基于Arduino多功能的无人船设计与实践.pdf

155 教学实践与课程改革基于Arduino多功能的无人船设计与实践刘军杨国龙*郑子伟赵铭祺张智科（湛江幼儿师范专科学校，广东 湛江 524084）【摘 要】本研究依托广东省攀登计划项目，研发一款基于Arduino多功能的无人船，通过该研究培养职业院校学生的实践动手能力，该研究为实现对各个水域的水质进行便捷监测，研发通过App远程操控的无人船，到达指定水域进行监测后将数据发送回手机App，通过App实时显示各种数据。该无人船以Arduino为控制核心，采用摄像头监控模块进行监控并传输高清影像，同时利用数据传输模块将无人船上的数据以及采集的信息发送至用户的手机终端，利用水质检测的传感器，实现无人船水质检测。远程操控无人船到水质检测点进行检测，对收集的数据进行检测分析，再将数据分析结果发送至手机终端，实现监测的智能化、高效化，既可进一步拓展功能，也可用于海上作业、水上运输等其他水上工作。实验证明，该无人船能够实现与终端的通信连接，且到达指定地点进行检测，使检测数据在用户的终端设备上实时显示，运行效果较好，该项目具有一定的研究意义。【关键词】无人船Arduino远程操控水质监测随着第三次工业革命信息技术产业的发展以及第四次工业革命智能化产业发展的来临，无人装备制造领域取得了快速发展，其中无人机和无人汽车已经逐渐走进人们的生活，此外，无人装备制造中的无人船也在逐渐进入人们的视野，并取得了飞速发展。无人船是无人水面航行器的简称，广义的无人船是指一种可执行某类指定任务，并基于任务目的进行功能、性能设计的水面机器人；狭义的无人船则是指具有一定机动能力的水面自主、半自主、遥控搭载体。近20年来，随着信息技术、远程控制技术和人工智能的发展，无人船技术展现了前所未有的生机。美国海军水下作战中心、以色列埃尔比特系统（Elbit Systems）公司以及新加坡等相继研究出用于军事侦察、反潜和精准打击的无人船艇。民用领域上，2019年，英国SEA-KIT公司生产的“Maxlimer”号无人船在英国和比利时之间进行了首航并达到预期目标。该船长12米，可搭载2.5吨货物，其动力系统由柴油机与蓄电池共同构成。许多国家也研究出带有不同功能的无人艇，针对无人船的研发项目开始增加。国内的无人船起步相对较晚，主要从事无人船研究的单位有中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学、上海大学、上海海事大学、沈阳航天新光集团有限公司等。2008年，沈阳航天新光集团有限公司研发出“天象1号”无人船，2012年，云洲智能将无人船应用到水质监测领域；我国研发的“海巡166号”无人艇已经具备了良好的信息处理与抗风浪能力，上海大学研发的“精海系列”，搭载了我国自主研发的北斗卫星导航系统，对自主定位、跟踪、巡航与避障有了更进一步的突破。随着经济的发展，越来越多的企业追求高效率、低成本，以实现企业利润最大化；而人们在水域上的工作也越来越繁杂，设计一款中小型无人水域航行器便可以有效地满足人们的工作需求。利用Arduino开发板及各式传感器去开发多功能无人船，以实现鱼苗投放、水质监测、物资运输、水上救援等功能。让无人船代替人工去完成重复性高、周期长的工作，可以改变部分施工成本高、人力投入大的工作模式，不仅提高了工作效率，而且有效降低了工作风险1，2。1总体设计方案本项目研发一种基于Arduino的多功能无人船。在无人船实现其基本功能的基础上，加装各基金项目：2022年广东科技创新战略专项资金立项项目（项目编号：pdjh2022b1058）。156广东职业技术教育与研究2023年第3期类传感器用于获取水质情况，加装摄像头监控模块用于监控和获取高清影像，通过数据传输模块与终端用户进行通信，远程获取无人船的信息，以上所述无人船的功能结合牵引设备，该无人船同样也可用于海上救援以及水上运输3。无人船的工作过程如下：无人船到达待测水域进行水质检测，由Arduino主板处理后，通过数据传输模块（ESP8266）将数据分析结果发送至云服务器，服务器接收后再发送给用户终端，通过手机App查看，用户在地面即可看到水上的情况和水质信息，实现监测的智能化、高效化、便捷化（图1）。