董輝

摘要 設(shè)計(jì)了一種電推動(dòng)無人艇系統(tǒng)。系統(tǒng)可由遙控器或地面站控制，可實(shí)現(xiàn)自主航行并在自主航行和手動(dòng)遙控之間自由切換。整個(gè)系統(tǒng)由岸端和船端兩部分組成，并通過無線電臺模塊進(jìn)行通信。船端配備有豐富的USB和2 32接口，可以非常方便的拓展常用的水質(zhì)、流速、聲納等傳感器，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值。利用無人艇小巧、安全、靈活、低費(fèi)用的特點(diǎn)可以方便的執(zhí)行一些不適合載人艇或大型船舶執(zhí)行的任務(wù)。

【關(guān)鍵詞】無人艇 自主導(dǎo)航 電動(dòng)力

隨著科學(xué)進(jìn)步的發(fā)展，人們對海洋的探測進(jìn)入了新的世紀(jì)。中國也出臺了眾多政策鼓勵(lì)海洋科技的發(fā)展，在新一輪的海洋戰(zhàn)略中占領(lǐng)高地。發(fā)展海洋科技必然少不了對海洋的探測，現(xiàn)階段載人船舶為主要海洋探測力量。然而載人船舶大多噸位大，操作復(fù)雜，巨大的成本更是阻礙了探測的腳步。而在一些小型河流湖泊中更是面臨著大船進(jìn)不去，小船無法搭載設(shè)備、安全性差等問題。

基于當(dāng)前環(huán)境，無人艇需求量劇增。本文設(shè)計(jì)了一種鋰電池動(dòng)力無人艇系統(tǒng)，通過遙控或自主航行來完成任務(wù)，可以滿足目前市場的大多數(shù)使用需求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的無人艇系統(tǒng)主要包括兩部分：岸上部分和船上部分。兩部分通過無線電臺進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。對船體的所有操作都在岸端遠(yuǎn)程操作。岸端操作通過遙控器和PC機(jī)進(jìn)行。遙控器主要進(jìn)行船體的前進(jìn)后退、左右轉(zhuǎn)彎等姿態(tài)控制。PC通過自主導(dǎo)航軟件來對艇端控制器進(jìn)行航電路徑等參數(shù)配置，艇上所搭載的儀器也可以通過電臺傳回PC進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示、操作。如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)功能

岸端系統(tǒng)的小型交換機(jī)作為信息轉(zhuǎn)發(fā)中心，接收從遙控器發(fā)來的信號交給電臺發(fā)給船端的Pixhawk，同時(shí)探測遙控器跟電臺之間的連接。岸端的PC機(jī)通過自主導(dǎo)航軟件Mission Planner向船端的Pixhawk發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)接受從Pixhawk返回的數(shù)據(jù)。同時(shí)搭載在船端的各路傳感器數(shù)據(jù)也可以通過無線電臺實(shí)時(shí)傳送回岸端的PC機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)搭載成功后，用戶只要將傳感器接在船端預(yù)留的USB或RS232接口上，即可在岸端的PC機(jī)上找到相應(yīng)的COM口，簡單方便。

1.2 產(chǎn)品選型

（1）遙控器：遙控器端主要硬件由兩個(gè)對應(yīng)姿態(tài)控制的變阻器和微處理器組成。此部分邏輯簡單，對微處理器要求相對較低，只需要具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力和少量資源即可。微處理器模塊選用Arduino Leonardo ETH處理器模塊。

（2）交換機(jī)：交換機(jī)只需要兩口以上即可，選用TP-LINK TL-SG1005D，即插即用，無需管理。

（3）電臺：電臺選用Bitwave系列，船端雙全向天線，岸端為面陣單向天線，傳輸距離遠(yuǎn)，使用穩(wěn)定。提供152位WEP、WPA、802.lx等多種安全機(jī)制，為用戶提供更高的數(shù)據(jù)安全。

（4） PC機(jī)：岸端PC機(jī)需至少240G存儲(chǔ)盤，4G以上內(nèi)存，I5以上處理器。安裝win7以上64位wmdows操作系統(tǒng)。配備網(wǎng)口及長續(xù)航能力。地面站選用開源missionplanner平臺，通過mavlink協(xié)議與控制盒進(jìn)行通訊。由C#編寫，可以方便進(jìn)行后續(xù)開發(fā)更改。

（5）Pixhawk船端控制器選用Pixhawk控制器盒。Pixhawk是一款獨(dú)立開源的自動(dòng)控制硬件平臺。Pixhawk具有168MhzCortexM4F處理器核心，搭配有3DACC/Gyro/MAG/Baro慣導(dǎo)平臺，并且支持大多數(shù)常用的通信協(xié)議。

（6）轉(zhuǎn)換卡：轉(zhuǎn)換卡將接收到的遙控器網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換為SBUS信號。微處理器模塊選用與搖控器端相同的Arduino Leonardo ETH處理器模塊。

（7） Silex船端搭載設(shè)備大多為USB或RS232接口，而搭配的電臺傳輸?shù)氖蔷W(wǎng)絡(luò)信號，在此選用北京襲來科技網(wǎng)絡(luò)的DS-510型的USB服務(wù)器。該設(shè)備可以將多路USB信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，再在PC端將網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)為COM口。實(shí)現(xiàn)近似COM口透傳的效果。

（8） USB轉(zhuǎn)RS232線由于許多傳感器設(shè)備具備喚醒與休眠功能，所以對USB轉(zhuǎn)RS232線要求特別嚴(yán)格，在此選用英國Z-TEK品牌ZE698型號的串口線。如果要換其它型號，請選用英國原裝FTDI-FT232芯片的串口線。

（9）電調(diào)電調(diào)設(shè)備將Pixhawk輸出的PWM波轉(zhuǎn)為動(dòng)力去驅(qū)動(dòng)推動(dòng)器電機(jī)。選用好盈科技的SeakingV3系列，可以根據(jù)實(shí)際船體大小選用適當(dāng)驅(qū)動(dòng)能力的具體型號。支持簡單易用的參數(shù)設(shè)定卡。

1.2.1 推進(jìn)器

推進(jìn)器可根據(jù)實(shí)際艇體大小選擇，注意選用直流無刷電機(jī)系列。

2 硬件連接

2.1 岸端連接

遙控器輸出的網(wǎng)線和交換機(jī)通過網(wǎng)線連接，PC機(jī)和交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接，電臺和交換機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2 艇端連接

轉(zhuǎn)換卡一端通過網(wǎng)線接電臺，另一端為SBUS三芯信號線，接Pixhawk的SBUS端口。Silex的一端通過網(wǎng)線接電臺，剩下的USB口接Pixhawk和傳感器。左右電調(diào)分別接Pixhawk的PWM1口輸出和PWM3口輸出，三根動(dòng)力輸出線接至推進(jìn)器。

3 結(jié)論

本文通過各種模塊的集成及二次開發(fā)，穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)了無人艇完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過此設(shè)計(jì)，可以非常方便的加載各種傳感器，此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成功對我國的海洋河?？睖y提供了非常有用的平臺，具有非常廣闊的應(yīng)用場景。

參考文獻(xiàn)

[1]John.Visual C# StepbyStep， 8thEdition. Pearson Educat ion.2 015.

[2] SeakingV3 Manual http：//www.hobbywing. com/products/pdf/SeakingV3.pdf.