電動(dòng)無(wú)人艇系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董輝

摘要 設(shè)計(jì)了一種電推動(dòng)無(wú)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(guò)無(wú)線電臺(tái)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(wú)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(wú)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(duì)海洋的探測(cè)進(jìn)入了新的世紀(jì)。中國(guó)也出臺(tái)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(duì)海洋的探測(cè)，現(xiàn)階段載人船舶為主要海洋探測(cè)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(cè)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(wú)法搭載設(shè)備、安全性差等問(wèn)題。

基于當(dāng)前環(huán)境，無(wú)人艇需求量劇增。本文設(shè)計(jì)了一種鋰電池動(dòng)力無(wú)人艇系統(tǒng)，通過(guò)遙控或自主航行來(lái)完成任務(wù)，可以滿(mǎn)足目前市場(chǎng)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(wú)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(guò)無(wú)線電臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。對(duì)船體的所有操作都在岸端遠(yuǎn)程操作。岸端操作通過(guò)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(guò)自主導(dǎo)航軟件來(lái)對(duì)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(guò)電臺(tái)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(lái)的信號(hào)交給電臺(tái)發(fā)給船端的Pixhawk，同時(shí)探測(cè)遙控器跟電臺(tái)之間的連接。岸端的PC機(jī)通過(guò)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(guò)無(wú)線電臺(tái)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(hù)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)姿態(tài)控制的變阻器和微處理器組成。此部分邏輯簡(jiǎn)單，對(duì)微處理器要求相對(duì)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(wú)需管理。

（3）電臺(tái)：電臺(tái)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(hù)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(pán)，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(zhǎng)續(xù)航能力。地面站選用開(kāi)源missionplanner平臺(tái)，通過(guò)mavlink協(xié)議與控制盒進(jìn)行通訊。由C#編寫(xiě)，可以方便進(jìn)行后續(xù)開(kāi)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(kāi)源的自動(dòng)控制硬件平臺(tái)。Pixhawk具有168MhzCortexM4F處理器核心，搭配有3DACC/Gyro/MAG/Baro慣導(dǎo)平臺(tái)，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(hào)轉(zhuǎn)換為SBUS信號(hào)。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(tái)傳輸?shù)氖蔷W(wǎng)絡(luò)信號(hào)，在此選用北京襲來(lái)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(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，再在PC端將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)為COM口。實(shí)現(xiàn)近似COM口透?jìng)鞯男Ч?/p>

（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(duì)USB轉(zhuǎn)RS232線要求特別嚴(yán)格，在此選用英國(guó)Z-TEK品牌ZE698型號(hào)的串口線。如果要換其它型號(hào)，請(qǐng)選用英國(guó)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(hào)。支持簡(jiǎn)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(wú)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(guò)網(wǎng)線連接，PC機(jī)和交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，電臺(tái)和交換機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2 艇端連接

轉(zhuǎn)換卡一端通過(guò)網(wǎng)線接電臺(tái)，另一端為SBUS三芯信號(hào)線，接Pixhawk的SBUS端口。Silex的一端通過(guò)網(wǎng)線接電臺(tái)，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(guò)各種模塊的集成及二次開(kāi)發(fā)，穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)了無(wú)人艇完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)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(duì)我國(guó)的海洋河?？睖y(cè)提供了非常有用的平臺(tái)，具有非常廣闊的應(yīng)用場(chǎng)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.