CN107980740A - 一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿及其使用方法 - Google Patents

一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿及其实现方法。本发明包括鱼竿本体、自动化控制模块；鱼竿本体包括钓鱼杆、纺线轮、鱼线；自动化控制模块包括信号采集模块、服务器模块、电源模块、控制模块；信号采集模块包括姿态传感器、环境检测模块；通过环境检测模块判断是否适宜钓鱼，通过姿态传感器判断是否鱼咬钩。通过控制模块实现鱼竿的遛鱼及报警功能。本发明通过环境检测模块实现智能选择钓位，通过姿态传感器更能辨别外界干扰所引起的姿态变化，相比于传统自动钓鱼竿极大程度上减少了由于流水及大风等环境因素所带来的误判；具备自动遛鱼功能，完全自动钓鱼，采用双环PID控制，抵抗干扰能力更强，系统更加稳定。

Description

一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿及其使用方法
技术领域
本发明属于鱼竿和嵌入式系统技术领域，涉及一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿及其实现方法。
背景技术
钓鱼作为一种休闲活动已经被越来越多的人所接受，但钓鱼是一种比较强调耐心的活动，想要快速钓上鱼，不仅要靠运气，也要靠经验。传统钓鱼竿不仅需要通过长时间的钓鱼活动才能获得看漂识鱼的能力，而且常常需要几个小时盯着鱼竿不放而不能做其他的事情，对于这样的要求很多人都难以做到。
市场上逐渐出现加装振动传感器的鱼竿，此鱼竿在一定程度上弥补了传统钓鱼竿的不足，但此种鱼竿依然存在很多缺点：此类钓鱼竿检测单一，仅通过震动来检查是否有鱼咬钩，当钓鱼环境恶劣(比如大风天气或者水下走水等)时，单一检测必定会带来很多误判；且此类鱼竿没有监测功能，并不能判定所钓水域是否适合钓鱼；而且此类鱼竿不具备智能遛鱼功能，当遇到大鱼及突发情况时，会断线导致跑鱼。
由于钓鱼是考验技术、耐力、经验的户外运动，因此很多新手对于钓鱼都只能临渊羡鱼，望而却步，极大地降低了钓鱼的乐趣。设计一款适合所有人钓鱼的智能鱼竿是很有必要的，这款鱼竿不仅可以让新手体验到钓鱼的乐趣，也可以为老钓鱼玩家提供休闲的钓鱼模式，使他们在等待大鱼咬钩时，可以同时做其他事情来缓解枯燥的等待时间，并且由于一些稀有品种的鱼类必须通过垂钓的方式才能保证鱼的新鲜度和完整性，但目前市场上的钓鱼竿并不能实现全天候及恶劣环境下钓鱼的功能，因此将会影响此类鱼的产量，由于该鱼竿可以在恶劣环境下实现完全自主钓鱼，因此该鱼竿的设计也将满足此块市场需求。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿及其使用方法。
本发明中一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿的使用方法，包括如下步骤：
步骤一：判断是否适宜钓鱼：首先通过设置在靠近鱼钩位置的环境检测模块中温度传感器、光线传感器、深度传感器及溶氧量传感器来测量待钓水域环境指标，然后根据上述测量的环境数据与鱼儿季节性需求相结合，从而判断是否适宜钓鱼。
步骤二：有鱼咬钩时，由于鱼竿会向下倾斜一定的倾角同时产生向下的瞬时加速度，三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪获取鱼竿姿态信息数据，包括瞬时加速度、角速度；三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪把采集到的数据传输给第二微控制器；第二微控制器对采集到的角速度和加速度数据采用卡尔曼滤波算法进行滤波去噪，然后对处理后的数据进行融合，转化为欧拉角；第二微控制器将得到的实时欧拉角与目标欧拉角(是一个人为设定的阈值)比较来判定是否有鱼咬钩，并实时将数据通过通讯模块传送给外部设备；当欧拉角大于阈值时，则认为有鱼咬钩，第二微控制器将信号传送给报警单元。
欧拉角转换方式采用四元数法解算，具体如下：
⑴.叉积求解误差：设q0、q1、q2、q3四元数的四个元素，设向量分别为Vx、Vy、Vz是载体坐标系X、Y、Z轴与参考坐标系Z轴之间的余弦，即为陀螺仪积分换算的重力向量，根据余弦矩阵和欧拉角的定义，地理坐标的重力向量转到机体坐标系，参考坐标系Z轴与载体坐标系X、Y、Z轴之间的余弦向量为四元数换算成的方向余弦矩阵的第三列的三个元素，即可得公式(1-1)；
由四元数定义可知q0^2+q1^2+q2^2+q3^2＝1；
设ax、ay、az为加速度计测量到的重力加速度分量，量的叉积即代表了向量之间的误差，叉积向量仍然在机体坐标系中，陀螺仪积分误差也同样在机体坐标系中，且叉积的大小与陀螺仪误差成正比，所以可以用该叉积来修正陀螺仪积分的误差，设ex、ex、ex陀螺仪积分换算的重力向量与加速度计测量到的重力加速度分量之间的误差，由向量的叉积得公式(1-2)；
⑵.互补滤波修正角速度：设exlnt、eylnt、ezlnt为误差积分的结果，Ki为误差积分系数，所以得误差积分为公式(1-3)；
设gx、gy、gy为陀螺仪测量的角速度，Kp为误差的比例系数，所以得角速度为公式(1-4)；
