基于树莓派实现的水下无人机设计方案

本文介绍了由树莓派驱动的水下无人机原型的设计过程、开发和组装操作。

我在探索频道上看了很多关于发明家的节目，有一次我决定自己做一些有趣的事情，这样一次就可以真正令人印象深刻和困难：一些电动机、控制器、处理、相机。买了很多有用（而且不是很有用）的东西后，我开始思考应该开始什么样的项目。最后我得出的结论是，有很多飞行和驾驶无人机，但不是关于水下无人机（哈哈，现在看来，我当时简直大错特错）。

在网上冲浪后，我发现了几个有趣的项目，但其中大多数要么处于开发阶段，要么价格不便宜。

展望未来，我可以说我有一个可以游泳几米深的工作原型，尽管它有着部分优点和缺点。我不能断言我终于有了一个易于控制的东西，或者可以做的不仅仅是平息我的工程师热情的东西。但是这些东西的所有单元都能正常工作，我的错误和经验可以帮助某人创造出真正重要的东西（即使它只对他自己有意义），这一点在我看来是非常重要的。

由于做了大量工作，本文可分为以下几章：

选择组件

电调编程

树莓派服务器配置

使用 Raspberry Pi 处理电动机

陀螺仪

树莓派手电筒控制

客户端-服务器通信协议

安卓应用

视频流

屏幕和操纵杆控制

施工组装和测试

结论

选择组件

您将在下面找到用于创建设备的不同内容的列表。

母板

在众多控制器中，我选择了Raspberry Pi 3B 。我不会为这个项目推荐类似 Arduino 的板，因为它不会管理如此复杂的任务，因为需要控制至少 4 个电机、二极管、陀螺仪、从相机发送视频流并同时接收并处理来自控制设备的命令。Raspberry Pi 3B 带有用于 RJ-45 连接器的内置 Wi-Fi 和以太网，这无疑会帮助您完成所有这些操作。

联结渠道

在水下传输数据总是很困难。水是一个很好的盾牌，因此，您可以忘记任何无线数据传输。所以没有其他选择。

在水下传输数据的能力。

水下数据传输的速度。

通用性（它非常适合 Raspberry Pi 3B 和发射器）。

基地发射器

NEXX迷你路由器 有 3 个主要的传输选项：

尝试将 Wi-Fi 天线从水中连接到陆地（在这种情况下，应该使用实心线而不是双绞线），但存在很多争议点。

在两个 Raspberry Pi 3B 之间创建一个客户端-服务器桥连接（这将是合适的，但更昂贵且更麻烦）。

使用双绞线将迷你路由器与 Raspberry 连接。这个选项被作为基础，因为它是最可靠、最快速和最便宜的。经验证明，这是一个相当不错的选择。

电动马达

N2830/2212 1000KV

在测试了 3 种不同的电机后，我选择了这个模型。你可能会问为什么？因为它足够强大，它有第二个轴，所以你可以同时使用 2 个螺旋桨。一般来说，所有电机在水中正常运行，直到藻类或沙子进入电机内部。如果您选择高速且功率较小的电机，您会发现这些类型的电机并不是最适合水的。更便宜的电机也没有达到预期。

控制板 （ESC）

非洲式电调 （30A）

这也很简单。它可以编程为正向/反向切换，30安培的功率对于被测电机来说应该足够了。

Afro ESC USB 编程工具

ESC 的编程工具。使用此设备，您可以上传必要的固件。但实际上，这就是问题所在。我不得不等了一个半月。

LED脉冲驱动器

7-30В 3А或类似

这非常适合我们的目的 - 它拥有两个上述 LED，它还连接到 Raspberry 并允许您调整 LED 的亮度。

陀螺仪

MPU-6050

一个三轴陀螺仪/加速度计，将位置数据发送到树莓。有一些数据，但不是很有用☺。

相机

RPi 相机 F

您可以使用任何其他本机 Raspberry Pi 相机。主要条件是它应该通过FFC连接，而不是USB。视频流一直是一个大问题（延迟、编码），或者更确切地说，这不是问题，只是需要很多时间才能开始。

操纵杆

iPega PG-9055 - 额外的控制助手，如果你的手湿了，相信我，他们会湿的，你可以使用这个设备控制无人机。

电池

Turnigy 2200mAh 3S 30C

再次进行了很多测试。18650 电池不适合，因为控制器具有 25A 的放电率，这对于峰值负载条件下的整个系统来说是不够的（是的，几块电池在使用后就死了）。可以尝试使用 6 节电池并获得 50A，但难度更大。这样的直流电不能使用电线传输（不要忘记大约 100 m 的距离）。所以我买了 Li-Po，它优雅地完成了任务，完美地融入了外壳。

