電動無人艇系統設計

董輝

摘要 設計了一種電推動無人艇系統。系統可由遙控器或地面站控制，可實現自主航行并在自主航行和手動遙控之間自由切換。整個系統由岸端和船端兩部分組成，并通過無線電臺模塊進行通信。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、流速、聲納等傳感器，實現應用價值。利用無人艇小巧、安全、靈活、低費用的特點可以方便的執行一些不適合載人艇或大型船舶執行的任務。

【關鍵詞】無人艇 自主導航 電動力

隨著科學進步的發展，人們對海洋的探測進入了新的世紀。中國也出臺了眾多政策鼓勵海洋科技的發展，在新一輪的海洋戰略中占領高地。發展海洋科技必然少不了對海洋的探測，現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不去，小船無法搭載設備、安全性差等問題。

基于當前環境，無人艇需求量劇增。本文設計了一種鋰電池動力無人艇系統，通過遙控或自主航行來完成任務，可以滿足目前市場的大多數使用需求。

1 總體方案設計

本文設計的無人艇系統主要包括兩部分：岸上部分和船上部分。兩部分通過無線電臺進行實時通訊。對船體的所有操作都在岸端遠程操作。岸端操作通過遙控器和PC機進行。遙控器主要進行船體的前進后退、左右轉彎等姿態控制。PC通過自主導航軟件來對艇端控制器進行航電路徑等參數配置，艇上所搭載的儀器也可以通過電臺傳回PC進行實時顯示、操作。如圖1所示。

1.1 系統功能

岸端系統的小型交換機作為信息轉發中心，接收從遙控器發來的信號交給電臺發給船端的Pixhawk，同時探測遙控器跟電臺之間的連接。岸端的PC機通過自主導航軟件Mission Planner向船端的Pixhawk發送數據，同時接受從Pixhawk返回的數據。同時搭載在船端的各路傳感器數據也可以通過無線電臺實時傳送回岸端的PC機進行處理。系統搭載成功后，用戶只要將傳感器接在船端預留的USB或RS232接口上，即可在岸端的PC機上找到相應的COM口，簡單方便。

1.2 產品選型

（1）遙控器：遙控器端主要硬件由兩個對應姿態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，只需要具備網絡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：交換機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，使用穩定。提供152位WEP、WPA、802.lx等多種安全機制，為用戶提供更高的數據安全。

（4） PC機：岸端PC機需至少240G存儲盤，4G以上內存，I5以上處理器。安裝win7以上64位wmdows操作系統。配備網口及長續航能力。地面站選用開源missionplanner平臺，通過mavlink協議與控制盒進行通訊。由C#編寫，可以方便進行后續開發更改。

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

（6）轉換卡：轉換卡將接收到的遙控器網絡信號轉換為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船端搭載設備大多為USB或RS232接口，而搭配的電臺傳輸的是網絡信號，在此選用北京襲來科技網絡的DS-510型的USB服務器。該設備可以將多路USB信號通過網絡傳輸，再在PC端將網絡信號轉為COM口。實現近似COM口透傳的效果。

（8） USB轉RS232線由于許多傳感器設備具備喚醒與休眠功能，所以對USB轉RS232線要求特別嚴格，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）電調電調設備將Pixhawk輸出的PWM波轉為動力去驅動推動器電機。選用好盈科技的SeakingV3系列，可以根據實際船體大小選用適當驅動能力的具體型號。支持簡單易用的參數設定卡。

1.2.1 推進器

推進器可根據實際艇體大小選擇，注意選用直流無刷電機系列。

2 硬件連接

2.1 岸端連接

遙控器輸出的網線和交換機通過網線連接，PC機和交換機通過網絡連接，電臺和交換機通過網絡連接。

2.2 艇端連接

轉換卡一端通過網線接電臺，另一端為SBUS三芯信號線，接Pixhawk的SBUS端口。Silex的一端通過網線接電臺，剩下的USB口接Pixhawk和傳感器。左右電調分別接Pixhawk的PWM1口輸出和PWM3口輸出，三根動力輸出線接至推進器。

3 結論

本文通過各種模塊的集成及二次開發，穩定的實現了無人艇完整的系統設計。通過此設計，可以非常方便的加載各種傳感器，此系統的設計成功對我國的海洋河?？睖y提供了非常有用的平臺，具有非常廣闊的應用場景。

參考文獻

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

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