無人巡航小船的研發(fā)

無人巡航小船的研發(fā)汽無人巡航小船的研發(fā)汽無人巡航小船的研發(fā)摘要近年來南海局勢(shì)緊張，有一些國(guó)家蓄意引起我國(guó)與相鄰國(guó)家間關(guān)于領(lǐng)土問題的矛盾，給了他國(guó)侵犯我國(guó)主權(quán)的機(jī)會(huì)。為保護(hù)我國(guó)領(lǐng)土完整，需要對(duì)有危險(xiǎn)的島礁進(jìn)行24小時(shí)巡航保衛(wèi)。從功能性、實(shí)用性和安全性等各個(gè)方面綜合考慮，相較于傳統(tǒng)載人巡航船，無人船擁有著極大的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在未來的科考、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及其他民用方面，無人船都有發(fā)展?jié)摿Γ浅＞哂醒邪l(fā)意義。本文就是在這樣的背景下，首先介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)于無人船的研究現(xiàn)狀、路徑規(guī)劃的算法，然后介紹了常用的測(cè)距方案以及超聲波的一些基本特性，接著結(jié)合現(xiàn)實(shí)手段及實(shí)際需求設(shè)計(jì)了一款基于STM32單片機(jī)和HC-SR04超聲波傳感器的無人巡航小船。它能夠在檢測(cè)到船體前方存在障礙物后計(jì)算出障礙物的距離，再判斷是否轉(zhuǎn)向，從而規(guī)避障礙物。最后通過模擬測(cè)試，發(fā)現(xiàn)此無人巡航小船系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)在水平正方向20cm-400cm的距離較準(zhǔn)確測(cè)距。關(guān)鍵詞：無人船，測(cè)距，STM32單片機(jī)，超聲波傳感器注：本設(shè)計(jì)（論文）題目來源于教師的國(guó)家級(jí)（或部級(jí)、省級(jí)、廳級(jí)、市級(jí)、校級(jí)、企業(yè)）科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為：。

AbstractInrecentfewyears,tensionshaverisenintheSouthChinaSea.Somecountriesdeliberatelycausedconflictsbetweenourcountryandneighboringcountriesonterritorialissues,givingothercountriestheopportunitytoviolateoursovereignty.Inordertoprotectourterritorialintegrity,itisnecessarytocarryout24-hourcruisedefenseondangerousislandsandreefs.Consideringallaspectsoffunctionality,practicalityandsafety,unmannedvesselshavegreatadvantagescomparedtotraditionalmannedcruiseships.Atthesametime,unmannedvesselshavepotentialfordevelopmentinfuturescientificresearch,environmentalmonitoringandothercivilianapplications,andareofgreatresearchanddevelopmentsignificance.Inthispresentsituation,thispaperbeginsbyintroducingtheresearchstatusoftheunmannedshipathomeandabroad,thepathplanningalgorithm,andthenintroducesthecommonlyusedrangingschemeandsomebasiccharacteristicsoftheultrasonic,andthendesignswiththeactualmeansandactualneeds.AnunmannedcruiseboatbasedonSTM32microcontrollerandHC-SR04ultrasonicsensor.Itcancalculatethedistanceoftheobstacleafterdetectingthepresenceofobstaclesinfrontofthehull,andthenjudgewhethertoturn,thusavoidingobstacles.Finally,throughthesimulationtest,itisfoundthattheunmannedcruiseboatsystemcanachieveamoreaccuratedistancemeasurementinthehorizontalpositivedirectionof20cm-400cm.Keywords:Unmannedship,Distancemeasurement,STM32microcontroller,Ultrasonicsensor