驱动螺旋桨（主要问题之一）

电缆接头

还有外壳、连接器、电线和其他东西。

电调编程

不幸的是，全新的 Afro ESC 只能向一个方向旋转，因此您需要更新固件。

现在正确连接电线很重要，否则其中一个设备可能会发生故障。

在这里，您将找到一些有关如何正确连接电线的简短说明：

一对红色和黑色粗线，末端有一个公连接器。是通用电源。在这种情况下，提供的电源将是 12V 和所需的安培数。

红色——输入端口“+”。

黑色 – 输入端口“-”。

一根粗红黑黄的电线负责电机电源。我们现在不会连接它们，但稍后我们会将这些电线连接到具有相似颜色的电动机的电线上。

细线负责控制电路板。

控制信号通过黄线传输。

红线输出5v（我没用过）。它们有几种不同的类型，您可以在此处了解更多信息。

黑线应连接到端口“-”。

因此，让我们将细线连接到链接器：将黑线（减号）和黄线（信号）连接在一起。请勿触摸或将红线连接在一起。下一步——为电路板提供电源（黑色和红色厚输入）。我使用了这个静态电源单元，但任何其他具有类似特性的电源都可以（12V，2+A）。

打开固件更新工具并选择：

端口：选择连接的 USB 端口。幸运的是，只有很少的选择。

波特率：9600。

控制器：基于 atmega 8 的无刷 ESC（8kB 闪存）。

选择下载的固件文件。单击“运行”按钮并祈祷：）

很快固件就会成功上传到电调，一切准备就绪。

使用 Raspberry Pi 处理电动机

一件重要的事情是，如果您正在构建一个严肃的项目，而不仅仅是为了好玩，您不必使用 Raspberry PI 进行实时工作，例如电机处理。PWM 生成不会如您所愿，因此请使用单独的板，例如 Arduino 进行控制。但是对于我的项目来说，使用 Raspberry 就足够了。感谢Fabio Balzano在本文下方的评论中对此进行了解释。

所以，让我们开始我们工作中最有趣的部分——我们应该为 Raspberry Pi 控件编写代码。找到项目文件夹~ /drone并在那里安装 PiGpio 库：

现在我将为您提供一些有关 ESC 控制的简短信息。我们应该将某个频率传输到细黄线（控制）（参见“ESC 编程”部分）。afro_nfet_besc30_r1固件的范围是1100-1900 ，其中值 1500 是平静状态，1100 最大反向，1900 最大正向。创建文件engines.js并将JS代码添加到其中：

//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);
}
}

为了使用此代码，您应该在app.js中编写：

实际上这部分代码servo1.servoWrite（）负责控制。1100 - 电机反向转动，1900 - 最大正向转动。

在这里您可以找到 Raspberry pin 方案：

简而言之，你应该使用橙色的 GPIO。一对由 GPIO 10 和 GPIO 22 组成，第二对是 GPIO 9 和 GPIO 27（使用 27、22 和 10 -9 会更合乎逻辑，但我在焊接时没有考虑到，所以我不得不更改它）。如果考虑序数（它们是灰色的），那么这些是 13、15 和 19、21 联系人。您应该将 ESC 的黄线连接到它们中的每一个，负号应连接到一个 GND，例如 39 触点。现在让我们连接其他的东西。

将Afro ESC的电源线（红色和黑色）连接到单独的电源单元（12v），将电机连接到黄-红-黑粗线，现在您可以尝试它是如何工作的。

陀螺仪

连接示例：

VCC到引脚 1 （3.3V PWR）

GND到任何负号

SCL到引脚 5 （GPIO 3）

SDA到引脚 3 （GPIO 2）

正确连接一切并不难，如果谈论软件——它会更简单——所有信息都可以在互联网上轻松找到。在这里你应该使用i2c-bus и i2c-mpu6050库。将它们安装到项目中：

创建文件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;
}
});
}
}

以一定的频率运行 readSensor 方法，并从 getData 获取上次调查的数据。会有很多位置分量（x，y，z，a）。我没有足够的时间来定义这些组件的含义，因为我有更重要的任务——处理。我知道调查它会更好，但结果的相关性对于当时的这个项目来说并不是很重要。

树莓派手电筒控制

所以，让我们继续增加我们无人机的功能，现在我将向您介绍 LED。我有两个XHP-50 LED 和 LED 脉冲驱动器（见上表）。它们很容易过热，因此我建议您将它们与散热器一起使用。你可以在同一个网上商店找到它们，最主要的是不要忘记尺寸。因此，将 LED 连接到散热器上，使用电线将一个 LED 的负极焊接到另一个 LED 的正极（它们已标记）并焊接 - 和 + 线：

控制器和焊接：

电源 - 12V 正负，您可以使用与电机相同的输入。LED 连接器应连接到先前焊接的连接器，L- 到负，L+ 到正。在这种情况下，我们不需要模拟触点（A），所以不要连接它。

现在我们对数字输入（D）和接地输入（G）感兴趣。现在您应该将数字输入 （D） 与 GPIO11 连接，将接地输入 （G） 与 GND 连接（您可以在 Raspberry 上选择任何您想要的）。

