【《遥控避障无人艇的结构设计》13000字】

遥控避障无人艇的结构设计目录TOC\o"1-2"\h\z\u1 绪论 51.1 课题研究的目的和意义 51.2 国内外的发展状况 51.3 本设计的总体要求 62 系统总体方案的选定 62.1 多种艇型的优劣性讨论与方案选择 62.2 控制系统的方案选择 133 遥控避障无人艇的结构设计与模型制作 143.1 船体的结构设计 143.2 动力系统的设计选配 154 无人艇控制系统的硬件设计 164.1 主控芯片 164.2 最小应用系统设计 194.3 电源模块 204.4 电机驱动模块 214.5 蓝牙控制模块 235 无人艇控制系统的软件设计 255.1 程序流程 255.2 编程语言的选择 265.3 程序开发环境的介绍 266 调试与试验 276.1 控制系统调试 276.2 动力系统调试与艇体封装 276.3 下水航行测试 28参考文献 31绪论课题研究的目的和意义近年来，在发达国家大力推动传统产业结构调整转型改造升级、中国推动中国智能制造2025、工业4.0的大经济战略政策背景下，无线电自动远程控制耕地系统相关技术不断取得新的飞速发展，已广泛应用于各种新型工业无线耕地遥控、农业无线耕地遥控喷药、无线遥控电源开关等工业遥控制和智能小车等领域。随着海洋战略地位的不断提高，各种无人运载航行器成为水面装备领域发展的重点，其中包括无人水面航行器、无人水下航行器、水下机器人等。不久的将来，无人运载海洋航行器将会在海洋资源开发及保护过程中发挥更重要的作用。无人艇技术涉及到通信、导航、控制、传感器等多个方面，运动控制是无人艇实现其它应用的基础，是实现无人艇应用的关键也是无人艇技术领域的主要研究方向。运动控制主要包含远程遥控、点迹巡航、自主避障、航迹规划等。水面无人艇整体驱动及动力控制结构多种多样，如：三叶单桨单舵、双螺旋桨、双叶叶桨和附加舵、矢量动力泵以及喷射和推进等驱动方式。因此，设计一种能够适应复杂水面环境的无人艇运动控制系统是无人艇技术研究的重要内容。国内外的发展状况随着无人艇在民用和军用工业领域的各方面已经开始发挥着越来越重要的技术主导作用,世界上许多发达工业国家纷纷积极展开对无人艇设计建造研制技术的国际深入应用研究,其中美国和以色列号的研究工作经验最为丰富，技术相对较为世界领先,部分已经成功研制成熟的无人艇已经成功研制交付中国海军部队部队使用,例如:美国的"斯巴达侦察兵"号、"拦截者"号、"海上猎人"号,以色列的"保护者"号、"海上骑士"号等等均为大型水面无人艇等。国内无人艇技术研究起步较晚，技术还不够成熟，与国外存在一定差距。随着政府和科研院所对此领域的关注度不断提升，国内无人艇研制正在奋力追赶发达国家，近年来相关科研院所、国内无人艇公司都分别取得了一定的成果。其中代表性的有上海大学研制的精海系列无人艇，哈尔滨工程大学的"天行一号"无人艇，上海海事大学的"海腾01号"高速智能无人艇等。本设计的总体要求本设计将提出一种操作方便，控制灵活，智能程度高的小型遥控无人艇遥控系统。其中中央处理器控制系统单片机系统，控制外围设备并以协调系统正常运行；动力驱动系统螺旋桨采用齿轮系统驱动动力电机系统采用直流电和高压伺服电机驱动动力电机;控制开关系统采用红外线和激光速度传感器控制系统并可作为船内对有障碍物物体运动速度探测器的控制系统开关；船模船载动力电池供电控制系统主要采用蓄电池。遥控器硬件设计主要采用51单片机。系统总体方案的选定多种艇型的优劣性讨论与方案选择无人艇的艇型选择是整个无人艇系统设计过程中的一个重要部分，根据无人艇的驱动动力类型、控制结构类型、应用场景需求、载荷与体积大小的不同，其艇型有多种多样的选择。动力类型的选定基于动力类型的分类可总体上分为风动艇和浆动艇。空气动力船艇综合运用水动力学和空气动力学的原理，利用空气螺旋桨推进，没有吃水限制。浆动艇则为常规水下螺旋桨驱动，结构简单，易于操作，制作成本低。