[發明專利]一種基于嵌入式系統的全自動智能魚竿及其使用方法

有效

• 申請號: 201711433404.X
• 申請日: 2017-12-26
• 公開（公告）號: CN107980740B
• 公開（公告）日: 2020-01-14
• 發明（設計）人: 陳小磊;李秀梅
• 申請（專利權）人: 杭州師范大學
• 主分類號: A01K87/00
• 分類號: A01K87/00;A01K89/017;A01K91/06;A01K97/12;A01K97/00;G05B19/042;H02P7/03
• 代理公司: 33240 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙)
• 代理人: 黃前澤

1.一種基于嵌入式系統的全自動智能魚竿的使用方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一、判斷是否適宜釣魚：

首先通過設置在靠近魚鉤位置的環境檢測模塊中溫度傳感器、光線傳感器、深度傳感器及溶氧量傳感器來測量待釣水域環境指標，然后根據上述測量的環境數據與魚兒季節性需求相結合，從而判斷是否適宜釣魚；

步驟二、判斷是否有魚咬鉤：

若有魚咬鉤，由于魚竿會向下傾斜一定的傾角同時產生向下的瞬時加速度，三軸加速度計、三軸磁力計和三軸陀螺儀獲取魚竿姿態信息數據，包括瞬時加速度、角速度；三軸加速度計、三軸磁力計和三軸陀螺儀把采集到的數據傳輸給第二微控制器；第二微控制器對采集到的角速度和加速度數據采用卡爾曼濾波算法進行濾波去噪，然后對處理后的數據進行融合，轉化為歐拉角；第二微控制器將得到的實時歐拉角與目標歐拉角比較來判定是否有魚咬鉤，并實時將數據通過通訊模塊傳送給外部設備；若判定有魚咬鉤，第二微控制器則將信號傳送給報警單元，報警單元發出報警；

所述的實時歐拉角與目標歐拉角比較來判定是否有魚咬鉤具體是：

第二微控制器根據姿態信息數據獲取魚竿實時傾角ψk，若ψk≥θ1時，則判斷為有魚咬鉤，第二微控制器控制報警單元開啟；反之則認為沒有魚咬鉤；其中θ1為有魚咬鉤時魚竿的最小傾角；

步驟三、自動遛魚：

3.1判斷是否開啟遛魚功能

報警單元報警后即判定魚上鉤，人為判定是否要開啟遛魚開閉按鍵單元；若開啟，第一微控制器則將遛魚開閉按鍵單元的開啟信號傳送至第二微控制器；

3.2自動遛魚過程

在控制模塊內安裝電機以及電機驅動以此來帶動放線輪實現魚線的收線與放線，同時在遛魚過程中需要根據魚兒的力氣的大小來選擇收線或者放線以此來達到泄力的目的，魚兒力氣大小主要體現在魚竿傾角的變化上；具體是：

第二微控制器收到遛魚功能開啟的信號后，根據姿態信息數據獲取魚竿實時傾角ψk，第二微控制器控制直流減速電機正反轉，使魚竿傾角一直在θ2附近擺動；其中θ2為魚線處于最佳拉力狀態時魚竿的傾角；

步驟四、當魚竿傾角ψk長時間處于θ2或者傾角變化趨于平穩時，電機正轉加速收線，將魚拉回岸邊；其中θ2為魚線處于最佳拉力狀態時魚竿的傾角。

2.如權利要求1所述的一種基于嵌入式系統的全自動智能魚竿的使用方法，其特征在于直流減速電機正反轉以及轉動速度控制具體采用雙環PID控制：

1)外環PID控制：外環控制器的目標為使魚竿傾角處于魚線拉力值處于最大性能狀態時的角度，設外環PID控制器K時刻輸出量為Out.angle.ψ，偏差計算公式為式(2-1)；

Error.angle.ψ＝θ2-ψ_k (2-1)；

Error.angle.ψ為PID控制的調節偏差值；ψk為k時刻魚竿實時傾角(俯仰角)，為外環PID控制的輸入量；θ2為魚線處于最佳拉力狀態時魚竿的傾角，作為期望值；

由PID控制定義將每次計算得到的偏差Error.angle.ψ進行累加，得外環積分控制環節積分計算式(2-2)；

Integral.angle.ψ＝(θ2-ψ_k)+(θ2-ψ_(k-1))+(θ2-ψ_(k-2))+... (2-2)；

Integral.angle.ψ為積分量；

將當前偏差與上一次偏差計算得到的差值來與微分時間相除所得商即為控制系統得到的本次微分計算值，得外環PID控制微分計算式(2-3)，微分值的大小表示了偏差變化的快慢關系；

Differ.angle.ψ＝(θ2-ψ_k)-(θ2-ψ_(k-1))/T1 (2-3)；

Differ.angle.ψ為微分量；其中T1為微分時間，即系統執行外環PID的周期；

通過公式(2-1)～(2-3)即可得到外環PID控制的比例P、積分I、微分D三個環節的放大基數，由式(2-1)～(2-3)以及各個環節的放大系數可得到外環角度PID控制的輸出量，其計算式見式(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分別為外環PID控制的比例P、積分I、微分D的放大系數；

2)內環PID控制器：內環角速度PID輸入量是從陀螺儀采集到的角速度值,內環PID控制器K時刻輸出量為Out.Rate.ψ,Out.Rate.ψ為電機控制調節量；則角速度偏差計算公式為(2-5)；

Error.Rate.ψ＝Out.angle.ψ_k-Rate.ψ_k (2-5)；

Error.Rate.ψ為內環控制器的角速度偏差,Out.angle.ψk為內環角速度PID控制的期望值，即外環角度PID控制的輸出量；Rate.ψ_k為陀螺儀采集到的實時角速度值，為內環角度PID控制的輸入量；

同樣由PID控制定義將每次計算得到的偏差Error.Rate進行累加計算，得內環積分控制環節積分計算式(2-6)；

Integral.Rate.ψ＝(Out.angle.ψ_k-Rate.ψ_k)+(Out.angle.ψ_(k-1)-Rate.ψ_(k-1))+...

(2-6)；

Integral.Rate.ψ為積分量；

內環PID控制微分計算式見式(2-7)；其中微分環節是將當前角速度偏差與上一次角速度偏差計算得到的差值來與微分時間相除所得商即為控制系統得到的本次微分計算值；

Differ.rate.ψ＝(Out.angle.ψ_k-Rate.ψ_k)-(Out.angle.ψ_(k-1)-Rate.ψ_(k-1))/T2(2-7)；

Differ.rate.ψ為微分量；T2為微分時間，即系統執行內環PID的周期；

通過式(2-5)～(2-7)即可得到內環角速度PID控制的比例P、積分I、微分D三個環節的放大基數，通過(2-5)～(2-7)以及各個環節的放大系數可得到內環角速度PID控制的輸出量即電機控制調節量，其計算式為式(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分別為內環PID控制角速度的比例P、積分I、微分D的放大系數；

通過公式(2-8)可計算出該串級PID控制系統校正偏差時對電機控制PWM脈沖寬度的調節量，得電機轉動時的PWM脈沖寬度的控制量見公式(2-9)；

PWM.motor＝Thr+Out.Rate.ψ (2-9)；

Thr為電機初始值，PWM.motor為電機控制量；通過得出的PWM.motor電機控制量實現對電機的控制，當PWM.motor為正值則控制電機正轉，當PWM.motor為負值時則控制電機反轉，從而使魚竿傾角角度在θ2左右擺動，進而完成遛魚功能。