目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 緒論1.1題目的背景和目的近年來南海局勢(shì)緊張，有一些國(guó)家蓄意挑起領(lǐng)土爭(zhēng)端，侵占我國(guó)島礁。為保護(hù)我國(guó)領(lǐng)土完整，需要對(duì)有危險(xiǎn)的島礁進(jìn)行24小時(shí)巡航保衛(wèi)。首先，由于軍用艦船航行時(shí)大多處于極度惡劣的海洋環(huán)境，船員的人身安全很難得到保障，用無人巡航船可以在很大程度上減少船員的傷亡。其次，軍用艦艇大多在偏僻的航道上執(zhí)行任務(wù)，繁忙的主航道上主要是商用船，發(fā)展無人巡航船不會(huì)對(duì)其他船的航行造成很大影響。軍用巡航船基本上只是作為主船的功能型附屬艇，用來執(zhí)行特定的巡航任務(wù)，往往體型較小，功能不會(huì)太過復(fù)雜，適用于發(fā)展成無人艇[1]。與載人巡航船相比，無人巡航船具有許多特點(diǎn)，如機(jī)動(dòng)性好、不易被偵測(cè)、巡航范圍大、使用成本低。在如今，無人巡航船主要被應(yīng)用于收集海事情報(bào)、監(jiān)視與偵察、排查危險(xiǎn)品等軍事任務(wù)。在將來，隨著電子技術(shù)的不竭進(jìn)步，以及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無人巡航船將擁有更多先進(jìn)的能力[2]。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)所制作的無人巡航小船是軍用無人艇的低維度的實(shí)驗(yàn)與嘗試，研發(fā)過程包含了我們?cè)趯W(xué)校學(xué)習(xí)和企業(yè)要用到的相當(dāng)一部分的知識(shí)，包含了我們?cè)趯W(xué)校學(xué)習(xí)的單片機(jī)課程，傳感器課程，電子電路CAD課程等。同時(shí)需要滿足無人艇在航行過程中的平衡性要求，因此在性能外觀等方面必須要有非常高的標(biāo)準(zhǔn)，而這一部分東西就是我們?cè)谄髽I(yè)所了解和學(xué)習(xí)的。并且無人艇在未來的科考、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面都有發(fā)展?jié)摿?，很具有研發(fā)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況1、無人船自動(dòng)化程度不斷提升相對(duì)于其他種類的無人設(shè)備（如無人汽車、無人飛行器）來說，無人巡航船的研發(fā)現(xiàn)狀相對(duì)滯后。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，其自動(dòng)化程度正處于顯著提升的狀態(tài)。自動(dòng)化的程度越高，則意味著無人系統(tǒng)越為先進(jìn)。根據(jù)自動(dòng)化程度，無人水面艇可分為遙控型、較為先進(jìn)的半自動(dòng)型和最為先進(jìn)的全自動(dòng)型。目前，大多數(shù)的無人巡航船都是半自主型的，這是由于目前的智能化程度還不夠高，不足以實(shí)現(xiàn)全自主型的控制方式。但未來無人船的發(fā)展仍然將以全自主型的無人船作為理想指標(biāo)。現(xiàn)代的無人船都是將其功能細(xì)分成一個(gè)個(gè)小的模塊，如自動(dòng)駕駛模塊、雷達(dá)探測(cè)模塊等。對(duì)于特殊用途的無人船，如軍用無人船，還會(huì)配備有一些特殊的任務(wù)模塊，比如遙控武器站、非致命性驅(qū)離武器、衛(wèi)星通信模塊等等。這也體現(xiàn)了如今智能設(shè)備發(fā)展的多功能化的趨勢(shì)。與此同時(shí)其各個(gè)模塊的智能化程度也在不斷提升。在很多年之前，無人船就可以實(shí)現(xiàn)遙控，而在如今，隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，這種遙控的方式被逐漸淘汰，無人船已經(jīng)初步具備了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航以及路徑規(guī)劃的能力，也可以實(shí)現(xiàn)自主執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)。在未來，無人船將能夠具備協(xié)同解決復(fù)雜任務(wù)的能力，例如軍事行動(dòng)中的自主作戰(zhàn)等。可以預(yù)見的是，在不久的將來，海洋上的許多復(fù)雜的勘探活動(dòng)以及危險(xiǎn)的作戰(zhàn)任務(wù)都不需要人類親自執(zhí)行，各式各樣的無人船將會(huì)代替人類來執(zhí)行這些任務(wù)。多功能無人船的發(fā)展受各國(guó)關(guān)注如今，美國(guó)、歐洲各國(guó)、日本、以色列等各個(gè)國(guó)家都開展了無人船的研發(fā)，其中美、以有數(shù)十年的相關(guān)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)將部分種類的無人船運(yùn)用到軍用領(lǐng)域，例如美國(guó)2002年開始發(fā)展的“SpartaScout”和以色列2006年裝備的“Protector”，其電子系統(tǒng)和任務(wù)載荷具有顯著的代表性。另外，英、加、法、德、意、日等國(guó)家雖然也有數(shù)年的無人船研究經(jīng)驗(yàn)，但尚未形成清晰的發(fā)展思路，仍處于探索階段。國(guó)內(nèi)無人船研究起步較晚，但受益于國(guó)家的大力支持，得到了非常高效率的發(fā)展。2008年的“天象壹號(hào)”無人水面艇在北京奧運(yùn)會(huì)期間為帆船比賽提供氣象保障監(jiān)測(cè)，是國(guó)內(nèi)第一艘工程應(yīng)用的無人水面艇。