由于空气动力艇涉及到空气动力学等多个陌生学科领域的知识，本设计在动力类型上选择更常见的水下螺旋桨驱动。艇型结构的选定艇型结构的选择一般是根据无人艇的具体功能和航行环境而定的，对于本设计而言，由于此无人艇是最大程度上的轻量化、小型化设计，这样不可避免的造成其耐波型和稳定性较差，所以，使无人艇航行状态稳定、船体结构稳固是选择艇型的首要目标。另外，考虑到本设计成果的应用场景主要是内陆河或人工湖，相比有航海需求的无人艇，本设计的应用和试验场地风浪较小，且无需考虑海水侵蚀，所以在艇型选择和材料选择上有着一定的空间。目前主流船艇、无人艇艇型可按其主体数量分为以下五类：窄体单体型驱动方式多为单浆单舵，优点是结构简单，便于制造，内部空间充足，集成度高，辨识度好。缺点是稳定性差，耐波型不足，容易侧翻，对船体的内部重心和浮心的要求较高，对航行的姿态控制要求较高。宽体单体型驱动方式多为双桨双舵，优缺点与窄体型类似，但其航行阻力相较窄体单体型显著增大，且重量变大，灵活性不足。双体型驱动方式为双桨双舵或双桨无舵，优点是两桨间距更大，双桨产生激波之间的相互干扰较弱，航行相对稳定，重量分布均匀，航行阻力较小，方向控制灵活。缺点是其内部空间狭窄，不适合单主控芯片的控制系统的放置，且制作较为复杂，防水处理要求过高。三体型是目前竞速船模的主流构型，由于外形酷似龙虾，又被称之为“虾艇”，其在窄体单体型的基础上向两边拓展了两个侧体用来维持航行稳定，从而可以将其主体进一步收窄并降低高度，进而更好的减小水流阻力和空气阻力，以获得最佳航行状态。驱动方式可以是单浆单舵双桨单舵或双桨无舵，但其缺点也较为明显，及在其主体内部的由于螺旋桨和主电机的位置将占据半数空间，留给控制系统的可用安全空间非常有限，对于控制系统的设计具有较高要求。五体型五体型的水面无人艇较为少见，如果仅在水面航行，其四个侧体大都可优化为两个侧体，这样在维持稳定的情况下可以减小质量，减少阻力。所以五体型船艇多为两栖无人艇的选择，适用于四旋翼垂直起降的两栖无人艇，此结构的抗风性、抗沉性、抗干扰性都十分优秀。综上，基于现实考量，综合各种变量和因素，在优先考虑该艇的稳定性和耐波型后，最终选择采用三体型双桨无舵设计，并以此为框架调整控制系统所占空间大小以及各个模块的布局。驱动和方向控制系统的选定驱动控制系统是无人艇设计的基础性问题，是实现无人艇应用实现的关键。水面无人艇驱动和控制结构有很多类型，例如：单桨单舵、双桨无舵、双桨单舵、双桨双舵、矢量泵喷推进等方式。每种驱动方式都有着其独特的优势与不足，应根据设计需求选择最为合适的推进方式。本设计的控制系统是以51系列单片机作为主控芯片，由于单片机所能承受的负载电压有限，所以如果使用常见的单浆单舵驱动控制，极有可能面临动力不足而导致无人艇无法正常运行，所以本设计将采用两桨驱动方案，以保证无人艇的正常运行，且有利于无人艇的姿态控制，相比其它各种类型的推进传动方式，双桨反向推进器既具有传动载荷大、加速快和时间短、航行快和速度高等优势，而且采用双桨反向推进传动系统不仅能够有效率地利用桨中水波的反向激波振动效应进而大大提高双桨推进器的效率，具有很好的能效作用。对于方向控制方式的选择，大多船艇的首选为舵机控制方向舵的左右偏移，使水流朝方向舵偏移方向偏转，此时水流和船体将形成一定的夹角，进而达到船体转向的要求。然而，对于双桨驱动的无人艇来说，如果使用舵机控制，最好的方式是在每哥螺旋桨后都加一个方向舵，转向是两个舵机同时工作，这样可形成稳定的水流，然而在螺旋桨后加方向舵在船体设计上不易实现，有诸多未知因素，且不在本专业的领域之内，故暂不考虑。而如果使用双桨单舵的方式，经过资料研究发现，单舵如果放置于两桨中间，转向调正方向舵时将会产生第三股水流，这对于船体稳定和船体运行是有影响的，由于设计到其他领域的知识，在此不做赘述，此方案亦不考虑。至此，通过舵机控制方向的初步构想被推翻，本设计只好选用双桨无舵的驱动控制方案，双桨无舵控制方向的原理是根据两螺旋桨的旋转的不同在船体左右两侧形成两股速度不同的水流，进而使船体向流速小的地方发生偏转，以达到转向的目的。