通过公式(1-4)即可得互补滤波后的角速度值；
⑶.一阶龙格库塔更新四元素：四元数的更新可用一阶龙格库塔法来求解，设姿态更新时间为T’，一半姿态更新时间为half T’，一阶龙格库塔法的yn+1＝yn+h.y`；其中y`＝f(xn,yn),可得微分方程为dQ/dt＝f(t,Q)的解为Q(t+T')＝Q(t)+T'dQ/dt；
根据四元数运动学微分方程的表达形式得式(1-5)：
⑷.四元数转换欧拉角：四元数归一化，设四元数[q0q1q2q3]的模为norm，则可得式(1-6)和(1-7)：
norm＝sqrt(q0*q0+q1*q1+q2*q2+q3*q3) (1-6)；
由式(1-7)可得四元数归一化的值；
由四元数转换欧拉角公式可得姿态角公式(1-8)：
在三维坐标系中，pitch是围绕X轴旋转，也叫做俯仰角，yaw是围绕Y轴旋转，也叫偏航角，roll是围绕Z轴旋转，也叫翻滚角，本文中主要用到俯仰角。
步骤三、判定鱼上钩后，启动自动遛鱼功能：在控制模块内安装电机以及电机驱动以此来带动防线轮实现鱼线的收线与放线，同时在遛鱼过程中需要根据鱼儿的力气的大小来选择收线或者放线以此来达到泄力的目的，鱼儿力气大小主要体现在鱼竿倾角的变化上。
具体实施方案如下：
(1)判断是否有鱼咬钩
第二控制器根据姿态传感器传送的数据获取鱼竿实时倾角ψk，若ψk≥θ1时，则判断为有鱼咬钩，第二控制器控制报警单元开启；反之则认为没有鱼咬钩；
其中θ1为有鱼咬钩时鱼竿的最小倾角；
(2)判断是否开启遛鱼功能
报警单元报警后，判定鱼上钩，第一控制器上设置有遛鱼开闭按键单元，鱼咬钩后人为判断是否需要遛鱼。第一控制器将遛鱼开闭按键单元的开启信号传送至第二控制器。
(3)遛鱼过程
第二控制器收到遛鱼功能开启的信号后，根据姿态传感器传送的数据获取鱼竿实时倾角ψk，第二微控制器控制直流减速电机正反转，使鱼竿倾角一直在θ2附近摆动；其中θ2为鱼线处于最佳拉力状态时鱼竿的倾角。
上述操作是因为特定线号的鱼线拉力值是有限的，因此为发挥鱼线的最佳性能，在遛鱼过程中需保证鱼线的拉力值一直处在最佳拉力值附近。
上述直流减速电机正反转以及转动速度控制具体采用双环PID控制，外环采用角度误差PID调节，内环采用角速度误差PID调节；具体通过计算实时欧拉角与目标欧拉角之间的差值来做PID闭环控制：
PWM.motor为电机控制量。通过得出的PWM.motor电机控制量实现对电机的控制，当PWM.motor为正值则控制电机正转，当PWM.motor为负值时则控制电机反转，从而使鱼竿倾角角度在θ2左右摆动，进而完成遛鱼功能。
1)外环PID控制：外环控制器的目标为使鱼竿倾角处于鱼线拉力值处于最大性能状态时的角度，设外环PID控制器K时刻输出量为Out.angle.ψ，偏差计算公式为式(2-1)；
Error.angle.ψ＝θ2-ψk (2-1)；
Error.angle.ψ为PID控制的调节偏差值；ψk为k时刻鱼竿实时倾角(俯仰角)，为外环PID控制的输入量；θ2为鱼线处于最佳拉力状态时鱼竿的倾角，作为期望值。
由PID控制定义将每次计算得到的偏差Error.angle.ψ进行累加，得外环积分控制环节积分计算式(2-2)。
Integral.angle.ψ＝(θ2-ψk)+(θ2-ψ(k-1))+(θ2-ψ(k-2))+... (2-2)；
Integral.angle.ψ为积分量。
将当前偏差与上一次偏差计算得到的差值来与微分时间相除所得商即为控制系统得到的本次微分计算值，得外环PID控制微分计算式(2-3)，微分值的大小表示了偏差变化的快慢关系。
Differ.angle.ψ＝(θ2-ψk)-(θ2-ψ(k-1))/T1 (2-3)；
Differ.angle.ψ为微分量；其中T1为微分时间，即系统执行外环PID的周期。
通过公式(2-1)～(2-3)即可得到外环PID控制的比例P、积分I、微分D三个环节的放大基数，由式(2-1)～(2-3)以及各个环节的放大系数可得到外环角度PID控制的输出量，其计算式见式(2-4)；
Out.angle.ψ＝Angle.Kp×Error.angle.ψ+Angle.Ki×Integral.angle.ψ+
Angle.kd×Differ.angle.ψ
(2-4)；
其中Angle.Kp、Angle.Ki、Angle.kd分别为外环PID控制的比例P、积分I、微分D的放大系数。
2)内环PID控制器：内环角速度PID输入量是从陀螺仪采集到的角速度值,内环PID控制器K时刻输出量为Out.Rate.ψ,Out.Rate.ψ为电机控制调节量；则角速度偏差计算公式为(2-5)；
Error.Rate.ψ＝Out.angle.ψk-Rate.ψk (2-5)；
Error.Rate.ψ为内环控制器的角速度偏差,Out.angle.ψk为内环角速度PID控制的期望值，即外环角度PID控制的输出量；Rate.ψk为陀螺仪采集到的实时角速度值，为内环角度PID控制的输入量。
同样由PID控制定义将每次计算得到的偏差Error.Rate进行累加计算，得内环积分控制环节积分计算式(2-6)。
Integral.Rate.ψ＝(Out.angle.ψk-Rate.ψk)+(Out.angle.ψ(k-1)-Rate.ψ(k-1))+...