图1无人船工作流程待测水域浑浊度传感器Arduino主板ESP8266云服务平台手机端2无人船硬件设计本项目研发的无人船硬件主要由Arduino开发主板、驱动电机、摄像头监控模块（ESP32）、数据传输模块（ESP8266），以及多个用于配合相应工作的模块（如浑浊度检测、pH值检测等）组成（图2），图3为该无人船项目的硬件结构示意。从图中可以看到，多功能无人船通过使用手机App发出操作指示，Arduino主板接收到指令后，向驱动模块发送信号，控制无人船电机工作，对无人船的运行进行控制。利用Arduino主板上的拓展接口加装各类传感器，采集水质各种参数，将检测参数结果传送至数据传输模块，对水质进行分析后，将结果发送至云服务器，由云服务器发送到陆地上的终端；摄像头模块用于采集水上影像；GPS功能用来定位无人船的具体位置，便于远程操控以及配合摄像头模块进行水上作业4。2.1GPS模块本项目的GPS模块选用的是中科微电子ATGM336H模块（加外接天线），接线方法：将Arduino主板上的Dig7脚连接GPS模块的TXD脚，用于导航数据输出；将Arduino主板上的Dig6脚连接GPS模块的RXD脚，作用是交互命令输入，接收配置命令；GPS模块的VCC脚连接Arduino主板?图2无人船项目的整体设计157 教学实践与课程改革上的电源输出；GPS模块的GND脚连接Arduino主板的任意GND脚，GPS模块的PPS脚是秒脉冲输出，这里可以暂时不用接线，然后为GPS模块接上天线，将天线布置于船甲板上，做好固定及防水处理5。如图3所示，GPS模块通过接口连接到Arduino UNO主板上，GPS模块将获取的位置信息发送到Arduino UNO主板，主板处理后，将数据进行传输，信息被上传到云服务器。2.2数据传输模块本项目的数据传输模块目前选用的是ESP8266 Wi-Fi模块，所述开发板（Arduino主板）的Dig12脚与ESP8266 CH340 Wi-Fi模块的RX脚相连，用于Arduino UNO主板将数据发送至ESP8266模块，所述开发板的Dig13脚与ESP8266 CH340 Wi-Fi模块的TX脚相连，用于将ESP8266接收的信息返回到开发板；所述的开发板的“3.3V”“GND”脚 分 别 与 E S P 8 2 6 6 C H 3 4 0 Wi-F i 模 块 的“VCC”“GND”相连进行供电。由于无人船多数情况工作在水平面上，接收范围辽阔、无障碍，通过提供一个5G/4G热点网络为其连接，可以实现在中长距离的水面进行数据传输，并且由于Wi-Fi信号对外360散射，可以同时为多艘无人船提供网络信号，提升工作效率，拓宽工作范围；相较于直接在船上布置LTE网络模块，Wi-Fi的优势在于：传输数据量大，功耗较低，数据传输稳定，可以进一步降低整船工作功耗，提升宝贵的续航里程，无须另外购买SIM卡，节省了一部分费用，而当距离超过Wi-Fi信号范围时，则选用移动数据模块代替Wi-Fi模块进行远程传输，扩大工作范围，使无人船能深入更加复杂的环境工作6。Arduino UNO主板对采集的数据进行处理，将数据发送到ESP8266 CH340 Wi-Fi模块，ESP8266 CH340 Wi-Fi模块将数据发出。在接收数据时，通过ESP8266 CH340 Wi-Fi模块接收相关的数据，再传送到Arduino UNO主板进行数据处理。图4为ESP8266 Wi-Fi引脚。MTMSMTDIMTCKMTDOGPIO2GPIO0GPIO4VDDPSTEXT_RSTBRES12KVDDDXTAL_INXTAL_OUTU0_TXDU0_RXDVDDAVDDALNAVDD3P3VDD_RTCTOUTCHIP_ENXPDVDD3P3GPIO5SD_D1SD_CLKSD_CMDSD_D3SD_D2VDD_PSTSD_D0GND323129282726253091012131415161124232120191817221245678333图4ESP8266 Wi-Fi引脚2.3电机驱动模块本项目的电机驱动器采用5A双路直流电机驱动模块，型号为L298N5AD，选用的两个电机作为无人船左右推进器，控制无人船的工作状态。