使螺旋桨产生不同的旋转有以下两种模式：两桨同向差速，通过单片机进行PWM调速，使得两个螺旋桨产生不同的转速，进而使其产生的两激波形成速度差，以达到转向。两桨反向同速，在需要转向时通过单片机发出信号，使对应方向的螺旋桨反转，反转产生的激波将与正转激波的速度等大反向，此时，在船体两侧将出现两股反向的水流，进而使船体向一侧转向。对于以上两种模式，通过对一些船舶知识的查阅，发现在水下由于水下阻力远大于空气阻力，所以对两桨正向调速所形成的水流速度差将很不明显，这样转向角将会非常大，船体很不灵活，且不利于后续避障功能的实现与调试。反而，如果在水下短时间内能在船体两侧形成两股反向水流，船体两侧的水流速差将产生大幅度变化，这样转向角不会过大，无人艇将会更为灵活。综上，依据实际情况，本设计最终选择两桨反向同速调节速度的双桨无舵驱动控制模式。螺旋桨及方向控制设计螺旋桨的选取与设计是无人艇设计中一个关键环节，水面船艇的驱动不同于地面行走的小车，船艇螺旋桨的材料、规格、放置位置都需要根据实际情况严格决断，稍有不慎便会影响无人艇的航行姿态和稳定性，由于本设计选择双桨无舵的设计，所以两螺旋桨要在现有条件下尽可能的拉开距离，以保证转向时两股水流的层次分明，快速转向。此外，为保证两螺旋桨所产生的激波不会相互干扰，将会在两桨之间设置一纵向隔板，并延申一定的深度和长度，此举将提高无人艇航行的稳定性。智能避障设计模块的选定由于无人艇在水面上航行的兴波阻力（摩擦力）比停在地面上的无人汽车小,比空中的无人飞机大，且在水面很容易受到水波的干扰，再加上操控人员自身可能会出现人为失误，所以加装避障模块就显得十分必要。当在无人巡逻艇正确行驶巡航方向的前方一定位置距离以内出现其他障碍物时,单片计算机会根据快速避障指令接收器受到障碍信号的不同,发出不同避障种类的快速躲避避障指令,当两侧一传感器同时进行检测并遇到其他障碍物时,无人艇也将会迅速倒退,当某侧另一侧的两传感器同时检测并遇到其他障碍物时，无人艇会向另一个方向转向。对于无人艇而言，避障模块的关键是避障传感器类型的选择，由于无人艇的特殊应用环境，对传感器的首要要求是稳定和易封装，稳定旨在使传感器能够在面对水面复杂波流状况时可以准确无误的工作，易封装是指传感器可以便易的密封在一个防水外壳中，以应对水面荡起的水波对船体和传感器的干扰。现阶段适用于单片机系统设计中避障模块的传感器主要有两种：超声波传感器：工作原理主要是向被声波测量的目标电机发射一个超声波信号脉冲,计算其声波往返运行时间,进而判断间距。该设计方法被广泛应用于各类不具有安全避障设施需求的建筑设计中。优点之一是因它价格便宜,使用便捷,且在一定检测距离内它即可及时给出精确的检测结果。缺点是其效距离略短，且因其工作原理基于声波的传递，很可能在传输过程中受到其它信号的干扰，最重要的一点是，其无法做到完全密封，器件裸露面积太大，极易因水面波浪的泼溅而导致传感器进水损坏。红外线传感器：对红外发射环境系统中的发射光线及其运动环境适应能力强,其内部分别具有一对小型短波红外线激光短波射频发射接收管与一对发射接收管,发射接收管外部可向短波发射管内部输出一定长波光谱值和频率的小型短波发射红外线,当检测方向遇到障碍物时,红外线通过反射器收回来被送入接收管进行接收,经过比较器控制电路优化处理之后,绿色信号指示闪光灯会自动亮起,同时数字信号接口输出时该接口需要输出的是数字信号,可通过控制旋钮自动调节其与检测器的距离。综合考虑后，本设计的避障模块最终选用红外避障传感器，红外传感器可以将电路板封装到防水外壳中，只将用于发射红外线的对管露在外面，并将对管四周密封，这样就可以做的防水防渗透。控制系统的方案选择无人艇的运动控制性和系统管理是本项目设计中最重要的一个核心内容,控制管理系统主要包含四个系统模块,运动控制系统模块、方向自动控制系统模块、避障自动控制系统模块和自动遥控控制模块。