其電子系統(tǒng)具有海上無人探測(cè)平臺(tái)和地面控制系統(tǒng)兩個(gè)組成部分，集成有雷達(dá)搜索、衛(wèi)星應(yīng)用、智能駕駛、圖象處理與傳輸?shù)仍O(shè)備?！熬Ｌ?hào)”是我國(guó)首艘水面無人測(cè)量艇，它同時(shí)具備了遙控航行與自主航行的能力，以及路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、自動(dòng)避障的功能。與此同時(shí)它還實(shí)現(xiàn)了海洋多目標(biāo)探測(cè)的功能，如：聲吶測(cè)深、流速流向測(cè)量等，并最終于2013年投入使用[3]。3、無人船關(guān)鍵技術(shù)尚存進(jìn)步空間目前的無人船研發(fā)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，種類繁雜，規(guī)格多樣，無法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、協(xié)同協(xié)作，不符合無人船未來的發(fā)展趨勢(shì)。動(dòng)力系統(tǒng)與通信技術(shù)可以參考現(xiàn)有的載人船技術(shù)，而船型技術(shù)、投放回撤技術(shù)、武器發(fā)射技術(shù)、自主航行技術(shù)等都尚且存在著很大的提高完善的余地，需要繼續(xù)投入研究資源[4]。(1)船型技術(shù)無人船的穩(wěn)定性可以通過大力發(fā)展船型技術(shù)來實(shí)現(xiàn)有效的改進(jìn)。其他國(guó)家的海軍主要采用了Semi-submersible,Conventionaltaxiing,Semi-sliding,Hydrofoil等船型作為軍用無人船。這四種船型都各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中Conventionaltaxiing和Semi-sliding兩種船型是如今的主要發(fā)展方向。Semi-submersible用中文來說就是半潛式，它的大部分船體在水下，這種設(shè)計(jì)使得它航行時(shí)阻力較小。Conventionaltaxiing（常規(guī)滑行無人船）綜合性能好，但穩(wěn)定性較差，因?yàn)槠渑d波阻力容易受到船上負(fù)載分布的影響。其余兩種船型綜合性能好，但需要較高的制造成本。(2)投放回撤技術(shù)目前存在的無人船基本上是利用了母艦上的工具設(shè)備，如坡道、吊架等來實(shí)現(xiàn)布放和回收，這些工具設(shè)備都需要人類來進(jìn)行操作，效率不高的同時(shí)還存在著較高的風(fēng)險(xiǎn)。(3)武器發(fā)射控制技術(shù)無人船最大的用武之地還是在軍用方面，為執(zhí)行多種水面或水下任務(wù)，無人船應(yīng)該能夠攜帶和投送武器。然而由于海上環(huán)境的惡劣與難以預(yù)測(cè)、海況難以控制，無人船很難在各種不同的情況下都能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)得將武器投送到目標(biāo)位置。自主航行技術(shù)自主航行技術(shù)是無人船的重中之重，發(fā)展這一技術(shù)，能使得無人船能夠長(zhǎng)期獨(dú)立執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)的任務(wù)，使得無人船可以應(yīng)用到更多情形和領(lǐng)域中去，也可以提高多個(gè)無人船協(xié)同作業(yè)的能力。目前，無人船的自動(dòng)化、智能化程度仍然處于非常有限的層次，想要順利完成制定的工作，依然是建立在操控人員之間的合作的基礎(chǔ)上的，這是因?yàn)榧夹g(shù)水平暫時(shí)還沒有達(dá)到一定的高度，事先編寫好的程序很難適應(yīng)外界環(huán)境的變化，尤其是在環(huán)境情況變化非常復(fù)雜且不規(guī)律的大海上。在未來，科研人員們面臨的核心挑戰(zhàn)是發(fā)展具備自適應(yīng)能力的無人船，并且實(shí)現(xiàn)不同單獨(dú)船體之間協(xié)同合作完成作業(yè)任務(wù)[5]。目前無人船的自主航行功能已經(jīng)得到了一定程度的發(fā)展，PID算法被運(yùn)用到其中。但是在船只的實(shí)際航行過程中，大多數(shù)情況下要求船只的航行方向穩(wěn)定、偏移盡量少、調(diào)整航向的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)過大的超調(diào)現(xiàn)象，這樣才能更好的保護(hù)舵機(jī)，延長(zhǎng)無人船的使用壽命。而此時(shí)傳統(tǒng)的PID控制器就顯得不合理，存在算法上的缺陷，容易導(dǎo)致超調(diào)現(xiàn)象。產(chǎn)生這種缺陷的原因在于：自變量在過程中可以躍變，但是因變量的變化不可能隨之躍變，PID算法的實(shí)質(zhì)是強(qiáng)行讓因變量跟隨自變量的變化，這樣會(huì)造成很大的誤差。對(duì)PID算法的改進(jìn)提升就顯得尤為重要。來自布魯克林理工大學(xué)電氣和計(jì)算機(jī)工程系的P.Krishnamurthy、F.Khorrami和TLNg提出了一種分層方法，設(shè)計(jì)了完全自主的無人海面車輛（USSV）的路徑規(guī)劃和避障的分層系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)無人船的自主航行。