具体连接方式如下，首先，主板的Dig3脚与L298N5AD的D0脚相连，主板的Dig4脚与L298N5AD的D1脚相连，用于控制驱动电机1的工作状态。其次，主板的Dig5脚与L298N5AD的D2脚相连，主板的Dig9脚与L298N5AD的D3脚相连，用于控制驱动电机2的工作状态。最后，主板的GND脚与L298N5AD的GND脚相连，完成电路的正常供电。当Arduino UNO主板接收到终端传来的工作指令后，向L298N5AD模块发送信号，通过L298N5AD模块直接控制电机，主控芯片的I/O输入对其控制电平进行设定，就可为电机进行正转反转驱动，无人船上装有两个电机，通过两个电机之间的转速差实现转向，操作简单且稳定性好。图5为L298N的电机驱动直流电机原理示意。2.4供电模块本项目的供电模块采用了6节18650锂电池组成的电池组，电池容量为13 200 mAh，采用智能图3无人船硬件结构数据传输供电模块驱动模块Arduino UNO摄像头模块传感器模块158广东职业技术教育与研究2023年第3期保护，将电池的排线接入Arduino UNO主板即可使用，在目前的工况下，关闭摄像头的实时显示，无人船的续航超过1小时，可以满足大部分的工作条件。2.5摄像头模块本项目的摄像头模块使用Ai-Thinker的ESP32摄像头开发板，摄像头型号为OV2640，将OV2640摄像头接入ESP32开发板上的FPC接口，完成整个模块的组装。将Arduino UNO主板的RX脚连接ESP32摄像头开发板的U0T脚，接着将Arduino UNO主板的TX脚连接ESP32摄像头开发板的U0R脚，Arduino UNO主板的5V脚连接ESP32摄像头开发板的5V脚，确保整个模块稳定工作，Arduino UNO主板的任意GND脚连接ESP32摄像头开发板的GND脚，摄像头的电路接线工作完成7。2.6传感器模块为实现无人船的检测功能，本项目使用了多种类型的传感器，其中包括型号为TS-30的浊度传感器、型号为18B20的温度传感器，以及TDS传感器等，由于传感器都是通过接口与Arduino UNO主板相连接的，可以根据实际要测试的水质信息选择相应的传感器，无须将所有传感器都装置在船上，使用时仅需将要用到传感器的信号引脚与Arduino UNO主板的ANALOG IN任意脚连接，传感器的正极与Arduino UNO主板的VCC连接，传感器的负极与Arduino UNO主板的GND连接即可，图6为监测传感器之一的浊度传感器的原理示意8。10KVCCINGNDVCCOUTGND图6浊度传感器原理根据工作场景需要，将相应的传感器通过杜邦线接入Arduino UNO主板即可，相应传感器采集到数据后，先将数据发送给主板，主板将数据进行汇总，通过ESP8266发送给云服务器，云服务器再发送至用户终端，用户在手机上即可查看。2.7船体设计本项目的无人船为一艘中小型船艇，流线型的船身设计优势在于降低行驶阻力，提高续航能力，采用双高速电机加双螺旋桨的动力组合，最高速度可达15米/秒，为了保护内部组件，确保其正常工作，船体做了双层防水设计，船体内部采用防水层，在甲板与船艇之间也加装船舱密封层，防止水进入船体。船体使用美化涂层，对其外观进行修饰，同时提高了无人船在水中的辨识度，方便工作人员在无人船工作时快速确定其位置9。3无人船软件层设计3.1终端应用程序设计应用程序采用图形化编程软件进行设计，该软件的优势在于，编写难度低，仅需较短时间学习如何操作，即可进行程序开发，适合在较短时D1D2D3D4D5D6D7D8GNDGNDGNDGNDGNDC1100uFC20.1uFC4100uF+5V+12VPart1Part2Part3Part4MMVSSVSOUT1OUT2OUT3OUT4ISENISENIN1IN2IN3IN4EN AEN BGNDL298NMotorMotorBAC50.1uF571012611811514133249U1D1-D8=11EQS06A PWMB PWM图5L298N的电机驱动直流电机原理159 教学实践与课程改革间内根据自己的需求制作一个应用程序，同时可以自主设计用户界面，后期也方便重新修改。