(2-6)；
Integral.Rate.ψ为积分量。
内环PID控制微分计算式见式(2-7)；其中微分环节是将当前角速度偏差与上一次角速度偏差计算得到的差值来与微分时间相除所得商即为控制系统得到的本次微分计算值。
Differ.rate.ψ＝(Out.angle.ψk-Rate.ψk)-(Out.angle.ψ(k-1)-Rate.ψ(k-1))/T2 (2-7)；
Differ.rate.ψ为微分量；T2为微分时间，即系统执行内环PID的周期；
通过式(2-5)～(2-7)即可得到内环角速度PID控制的比例P、积分I、微分D三个环节的放大基数，通过(2-5)～(2-7)以及各个环节的放大系数可得到内环角速度PID控制的输出量即电机控制调节量，其计算式(2-8)；
Out.Rate.ψ＝Rate.Kp×Error.Rate.ψ+Rate.Ki×Integral.Rate.ψ+
Rate.Kd×Differ.rateψ
(2-8)；
Rate.Kp、Rate.Ki、Rate.Kd分别为内环PID控制角速度的比例P、积分I、微分D的放大系数。
通过公式(2-8)可计算出该串级PID控制系统校正偏差时对电机控制PWM脉冲宽度的调节量，得电机转动时的PWM脉冲宽度的控制量见公式(2-9)；
PWM.motor＝Thr+Out.Rate.ψ (2-9)；
Thr为电机初始值，PWM.motor为电机控制量。通过得出的PWM.motor电机控制量实现对电机的控制，当PWM.motor为正值则控制电机正转，当PWM.motor为负值时则控制电机反转，从而使鱼竿倾角角度在θ2左右摆动，进而完成遛鱼功能。
步骤四、当姿态传感器检测到鱼竿倾角长时间处于θ2或者倾角变化趋于平稳时，电机正转加速收线，将鱼拉回岸边。
上述使用方法基于下述全自动智能鱼竿：包括鱼竿本体、自动化控制模块；
所述的鱼竿本体包括钓鱼杆、纺线轮、鱼线；钓鱼杆的底部固定设有手柄，钓鱼杆杆身上均匀分布有若干鱼线固定位；钓鱼杆与手柄的连接处设有纺线轮，鱼线的一端固定设置在纺线轮上，鱼线的另一端穿过鱼线固定位到达钓鱼杆顶端后悬挂在钓鱼杆顶端且设有鱼钩；
所述的自动化控制模块包括信号采集模块、服务器模块、电源模块、控制模块；信号采集模块与控制模块进行数据传输，服务器模块与控制模块通过串口连接，实现信号传输。电源模块用于为服务器模块提供电源。
所述的信号采集模块包括姿态传感器、环境检测模块：
姿态传感器设置在钓鱼杆顶部，包括三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪；三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪用于采集钓鱼杆的姿态信息数据，并将采集到的姿态信息数据通过I2C总线传输至控制模块。
环境检测模块设置在鱼线上靠近鱼钩位置；该模块包括温度传感器、光线传感器、溶解氧传感器、深度传感器，分别用于获取待钓水域环境信息，并通过I2C总线协议接口将采集的数据传送给控制模块，实现智能选钓位。
所述的服务器模块设置在手柄与钓鱼杆连接处，包括第一微控制器、通讯单元、液晶显示单元、复位单元、溜鱼开闭按键单元；第一微控制器的信号端与通讯单元的信号端、复位单元的信号端连接；复位单元的信号输出端与第一微控制器的复位引脚RST端连接，用于将服务器模块初始化即第一微控制器初始化；第一微控制器的信号输出端与液晶显示单元的信号输入端连接，第一微控制器的信号输入端与溜鱼开闭按键单元的信号输出端连接。
所述的电源模块设置在手柄与钓鱼杆连接处，与服务器模块相邻，包括直流电源和电压检测模块，直流电源为服务器模块的供电，电压检测模块对直流电源进行电压检测并将检测信号发给第一控制器；当检测到电压异常时，第一控制器将电压检测模块反馈的信息转发给复位单元。
所述的控制模块设置在纺线轮上，包括第二微控制器、带光码盘的直流减速电机、电机驱动单元、报警单元，用于实现鱼竿的遛鱼及报警功能；第二微控制器的信号端通过串口通信方式与第一微控制器的信号端相连接，进而实现第一微控制器与第二微控制器信号间的传输；第二微控制器的第一信号输入端通过I2C总线协议接口与姿态传感器的信号输出端相连接，实现姿态传感器数据的采集，进行数据分析确定鱼是否咬钩；第二微控制器的信号端与环境检测模块的信号端相连接；第二微控制器的第一信号输出端(IO口)与电机驱动单元的信号输入端相连接，第二微控制器的第二信号输入端与带光码盘的直流减速电机的信号输出端相连接，第二微控制器的第二信号输出端与报警模块的信号输入端相连接；并通过IO口传递报警信号；；第二微控制器与电机驱动单元的信号以PWM形式，电机驱动单元根据接收到的PWM信号来控制带光码盘的直流减速电机，带光码盘的直流减速电机通过光码盘测出电机速度并通过IO口反馈给第二控制器；
直流减速电机的输出轴与纺线轮中轴相连，纺线轮在电机带动下转动，实现鱼线的自动收线与放线。直流减速电机的光码盘，用于实时获取电机的转速，然后将电机的转速信息传送至第二微控制器。作为优选，电机采用型号为JGB37-520自带霍尔编码器的直流减速电机。
电机驱动单元用于驱动直流减速电机，控制直流减速电机的正反转。作为优选，电机驱动单元采用型号为TB6602低功耗电机驱动模块。
报警单元包括LED灯及报警器，主要实现鱼咬钩信号的报警。
所述的通讯单元采用无线网卡、蓝牙芯片中的一种或两种；无线网卡与局域网连接，蓝牙芯片与外部设备(如手机)信号传输。
进一步地，所述的钓鱼竿本体采用弹性材料，且可伸缩。
进一步地，所述的姿态传感器采用集成三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪的型号为MPU6050的姿态传感器。
