新技術(shù)不斷發(fā)展，為了實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”，降低用工成本，果園智能噴藥車應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)有的遙控器多用于控制車輛行進(jìn)方向及動(dòng)力，但均未涉及車輛自主導(dǎo)航時(shí)位置點(diǎn)的采集、路徑的編輯/下發(fā)、模式切換、導(dǎo)航控制功能[7-8]。為此，本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款基于樹莓派的果園智能噴藥車遙控器。

1 總體架構(gòu)

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(fù)位開關(guān)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(shí)現(xiàn)果園智能噴藥車與遙控器間雙向數(shù)據(jù)通信，接收噴藥車發(fā)送的坐標(biāo)信息、車輛狀態(tài)信息，并向噴藥車發(fā)送模式切換信息、功能信息、路徑信息、操縱桿數(shù)據(jù)。

（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(shí)現(xiàn)“遙控”“學(xué)習(xí)”“導(dǎo)航”

三種模式的切換，及對(duì)路徑文件的“編輯”“刪除”“下發(fā)”操作。

（4）操縱桿用于遙控及學(xué)習(xí)模式下控制噴藥車的行進(jìn)方向與動(dòng)力。

（5）自復(fù)位開關(guān)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(xué)習(xí)模式下為采點(diǎn)功能，按鍵用于位置信息采集，按鍵按下后控制單元識(shí)別并生成“采集位置信息命令”，并通過通信模塊發(fā)送至噴藥車端;導(dǎo)航模式下，按鍵用于導(dǎo)航啟?？刂啤?/p>

（6）功能指示燈用于指示噴藥車當(dāng)前功能狀態(tài)：遙控模式下，指示燈無作用，為開路狀態(tài);學(xué)習(xí)模式下，當(dāng)有“位置信息”返回時(shí)，功能指示燈亮2 s后自行關(guān)閉;導(dǎo)航模式下，指示燈開啟，表示導(dǎo)航開始，指示燈關(guān)閉，表示導(dǎo)航停止。

果園智能噴藥車遙控器總體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

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(gè)GPIO引腳與其連接;功能指示燈及自復(fù)位開關(guān)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(hào)。樹莓派不具有A/D轉(zhuǎn)換功能[9]，無法直接獲取操縱桿數(shù)據(jù)，因此使用Arduino UNO[10]作為控制器配合樹莓派獲取操縱桿數(shù)據(jù)，其硬件連接如圖2所示。Arduino獲取到操縱桿兩軸數(shù)據(jù)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(tǒng)中樹莓派、Arduino及操縱桿為5 V供電;功能指示燈及自復(fù)位開關(guān)按鍵為3.3 V供電;遙控器為鋰電池供電（12 V），且?guī)в凶猿潆姽δ?。如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

遙控器有遙控、學(xué)習(xí)、導(dǎo)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(jìn);學(xué)習(xí)模式下可控制車輛行進(jìn)，也可采集車輛位置信息點(diǎn)（即GPS坐標(biāo)）以構(gòu)建行進(jìn)路徑;導(dǎo)航模式用于導(dǎo)航路徑的編輯、下發(fā)以及自主導(dǎo)航控制。遙控器程序采用PyQt開發(fā)，所有信息設(shè)置通過信號(hào)和槽機(jī)制更改在系統(tǒng)中的配置。

打開電源總開關(guān)，系統(tǒng)啟動(dòng)，系統(tǒng)默認(rèn)處于遙控模式狀態(tài)，接收串口2即操縱桿數(shù)據(jù)后通過通信模塊發(fā)送至車載端，用以控制車輛行進(jìn)方向及速度。通過遙控器顯示屏可切換工作模式為學(xué)習(xí)模式（選取學(xué)習(xí)模式，點(diǎn)擊屏幕確認(rèn)鍵即可），進(jìn)入學(xué)習(xí)模式后，系統(tǒng)自動(dòng)創(chuàng)建路徑文件，用以存儲(chǔ)位置點(diǎn)信息。通過操縱桿控制噴藥車前往要采集位置信息點(diǎn)處，按下功能按鍵，系統(tǒng)識(shí)別后通過通信模塊發(fā)送位置點(diǎn)采集指令至車載端，車載端獲取坐標(biāo)并返回位置點(diǎn)相關(guān)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(diǎn)采集成功，否則需重新按下功能按鍵采集該點(diǎn)位置信息。通過顯示屏切換工作模式至導(dǎo)航模式，若需要編輯或下發(fā)（至車輛）路徑，則通過點(diǎn)擊界面中路徑編輯鍵進(jìn)入路徑編輯界面，在此界面中可編輯或下發(fā)路徑。編輯/下發(fā)完成，點(diǎn)擊界面返回鍵可返回至導(dǎo)航模式界面;按下功能按鍵可控制車輛自主導(dǎo)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(dǎo)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(gè)USB接口進(jìn)行串口輸入輸出，一個(gè)接通信模塊用于數(shù)據(jù)通信，一個(gè)接Arduino用于獲取操縱桿數(shù)據(jù)。遙控器軟件設(shè)計(jì)中分別創(chuàng)建線程以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。首先對(duì)相應(yīng)的串口進(jìn)行初始化，通過判斷接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)長度來判斷是否有新數(shù)據(jù)到達(dá)。新數(shù)據(jù)到達(dá)接收并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，發(fā)送與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)，觸發(fā)相應(yīng)操作。程序流程如圖5、圖6所示。

4 實(shí)驗(yàn)情況

為測(cè)試基于樹莓派的果園智能車遙控器工作的穩(wěn)定性，在棲霞及威海兩地進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。果園智能噴藥車遙控器實(shí)物如圖7所示。在測(cè)試過程中，按照噴藥車實(shí)際操作需求對(duì)遙控器進(jìn)行測(cè)試，遙控模式下將噴藥車移動(dòng)至工作場(chǎng)地附近，切換工作模式為學(xué)習(xí)模式，按照需要采集位置點(diǎn)信息，切換工作模式為導(dǎo)航模式，編輯工作路徑并下發(fā)工作路徑至車載端，按下開始導(dǎo)航鍵，車輛按工作路徑自主行進(jìn)并進(jìn)行噴藥作業(yè)，如圖8所示，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

5 結(jié) 語

為了實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”，降低用工成本，本文結(jié)合果園智能噴藥車功能需求，研究設(shè)計(jì)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(jìn)方向及動(dòng)力，還可用于果園噴藥車位置點(diǎn)的采集、路徑的編輯/下發(fā)、模式切換、導(dǎo)航控制功能，穩(wěn)定性高，可滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

注：本文通訊作者為秦磊磊。

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