基于樹莓派實現(xiàn)的水下無人機(jī)設(shè)計方案

本文介紹了由樹莓派驅(qū)動的水下無人機(jī)原型的設(shè)計過程、開發(fā)和組裝操作。

我在探索頻道上看了很多關(guān)于發(fā)明家的節(jié)目，有一次我決定自己做一些有趣的事情，這樣一次就可以真正令人印象深刻和困難：一些電動機(jī)、控制器、處理、相機(jī)。買了很多有用（而且不是很有用）的東西后，我開始思考應(yīng)該開始什么樣的項目。最后我得出的結(jié)論是，有很多飛行和駕駛無人機(jī)，但不是關(guān)于水下無人機(jī)（哈哈，現(xiàn)在看來，我當(dāng)時簡直大錯特錯）。

在網(wǎng)上沖浪后，我發(fā)現(xiàn)了幾個有趣的項目，但其中大多數(shù)要么處于開發(fā)階段，要么價格不便宜。

展望未來，我可以說我有一個可以游泳幾米深的工作原型，盡管它有著部分優(yōu)點和缺點。我不能斷言我終于有了一個易于控制的東西，或者可以做的不僅僅是平息我的工程師熱情的東西。但是這些東西的所有單元都能正常工作，我的錯誤和經(jīng)驗可以幫助某人創(chuàng)造出真正重要的東西（即使它只對他自己有意義），這一點在我看來是非常重要的。

由于做了大量工作，本文可分為以下幾章：

選擇組件

電調(diào)編程

樹莓派服務(wù)器配置

使用 Raspberry Pi 處理電動機(jī)

陀螺儀

樹莓派手電筒控制

客戶端-服務(wù)器通信協(xié)議

安卓應(yīng)用

視頻流

屏幕和操縱桿控制

施工組裝和測試

結(jié)論

選擇組件

您將在下面找到用于創(chuàng)建設(shè)備的不同內(nèi)容的列表。

母板

在眾多控制器中，我選擇了Raspberry Pi 3B 。我不會為這個項目推薦類似 Arduino 的板，因為它不會管理如此復(fù)雜的任務(wù)，因為需要控制至少 4 個電機(jī)、二極管、陀螺儀、從相機(jī)發(fā)送視頻流并同時接收并處理來自控制設(shè)備的命令。Raspberry Pi 3B 帶有用于 RJ-45 連接器的內(nèi)置 Wi-Fi 和以太網(wǎng)，這無疑會幫助您完成所有這些操作。

聯(lián)結(jié)渠道

在水下傳輸數(shù)據(jù)總是很困難。水是一個很好的盾牌，因此，您可以忘記任何無線數(shù)據(jù)傳輸。所以沒有其他選擇。

在水下傳輸數(shù)據(jù)的能力。

水下數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取?/p>

通用性（它非常適合 Raspberry Pi 3B 和發(fā)射器）。

基地發(fā)射器

NEXX迷你路由器 有 3 個主要的傳輸選項：

嘗試將 Wi-Fi 天線從水中連接到陸地（在這種情況下，應(yīng)該使用實心線而不是雙絞線），但存在很多爭議點。

在兩個 Raspberry Pi 3B 之間創(chuàng)建一個客戶端-服務(wù)器橋連接（這將是合適的，但更昂貴且更麻煩）。

使用雙絞線將迷你路由器與 Raspberry 連接。這個選項被作為基礎(chǔ)，因為它是最可靠、最快速和最便宜的。經(jīng)驗證明，這是一個相當(dāng)不錯的選擇。

電動馬達(dá)

N2830/2212 1000KV

在測試了 3 種不同的電機(jī)后，我選擇了這個模型。你可能會問為什么？因為它足夠強(qiáng)大，它有第二個軸，所以你可以同時使用 2 個螺旋槳。一般來說，所有電機(jī)在水中正常運行，直到藻類或沙子進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。如果您選擇高速且功率較小的電機(jī)，您會發(fā)現(xiàn)這些類型的電機(jī)并不是最適合水的。更便宜的電機(jī)也沒有達(dá)到預(yù)期。