他們所提出的系統(tǒng)由三個(gè)主要部分組成：基于A*圖搜索算法的廣域規(guī)劃器、基于低資源路徑規(guī)劃和避障算法GODZILA的局域規(guī)劃器、以及內(nèi)環(huán)非線性跟蹤控制律。他們使用高精度實(shí)時(shí)六自由度（DOF）硬件在環(huán)（HITL）仿真平臺(tái)，通過仿真演示了所提出的方法的性能[6]。4、超聲波測(cè)距技術(shù)的研究現(xiàn)狀傳感器技術(shù)飛速發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)也就被越來越多的應(yīng)用到日常工作生活中。在一些特殊的工作場(chǎng)合，比如有毒、有霧等不適合人為進(jìn)行操作的場(chǎng)合就要用到有關(guān)的傳感器進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。超聲波測(cè)距具有許多優(yōu)勢(shì)，如：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、占用空間不大、不需要與被測(cè)物體接觸等。在液面測(cè)量方面，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法檢測(cè)那些具有腐蝕性或者易揮發(fā)的液態(tài)物體會(huì)有許多不便，即使是測(cè)量普通物體的距離也可能會(huì)有很大的隨機(jī)偏差，所以超聲波測(cè)距在許多場(chǎng)合都顯示出極大的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)器人領(lǐng)域，機(jī)器人要移動(dòng)，則需要傳感器探測(cè)周邊環(huán)境，從而引導(dǎo)它躲避障礙物，雖然現(xiàn)在機(jī)器人視覺識(shí)別研究成果顯著，但在一些特殊的場(chǎng)合，超聲波測(cè)距卻不能缺少。在人們?nèi)粘３鲂蟹矫?，超聲波測(cè)距也發(fā)揮著巨大的作用，隨著現(xiàn)在人民生活不斷改善，汽車早已進(jìn)入了普通百姓的家中，但伴隨出現(xiàn)的問題就是交通事故頻發(fā)，其中引起事故原因最多的就是駕駛者倒車時(shí)視覺有盲區(qū)，這時(shí)候配備倒車?yán)走_(dá)就顯得十分必要，其本質(zhì)也是超聲波測(cè)距。與此同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)也被運(yùn)用到了生產(chǎn)當(dāng)中。例如漁民通過向水下不同方向發(fā)射超聲波，當(dāng)有魚群出現(xiàn)在附近時(shí)，根據(jù)超聲波返回的信息就可以知道魚群的大致方位。超聲波測(cè)距在物位測(cè)量，輪船測(cè)礁石等方面也有應(yīng)用。既然超聲波測(cè)距應(yīng)用如此廣泛，對(duì)它的研究也就很有必要。對(duì)超聲波最早的研究是1876年Galton的氣哨實(shí)驗(yàn)，這是人類首次有效產(chǎn)生高頻聲波，達(dá)到了30000Hz[7]。第一次世界大戰(zhàn)的時(shí)候，由于通訊的需要，第一次進(jìn)行了對(duì)較低頻率超聲波的發(fā)射與接收實(shí)驗(yàn)。而到了二十世紀(jì)三十年代末，超聲波已經(jīng)可以被用來檢測(cè)固體特性。1934年，第一部超聲探傷的著作由前蘇聯(lián)的Sokoov發(fā)布。到了六十年代，新技術(shù)新材料不斷出現(xiàn)，隨著對(duì)微波傳播的研究不斷深入，超聲波也開始在通信和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。在我國(guó)，對(duì)于超聲波的研究開始與五六十年代，幾十年過去了，對(duì)于超聲波某些方面的研宄，我國(guó)已經(jīng)走在了世界的前列。李茂山闡述了超聲波的基本原理，文中還敘述了影響超聲波測(cè)量的因素，他設(shè)計(jì)了一款超聲波測(cè)距儀并最后進(jìn)行了簡(jiǎn)單的誤差分析[8]。李鳴華等利用單片機(jī)研制了超聲波料位測(cè)量系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的軟硬件設(shè)計(jì)。采用延遲接收回波信號(hào)的手段，處理超聲波傳感器的拖尾問題。使用溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，根據(jù)溫度和聲速對(duì)應(yīng)關(guān)系的公式計(jì)算出了多組數(shù)據(jù)并制作成對(duì)照表，然后通過在軟件中使用查表法，使單片機(jī)能夠根據(jù)溫度的變化用表中相應(yīng)的速度進(jìn)行計(jì)算，以此平衡掉外界環(huán)境的溫度變化對(duì)于聲速的影響[9]。山東科技大學(xué)的王紅梅在文獻(xiàn)[10]中采用多次測(cè)量求平均值的方法來測(cè)距，從而避免了因?yàn)槟撤N原因出現(xiàn)較大的誤差?？傊?，相關(guān)的設(shè)計(jì)有很多，主要包括提高測(cè)量精度或者提高超聲波測(cè)量距離兩個(gè)方面。1.3本論文的研究?jī)?nèi)容本次畢業(yè)設(shè)計(jì)需要根據(jù)無人巡航小船的功能需求，自主選擇方案、設(shè)計(jì)電路、編寫程序并最終制作出小船實(shí)物，使得該小船可以實(shí)現(xiàn)通過超聲波傳感器測(cè)量船體到障礙物間的距離，并做出避讓操作。本文重點(diǎn)研究超聲波測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方法，分析測(cè)距實(shí)驗(yàn)誤差并提出改進(jìn)的方法。