现在让我们回到 Raspberry Pi，创建一个文件light.js并添加以下内容：

//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);
}
}

我们可以使用app.js或引擎运行它：

客户端-服务器通信协议

正如您从树莓派的初始配置中了解的那样，通信将使用套接字连接进行。您还需要一些在服务器和客户端中硬编码的命令集。当我自己做所有事情时，我决定使用我自己的格式，因为存在的选项与重量/可读性标准不太匹配。因此，让我们在考虑控制模型的情况下进行构建，在这种情况下，它将是 Android 智能手机。

在这里你可以找到模型本身（应用程序将在下面描述）。

画面分为两部分。左边部分代表水平轴（前后），右边部分代表垂直轴。如果您将手指放在某个区域，这将被视为参考点并由一对电机控制，但它也是一个“平静”点。

如果您的手指垂直向上滑动，两个电机的正向旋转速度将随着功率从 0 到最大值（取决于接触点到当前点的距离）缓慢增加。

如果您向下滑动手指，两个电机将以一定速度反向旋转，该速度取决于与接触点的距离。

如果您向右滑动手指，左侧电机将向前旋转，而右侧电机将反向旋转。所以，实际上，我们需要知道偏离接触点的角度（其中top=90，bottom=90，right=0，left=180）和速比——手指到接触点的距离（从 0 到 100）。对象命令应如下所示：

С - （command），任何命令都应该以这个字母开头；

： - 键值分隔符；

; - 键值对的分隔符；

L——表示触摸是在屏幕左侧进行的；

R - 表示触摸是在屏幕的右侧进行的；

LIGHT——代表光 ：）

A ——ANGLE，偏差角；

V——价值，某物的价值。

因此，第一个命令听起来像：“一对水平电机，方向 - 45 度（左电机处于最大速度（但最大值为 35%，基于 V），右电机停止），旋转速度为 35%最大限度”。

第二条命令：“垂直电机对，方向 - 0 度（左电机最大转速，右电机反向最大转速），最大转速”。

第三个命令：“以 50% 的亮度打开灯”。

当您通过套接字在键值块中为每个值更改发送单独的命令时，这就是它的工作原理。然后神奇地变成控制板上的命令。解释这些数据的转换会很无聊。所以大家可以试着自己研究一下，掌握控制器。

安卓应用

最后，我们已经到了尝试创建控制器的时刻。一般来说，通信的意思是：“点击屏幕上的东西——将值传输到服务器”。我会写一些关于应用程序的内容。没有什么不寻常或特别具有挑战性的，所以我不会发布所有代码。如果您愿意，您可以访问存储库并找到所需的信息。我还想指出，我没有使用任何新奇的模式，如 MVVM、MVP、VIPER 等，因为我需要在最短的时间内工作的应用程序。UI 尽可能简单。

首先，您应该创建一个带有状态显示视图的活动。布局如下：

视频显示层（播放器封装在一个片段中）。

JoystickView层是一个自定义视图，其中dispatchTouchEvent方法被覆盖，它处理手指在屏幕上的按下和移动。它将 UI 线从按下点绘制到当前状态。多点触控支持是强制性的，因为控制是用两根手指执行的。

一个带有 Raspberry Pi 当前温度的 TextView 的层（如果出现问题并且它开始过热，您可以在它关闭/燃烧之前停止使用它）。幸运的是，我的 Raspberry 没有发生这种情况。

陀螺仪显示的数据层。在标签值对中设置的 TextView。它显示来自陀螺仪的“原始数据”。计划处理这些数据，但我没有足够的时间来做它并发明一个很酷的显示它。

一个 SeekBar 层 - LED 控件，一个简单的元素，它在拖动时将值从 0 更改为 100。

施工组装和测试

现在我们已经到了下一步——我们需要找到一些东西，我们可以放置上面提到的所有东西（哈哈）。在设计和组装阶段，我的朋友 Sergey 给了我很多帮助。实际上，他找到了一个外壳，做了一个铁平台，我们可以将电机安装在不同的位置，然后将它们放在一起：

我先说 6 个电机的原型会更有效率，但对我来说，即使有 4 个电机也很难支持原型，这就是为什么决定用 4 个电机测试原型的原因。

首先，我们决定测试外壳的结构，这就是为什么我们没有将所有电子设备都放入外壳中，而是简单地将电机连接到平台上，两对双绞线从电调发送信号到每个他们（ESC在测试期间一直留在内陆）。

结论

所有这一切的主要结果是，我获得了构建此类单元和系统的丰富经验。在开发过程中使用了大量不同的设备，其管理比看起来要容易得多。四电机原型并没有预期的那么好——控制这样的设备非常困难。最好使用四个垂直电机和至少两个水平电机。同时，它应该用陀螺仪稳定，因为对于人类来说，它很难完美地控制它，需要帮助（飞行无人机也是如此）。

此外，所有在售的电机都会被沙子和其他东西堵塞，所有单元都可能因腐蚀而损坏（这是合乎逻辑的），不适合此类项目。我没有找到水下马达（可以表明它是防水的，但它只能在 1-2 米的深度正常工作）。在这个项目之后，任何智能家居似乎都没有那么复杂了。服务器，中继命令，仅此而已。您需要的主要是有时间和愿望去做。其余的将随之而来。