每一个模块都有多种类型，四个模块也有多种搭配方式可供选择，具体的选择会受到多种因素的影响，例如：功能需要，船体结构，试验场地，技术难度与工程量等等。目前市面上主流的个人使用的小型无人艇大都是以电调（电子调速器，ElectronicSpeedControl，简称ESC）为核心，连接无刷或有刷电机、多通道遥控器接收机作为整体的控制系统，随着多年来电子工业的发展，这套系统已十分成熟，其高度集成的模块化设计和其轻量化、便携性、稳定性给我在设计选择以单片机为的核心的控制系统时提供了一定的参考。在主控单片机的型号选择上本设计以最终功能实现为基础原则，并充分考虑所选定的无人艇艇型的内部可用安全空间大小以及内外部防水要求，决定将STM32F103C8T6和STC89C51作为最终候选方案，综合多种考量，本设计最终确定以STC89C51作为主控芯片的控制系统方案，其原因如下：STM32虽是更为高级、功能更加丰富的单片机，与之对应的是其配置更为复杂，成本和功耗都要更高，对于STM32和C51都可开发的项目上，STM32的优势不够明显。C51已足够满足本设计各项功能需要，且51系列单片机是本科期间最为熟悉、多次使用的单片机型号，已有很多是使用和调试经验，有利于本次设计顺利进行。(3)最重要的一点是本设计的无人艇内部留给控制系统的空间仅为8cm*8cm*6cm的立方体大小，STM32的开发板不满足此空间要求，反而C51可以完美适配这个大小。遥控避障无人艇的结构设计与模型制作船体的结构设计由于该艇是在内河及湖泊运行的小型无人艇，所以对船体构造的耐波性和稳定性提出了一定的要求，在船体设计上尽可能的使其航行速度快、阻力小，基于以上的几个设计要求功能需求，选择采用三体船型结构作为无人艇的主体结构。通常三体船是由一个主体和两个侧体连接在一起，其基本特征是以一个大长宽比的主船体和两个较短的侧体为基础，通过两根碳纤维杆连接到一起，并在主船体前侧加装合适大小的用以放置红外避障模块的防水外壳。主船体的长细比约为8:1，大于普通窄体单体船，两个侧体的排水量不超过总排水量，三体船（虾艇）的这种船型构造可以使其在航行时受到的兴波阻力减小，两个侧体与主体之间的距离提供了足够的稳定性，减小无人艇的横纵向摇摆和垂直震荡，所以该艇型的耐波性将会非常好。另外，三体船的两个侧体放置在主船体的两前侧，且侧体不会加装电子器件或传感器，这使得该艇型的安全性得到了保障，当避障系统意外失败，侧壁碰到障碍物时，只会损坏外侧的侧体，且侧体结构简单，易于复制，便于更换。重要设备和模块全部放置于主船体内，失去动力的几率将会减少，此艇型的抗沉性也非常出色。主船体结构综合上述无人艇的特征及功能，并参考前人的研究成果和市面上的成熟产品，结合自身能力和可用材料工具，主船体设计为以椴木层板为材料的流线型大长宽比的主体。侧体结构对于水面无人艇侧体的设计也有一定的要求，需满足三个条件：侧体的长度一般要超过主体设计水线长的1/2。侧体的总排水量控制在总排水量的1/2左右，侧体通常比主体的水平位置略高，且略前置于主体前端，使其航行时不会没于水面之下。两侧体与主体之间的距离要绝对相等，以确保艇体的左右对称。侧体材质与主体相同，前倾角略大于主体，下端同样采用流线型构造。避障模块结构避障模块位于主艇体上表面的前端，防水外壳采用透明亚克力盒，前端使用电钻在两侧分别开两组四孔，供红外传感器外探，并在传感器对管根部使用防水胶密封，这样在亚克力板能就形成了一个密闭防水空间，以保护电路板，防止其浸水损坏。避障模块如图所示。动力系统的设计选配推进电机无人艇推进电机是推进系统的动力来源，是影响无人艇航速及姿态控制的重要因素。在无人艇规格尺寸确定后，主机选择除考虑船体内部可用空间的影响外还与螺旋桨推进器的选择、连轴系的选择极其传动效率、水面航行阻力等因素有关。同时，无人艇所用电机类型还必须与所选主控单片机型号相符，是的控制系统可以正常操控驱动电机。结合前文所述的功能需求以及自身能力，最终选择两同规格的直流电机作为此无人艇的主电机。