2硬件電路設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)方案論證2.1.1主控單元方案比較與選擇一、采用51單片機(jī)。最具有代表性的8位單片機(jī)就是51單片機(jī)。它擁有著很多優(yōu)勢(shì)，如：以位為處理對(duì)象，且能進(jìn)行位的邏輯運(yùn)算；擁有乘法和除法指令，不必再調(diào)用一段子程序，簡(jiǎn)化了編程。得以被運(yùn)用在廣泛的領(lǐng)域。它也有不可忽視的劣勢(shì)：高電平時(shí)I/O無輸出能力、運(yùn)算速度相對(duì)慢等。二、采用STM32單片機(jī)。STM32系列單片機(jī)雖然價(jià)格高出51單片機(jī)，但性能更為突出，不僅降低了功耗，集成度也得到了提高。如今嵌入式系統(tǒng)的多個(gè)領(lǐng)域，如：微控制領(lǐng)域、工業(yè)控制領(lǐng)域等不斷發(fā)展、方案的性價(jià)比不斷提升，都要部分得益于STM32單片機(jī)的出現(xiàn)。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，STM32單片機(jī)更符合本設(shè)計(jì)要求，因此采用STM32單片機(jī)。2.1.2避障單元方案比較與選擇一、采用超聲波傳感器測(cè)距。超聲波為?≥20KHz的聲波，這個(gè)頻率范圍的聲波具有很好的指向性，穿透力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性較好，所以在環(huán)境惡劣條件下有很廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距傳感器具有成本較低、結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但超聲波測(cè)距容易受周邊環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，并且由于在空氣中衰減較厲害，所以測(cè)量距離十分有限，適合短距離測(cè)量。二、采用紅外線傳感器測(cè)距。紅外線傳感器雖然成本相對(duì)來說比較低，但受環(huán)境影響較大，另外探測(cè)距離也是很短的，所以使用并不是很廣泛。三、激光測(cè)距。激光測(cè)距響應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，但成本較高，而且在下雨天、霧天等環(huán)境下測(cè)量影響較大。四、毫米波測(cè)距。毫米波是電磁波，測(cè)距原理和超聲波測(cè)距類似。毫米波相對(duì)來說受環(huán)境因素影響不大，作用距離較遠(yuǎn)，但成本較高，電路結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜。我國(guó)在毫米波方面的研究與世界相比處于嚴(yán)重落后的局面，且主要集中在軍工企業(yè)，民營(yíng)方面研究較薄弱，國(guó)外在毫米波方面有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，而我們沒有。在無人駕駛研究方面，毫米波雷達(dá)會(huì)有大用處，因此我國(guó)應(yīng)該加大在這方面的研究力度。通過上面的分析可知，激光測(cè)距與毫米波測(cè)距成本較高，并且實(shí)現(xiàn)難度有點(diǎn)大，一般應(yīng)用在預(yù)算較高的情況下。紅外傳感器雖然價(jià)格低，但受環(huán)境等因素影響較大，因此也不考慮。所以本文的的測(cè)距采用方案一，是用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的。2.1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇一、采用L298NL298N為雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，能夠在同一時(shí)間調(diào)動(dòng)兩個(gè)二相或者一個(gè)四相的步進(jìn)電機(jī)。它的內(nèi)部有兩個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，用來接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，能夠調(diào)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓。它還具有識(shí)別IO端口傳來的模擬信號(hào)的功能，但I(xiàn)O端口在無人巡航小船中較為少見，不過這一芯片的優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低廉。二、采用LG9110LG9110這種電路驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)電路的集成度更高，將各個(gè)電路集中在一個(gè)芯片上，能夠減少外部元件比例，減少造價(jià)。另外這種芯片有兩個(gè)通道可以進(jìn)行輸入，且兩個(gè)輸出端都能保持750-800mA較大電流通過，峰值電流能力可達(dá)1.5-2.0A，從而保證了驅(qū)動(dòng)能力，提供更高的工作效率。