控制板 （ESC）

非洲式電調(diào) （30A）

這也很簡單。它可以編程為正向/反向切換，30安培的功率對于被測電機(jī)來說應(yīng)該足夠了。

Afro ESC USB 編程工具

ESC 的編程工具。使用此設(shè)備，您可以上傳必要的固件。但實際上，這就是問題所在。我不得不等了一個半月。

LED脈沖驅(qū)動器

7-30В 3А或類似

這非常適合我們的目的 - 它擁有兩個上述 LED，它還連接到 Raspberry 并允許您調(diào)整 LED 的亮度。

陀螺儀

MPU-6050

一個三軸陀螺儀/加速度計，將位置數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓。有一些數(shù)據(jù)，但不是很有用?。

相機(jī)

RPi 相機(jī) F

您可以使用任何其他本機(jī) Raspberry Pi 相機(jī)。主要條件是它應(yīng)該通過FFC連接，而不是USB。視頻流一直是一個大問題（延遲、編碼），或者更確切地說，這不是問題，只是需要很多時間才能開始。

操縱桿

iPega PG-9055 - 額外的控制助手，如果你的手濕了，相信我，他們會濕的，你可以使用這個設(shè)備控制無人機(jī)。

電池

Turnigy 2200mAh 3S 30C

再次進(jìn)行了很多測試。18650 電池不適合，因為控制器具有 25A 的放電率，這對于峰值負(fù)載條件下的整個系統(tǒng)來說是不夠的（是的，幾塊電池在使用后就死了）?？梢試L試使用 6 節(jié)電池并獲得 50A，但難度更大。這樣的直流電不能使用電線傳輸（不要忘記大約 100 m 的距離）。所以我買了 Li-Po，它優(yōu)雅地完成了任務(wù)，完美地融入了外殼。

驅(qū)動螺旋槳（主要問題之一）

電纜接頭

還有外殼、連接器、電線和其他東西。

電調(diào)編程

不幸的是，全新的 Afro ESC 只能向一個方向旋轉(zhuǎn)，因此您需要更新固件。

現(xiàn)在正確連接電線很重要，否則其中一個設(shè)備可能會發(fā)生故障。

在這里，您將找到一些有關(guān)如何正確連接電線的簡短說明：

一對紅色和黑色粗線，末端有一個公連接器。是通用電源。在這種情況下，提供的電源將是 12V 和所需的安培數(shù)。

紅色——輸入端口“+”。

黑色 – 輸入端口“-”。

一根粗紅黑黃的電線負(fù)責(zé)電機(jī)電源。我們現(xiàn)在不會連接它們，但稍后我們會將這些電線連接到具有相似顏色的電動機(jī)的電線上。

細(xì)線負(fù)責(zé)控制電路板。

控制信號通過黃線傳輸。

紅線輸出5v（我沒用過）。它們有幾種不同的類型，您可以在此處了解更多信息。

黑線應(yīng)連接到端口“-”。

因此，讓我們將細(xì)線連接到鏈接器：將黑線（減號）和黃線（信號）連接在一起。請勿觸摸或?qū)⒓t線連接在一起。下一步——為電路板提供電源（黑色和紅色厚輸入）。我使用了這個靜態(tài)電源單元，但任何其他具有類似特性的電源都可以（12V，2+A）。

打開固件更新工具并選擇：

端口：選擇連接的 USB 端口。幸運的是，只有很少的選擇。

波特率：9600。

控制器：基于 atmega 8 的無刷 ESC（8kB 閃存）。

選擇下載的固件文件。單擊“運行”按鈕并祈禱：）

很快固件就會成功上傳到電調(diào)，一切準(zhǔn)備就緒。

使用 Raspberry Pi 處理電動機(jī)

一件重要的事情是，如果您正在構(gòu)建一個嚴(yán)肅的項目，而不僅僅是為了好玩，您不必使用 Raspberry PI 進(jìn)行實時工作，例如電機(jī)處理。PWM 生成不會如您所愿，因此請使用單獨的板，例如 Arduino 進(jìn)行控制。但是對于我的項目來說，使用 Raspberry 就足夠了。感謝Fabio Balzano在本文下方的評論中對此進(jìn)行了解釋。

所以，讓我們開始我們工作中最有趣的部分——我們應(yīng)該為 Raspberry Pi 控件編寫代碼。找到項目文件夾~ /drone并在那里安裝 PiGpio 庫：

現(xiàn)在我將為您提供一些有關(guān) ESC 控制的簡短信息。我們應(yīng)該將某個頻率傳輸?shù)郊?xì)黃線（控制）（參見“ESC 編程”部分）。afro_nfet_besc30_r1固件的范圍是1100-1900 ，其中值 1500 是平靜狀態(tài)，1100 最大反向，1900 最大正向。創(chuàng)建文件engines.js并將JS代碼添加到其中：