进一步地，第一微控制器采用型号为S5PV210嵌入式芯片。
进一步地，第二微控制器采用型号为STM32嵌入式芯片。
进一步地，所述的环境检测模块为可拆卸防水球状。
本发明选用温度传感器、深度传感器、光线传感器及溶氧量传感器数据的检测，实现智能选择钓位的功能。通过姿态传感器获取鱼竿动作，采用瞬时加速度和数据融合之后得到的欧拉角作为判定，从而更能辨别鱼咬钩时的姿态变化与风浪水流等外界干扰所引起的姿态变化，相比于传统智能钓鱼竿极大程度上减少了由于流水及大风等环境因素所带来的误判。具备自动遛鱼功能，该遛鱼功能将实现完全自动钓鱼，这将保证当遇到大鱼或者暂时离开时及大风大浪天气依然可以钓上鱼。采用双环PID控制，加入角速度环能够非常准确的表示鱼竿的姿态，还能够增加系统的鲁棒性，与传统的单环角度PID控制器相比，该控制系统抵抗外界干扰能力更强，系统更加稳定。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的整体结构模块图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的分析。
一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿包括鱼竿本体、自动化控制模块；自动化控制模块设置在鱼竿本体上，用于实现全自动钓鱼。
如图1所示,鱼竿本体包括可伸缩钓鱼杆1、纺线轮2、鱼线3；钓鱼杆1的底部固定设有手柄5，该手柄5用于使用者握持；钓鱼杆1杆身上均匀分布有若干鱼线固定位9；钓鱼杆1与手柄的连接处设有纺线轮2，鱼线3的一端固定设置在纺线轮2上，鱼线3的另一端穿过鱼线固定位9到达钓鱼杆1顶端后悬挂在钓鱼杆顶端且设有鱼钩；
如图2所示，自动化控制模块包括信号采集模块、服务器模块6、电源模块7、控制模块8；信号采集模块与控制模块8进行数据传输，服务器模块6与控制模块8通过串口连接，实现信号传输。电源模块7用于为服务器模块6提供电源和对直流电源进行电压检测。
信号采集模块包括姿态传感器4、环境检测模块10：姿态传感器4设置在钓鱼杆1顶部，包括三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪；三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪用于采集钓鱼杆1的倾斜角度、加速度、角速度等姿态信息数据，并将采集到的姿态信息数据通过I2C总线传输至控制模块8中的第二微控制器。姿态传感器4采用集成三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪的型号为MPU6050的姿态传感器。环境检测模块11设置在靠近鱼钩位置的鱼线上，外壳为可拆卸防水球状；该模块包括温度传感器、光线传感器、溶解氧传感器、深度传感器，分别用于获取待钓水域的温度、光线强度、含氧量及鱼钩所在的水深度等信息，并通过I2C总线协议接口传送给控制模块8中的第二微控制器，从而综合预判该环境是否适宜鱼逗留，实现智能选钓位的功能。
所述的服务器模块6设置在手柄5与钓鱼杆1连接处，包括第一微控制器、通讯单元、液晶显示单元和复位单元；第一微控制器的两个信号输出端分别与通讯单元的信号输入端、液晶显示单元的信号输入端连接，第一微控制器的两个输入端分别与通讯单元的信号输出端、液晶显示单元的信号输出端连接，即通信方式为双向通信，第一微控制器将通过与通信单元的双向通信实现信号的收发；第一微控制器通过串口方式与LCD液晶显示屏相连接，第一微控制器既可以发送需要显示的内容到LCD液晶显示屏上，同时LCD显示屏也可以通过设定的相关触摸控制来控制与控制器相连的外设(如电机转速控制、鱼咬钩信号灵敏度调节即鱼竿姿态角度偏差大小控制)；复位单元的信号输出端与第一微控制器的复位引脚RST端连接；复位单元用于将服务器模块初始化即第一微控制器初始化；第一微控制器采用型号为S5PV210嵌入式芯片；
通讯单元采用无线网卡、蓝牙芯片中的一种或两种；无线网卡与局域网连接，蓝牙芯片与手机端信号传输；
所述的电源模块7设置在手柄5与钓鱼杆1连接处，与服务器模块6相邻，包括直流电源和电压检测模块，直流电源为服务器模块6的供电，电压检测模块对直流电源进行电压检测并将检测信号发给控制器；当检测到电压异常时，使服务器模块复位。
所述的控制模块8设置在纺线轮2上，包括第二微控制器、带光码盘的直流减速电机、电机驱动单元、报警单元，用于实现鱼竿的遛鱼及报警功能；第二微控制器通过串口通信方式与第一微控制器相连接，进而实现第一微控制器与第二微控制器信号间的传输；第二微控制器通过I2C总线协议接口与姿态传感器4相连接，实现姿态传感器数据的采集；第二微控制器通过IO口与电机驱动单元相连接，并产生PWM信号给电机驱动，电机驱动根据接收到的PWM信号来控制带光码盘的直流减速电机；带光码盘的直流减速电机通过光码盘测出电机速度并通过IO口反馈给第二控制器；第二微控制器通过IO口与报警模块相连接；并通过IO口传递报警信号；第二微控制器用于建立蓝牙通信任务、串口收发任务、液晶显示任务、控制任务(遛鱼功能控制)及各个任务间的切换与调度；并控制带光码盘的直流减速电机转速。第二微控制器采用型号为STM32嵌入式芯片。
第二微控制器接收姿态传感器4发出的姿态信息数据，并进行数据分析确定鱼是否咬钩；直流减速电机的光码盘，用于实时获取电机的转速，然后将电机的转速信息传送至第二微控制器。电机驱动单元用于驱动直流减速电机，控制直流减速电机的正反转。直流减速电机的输出轴与纺线轮中轴相连，纺线轮在电机带动下转动，实现鱼线的自动收线与放线。电机驱动单元采用型号为TB6602低功耗电机驱动模块。电机采用型号为JGB37-520自带霍尔编码器的直流减速电机。