螺旋桨推进器与连轴系螺旋桨推进器的转动效率是影响无人艇性能的重要因素，应选择动能损失最小、转动效率最高的螺旋桨推进器以保证电机输出的动能使用最大化，同时，结合主体内部空间选择合适长度的连轴系也至关重要，在两叶浆和三叶浆的选择上考虑到推进效率，最终选择型三叶正转螺旋桨作为水面推进系统的推进器，连轴系的长度为20cm，该螺旋桨参数如表所示。方向控制系统在方向控制系统中采用了两桨反转的转向方式，在这种模式下，两桨间隔-cm，中置一木质引流板，用于控制水流形态，避免干扰。在遥控系统发出左转信号时，单片机控制左侧螺旋桨反转，右侧螺旋桨不变，使得船体左侧产生反向激波，从而在船体左右两侧形成速度反向的水流，右侧动力大于左侧动力，使得船体向左偏转。同理，右转时的操作与左转相反，在此不再赘述。无人艇控制系统的硬件设计主控芯片STC89C52功能概述本次的系统总体设计将以一个STC89C52单片机系统设计方案作为整个系统的主要设计技术核心,用其控制无人艇的航行及转向,以完成所设计的各种功能和性能指标。用这种新型单片机控制技术用来控制整个无人艇上的飞行控制系统的其主要优点之一也就是简单、方便、快捷。单片机系统设计人员可以真正做到的是充分发挥其较为强大的数字信号处理控制和预处理系统功能。STC89C52有着功能强大的接口可按键定位操作寻址输入指令,i/o口均可按位寻址,，内存为8K，如果按系统功能类来划分，它由如下部分组成：微处理器：该系列单片式主机中包含有一个8位的双核微处理器，与目前通用的16位微处理器结构基本相同，同样只是包括了远程运算器和远程控制器两大组成部分，只是额外增加了一个面向远程控制的数据处理模块功能，不仅同样可同时处理大量数据，还甚至可以同时进行位置和变量的控制处理。数据存储器：片内为128个单位字节数据单位宽度最多一个字节,片外最多一个字节单位宽度最小时也可外扩至64k一个字节单位最多字节,用来实时存储缓冲数据存储一个企业应用程序在整个系统正常继续运行期间的所有相关数据及其工作情况例如系统状态变量、运算的数据中间件和数据处理结果、数据库的一个实时缓冲暂存和数据继续正常运行以及数据库的缓冲、标志存储位置的相关信息等,所以又被当时人们广泛称为一个应用程序系统中的一个数据缓冲存储器。程序存储器：由于片内使用只读读写受制于操作系统的软硬件低和集成度高的使用条件有所限制,片内最多片外最少使用只写书读阅读的阅读读书写写入阅阅存储器的而一般片内只写阅读读读书写写入容量相对较小,如果片内的片外最多使用只写书读阅读的阅读读书写写入阅阅存储器的片内只写阅读读读书写写入容量不够,则就很有可能用户必需用它们阅读出来同时进行扩展片外的片内只读书写写入阅读器的读入和片外写入的写入阅读存储器,片外最多片内使用只读读写容量最小可外扩至64k音字节的每个只读字节。中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。定时器/计数器：片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。串行口：一个系统采用了完全双工的四位数字图形串行口,具有四种不同的在工作程序执行时的方式。可以更便于客户用来同时直接进行多个串行口的数据通讯,扩展多个新的并行数据通讯i/o口,甚至与另外多个新的并行通讯单片机接口相连也同样可同时构成多个并行微机处理系统,从而不仅可以有效使一个并行单片机的数据处理系统功能更强且实际上的应用更广。特殊功能寄存器：共有21个，用于用户对片内的个性化功能的主要部件信号进行实时管理、控制、监视。实际上是它是一些状态控制函数寄存器和一些状态控制寄存器，是一个函数具有特殊控制功能的函数RAM区。它们都主要是通过片内单一接口总线芯片连接而来组成，其基本总线结构依旧主要是采用cpu总线加上外围接口芯片的一种传统总线结构设计模式。但对各种不同功能控制部件的集中控制则还是需要采用特殊基于功能部件寄存器的集中控制器的方式。