因此，這種芯片作為集成電路器件已經(jīng)普遍被用在玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及開關(guān)功率管等電路上。三、使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路這種方法成本非常低，普遍應(yīng)用于規(guī)?；鳂I(yè)中，但它有一個(gè)缺點(diǎn)，即H橋電路的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)不能保持穩(wěn)定，發(fā)生硬件問題的幾率比較大，因此不選用這種方法。綜上所述：經(jīng)過對(duì)上面三種驅(qū)動(dòng)芯片的比較，我們發(fā)現(xiàn)第二種芯片不論是在驅(qū)動(dòng)能力上、造價(jià)上，還是使用的難易程度上都表現(xiàn)較為優(yōu)秀，因此決定使用第二種芯片LG9110。2.2硬件電路的設(shè)計(jì)2.2.1單片機(jī)控制模塊典型的最小系統(tǒng)由微控制器芯片、供電電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、啟動(dòng)配置電路和程序下載電路構(gòu)成。有了以上幾個(gè)部分，單片機(jī)就能夠正常工作。STM32F103ZET6是一個(gè)低功耗，高性能的ARM32位單片機(jī)，其最小系統(tǒng)如圖2.1所示。其內(nèi)部含有512k字節(jié)在系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，集成了通用32位中央處理器，功能強(qiáng)大、便于運(yùn)用在多種復(fù)雜的情形下。本模塊采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心處理器。單片機(jī)控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號(hào)I/O口組成。利用STM32F103ZET6的I/O端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷監(jiān)控來控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映。圖2.1STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)2.2.2時(shí)鐘電路單片機(jī)可通過內(nèi)部和外部?jī)煞N途徑產(chǎn)生時(shí)鐘。在STM32中有高速內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)、高速外部時(shí)鐘信號(hào)、低速外部時(shí)鐘信號(hào)、低速內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)、鎖相環(huán)倍頻輸出共五個(gè)時(shí)鐘源。1、高速內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)（HSI，8MHz）。該時(shí)鐘信號(hào)是由內(nèi)部RC振蕩器產(chǎn)生，并且可被直接用做系統(tǒng)時(shí)鐘，如圖2.2為STM32F103ZET6的8MHz晶振電路。同時(shí)，它也可以經(jīng)過2分頻后作為PLL的輸入。圖2.2STM32F103ZET6的8MHz晶振電路2、高速外部時(shí)鐘信號(hào)（HSE，4-25MHz）?？梢杂蒓SC_IN直接輸入外部時(shí)鐘信號(hào)，也可以使用外部晶振。這種方式產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)的頻率相對(duì)于HSI來說更加精確，但啟動(dòng)時(shí)間會(huì)較長(zhǎng)。3、低速外部時(shí)鐘信號(hào)（LES，32.768KHz）。如圖2.3所示為STM32F103ZET6的32.768KHz晶振電路。32.768KHz晶振產(chǎn)生的震蕩信號(hào)經(jīng)過石英鐘內(nèi)分頻器15次分頻后得到1Hz的秒信號(hào)。即秒鐘每秒鐘走一下。這種方式功耗低且精確度高。圖2.3STM32F103ZET6的32.768KHz晶振電路4、低速內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)（LSI，30-60KHz）。LSIRC擔(dān)當(dāng)一個(gè)低功耗時(shí)鐘源的角色，它可以在停機(jī)和待機(jī)模式下保持運(yùn)行，為獨(dú)立看門狗和自動(dòng)喚醒單元提供時(shí)鐘。5、鎖相環(huán)倍頻輸出（PLL）。用來倍頻HIS或者HSE，時(shí)鐘輸入源可選擇為HSI/2、HSE或者HSE/2，倍頻可選擇為2～16倍，但是其輸出頻率最大不得超過72MHz。本設(shè)計(jì)是通過芯片內(nèi)部的振蕩電路來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路。STM32F103ZET6單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C13和C14構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。為了有效的減少寄生電容的出現(xiàn)，在制作PCB板時(shí)，晶體振蕩器與單片機(jī)芯片之間的距離應(yīng)該盡量小，使得其穩(wěn)定性和可靠性得到提升。