至于在终端上显示位置的功能，则是通过接入百度地图的API来实现远程获取无人船位置，借助百度地图的优势，可以更加清晰方便地展示目标周围的环境，更直观地反映水环境信息。无人船软件程序结构如图7所示。传感器数据摄像头画面历史数据地图数据设置页面画面传输App图7无人船软件程序结构3.2终端控制和监测系统设计本项目设计的无人船通过用户终端操控无人船开展监测工作，将软件和硬件相结合，首先将Arduino UNO主板连接计算机，使用软件Arduino 1.88，将程序写入主板，同样将ESP8266连接计算机，使用软件Download Tool V3.8.5，选择好型号后，通过串口连接下载至ESP8266数据传输模块，完成对两块板的程序写入。利用手机App进行控制，使用图形化编程软件制作，代码的组成部分与Arduino UNO主板的代码相对应。目前App界面包括无人船基本的航行方向操作，获取传感器数据等，摄像头画面部分在电脑端的网页上显示，利用ESP32-CAM联网之后给出了IP，用网页登录局域网IP得到相机设置页面10。4无人船运行与调试4.1静态调试为保证测试的安全性，在整个无人船进入实际应用之前，需要预先在实验室进行船体密封性测试，验证电机、ESP8266 Wi-Fi、各类传感器模块在水上是否正常工作，主要检查各模块供电电压是否正常，数据传输是否稳定，传感器准确度是否符合预期。测试完成后，先在实验室的水池中进行水下测试，之后重复测试，再次检查各模块情况，确认船体密封性无误后，即可进行实际水域应用。4.2实际水域测试选择某处河域进行下水实验，测试的河流带有一定流速，符合无人船之后的实际应用场景。无人船在进行实际水域测试应用后，没有出现异常现象，因此，该船体密封性良好，没有出现因渗水而影响各模块正常工作的情况，同时，Wi-Fi在水平面上的信号稳定，即使无人船开出岸边较远的距离，数据也能正常传输，在到达指定地点后进行检测，终端设备上能够实时显示各类数据。大容量的动力电池为无人船的长时间工作提供了能源保障，在进行各种模拟实际测试后，电机没有出现动力衰减的现象，各模块没有出现因供电不足导致不能工作的问题，实测续航表现也令人满意，无人船的各项指标符合预期效果。4.3测试结果无人船测试时天气晴，风力34级，水域有阳光照射，无人船下水后，操作者通过手机App操控其前进、左转30、右转40、后退，无人船均能配合指令准确做出反馈，反应灵敏，速度上受风力影响较小。在到达指定地点开展水质监测工作时，终端设备上能看到水质参数不断变化，数值符合当时场景下的情况，以此证明其模块工作正常。在保证测试准确性的前提下，兼顾续航表现，无人船的数值每3秒更新1次，并且每次到达指定监测点后，先短暂静止，然后开始测试，选取水域周围的6处监测点，进行人工取样测试，对比无人船的水质测试结果。经多次比对，两者测试结果接近，无人船相较人工取样，数值上波动较大，但波动范围控制在正常要求之内，考虑到周围风速、水流、水密度、太阳直接照射等环境因素影响，实际误差可能会更小，传感器精准度达到正常测试标准。5结语本项目研究一种基于Arduino研发的多功能无人船，借助无人船体积小、集成度高、工作灵（下转第188页）188广东职业技术教育与研究2023年第3期城轨相关设施设备为乘客提供高质量服务的高素质应用型人才，本专业要想真正实现教学改革，切不可用“闭门造车”的形式去进行专业教学，需要加强校企协作，深化产教融合，创新强企业参与的教学理念，使用丰富教学内容、优化教学模式、健全实训基地、加强双师型队伍建设等多种方式增强教师的实践教学水平，强化学生的学习内驱力，提升学生的学习能力，培养满足社会现代化发展需求的人才。参考文献1 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