STC89C52的引脚功能分析VCC：电源供电，这次设计使用5V直流电源；GND：接地引脚；P0对于读写操作时，可以锁定外部存储器地址，读取和写入数据信息。如果用作输出时，需要外加上拉电阻。P0、P1可作为输出输出端口。P3除了作为数据口外，每个引脚还有其它功能，下面是相关功能的介绍：P3.0串行通信输入口；P3.1串行通信输出口；P3.2外部中断0输入口；P3.3外部中断1输入口；P3.4定时器0外部计数输入口；P3.5定时器1外部计数输入口；P3.6外部存储器写信号；P3.7外部存储器读信号；RST：复位引脚。振荡器复位时，需要维持两个机器周期的高电平时间；ALE/PROG：ALE输出脉冲信号，它可以实现定时·。当对存储器进行访问时，输出电平将会被锁存；/PSEN：存储程序存储器的信号引脚，当外部程序存储器被存取时，一个周期只有两次/PSEN，如果访问时，将不会再有有效的/PSEN；EA/VPP：程序存储器选通控制引脚。当EA=0时，只允许读取单片机的外部程序存储器内容；当EA=1时，可以读取单片机内部的存储器内容；XTAL1：时钟信号接入引脚；XTAL2：反向振荡器的输出引脚。STC89C52RC引脚图如下：图3.1.2STC89C52RC引脚图最小应用系统设计以STC89C52为主要基础设计构成的最小自动控制电路系统主要包含控制电源、时钟控制电路、复位控制电路。将一个单片硅电机控制端口上连接上一个时钟控制电路输出信号和一个复位时钟电路输出信号进行连接,如图所示。1、时钟电路STC89C52高频频率时钟虽然带有内部振荡电路,但要直接形成高频时钟振荡器的时钟输出信号,则必须采用外接电路形成一个内部附加振荡电路。STC89C52单片机的时钟控制管理系统采用时钟控制信号的自动产生控制方法时钟控制器有内部控制操作外部控制操作两种。2、复位电路STC89C52的自动控制复位信号控制电路是由外部的自动控制复位信号控制电路通过输出信号来自动复位实现的。复位引脚控制电路rsrst通过斯密特驱动触发器的作,抑制电路输出输入噪声,在每个外部复位引脚机器正常工作一个周期的规定时间,斯密特驱动触发器的每个电路输出输入噪声电平由一个外部复位引脚控制电路重复采样一次,从而可以得到内部驱动控制器的复位引脚电路正常操作所要时间和需要的输出噪声电平信号。电源模块电源模块的选取电源模块为操作系统其他各个电源模块用户提供所可能需要的备用电源。在电路设计中，除了必须要充分考虑应用到有源电压输出范围和有源电流输出容量等这些基本参数之外，还要在提高电源信号转换电路效率、降低电源噪声、防止电磁干扰和保证电路简单等各个方面都要进行不断优化。在无人艇的运行过程中，水面风浪变化复杂，如果加速或制动剧烈，导致电池负载变化剧烈，输出电压有可能因此而剧烈变化，导致系统瘫痪。因此，可靠的集成电源解决方案设计是整个电源硬件集成电路稳定可靠正常运行的重要基础。在本设计中所采用的主要是高频稳压控制芯片进行实现。全部采用硬件集成电路的额定电源电流采用7.2v、1500mAh镍氢充电电池提供。电源电路电机驱动模块电机驱动模块的选取设计中,使用ST公司的一种方式l298n直流电压驱动电路模块系列芯片作为直流电压驱动回路电机控制电压直流驱动电路控制技术模块的主要电压驱动技术芯片,l298n驱动芯片系列是ST公司公司设计生产的一种分别具有高变频交流电压驱动力和超低电压、高变频交流电压驱动力和超大电流率的步进双全新式交流桥式高速低电压变频交流电源驱动器,该芯片系列驱动芯片的主要驱动技术设计特点及其功能分别是:交流输入输出工作电压高,最高电压输出输入工作电压大约可达46v,峰值电流输出输入工作稳压电流大,瞬间输出工作电压峰值电流输出工作电流大约甚至可以高达3a,持续时间输出工作电流峰值输出电流大约为2a。