2.2.3復(fù)位電路復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳RST通過一個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期中由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。上電時(shí)，+5V電源立即對(duì)單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)電阻R對(duì)電容C3充電。C3上電壓建立的規(guī)程就產(chǎn)生一定寬度的負(fù)脈沖，經(jīng)反向后，RST上出現(xiàn)正脈沖使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位。按鈕按下時(shí)，RST上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)了按鈕復(fù)位。2.2.4燒寫接口電路RST置高電平，然后向單片機(jī)串行發(fā)送編程命令。P1.7(SCK)輸入移位脈沖，P1.6(MISO)串行輸出，P1.5(MOSI)串行輸入。如圖2.4為燒寫接口電路。圖2.4燒寫接口電路2.2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊無人巡航小船的電機(jī)為直流減速電機(jī)，通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作。如圖2.5為電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖。圖2.5雙電機(jī)MOS管驅(qū)動(dòng)電路原理圖取其中一個(gè)電機(jī)為例：當(dāng)In3和In4的輸入數(shù)字電平都為1時(shí)，實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)；當(dāng)In3和In4的輸入數(shù)字電平都為0時(shí)，實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)；當(dāng)In3和In4的輸入數(shù)字電平不同時(shí)，實(shí)現(xiàn)停止。圖2.6雙電機(jī)MOS管驅(qū)動(dòng)電路PCB圖2.7雙電機(jī)MOS管驅(qū)動(dòng)電路板實(shí)物圖

2.2.6超聲波測(cè)距模塊首先分析此部分需要具備的功能：發(fā)射超聲波信號(hào)，再接收超聲波回波信號(hào)，控制器根據(jù)發(fā)射與接收的時(shí)間差計(jì)算出超聲波的傳播距離。1、發(fā)射電路：控制器發(fā)射一定的脈沖序列，通過放大器放大之后，激勵(lì)超聲波探頭發(fā)出超聲波。2、接收電路：超聲波在介質(zhì)中傳播的過程中會(huì)不斷衰減，接收電路最終接收到的信號(hào)比較微弱。因此接收電路一般要將信號(hào)先進(jìn)行放大、然后濾波、最后通過峰值檢測(cè)和整形比較電路等處理后送給控制器處理。為了使電路更加簡(jiǎn)單，本模塊使用了包含了超聲波發(fā)射器、接收器和控制電路，且已將放大電路、濾波整形電路等集成在一起的的HC-SR04。使用時(shí)只需向其TRIG引腳發(fā)送超過10微秒的高電平信號(hào)，模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)出超聲波，同時(shí)ECHO端被置為高電平，當(dāng)回波信號(hào)到達(dá)的時(shí)候會(huì)引起ECHO引腳發(fā)生負(fù)跳變，那么ECHO高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間。其工作時(shí)序圖如圖2.8所示。根據(jù)ECHO高電平持續(xù)的時(shí)間，可以計(jì)算得到距離。若假設(shè)聲波在空氣中的傳播速度v為340m/s（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），ECHO高電平持續(xù)的時(shí)間為t，發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離為s，則s=340m/s×t/2圖2.8超聲波時(shí)序圖該超聲波傳感器按以下流程工作：首先STM32單片機(jī)接通超過10微秒的高電平送入到單片機(jī)STC11中。STC11發(fā)出40KHz的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是不足以驅(qū)動(dòng)超聲波探頭的，需要經(jīng)過MAX232進(jìn)行升壓，然后激勵(lì)超聲波探頭發(fā)出超聲波。TL074集成了四個(gè)運(yùn)算放大器，當(dāng)探頭接收到信號(hào)以后是很微弱的，需要一級(jí)放大，然后在經(jīng)過帶通放大器進(jìn)行濾波放大，最后通過比較器輸出高低電平信號(hào)。其內(nèi)部電路圖如圖2.9所示：圖2.9超聲波傳感器內(nèi)部電路圖HC-SR04超聲波測(cè)距模塊共有四個(gè)引腳，分別為VCC、CND、TRIG和ECHO，如圖2.10所示。VCC接5V電源，VDD接地，單片機(jī)之需要控制TRIG和ECHO兩個(gè)端口即可完成測(cè)距。圖2.10超聲波傳感器實(shí)物圖傳感器的中心頻率是很重要的，只有當(dāng)發(fā)出的脈沖與傳感器的中心頻率一致，傳感器才能輸出最大的能量。