//Calm state constant
const SERVO_ZERO = 1500;
//Connect 'pigpio' library
const Gpio = require('pigpio').Gpio;
// Define 4 motors using Raspberry pins (this process will be described below)
const servo1 = new Gpio(22, {mode: Gpio.OUTPUT});
const servo2 = new Gpio(10, {mode: Gpio.OUTPUT});
const servo3 = new Gpio(9, {mode: Gpio.OUTPUT});
const servo4 = new Gpio(27, {mode: Gpio.OUTPUT});
//Set each board into the state of "calm"
servo1.servoWrite(SERVO_ZERO);
servo2.servoWrite(SERVO_ZERO);
servo3.servoWrite(SERVO_ZERO);
servo4.servoWrite(SERVO_ZERO);
//After that you should enter the value into ESC
module.exports.engines = {
leftEsc: (value) => {
servo1.servoWrite(value);
},
rightEsc: (value) => {
servo2.servoWrite(value);
},
topLeftEsc: (value) => {
servo3.servoWrite(value);
},
topRightEsc: (value) => {
servo4.servoWrite(value);
}
}

為了使用此代碼，您應(yīng)該在app.js中編寫：

實際上這部分代碼servo1.servoWrite（）負(fù)責(zé)控制。1100 - 電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，1900 - 最大正向轉(zhuǎn)動。

在這里您可以找到 Raspberry pin 方案：

簡而言之，你應(yīng)該使用橙色的 GPIO。一對由 GPIO 10 和 GPIO 22 組成，第二對是 GPIO 9 和 GPIO 27（使用 27、22 和 10 -9 會更合乎邏輯，但我在焊接時沒有考慮到，所以我不得不更改它）。如果考慮序數(shù)（它們是灰色的），那么這些是 13、15 和 19、21 聯(lián)系人。您應(yīng)該將 ESC 的黃線連接到它們中的每一個，負(fù)號應(yīng)連接到一個 GND，例如 39 觸點?，F(xiàn)在讓我們連接其他的東西。

將Afro ESC的電源線（紅色和黑色）連接到單獨的電源單元（12v），將電機(jī)連接到黃-紅-黑粗線，現(xiàn)在您可以嘗試它是如何工作的。

陀螺儀

連接示例：

VCC到引腳 1 （3.3V PWR）

GND到任何負(fù)號

SCL到引腳 5 （GPIO 3）

SDA到引腳 3 （GPIO 2）

正確連接一切并不難，如果談?wù)撥浖鼤唵巍行畔⒍伎梢栽诨ヂ?lián)網(wǎng)上輕松找到。在這里你應(yīng)該使用i2c-bus и i2c-mpu6050庫。將它們安裝到項目中：

創(chuàng)建文件gyroscope.js并添加：

const i2c = require('i2c-bus');
const MPU6050 = require('i2c-mpu6050');
const address = 0x68;
const i2c1 = i2c.openSync(1);
const sensor = new MPU6050(i2c1, address);
var reading = false;
var sensorData = {};
module.exports.gyroscope = {
getData : () => {
return JSON.stringify(sensorData);
},
readRotation : () => {
sensor.readRotation(function (err, rot) {
if (err) {
console.log(e);
return;
}
console.log(rot);
});
},
readSensor : () => {
if (!reading) {
reading = true;
}
sensor.read(function (err, data) {
reading = false;
if (err) {
console.log(err);
} else {
sensorData = data;
}
});
}
}

以一定的頻率運行 readSensor 方法，并從 getData 獲取上次調(diào)查的數(shù)據(jù)。會有很多位置分量（x，y，z，a）。我沒有足夠的時間來定義這些組件的含義，因為我有更重要的任務(wù)——處理。我知道調(diào)查它會更好，但結(jié)果的相關(guān)性對于當(dāng)時的這個項目來說并不是很重要。

樹莓派手電筒控制

所以，讓我們繼續(xù)增加我們無人機(jī)的功能，現(xiàn)在我將向您介紹 LED。我有兩個XHP-50 LED 和 LED 脈沖驅(qū)動器（見上表）。它們很容易過熱，因此我建議您將它們與散熱器一起使用。你可以在同一個網(wǎng)上商店找到它們，最主要的是不要忘記尺寸。因此，將 LED 連接到散熱器上，使用電線將一個 LED 的負(fù)極焊接到另一個 LED 的正極（它們已標(biāo)記）并焊接 - 和 + 線：

