搭建自主巡航无人船硬核干货教程:自主开发，脱离Ardupilot

tanxiao

过去笔者写了几篇关于无人船偏理论的文章，但不少志同道合的友人在实际搭建无人船的时候遇到了一些小问题。这里我把纯动手的部分集中写在这里，让搭建无人船的过程像Arduino一样集成化、便捷。
首先是理论篇的姊妹文章，想要深层次了解无人船的工作原理，还请参考以下：
電波少年：从零开始的无人船制作-系统整体框架指南
電波少年：从零开始的无人船制作-姿态解算算法的选择
電波少年：从零开始的无人船制作-无人船的避障
此外，如果你只是需要一个无人船平台，也可以不去看上面的文章哦
下面就来一起搭建无人船吧！
<hr/>一：材料准备

• STM32F103ZET6：下位机，控制船体运动
  
• 树莓派，型号任意：上位机，负责高级算法实现
  
• MPU6050：惯性测量模块
  
• GPS，型号M8N（带磁罗盘的一款）
  
• 飞控的遥控器，型号任意，最好是有7-8个通道的；要带接收机（例如：天地飞）
  
• 纳雷SP70C毫米波雷达：避障用，待后续拓展。
  

二：各模块连线

图中的“IMU模块”、“无线串口”都不建议使用。直接忽视即可。



第一个要注意的点：
由于有的船使用的是普通电机，有的船使用的是电调+无刷电机，因此关于电机我们有两种连线方案，代码也相应的有两种，请按照你的实际需要选择：

• 有刷电机
  
  
  
  • 如果你使用的是普通电机，那么请注意，由于要防止两电机转速不同导致的船无法走直线的情况发生，一定要连接电机编码器，因为代码里面使用了编码器对电机进行PID控制；此外，如果你使用的是普通电机，那么是需要连接电机驱动板的。
    
  • 此外目前有刷电机版本的代码里普通电机的转向方式是舵机转向，也就是说船的尾部或头部是有一个方向舵去控制方向的，而不是靠两个浆差速去转向。
    
  
  
• 无刷电机
  
  
  
  • 如果你使用的是无刷电机，那就好办了；直接按照上图的蓝色部分连线即可，不需电机驱动板、编码器、舵机等。转向的实现方式是差速。
    
  • 无刷电机的电调通常启动的时候需要设定油门行程，需要你把遥控器遥感推到最大处，等待电调哔哔响之后才能使用。否则无论你怎么操作，电机都是不会转的哟。
    
  
  

第二个要注意的点：
应注意到我在图中的IIC部分写道“Compass与MPU6050共用总线”，原因是磁力计（Compass）与IMU6050我们采用的是IIC通信协议，为了减少STM32GPIO口的占用，我们将这两个模块连接到相同的GPIO上。
请注意，我们使用的磁力计是内置在GPS模块中的那一个，当然你也可以购买一个同款磁力计连接上去。GPS的磁力计端口见下图的SCL、SDA。


简而言之，把GPS模块的SCL、SDA分别与MPU6050的SCL、SDA，以及STM32相应的GPIO口连接到一起就可以了。所以这里你或许会需要一个面包板。

第三个要注意的点：
遥控器的型号你可以随便选，通道你也可以随便选择；但是一般习惯上我们喜欢两根摇杆分别控制两个电机，或者一根摇杆控制动力、一根摇杆控制方向。这些都可以在遥控器里设置。
下面我以WFT07、WFR07举例。




注意到我们使用了四个通道，也就是对应的遥控器的四个旋钮/摇杆。这是为什么呢？
这是因为我们要搭建的是智能船，是需要都多个模式选择的。

• 两个通道，分别控制船的方向、动力。这里我们都很清楚，在此就不再叙述了
  
• 另外还多用的其中一个通道是进行模式选择的。注意我们的无人船拥有三种模式：手动操作模式、自主巡航模式、采点模式。因此需要有一个通道进行模式选择。
  
• 第四个通道是进行电机锁定的。你不希望有熊孩子乱动一气你的遥控器，导致船翻或者自己走丢吧0v0 因此当此按钮在拧到最左边的时候，无论你用遥控器对船做什么事，它都不会启动电机；只有当这个按钮被拧到最右边的时候，船的电机才会启动，从而听从你的控制。
  

第四：其他细节

• 上面的连线表里面提到的上位机在这里我默认的是树莓派，但其实任何能跑python脚本的嵌入式linux板都可以。只不过环境配置的难度不一样。树莓派的IO口里面有两个分别是uart的TX、RX，这里需要根据你购买的树莓派型号去查看手册或者说明书。
  
• 32和树莓派最好用一个双USB口的大功率充电宝供电。。当然了，32也可以用电池直接降压来供电。主要问题是，树莓派对电源要求比较高，一般的降压模块可能无法满足，从而导致不可预测的风险。由于STM32上面接了很多传感器，因此不要用小功率降压模块/充电宝。
  
• 32和树莓派的地线GND要连在一起，这里就是稍加提醒。。别忘了；数字地与模拟地要分离。
  
• 由于磁力计和陀螺仪都是有方向的（x,y轴等），因此安装传感器时请务必把方向对应好！具体方向参考下图
  

传感器方向对应图

<hr/>三：程序烧录与调试

树莓派（上位机）端

树莓派端，请直接将此工程下载到一个你熟悉的目录下，在调试时可以输入下面语句来运行：
sudo python3 Main_Sequence.py在调试完毕后，请注意要把Main_Sequence.py文件设置为开机自启哦！！
应注意的地方：