报警单元包括LED灯及报警器，主要实现鱼咬钩信号的报警。
采用上述装置有如下使用全自动智能鱼竿的钓鱼方法：
步骤一：判断是否适宜钓鱼：首先通过环境检测模块中温度传感器、光线传感器、深度传感器及溶氧量传感器来测量待钓水域的温度、光线强度、深度及含氧量等指标，然后根据鱼的生活习性及规律，可知一般水域含氧量越高，越适宜鱼儿生存，同时鱼儿具有趋光性，但由于鱼儿对温度的要求是随季节性变化的，因此需通过上述测量的环境数据与鱼儿季节性需求相结合，从而判断是否适宜钓鱼。
步骤二：有鱼咬钩时，鱼竿会向下倾斜一定的倾角同时产生向下的瞬时加速度，三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪获取鱼竿瞬时加速度、角速度等数据，并把采集到的数据通过串口通信方式传输给第二微控制器；第二微控制器对采集到的角速度数据和加速度数据进行卡尔曼滤波算法进行滤波去噪，然后对处理后的数据进行融合，转化为欧拉角；本发明中数据融合采用四元数法解算姿态：陀螺仪角速度积分就能得到姿态角度，由于陀螺仪的温度漂移特性使其在长时积分的过程中会产生误差，而加速度计和磁力计的特性刚好相反，采用加速度计和电子罗盘来校正陀螺仪积分的误差。通过提取四元数的等效余弦矩阵中的重力的分向量，然后将该分向量归一化后进行向量的叉积，即可求解出陀螺仪积分额误差，该系统采用互补滤波法将姿态误差补偿到角速度，修正角速度积分漂移，得到准确的角速度后采用一阶龙格库塔法更新四元数，将四元素归一化后即可转换出欧拉角。
具体欧拉角转换方式如下：
⑴.叉积求解误差：设q0、q1、q2、q3四元数的四个元素，设向量分别为Vx、Vy、Vz是载体坐标系X、Y、Z轴与参考坐标系Z轴之间的余弦，即为陀螺仪积分换算的重力向量，根据余弦矩阵和欧拉角的定义，地理坐标的重力向量转到机体坐标系，参考坐标系Z轴与载体坐标系X、Y、Z轴之间的余弦向量为四元数换算成的方向余弦矩阵的第三列的三个元素，即可得公式(1-1)；
由四元数定义可知q0^2+q1^2+q2^2+q3^2＝1；
设ax，ay，az为加速度计测量到的重力加速度分量，量的叉积即代表了向量之间的误差，叉积向量仍然在机体坐标系中，陀螺仪积分误差也同样在机体坐标系中，且叉积的大小与陀螺仪误差成正比，所以可以用该叉积来修正陀螺仪积分的误差，设ex,ey,ez陀螺仪积分换算的重力向量与加速度计测量到的重力加速度分量之间的误差，由向量的叉积得公式(1-2)；
⑵.互补滤波修正角速度：设exlnt、eylnt、eylnt为误差积分的结果，Ki为误差积分系数，所以得误差积分为公式(1-3)；
设gx、gy、gy为陀螺仪测量的角速度，Kp为误差的比例系数，所以得角速度为公式(1-4)；
通过公式(1-4)即可得互补滤波后的角速度值；
⑶.一阶龙格库塔更新四元素：四元数的更新可用一阶龙格库塔法来求解，设姿态更新时间为T’，一半姿态更新时间为half T’，一阶龙格库塔法的yn+1＝yn+h.y`；其中y`＝f(xn,yn),可得微分方程为dQ/dt＝f(t,Q)的解为Q(t+T')＝Q(t)+T'dQ/dt；
根据四元数运动学微分方程的表达形式得式(1-5)：
⑷.四元数转换欧拉角：四元数归一化，设四元数[q0q1q2q3]的模为norm，则可得式(1-6)和(1-7)：
norm＝sqrt(q0×q0+q1×q1+q2×q2+q3×q3) (1-6)；
由式(1-7)可得四元数归一化的值；
由四元数转换欧拉角公式可得姿态角公式(1-8)：
在三维坐标系中，pitch是围绕X轴旋转，也叫做俯仰角，yaw是围绕Y轴旋转，也叫偏航角，roll是围绕Z轴旋转，也叫翻滚角，本文中主要用到俯仰角。
第二微控制器将上述得到的欧拉角与阈值(人工设定，为经验值)比较来判定是否有鱼咬钩，并实时将数据通过通讯模块传送给外部设备；当欧拉角大于阈值时，则认为有鱼咬钩，第二微控制器将信号传送给报警单元。
步骤三、报警单元报警后，判定鱼上钩，手动开启第一控制器上的遛鱼开闭按键单元，第一控制器将遛鱼开闭按键单元的开启信号传送至第二控制器。第二控制器启动自动遛鱼功能：因为特定线号的鱼线的拉力值是有限的，所以遛鱼过程中需要根据鱼儿的力气的大小来选择收线或者放线以此来达到泄力的目的，鱼儿力气大小主要体现在鱼竿的倾角上，鱼儿由于被鱼钩钩住产生的疼痛感，会使鱼儿有较大的挣扎，并且会向深水中游去，因此当鱼儿力气较大时鱼儿会向深水中游去，体现在鱼竿的信号就是鱼竿倾角的变化。在控制模块8内安装电机以及电机驱动并以此来带动防线轮来达到收线与放线的目的。
由于遛鱼对收线与放线的时机以及力度都有较高要求，因此该设计必须要结合相关控制算法来实现。
具体实施方案如下：
(1)判断是否有鱼咬钩
第二控制器根据姿态传感器传送的数据获取鱼竿实时倾角ψk，若ψk≥θ1时，则判断为有鱼咬钩，第二控制器控制报警单元开启；反之则认为没有鱼咬钩；
θ1为有鱼咬钩时鱼竿的最小倾角(即鱼竿报警的临界值)；
(2)判断是否开启遛鱼功能
第一控制器上设置有遛鱼开闭按键单元，鱼咬钩后人为判断是否需要遛鱼。第一控制器将遛鱼开闭按键单元的信号传送至第二控制器。
(3)遛鱼过程
第二控制器收到遛鱼功能开启的信号后，根据姿态传感器传送的数据获取鱼竿实时倾角，第二微控制器控制直流减速电机正反转，使鱼竿倾角一直在θ2附近摆动；其中θ2为鱼线处于最佳拉力状态时鱼竿的倾角。