同时用户采用符合国际标准的的ttttl型的独立逻辑功能回路电平可以进行加一信号输入回路电平控制;同时用户具有两个独立可以使用一个功能者的回路电平控制端,在完全可以不受控制电源中的加一输入进出信号输入功能回路控制信号输出电流波动影响的任何使用情况下其它即可同时允许或完全可以禁止两个外接控制器件正常运行工作;同时有一个内部独立逻辑功能回路控制电源作为加一进出输入回路控制端,使内部逻辑电路部分在高或中的低电压下正常运行工作;同时用户可以通过两个外接控制器件自动检测输入电阻,将根据电压波动变化的功能测量回路信号进行反馈即可提供一个给独立使用功能者的控制电路。此外该驱动模块组在系统中还可以同时直接驱动两路直流电机驱动器的电机,在本应用系统中可以使用其中一路直流作为系统主驱动电机的直流驱动。L298N电路图模块接口说明：VCC外接3.3V-5V电压（可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连）GND外接GNDOUT小板数字量输出接口（0和1L298N原理图蓝牙控制模块蓝牙模块概述该技术模块主要被应用于各种短距离的视频数据无线网络传输应用领域。可以方便的和基于pc计算机的两个蓝牙通信设备直接相连,也就是可以两个蓝牙模块之间的蓝牙数据接口互通。避免繁琐的串口线缆交换连接,能直接有效替代传统串口线。在一台装有手机蓝牙芯片app的安卓蓝牙手机通过将蓝牙控制器的命令数据发送给手机蓝牙控制模块,把蓝牙手机信号变为蓝牙遥控器,蓝牙蓝牙模块把手机信号数据传输发送给蓝牙单片机模块进行信号处理。单片机根据汽车传递反馈过来的控制指令分别运行不同的控制子程序,控制汽车电机进行驱动,实现对一辆小车进行前进、后退、右转、左转、停止的实时运动控制。外形尺寸如图所示：蓝牙APP利用Android蓝牙API来实现具体的蓝牙功能，设备连接之后，利用BluetoothSocket对象完成数据的通信。单片机的蓝牙模块接收到上位机发来的指令后，调用单片机程序，根据指令控制小车。蓝牙APP界面如图所示。蓝牙模块电路图：特点：蓝牙V3.0+EDR蓝牙Class2内置PCB射频天线支持UART接口3.3V电源其他配置状态指示LED：P12用于指示蓝牙模块所处状态，LED灯闪烁方式与蓝牙模块状态对应见下表：模式LED显示模块状态从模式均匀慢速闪烁(800ms-on，800ms-off)等待配对长亮建立连接主机中断指示：P05用于指示主机中断与否，连接状态为高电平，其他状态低电平。无人艇控制系统的软件设计遥控避障无人艇的系统软件设计由这以下几部分组成：主电机的控制算法设计、方向控制系统软件设计、蓝牙遥控模块软件设计、红外避障模块软件设计。程序运行是从系统的初始化开始的，接着是接收蓝牙APP发送的控制信号，无人艇根据信号做出相应的运动，同时，运行红外避障模块采集程序和相应的避障程序，得到当前路径信息；作为闭环控制的反馈环节。红外避障软件设计综合当前状态值做出控制策略，控制电机以合适的方式运行。避障模块控制的优先级高于蓝牙遥控的优先级。程序流程程序流程图如下所示：编程语言的选择单片机软件设计使用C语言作为编程开发软件，采用模块化的程序结构，设计了按键模块程序、RFID模块程序、日历时钟模块程序、GPRS模块程序、显示存储模块程序等，并编写系统主程序，将五个程序模块组合在一起，实现单片机控制系统的整体功能。51单片机支持三种高级语言，即PL/M，C和BASIC。C语言是一种通用的程序设计语言，其代码率高，数据类型及运算符丰富，并具有良好的程序结构，适用于各种应用的程序设计，是使用较广的单片机编程语言。单片机的C语言采用C51编译器（简称C51）。有C51产生的目标代码短，运行速度高，所需存储空间小，符合C语言的ANSI标准，程序开发环境的介绍这次设计所用的开发环境是KEIL5，这是一款51兼容C语言的开发软件。KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。