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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

目前进行气象探测的手段主要有人工采集、遥控水下机器人、无人船等，在我国大部分近海海域、河流、湖泊、水库、运河等湿地地区，几乎还是采用人工手段进行气象信息的采集，如风速、风向、温度、湿度、气压等，人工采集存在颇多的弊端，对于一些环境比较恶劣的区域，探测人员存在人身安全问題甚至无法到达目的区域，另外在某些未知的区域，作业比较危险，很可能造成设备的非正常性工作甚至设备丢失，其设备成本也比较高。相比之下无人船有很多的独到之处：船体不大，方便的航行在各种水域，受外界约束较小，具有非常高的灵活性，对无人船的操作也非常的简单，同时可自动采样，造价不高等优点，无人船也将水面机器人技术、数据的网络传输与通信、计算机技术和智能传感器技术融合在一起，可最大限度的在气象探测、科研勘探、水下测绘、搜索救援、安防巡逻乃至军事应用领域发挥积极的战略性应用与意义。在发展的过程当中相比较其他智能系统而言，无人船技术最初是源于军事应用，由于无人船在水域作业中所具各的优势，目前它己经成为各国家研究的重点。

本课题需要完成基于stm32的气象探测无人船系统设计。通过对本课题的研究，应完成无人船的结构设计、控制系统和采集系统设计；结构应完成一种适用于海洋航行的无人船结构设计；控制系统应能控制无人船前进、左转和右转；采集系统应能控制无人船实时采集风向等气象数据并实时传输至上位机显示。

国内外研究现状

就目前相关领域情况来看，自2008年起，英国研究机构的科研工作者提出了一艘依靠自动导航的无人船想法后，马上开始设计与制作，并在随后的几年中进行了穿越大西洋的远航试验，那时起，该船便成为了实际意义上的第一艘无人船。随着很多发达国家对海洋资源的重视，海洋战略能力的发展成为了各国技术竞赛的目标，无人船在这场战略竞赛中扮演着重要角色，它是水上智能化前沿技术的有力证明。各类无人船迅速展开用于军或民用的研究。

2. 研究的基本内容

1、调研当前无人船结构，根据本课题的应用需求，设计一种适用于海洋航行的无人船结构。

2、理解直流无刷电机的控制原理，设计基于stm32的电机控制流程图并编写控制程序，由stm32控制无人船的动力装置和转向装置。

3、完成风速、风向、温度、湿度、气压等气象传感器的选型。

3. 实施方案、进度安排及预期效果

1、设计无人船外部结构前，应全面调研当前的各种无人船结构，根据课题要求选择适合海洋航行的结构，精心选择船体材料和设计船体的构造。首先无人船的结构应该应该具备合理的舱位，船体应有合适的孔位，用于装配探测所需的气象传感器、电源、探照灯、摄像头等，应具有采集装置以便采集水样进行检测，另外由于无人船要求在海洋航行，应注意具有防水性和耐腐蚀性抵抗海水的影响，很好的抗倾覆性防止翻船。

2、设计无人船的控制系统。

选用STM32F103VET6作为船载控制系统的核心处理模块，采用的是Cortex-M3内核，内核即CPU，由ARM公司设计。ARM公司并不生产芯片，而是出售其芯片技术授权。芯片生产厂商如ST、TI、Freescle，负责在内核之外设计部件并生产整个芯片，这些内核之外的部件被称为核外外设或片上外设。如GPIO、USART（串口）、I2C、SPI等都叫做片上外设。STM32主要完成无人船运动方向和速度以及对于传感器信息的采集等工作的控制。

STM32集成控制板通过控制无人船的两个A2212航模电机差速运转来控制无人船的航向。当STM32控制板收到岸基监控子系统传来的指令时，例如收到了左拐或者右拐的指令，STM32集成控制板并做出相关反应，输出PWM信号，PWM脉宽调制可以实现电机转速的控制，从而实现了无人船行驶方向的控制。

STM32通过PWM脉宽调制控制电子调速器来控制无刷电动机来驱动螺旋桨，为无人船提供动力。

另外，在STM32集成控制板上外扩了一个串口扩展板，以便于基于串口通信方式的传感器的外接。针对所需探测的气象要素，选择合适的风速、风向、温度、湿度、气压等传感器型号，适合在海面上测量气象数据：现已确定所用传感器分别为温度气压传感器BMP180、温湿度DHT11、风速风向传感器。学习以上传感器的驱动方式，编写基于STM32的对各气象要素的采集程序，读取并传输至上位机显示。

温湿度信息采集选用数字温湿度传感器DHT11，内部集成了专用的温湿度传感技术和数字模块采集技术，能够精确的测量温湿度数据，体积小功耗低，数据传输方式采用单总线方式，即单线制串行通信，有效传输距离超过20米，有效的应用于家电、气象站、除湿器和自动控制等诸多领域。封装形式为４针单排引脚封装。下表描述各引脚功能：

在进行电路设计过程中，传感器传输距离不超过20米时，推荐使用4.7K的上拉电阻，在实际设计中，需增加发光二极管作为指示灯，可随时的指示温湿度传感器模块的工作状态。

本套系统的气压传感器采用的是BOSCH公司BMP180型号的气压传感器。BMP180气压传感器是一款压阻式的气压传感器，主要由电阻式压力传感器、数模转换转换器、内存等模块组成。每一个BMP180气压传感器在出厂前都会进行校准，并且校准数据存储在传感器内存中，用户使用时无须进行校准。该气压传感器测量范围为3000hPa~1100hPa，数据精度达到化0.02hPa。工作电压为1.8V~3.6V，正常工作情况下电流为5μA，睡眠模式下电流为３μA。BMP180数据通信接口采用IIC通信协议。

风速传感器的感应元件是由三个风杯组成的风杯组件，在水平风力的驱动下风杯组件朝着风杯凹面后退的方向旋转，主轴在风杯组件的带动下和风杯组件一起旋转，这样，连接在主轴上的磁棒盘又跟随主轴一起旋转。磁棒盘上分布着 18 对小磁棒，小磁棒旋转到对准固定在下支座上的霍尔元件时，霍尔集成电路导通，在输出端口输出低电平，当磁棒盘继续旋转时，由于没有磁场作用在霍尔元件上，霍尔集成电路截止，输出高电平。通过信号采集卡采集出脉冲信号，信号的频率随风速的增大而线性增加。风杯组件每旋转一周，风速信号线就会输出18 个周期的脉冲信号，经过计数和换算得到实际风速值。

3、选择合适无线模块型号即NRF24.L01模块，编写基于STM32的无线传输程序，实现气象数据的实时传输；设计上位机监控画面，实时显示无人船的风速、风向等气象数据；

NRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式,工作在100mw时电流为160mA,在数据传输方面实现相对WiFi距离更远，但传输数据量不如WiFi（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TX FIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TX FIFO中数据保留以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RX FIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。

4.根据各个模块的功能，分配引脚，设计电路原理图和PCB；PCB制板，焊接调试。

4. 参考文献

[1]张树凯,刘正江,张显库等.无人船艇的发展及展望[j].世界海运,2015,38(9):29-36.

[2]金久才,张杰,邵峰等.一种海洋环境监测无人船系统及其海洋应用[j].海岸工程,2015,34(3):87-92.

[3]孟祥宝,黄家怿,谢秋波等.基于自动巡航无人驾驶船的水产养殖在线监控技术[j].农业机械学报,2015,46(3):27.