由于特定线号拉力值是有限的，因此我们要发挥鱼线的最佳性能，在遛鱼过程中我们要保证鱼线的拉力值一直处在最佳拉力值附近，即表现在鱼竿上就是要使鱼竿倾角一直在θ2附近摆动，但由于鱼竿为弹性材料，因此当进行角度偏差调节时，会出现超调想象。因此控制程序中采用PID控制算法，该控制算法不仅能实现直流减速电机的自动控制，而且使得电机收放线的过程能够快速响应且整个过程趋于平滑，并且可以有效降低超调现象，从而减少鱼线由于快速的拉伸与收缩而导致的断线跑鱼。
为保证鱼竿系统的精确性，采用双环PID控制，外环采用角度误差PID调节，内环采用角速度误差PID调节。通过计算当前欧拉角与目标欧拉角之间的差值来做PID闭环控制。
1)外环PID控制：外环控制器的目标为使鱼竿倾角处于鱼线拉力值处于最大性能状态时的角度，设外环PID控制器K时刻为Out.angle，偏差计算公式为式(2-1)；
Error.angle.ψ＝θ2-ψk (2-1)；
Error.angle.ψ为PID控制的调节偏差值；ψk为k时刻鱼竿实时倾角(俯仰角)，为外环PID控制的输入量；θ2为鱼线处于最佳拉力状态时鱼竿的倾角，作为期望值。
由PID控制定义将每次计算得到的偏差Error.angle.ψ进行累加，得外环积分控制环节积分计算式(2-2)。
Integral.angle.ψ＝(θ2-ψk)+(θ2-ψ(k-1))+(θ2-ψ(k-2))+... (2-2)；
Integral.angle.ψ为积分量。
将当前偏差与上一次偏差计算得到的差值来与微分时间相除所得商即为控制系统得到的本次微分计算值，得外环PID控制微分计算式(2-3)，微分值的大小表示了偏差变化的快慢关系。
Differ.angle.ψ＝(θ2-ψk)-(θ2-ψ(k-1))/T1 (2-3)；
Differ.angle.ψ为微分量；其中T1为微分时间，即系统执行外环PID的周期。
通过公式(2-1)～(2-3)即可得到外环PID控制的比例P、积分I、微分D三个环节的放大基数，由式(2-1)～(2-3)以及各个环节的放大系数可得到外环角度PID控制的输出量，其计算式见式(2-4)；
Out.angle.ψ＝Angle.Kp×Error.angle.ψ+Angle.Ki×Integral.angle.ψ+
Angle.kd×Differ.angle.ψ
(2-4)；
其中Angle.Kp、Angle.Ki、Angle.kd分别为外环PID控制的比例P、积分I、微分D的放大系数。
2)内环PID控制器：内环角速度PID输入量是从陀螺仪采集到的角速度值,内环PID控制器K时刻输出量为Out.Rate.ψ,Out.Rate.ψ为电机控制调节量；则角速度偏差计算公式为(2-5)；
Error.Rate.ψ＝Out.angle.ψk-Rate.ψk (2-5)；
Error.Rate.ψ为内环控制器的角速度偏差,Out.angle.ψk为为内环角速度PID控制的期望值，即外环PID控制的输出量；Rate.ψk为陀螺仪采集到的角速度值，为内环角度PID控制的输入量。
同样由PID控制定义将每次计算得到的偏差进行累加计算，得内环积分控制环节积分计算式(2-6)。
Integral.Rate.ψ＝(Out.angle.ψk-Rate.ψk)+(Out.angle.ψ(k-1)-Rate.ψ(k-1))+...
(2-6)；
Integral.Rate.ψ为积分量。
内环PID控制微分计算式见式(2-7)；其中微分环节是将当前角速度偏差与上一次角速度偏差计算得到的差值来与微分时间相除所得商即为控制系统得到的本次微分计算值。
Differ.rate.ψ＝(Out.angle.ψk-Rate.ψk)-(Out.angle.ψ(k-1)-Rate.ψ(k-1))/T2
(2-7)；
Differ.rate.ψ为微分量；T2为微分时间，即系统执行内环PID的周期；
通过式(2-5)～(2-7)即可得到内环角速度PID控制的比例P、积分I、微分D三个环节的放大基数，通过(2-5)～(2-7)以及各个环节的放大系数可得到内环角速度PID控制的输出量，其计算式为式(2-8)；
Out.Rate.ψ＝Rate.Kp×Error.Rate.ψ+Rate.Ki×Integral.Rate.ψ+
Rate.Kd×Differ.rateψ
(2-8)；
Rate.Kp、Rate.Ki、Rate.Kd分别为内环PID控制角速度的比例P、积分I、微分D的放大系数。
通过公式(2-8)可计算出该串级PID控制系统校正偏差时对电机控制PWM脉冲宽度的调节量，得电机转动时的PWM脉冲宽度的控制量见公式(2-9)；
PWM.motor＝Thr+Out.Rate.ψ (2-9)；
Thr为电机初始值，PWM.motor为电机控制量。通过得出的PWM.motor电机控制量即可实现对电机的控制：当PWM.motor为正值则控制电机正转，当PWM.motor为负值时则控制电机反转，使鱼竿一直处于偏差角度在θ2左右摆动，进而完成遛鱼功能的实现。
步骤四、当姿态传感器检测到鱼竿倾角ψk长时间处于θ2或者倾角变化趋于平稳时，电机正转加速收线，将鱼拉回岸边。
工作过程：使用时，首先通过环境检测模块中温度传感器、光线传感器、深度传感器及溶氧量传感器来测试水域是否适宜钓鱼，实现智能选钓位。选定合适钓位置后，通过在钓竿顶部安装的姿态传感器内的三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪获取鱼竿瞬时加速度、角速度等数据，并把各数据传输给第二微控制器，第二微控制器分别对三轴陀螺仪和三轴加速度计采集到的角速度数据和加速度数据采用互补滤波算法进行滤波去噪，然后对处理后的数据进行数据融合，转化为欧拉角输出。然后通过预设俯仰角θ1来判定是否有鱼咬钩，并实时将数据通过蓝牙模块传送给手机，当有鱼咬钩，鱼竿倾斜角大于或等于θ1时，鱼竿和手机将同时报警，同时决定是否开启遛鱼功能，第一控制器将遛鱼开闭按键单元的开启信号传送至第二控制器；如果遛鱼功能开启，通过与预设俯仰角θ2大小比较，来控制电机的正反转，进而实现鱼线的自动收放线(此过程目的是在保证鱼线不断的前提下，通过鱼线的收放来消耗鱼的体力)，当检测到鱼竿倾角变化不大时，说明此时鱼的体力基本耗尽，此时电机正转加速收线，将鱼拉回岸边。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、判断是否适宜钓鱼：