• 应该把树莓派设置为每次开机自动连接到你的一个WIFI Hotspot上，同时开启树莓派的ssh或vnc，便于远程无线调试。总不想船上面还要插一个显示器吧？
  
• 你可以直接使用树莓派的mini Uart（在树莓派的GPIO口上直接引出的），但是别忘了修改代码里的串口端口（默认是AMA0）。如果要用mini uart，按照这篇文章的修改一下树莓派：【树莓派4B学习】十四、树莓派4B串口通信_悟已往之不谏 知来者之可追-CSDN博客
  

mini Uart端口

STM32端

对于STM32，在调试时可以先烧录进此工程文件测试。但请注意这个程序是有刷电机版哦！
有刷电机版本程序仅在新开发版中有，获取地址：无人船爱发电项目地址
1  关于电机的选择
早期是有船使用有刷电机的。大家小时候玩的四驱车就是有刷电机0v0，一般也配有电机驱动板来驱动电机。有刷电机一般用于智能小车等产品上。但是有刷电机有几个问题：一是有刷电机怕水，进水可能导致故障；二是有刷电机需要使用PID调速来保持速度的准确性。



有刷电机

而无刷电机一般来说是不怕水的，甚至你可以给它加水冷。此外，无刷电机不需要驱动板，通常是一个电调驱动一个无刷电机。因此，无刷电机经常用在无人船上。



无刷电机

2 关于GPS
本项目工程使用的GPS模块为M8N，但是在后续的测试中发现：M8N分为国产与进口两种；国产的精度略差与进口版本，但至少代码通用；然而，问题就出在GPS模块上带的磁力计模块上！通常M8N模块上会写有with compass的字样，这个compass就是磁力计，也就是无人船用来判定船头方位的模块。进口的M8N中自带的磁力计模块为HMC5883L，即霍尼韦尔公司的磁力计，应用十分广泛。然而国产的M8N有的自带的磁力计模块QMC5883，也是国产的磁力计模块！虽然名字相同，但是QMC5883的寄存器等参数均与HMC5883L不同！所以是不能套用的！
另外，磁力计在使用前一定要进行校准，否则数值十分不准确！校准方法：磁力计的校准

注：如果您在使用我的有刷电机版Github项目，则请注意其中使用的磁力计为HMC5883版本；无刷电机版本项目中有HMC5883也有QMC5883的兼容。

此外，在首次使用M8N模块的时候，有一些操作需要您做。由于这不是制作无人船的主要流程，所以这里我仅用语言描述一下您需要做的事：
首先您需要下载Ublox官方的上位机软件：U-center，需要做的是把默认波特率9600更改为115200，然后保存在GPS模块的FLASH内部。具体流程如下：

连接M8N，打开u-center选择9600波特率连接，然后打开View选项卡的Message View，下拉看到UBX一栏，如果是灰色并且前面没有一个加号的话，则等待5~10分钟，之后会出现一个加号。 点击加号选择PRT一栏，将波特率从9600更改为115200，点击左下角的SEND，之后点击右上角的叉号，此时系统询问你是否需要保存配置，选择【保存】，尤其要选择FLASH一项，然后点击SEND，此时GPS便配置完毕了。

3 关于电机
若您使用的是有刷电机，那么可能问题不大；
但若您使用的是无刷电机，在测试无人船的自主航行功能时，请务必首先将接收机直接接在电调上直接测试，来观察电机是否过猛/动力不足。如果电机动力过猛，那么这个比较好办：在遥控器上调整油门曲线，将最大油门限制为一个合适的值即可；然而如果您的电机动力不足，那么没有办法，只能更换电机。

由于STM32直接控制电机等底层设备，因此需要好好调参。大体上需要调整测试的有：船行驶时的最大速度、加速度最大值、转向灵敏度等。
注意由于船的动力学模型与无人车差别很大，有时候无人船做不到转向灵活，因此转向灵敏度要好好调整。

<hr/>如果您使用的是我的无人船项目工程，那么到了这一步，您的无人船基本已经可以工作了。
接下来，请前往无人船的使用说明手册进行进一步的参数微调以及Debug。
<hr/>

【注：
GitHub端上传的项目为2019年本项目的早期版本，可能有潜在的若干问题存在
为了更好的开发此项目，现已在爱发电平台上线
项目的最新稳定版本以及手册等其他信息可在爱发电平台查看
十分感谢您的支持

无人船爱发电项目地址
早期项目已上传至Github，可能存在问题，且项目已不在Github平台更新，因此以供参考
无人船毫米波雷达避障模块
树莓派端项目地址
STM32F103端项目地址
注：

• 下位机是STM32F1；上位机只要能运行Python脚本就可以，所以树莓派、英伟达Jetson Nano还是其他的都可以，没有什么特殊要求。
  
• 功能：
  
  
  
  • 通过遥控器即时遥控载具；
    
  • 通过Google Earth取点，发送给上位机，自动巡航；
    
  • 计点模式：使用遥控器遥控载具的同时，上位机会在后台记录下航线坐标点；开启巡航模式，则载具会自动重复之前的路线。
    
  
  
• 这套程序无人船、无人车通用。
  

15914078741

催更催更，迫不及待看下一篇[微笑]

wjt213414

Stm32的无刷电机版有吗

zpshao

有的，今天上传

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请问上位机树莓派用的是ubuntu系统还是树莓派的官方os系统？

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大佬，你做控制时使用了船舶动力学模型没有，还是直接用的PID。有什么较好的参考模型不

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Stm32的无刷电机版有吗

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麻烦看下爱发电留言

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大佬，无人船可以代做吗