电动无人艇系统设计

董辉

摘要 设计了一种电推动无人艇系统。系统可由遥控器或地面站控制，可实现自主航行并在自主航行和手动遥控之间自由切换。整个系统由岸端和船端两部分组成，并通过无线电台模块进行通信。船端配备有丰富的USB和2 32接口，可以非常方便的拓展常用的水质、流速、声纳等传感器，实现应用价值。利用无人艇小巧、安全、灵活、低费用的特点可以方便的执行一些不适合载人艇或大型船舶执行的任务。

【关键词】无人艇 自主导航 电动力

随着科学进步的发展，人们对海洋的探测进入了新的世纪。中国也出台了众多政策鼓励海洋科技的发展，在新一轮的海洋战略中占领高地。发展海洋科技必然少不了对海洋的探测，现阶段载人船舶为主要海洋探测力量。然而载人船舶大多吨位大，操作复杂，巨大的成本更是阻碍了探测的脚步。而在一些小型河流湖泊中更是面臨着大船进不去，小船无法搭载设备、安全性差等问题。

基于当前环境，无人艇需求量剧增。本文设计了一种锂电池动力无人艇系统，通过遥控或自主航行来完成任务，可以满足目前市场的大多数使用需求。

1 总体方案设计

本文设计的无人艇系统主要包括两部分：岸上部分和船上部分。两部分通过无线电台进行实时通讯。对船体的所有操作都在岸端远程操作。岸端操作通过遥控器和PC机进行。遥控器主要进行船体的前进后退、左右转弯等姿态控制。PC通过自主导航软件来对艇端控制器进行航电路径等参数配置，艇上所搭载的仪器也可以通过电台传回PC进行实时显示、操作。如图1所示。

1.1 系统功能

岸端系统的小型交换机作为信息转发中心，接收从遥控器发来的信号交给电台发给船端的Pixhawk，同时探测遥控器跟电台之间的连接。岸端的PC机通过自主导航软件Mission Planner向船端的Pixhawk发送数据，同时接受从Pixhawk返回的数据。同时搭载在船端的各路传感器数据也可以通过无线电台实时传送回岸端的PC机进行处理。系统搭载成功后，用户只要将传感器接在船端预留的USB或RS232接口上，即可在岸端的PC机上找到相应的COM口，简单方便。

1.2 产品选型

（1）遥控器：遥控器端主要硬件由两个对应姿态控制的变阻器和微处理器组成。此部分逻辑简单，对微处理器要求相对较低，只需要具备网络通讯能力和少量资源即可。微处理器模块选用Arduino Leonardo ETH处理器模块。

（2）交换机：交换机只需要两口以上即可，选用TP-LINK TL-SG1005D，即插即用，无需管理。

（3）电台：电台选用Bitwave系列，船端双全向天线，岸端为面阵单向天线，传输距离远，使用稳定。提供152位WEP、WPA、802.lx等多种安全机制，为用户提供更高的数据安全。

（4） PC机：岸端PC机需至少240G存储盘，4G以上内存，I5以上处理器。安装win7以上64位wmdows操作系统。配备网口及长续航能力。地面站选用开源missionplanner平台，通过mavlink协议与控制盒进行通讯。由C#编写，可以方便进行后续开发更改。

（5）Pixhawk船端控制器选用Pixhawk控制器盒。Pixhawk是一款独立开源的自动控制硬件平台。Pixhawk具有168MhzCortexM4F处理器核心，搭配有3DACC/Gyro/MAG/Baro惯导平台，并且支持大多数常用的通信协议。

（6）转换卡：转换卡将接收到的遥控器网络信号转换为SBUS信号。微处理器模块选用与摇控器端相同的Arduino Leonardo ETH处理器模块。

（7） Silex船端搭载设备大多为USB或RS232接口，而搭配的电台传输的是网络信号，在此选用北京袭来科技网络的DS-510型的USB服务器。该设备可以将多路USB信号通过网络传输，再在PC端将网络信号转为COM口。实现近似COM口透传的效果。

（8） USB转RS232线由于许多传感器设备具备唤醒与休眠功能，所以对USB转RS232线要求特别严格，在此选用英国Z-TEK品牌ZE698型号的串口线。如果要换其它型号，请选用英国原装FTDI-FT232芯片的串口线。

（9）电调电调设备将Pixhawk输出的PWM波转为动力去驱动推动器电机。选用好盈科技的SeakingV3系列，可以根据实际船体大小选用适当驱动能力的具体型号。支持简单易用的参数设定卡。

1.2.1 推进器

推进器可根据实际艇体大小选择，注意选用直流无刷电机系列。

2 硬件连接

2.1 岸端连接

遥控器输出的网线和交换机通过网线连接，PC机和交换机通过网络连接，电台和交换机通过网络连接。

2.2 艇端连接

转换卡一端通过网线接电台，另一端为SBUS三芯信号线，接Pixhawk的SBUS端口。Silex的一端通过网线接电台，剩下的USB口接Pixhawk和传感器。左右电调分别接Pixhawk的PWM1口输出和PWM3口输出，三根动力输出线接至推进器。

3 结论

本文通过各种模块的集成及二次开发，稳定的实现了无人艇完整的系统设计。通过此设计，可以非常方便的加载各种传感器，此系统的设计成功对我国的海洋河海勘测提供了非常有用的平台，具有非常广阔的应用场景。

参考文献

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

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