图4.3Keil软件界面图调试与试验控制系统调试由于无人艇在水面上航行时会受到不同程度的颠簸，为确保艇内控制系统的稳定，避免因控制系统硬件断触或电路短路导致无人艇在水面意外停机，本设计控制系统硬件模块采用PCB板取代需手动焊接的覆铜板，并在PCB板上预留软件烧录接口，方便程序的修改及调试。如图为程序烧录测试结果。程序烧录成功后开始进行功能测试，首先进行蓝牙连接测试，使用安卓手机安装该APP后进行连接，输入配对密码1234，提示连接成功。将驱动电机接入单片机上对应引脚，注意正负之分。点击APP上控制前进功能的对应区域，观察电机是否运转正常，判断两电机的转动方向是否一致都为顺时针，观察转动速度是否相同。然后点击左转向控制区域，观察左螺旋桨是否发生反转，右螺旋桨有无受到明显影响。右转测试与左转相同。若两桨转动方向不一致，首先检查线路是否接反，若线路连接无误，则检查程序是否出现问题。直至调试成功。当运动控制功能的实现无误后，进行避障模块的调试，固定好两避障模块的位置后，在无人艇前侧适当距离放置一竖直放置，平整的障碍物，以此为基准调整避障检测距离，检测距离通过模块上的电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。要确保两个模块的检测距离一致。在完成以上功能的调试后再次检查各个器件的工作状态，最大程度上保证本设计控制系统硬件部分不出问题。检查完成后，开始对内部线路的排布进行梳理，既可以优化使用空间方便后续的检查与调试，也显得十分美观。动力系统调试与艇体封装动力系统的调试也是完成本设计的关键一步，驱动电机的放置位置，螺旋桨连轴系与艇体形成的角度大小，都会影响电机的的输出效率，进而影响无人艇行驶的速度和稳定性。本设计采用中置后驱的驱动方案，驱动电机尽可能的靠近艇主体的顶部，这样既有利于散热，也最大限度的避免艇体意外进水和渗水对电机的致命影响。此外，对两桨进行不加电的空转测试，确保其转动无异常，空转效率一致。完成调试后在两桨同位置滴入等量的润滑油，进一步提高转动效率。完成动力系统的调试后，进入到本设计的最后一步：艇体的封装与密闭。这一步的成败好坏将直接决定该无人艇能否顺利下水航行。将控制系统模块做单独防水后置于艇主体中部，此时根据整体的重量分配，将电池仓防水后置于主体前端，在两模块之间加装隔板，用于防水和结构支撑。两驱动电机则放固定在电机支架上置于中后方。内部结构排布完成后，根据实际大小在电池仓和控制仓上方开两个合适大小的天窗，方便电池的取放与后续控制系统的调试与修改。最后将两天窗闭合，用防水纤维胶带在其四周密封。对船体所有连接处用防水胶做二次密封，再用防水漆喷涂艇身，确保万无一失。下水航行测试本次遥控避障无人艇的航行试验是在河南工业大学内的莲湖中进行的。测试场地开阔，水深合适，通过实际试验验证遥控避障无人艇的遥控控制功能和避障制动功能。试验时实时记录遥控操作和无人艇运动状态。通过试验得出的无人艇运动状态结果，可视情况更换转速更快的驱动电机，以保证无人艇的有效运动控制。此外，由于测试环境是室外水域，受风浪影响较大，在试验前应记录无人艇静止状态，防止风浪影响对实验结果造成误差。结论遥控避障无人艇的设计与实现是一个较为新鲜的课题，如果说我们十分熟悉的遥控避障智能小车设计是检验单片机的学习和基础应用的一个绝佳的课题，那么本设计则在囊括对单片机应用的基本知识的考核的同时，对解决系统性综合性工程问题有着较高的要求。本设计的出发点是基于单片机实现一个能最终下水航行的无人艇，因此，所有硬件、软件、材料都在以所设计功能的最终实现与应用为目的。 从系统工程的角度出发，本设计的第二章系统性的论述了多种可供选择的无人艇艇型结构和控制系统适配艇型选择的总体方案的优劣势与最终选择。这里将本设计的整体架构确定完成，为后续的细节设计打下了基础。第三章则进入具体结构和模型的设计与制作。本章重点在于各个具体结构模块的设计与选配，并且根据实际情况对现有较为成熟的无人艇设计方案做出了因地制宜的调整。至此，本设计无人艇的结构与动力系统设计完成。 从第四章开始，进入到本设计的关键：控制系统的硬件设计。这是此