控制器和焊接：

電源 - 12V 正負(fù)，您可以使用與電機(jī)相同的輸入。LED 連接器應(yīng)連接到先前焊接的連接器，L- 到負(fù)，L+ 到正。在這種情況下，我們不需要模擬觸點（A），所以不要連接它。

現(xiàn)在我們對數(shù)字輸入（D）和接地輸入（G）感興趣?，F(xiàn)在您應(yīng)該將數(shù)字輸入 （D） 與 GPIO11 連接，將接地輸入 （G） 與 GND 連接（您可以在 Raspberry 上選擇任何您想要的）。

現(xiàn)在讓我們回到 Raspberry Pi，創(chuàng)建一個文件light.js并添加以下內(nèi)容：

//Again the same library
const Gpio = require('pigpio').Gpio;
//Create Gpio for your pin
const light = new Gpio(11, {mode: Gpio.OUTPUT});
// You can set the value starting from 0 to 255 (I have found this info in the LED driver instructions)
const LIGHT_MIN = 0;
const LIGHT_MAX = 255;
//It will be needed for calculations
const LIGHT_DIAPASONE = LIGHT_MAX - LIGHT_MIN;
// Turn off the LED (the system starts with the LEDs turned on to maximum)
light.pwmWrite(LIGHT_MIN);
//Export work methods
module.exports.light = {
on: () => {
//Transmit the value 255 to the driver
light.pwmWrite(LIGHT_MAX);
},
off: () => {
// Transmit the value 0 to the driver
light.pwmWrite(LIGHT_MIN);
},
//Here will be the percent value from 0 to 100
set: (val) => {
if(val < 0 || val > 100) return;
//Calculate the value based on the percentage
val = Math.round(LIGHT_MIN + LIGHT_DIAPASONE / 100 * val);
console.log("Light:"+val);
//Transmit the value to the driver
light.pwmWrite(val);
}
}

我們可以使用app.js或引擎運行它：

客戶端-服務(wù)器通信協(xié)議

正如您從樹莓派的初始配置中了解的那樣，通信將使用套接字連接進(jìn)行。您還需要一些在服務(wù)器和客戶端中硬編碼的命令集。當(dāng)我自己做所有事情時，我決定使用我自己的格式，因為存在的選項與重量/可讀性標(biāo)準(zhǔn)不太匹配。因此，讓我們在考慮控制模型的情況下進(jìn)行構(gòu)建，在這種情況下，它將是 Android 智能手機(jī)。

在這里你可以找到模型本身（應(yīng)用程序?qū)⒃谙旅婷枋觯?/p>

畫面分為兩部分。左邊部分代表水平軸（前后），右邊部分代表垂直軸。如果您將手指放在某個區(qū)域，這將被視為參考點并由一對電機(jī)控制，但它也是一個“平靜”點。

如果您的手指垂直向上滑動，兩個電機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)速度將隨著功率從 0 到最大值（取決于接觸點到當(dāng)前點的距離）緩慢增加。

如果您向下滑動手指，兩個電機(jī)將以一定速度反向旋轉(zhuǎn)，該速度取決于與接觸點的距離。

如果您向右滑動手指，左側(cè)電機(jī)將向前旋轉(zhuǎn)，而右側(cè)電機(jī)將反向旋轉(zhuǎn)。所以，實際上，我們需要知道偏離接觸點的角度（其中top=90，bottom=90，right=0，left=180）和速比——手指到接觸點的距離（從 0 到 100）。對象命令應(yīng)如下所示：

С - （command），任何命令都應(yīng)該以這個字母開頭；

： - 鍵值分隔符；

; - 鍵值對的分隔符；

L——表示觸摸是在屏幕左側(cè)進(jìn)行的；

R - 表示觸摸是在屏幕的右側(cè)進(jìn)行的；

LIGHT——代表光 ：）

A ——ANGLE，偏差角；

V——價值，某物的價值。

因此，第一個命令聽起來像：“一對水平電機(jī)，方向 - 45 度（左電機(jī)處于最大速度（但最大值為 35%，基于 V），右電機(jī)停止），旋轉(zhuǎn)速度為 35%最大限度”。