首先通过设置在靠近鱼钩位置的环境检测模块中温度传感器、光线传感器、深度传感器及溶氧量传感器来测量待钓水域环境指标，然后根据上述测量的环境数据与鱼儿季节性需求相结合，从而判断是否适宜钓鱼；
步骤二、判断是否有鱼咬钩：
若有鱼咬钩，由于鱼竿会向下倾斜一定的倾角同时产生向下的瞬时加速度，三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪获取鱼竿姿态信息数据，包括瞬时加速度、角速度；三轴加速度计、三轴磁力计和三轴陀螺仪把采集到的数据传输给第二微控制器；第二微控制器对采集到的角速度和加速度数据采用卡尔曼滤波算法进行滤波去噪，然后对处理后的数据进行融合，转化为欧拉角；第二微控制器将得到的实时欧拉角与目标欧拉角比较来判定是否有鱼咬钩，并实时将数据通过通讯模块传送给外部设备；若判定有鱼咬钩，第二微控制器则将信号传送给报警单元，报警单元发出报警；
所述的实时欧拉角与目标欧拉角比较来判定是否有鱼咬钩具体是：
第二控制器根据姿态传感器传送的数据获取鱼竿实时倾角ψk，若ψk≥θ1时，则判断为有鱼咬钩，第二控制器控制报警单元开启；反之则认为没有鱼咬钩；其中θ1为有鱼咬钩时鱼竿的最小倾角；
步骤三、自动遛鱼：
3.1判断是否开启遛鱼功能
报警单元报警后即判定鱼上钩，人为判定是否要开启遛鱼开闭按键单元；若开启，第一控制器则将遛鱼开闭按键单元的开启信号传送至第二控制器；
3.2自动遛鱼过程
在控制模块内安装电机以及电机驱动以此来带动防线轮实现鱼线的收线与放线，同时在遛鱼过程中需要根据鱼儿的力气的大小来选择收线或者放线以此来达到泄力的目的，鱼儿力气大小主要体现在鱼竿倾角的变化上；具体是：
第二控制器收到遛鱼功能开启的信号后，根据姿态传感器传送的数据获取鱼竿实时倾角ψk，第二微控制器控制直流减速电机正反转，使鱼竿倾角一直在θ2附近摆动；其中θ2为鱼线处于最佳拉力状态时鱼竿的倾角；
步骤四、当姿态传感器检测到鱼竿倾角ψk长时间处于θ2或者倾角变化趋于平稳时，电机正转加速收线，将鱼拉回岸边；其中θ2为鱼线处于最佳拉力状态时鱼竿的倾角。
2.如权利要求1所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿的使用方法，其特征在于直流减速电机正反转以及转动速度控制具体采用双环PID控制：
1)外环PID控制：外环控制器的目标为使鱼竿倾角处于鱼线拉力值处于最大性能状态时的角度，设外环PID控制器K时刻输出量为Out.angle.ψ，偏差计算公式为式(2-1)；
Error.angle.ψ＝θ2-ψk (2-1)；
Error.angle.ψ为PID控制的调节偏差值；ψk为k时刻鱼竿实时倾角(俯仰角)，为外环PID控制的输入量；θ2为鱼线处于最佳拉力状态时鱼竿的倾角，作为期望值；
由PID控制定义将每次计算得到的偏差Error.angle.ψ进行累加，得外环积分控制环节积分计算式(2-2)；
Integral.angle.ψ＝(θ2-ψk)+(θ2-ψ(k-1))+(θ2-ψ(k-2))+... (2-2)；
Integral.angle.ψ为积分量；
将当前偏差与上一次偏差计算得到的差值来与微分时间相除所得商即为控制系统得到的本次微分计算值，得外环PID控制微分计算式(2-3)，微分值的大小表示了偏差变化的快慢关系；
Differ.angle.ψ＝(θ2-ψk)-(θ2-ψ(k-1))/T1 (2-3)；
Differ.angle.ψ为微分量；其中T1为微分时间，即系统执行外环PID的周期；
通过公式(2-1)～(2-3)即可得到外环PID控制的比例P、积分I、微分D三个环节的放大基数，由式(2-1)～(2-3)以及各个环节的放大系数可得到外环角度PID控制的输出量，其计算式见式(2-4)；
Out.angle.ψ＝Angle.Kp×Error.angle.ψ+Angle.Ki×Integral.angle.ψ+Angle.kd×Differ.angle.ψ
(2-4)；
其中Angle.Kp、Angle.Ki、Angle.kd分别为外环PID控制的比例P、积分I、微分D的放大系数；
2)内环PID控制器：内环角速度PID输入量是从陀螺仪采集到的角速度值,内环PID控制器K时刻输出量为Out.Rate.ψ,Out.Rate.ψ为电机控制调节量；则角速度偏差计算公式为(2-5)；
Error.Rate.ψ＝Out.angle.ψk-Rate.ψk (2-5)；
Error.Rate.ψ为内环控制器的角速度偏差,Out.angle.ψk为内环角速度PID控制的期望值，即外环角度PID控制的输出量；Rate.ψk为陀螺仪采集到的实时角速度值，为内环角度PID控制的输入量；
同样由PID控制定义将每次计算得到的偏差Error.Rate进行累加计算，得内环积分控制环节积分计算式(2-6)；
Integral.Rate.ψ＝(Out.angle.ψk-Rate.ψk)+(Out.angle.ψ(k-1)-Rate.ψ(k-1))+...
