[发明专利]一种基于嵌入式系统的全自动智能鱼竿及其使用方法

权利要求书

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：

第二微控制器根据姿态信息数据获取鱼竿实时倾角ψk，若ψk≥θ1时，则判断为有鱼咬钩，第二微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，第一微控制器则将遛鱼开闭按键单元的开启信号传送至第二微控制器；

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放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：

第二微控制器收到遛鱼功能开启的信号后，根据姿态信息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-ψ_k (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-ψ_k)+(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-ψ_k)-(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.ψ_k-Rate.ψ_k (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.ψ_k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.ψ_k-Rate.ψ_k)+(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.ψ_k-Rate.ψ_k)-(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。