第二條命令：“垂直電機(jī)對，方向 - 0 度（左電機(jī)最大轉(zhuǎn)速，右電機(jī)反向最大轉(zhuǎn)速），最大轉(zhuǎn)速”。

第三個命令：“以 50% 的亮度打開燈”。

當(dāng)您通過套接字在鍵值塊中為每個值更改發(fā)送單獨的命令時，這就是它的工作原理。然后神奇地變成控制板上的命令。解釋這些數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換會很無聊。所以大家可以試著自己研究一下，掌握控制器。

安卓應(yīng)用

最后，我們已經(jīng)到了嘗試創(chuàng)建控制器的時刻。一般來說，通信的意思是：“點擊屏幕上的東西——將值傳輸?shù)椒?wù)器”。我會寫一些關(guān)于應(yīng)用程序的內(nèi)容。沒有什么不尋?；蛱貏e具有挑戰(zhàn)性的，所以我不會發(fā)布所有代碼。如果您愿意，您可以訪問存儲庫并找到所需的信息。我還想指出，我沒有使用任何新奇的模式，如 MVVM、MVP、VIPER 等，因為我需要在最短的時間內(nèi)工作的應(yīng)用程序。UI 盡可能簡單。

首先，您應(yīng)該創(chuàng)建一個帶有狀態(tài)顯示視圖的活動。布局如下：

視頻顯示層（播放器封裝在一個片段中）。

JoystickView層是一個自定義視圖，其中dispatchTouchEvent方法被覆蓋，它處理手指在屏幕上的按下和移動。它將 UI 線從按下點繪制到當(dāng)前狀態(tài)。多點觸控支持是強(qiáng)制性的，因為控制是用兩根手指執(zhí)行的。

一個帶有 Raspberry Pi 當(dāng)前溫度的 TextView 的層（如果出現(xiàn)問題并且它開始過熱，您可以在它關(guān)閉/燃燒之前停止使用它）。幸運的是，我的 Raspberry 沒有發(fā)生這種情況。

陀螺儀顯示的數(shù)據(jù)層。在標(biāo)簽值對中設(shè)置的 TextView。它顯示來自陀螺儀的“原始數(shù)據(jù)”。計劃處理這些數(shù)據(jù)，但我沒有足夠的時間來做它并發(fā)明一個很酷的顯示它。

一個 SeekBar 層 - LED 控件，一個簡單的元素，它在拖動時將值從 0 更改為 100。

施工組裝和測試

現(xiàn)在我們已經(jīng)到了下一步——我們需要找到一些東西，我們可以放置上面提到的所有東西（哈哈）。在設(shè)計和組裝階段，我的朋友 Sergey 給了我很多幫助。實際上，他找到了一個外殼，做了一個鐵平臺，我們可以將電機(jī)安裝在不同的位置，然后將它們放在一起：

我先說 6 個電機(jī)的原型會更有效率，但對我來說，即使有 4 個電機(jī)也很難支持原型，這就是為什么決定用 4 個電機(jī)測試原型的原因。

首先，我們決定測試外殼的結(jié)構(gòu)，這就是為什么我們沒有將所有電子設(shè)備都放入外殼中，而是簡單地將電機(jī)連接到平臺上，兩對雙絞線從電調(diào)發(fā)送信號到每個他們（ESC在測試期間一直留在內(nèi)陸）。

結(jié)論

所有這一切的主要結(jié)果是，我獲得了構(gòu)建此類單元和系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗。在開發(fā)過程中使用了大量不同的設(shè)備，其管理比看起來要容易得多。四電機(jī)原型并沒有預(yù)期的那么好——控制這樣的設(shè)備非常困難。最好使用四個垂直電機(jī)和至少兩個水平電機(jī)。同時，它應(yīng)該用陀螺儀穩(wěn)定，因為對于人類來說，它很難完美地控制它，需要幫助（飛行無人機(jī)也是如此）。

此外，所有在售的電機(jī)都會被沙子和其他東西堵塞，所有單元都可能因腐蝕而損壞（這是合乎邏輯的），不適合此類項目。我沒有找到水下馬達(dá)（可以表明它是防水的，但它只能在 1-2 米的深度正常工作）。在這個項目之后，任何智能家居似乎都沒有那么復(fù)雜了。服務(wù)器，中繼命令，僅此而已。您需要的主要是有時間和愿望去做。其余的將隨之而來。