(2-6)；
Integral.Rate.ψ为积分量；
内环PID控制微分计算式见式(2-7)；其中微分环节是将当前角速度偏差与上一次角速度偏差计算得到的差值来与微分时间相除所得商即为控制系统得到的本次微分计算值；
Differ.rate.ψ＝(Out.angle.ψk-Rate.ψk)-(Out.angle.ψ(k-1)-Rate.ψ(k-1))/T2 (2-7)；
Differ.rate.ψ为微分量；T2为微分时间，即系统执行内环PID的周期；
通过式(2-5)～(2-7)即可得到内环角速度PID控制的比例P、积分I、微分D三个环节的放大基数，通过(2-5)～(2-7)以及各个环节的放大系数可得到内环角速度PID控制的输出量即电机控制调节量，其计算式为式(2-8)；
Out.Rate.ψ＝Rate.Kp×Error.Rate.ψ+Rate.Ki×Integral.Rate.ψ+Rate.Kd×Differ.rateψ (2-8)；
Rate.Kp、Rate.Ki、Rate.Kd分别为内环PID控制角速度的比例P、积分I、微分D的放大系数；
通过公式(2-8)可计算出该串级PID控制系统校正偏差时对电机控制PWM脉冲宽度的调节量，得电机转动时的PWM脉冲宽度的控制量见公式(2-9)；
PWM.motor＝Thr+Out.Rate.ψ (2-9)；
Thr为电机初始值，PWM.motor为电机控制量；通过得出的PWM.motor电机控制量实现对电机的控制，当PWM.motor为正值则控制电机正转，当PWM.motor为负值时则控制电机反转，从而使鱼竿倾角角度在θ2左右摆动，进而完成遛鱼功能。
3.一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，包括鱼竿本体、自动化控制模块；其特征在于：所述的鱼竿本体包括钓鱼杆、纺线轮、鱼线；钓鱼杆的底部固定设有手柄，钓鱼杆杆身上均匀分布有若干鱼线固定位；钓鱼杆与手柄的连接处设有纺线轮，鱼线的一端固定设置在纺线轮上，鱼线的另一端穿过鱼线固定位到达钓鱼杆顶端后悬挂在钓鱼杆顶端且设有鱼钩；
所述的自动化控制模块包括信号采集模块、服务器模块、电源模块、控制模块；信号采集模块与控制模块进行数据传输，服务器模块与控制模块通过串口连接，实现信号传输；电源模块用于为服务器模块提供电源；
所述的信号采集模块包括姿态传感器、环境检测模块：姿态传感器设置在钓鱼杆顶部，包括三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪；三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪用于采集钓鱼杆的姿态信息数据，并将采集到的姿态信息数据通过I2C总线传输至控制模块；环境检测模块设置在鱼线上靠近鱼钩位置；该模块包括温度传感器、光线传感器、溶解氧传感器、深度传感器，分别用于获取待钓水域环境信息，并通过I2C总线协议接口将采集的数据传送给控制模块，实现智能选钓位；
所述的服务器模块设置在手柄与钓鱼杆连接处，包括第一微控制器、通讯单元、液晶显示单元、复位单元、溜鱼开闭按键单元；第一微控制器的信号端与通讯单元的信号端、复位单元的信号端连接；复位单元的信号输出端与第一微控制器的复位引脚RST端连接，用于将服务器模块初始化即第一微控制器初始化；第一微控制器的信号输出端与液晶显示单元的信号输入端连接，第一微控制器的信号输入端与溜鱼开闭按键单元的信号输出端连接；
所述的电源模块设置在手柄与钓鱼杆连接处，与服务器模块相邻，包括直流电源和电压检测模块，直流电源为服务器模块的供电，电压检测模块对直流电源进行电压检测并将检测信号发给第一控制器；当检测到电压异常时，第一控制器将电压检测模块反馈的信息转发给复位单元使系统重新初始化；
所述的控制模块设置在纺线轮上，包括第二微控制器、带光码盘的直流减速电机、电机驱动单元、报警单元，用于实现鱼竿的遛鱼及报警功能；第二微控制器的信号端通过串口通信方式与第一微控制器的信号端相连接，进而实现第一微控制器与第二微控制器信号间的传输；第二微控制器的第一信号输入端通过I2C总线协议接口与姿态传感器的信号输出端相连接，实现姿态传感器数据的采集，进行数据分析确定鱼是否咬钩；第二微控制器的信号端与环境检测模块的信号端相连接；第二微控制器的第一信号输出端与电机驱动单元的信号输入端相连接，第二微控制器的第二信号输入端与带光码盘的直流减速电机的信号输出端相连接，第二微控制器的第二信号输出端与报警模块的信号输入端相连接；并通过IO口传递报警信号；第二微控制器与电机驱动单元的信号以PWM形式，电机驱动单元根据接收到的PWM信号来控制带光码盘的直流减速电机，带光码盘的直流减速电机通过光码盘测出电机速度并通过IO口反馈给第二控制器；
所述的直流减速电机的输出轴与纺线轮中轴相连，纺线轮在电机带动下转动，实现鱼线的自动收线与放线；直流减速电机的光码盘，用于实时获取电机的转速，然后将电机的转速信息传送至第二微控制器；电机驱动单元用于驱动直流减速电机，控制直流减速电机的正反转；报警单元包括LED灯及报警器，主要实现鱼咬钩信号的报警。
4.如权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，其特征在于：所述的通讯单元采用无线网卡、蓝牙芯片中的一种或两种；无线网卡与局域网连接，蓝牙芯片与外部设备(如手机)信号传输。
5.如权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，其特征在于：所述的钓鱼竿本体采用弹性材料，且可伸缩。
6.如权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，其特征在于：所述的姿态传感器采用集成三轴加速度计、三轴磁力计与三轴陀螺仪的型号为MPU6050的姿态传感器。
7.如权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，其特征在于：所述的第一微控制器采用型号为S5PV210嵌入式芯片。
8.如权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，其特征在于：所述的第二微控制器采用型号为STM32嵌入式芯片。
9.如权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，其特征在于：所述的环境检测模块为可拆卸防水球状。
10.如权利要求3所述的一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿，其特征在于：所述的电机采用型号为JGB37-520自带霍尔编码器的直流减速电机；电机驱动单元采用型号为TB6602低功耗电机驱动模块。
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