超聲波在傳播的過程中是有衰減的，而且隨著頻率的增加衰減會(huì)更加嚴(yán)重，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量的距離，所以不能使超聲波傳感器的中心頻率太大。但是超聲波傳感器的分辨率是和頻率有關(guān)系的，超聲波頻率降低的話，分辨率也會(huì)較低。所以想要提高測(cè)量精度，頻率又不能太小。綜合以上的考慮，40KHz為較為合適的頻率值。其他參數(shù)值如表2.1所示：表2.1超聲波傳感器電氣參數(shù)表電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電壓DC5V工作電流15mA工作頻率40Hz中心頻率40KHz最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測(cè)量角度15度輸入觸發(fā)信號(hào)10uS的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm最終核心板實(shí)物圖及PCB分別如圖2.11、2.12所示：圖2.11核心板實(shí)物圖圖2.12核心板PCB2.3小船整體結(jié)構(gòu)核心板、雙電機(jī)MOS管驅(qū)動(dòng)電路板及電池等均采用熱熔膠穩(wěn)定的固定在船體內(nèi)部，如圖2.13所示。熱熔膠在常溫下為固體，加熱熔融到一定溫度變?yōu)槟芰鲃?dòng)，且有一定粘性的液體。圖2.13小船內(nèi)部結(jié)構(gòu)為了保證小船在行駛的過程中不會(huì)有水進(jìn)入船體，造成短路或其他不安全情況，使用703硅橡膠沿船體兩側(cè)以及傳感器等接口處涂抹，將其密封，提高了小船的穩(wěn)定性，如圖2.14所示。(a)主視圖(b)側(cè)視圖圖2.14小船外觀703硅橡膠全名為703粘合劑密封膠，它在常溫下可以吸收空氣中的水分而固化，且不易老化失效，從而達(dá)到粘結(jié)、固定物體的目的。同時(shí)，它是良好的絕緣體，也有很強(qiáng)的防水能力，很適合用于本設(shè)計(jì)中船體的密封。

3超聲波測(cè)距避障功能的實(shí)現(xiàn)3.1避障的定義物體的運(yùn)動(dòng)方向隨著外界障礙的出現(xiàn)作出改變的過程稱為避障。在人類身體構(gòu)造系統(tǒng)中，眼睛可以使我們非常方便地采集到外界環(huán)境的信息，然后把信息及時(shí)傳輸?shù)酱竽X，并對(duì)外界環(huán)境信息的變化作出相應(yīng)的處理，而對(duì)無人船來說，避障模塊之于無人船就相當(dāng)于眼睛之于人類，避障模塊可以采集外部地形數(shù)據(jù)，然后把所采集的地形數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砟K，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，中央處理模塊調(diào)用中斷子程序，實(shí)現(xiàn)無人船的避障。另外值得一提的是，避障功能是在原先手動(dòng)控制的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)避障功能。這種實(shí)現(xiàn)方式不影響主程序的編寫，是在原先主程序不變的情況下，插入中斷子程序，從而比較便捷地實(shí)現(xiàn)無人船的自動(dòng)避障[11]。3.2超聲波測(cè)距避障功能的實(shí)現(xiàn)該無人巡航小船體系包含了STM32主控核心、傳感器測(cè)距和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等數(shù)個(gè)基本模塊。3.2.1主要組成構(gòu)圖數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)超聲波單片機(jī)STM32F103ZET6單片機(jī)STC12C5A60S2控制數(shù)據(jù)超聲波單片機(jī)STM32F103ZET6單片機(jī)STC12C5A60S2控制數(shù)據(jù)電機(jī)電機(jī)控制控制數(shù)據(jù)圖3.1無人巡航小船組成構(gòu)圖由STM32F103ZET6單片機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)出一次信號(hào)，經(jīng)過一段時(shí)間后，信號(hào)在傳播過程中遇到障礙物而被反射，超聲波傳感器接收到此信號(hào)。單片機(jī)由發(fā)出信號(hào)到接收信號(hào)之間的時(shí)間差計(jì)算出障礙物與小船的距離。若為安全距離，則保持原有行駛狀態(tài)不變，向前行駛；若小于安全距離，則會(huì)改變驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)的功率大小，使得小船的行駛方向發(fā)生改變。3.2.2主程序流程圖圖3.2程序流程圖3.2.3部分程序說明voidGetDistanceDelay(void){ //發(fā)送觸發(fā)信號(hào) Trig_SET; status=1; TIM_SetCounter(TIM4,0); TIM_Cmd(TIM4,ENABLE);//打開定時(shí)器 while(TIM_GetCounter(TIM4)<11);//延時(shí)超過10us status=2; Trig_RESET; TIM_SetCounter(TIM4,0); while(Echo==0)//等待回向信號(hào)起始位置 { if(TIM_GetCounter(TIM4)>60000)//回應(yīng)時(shí)間超出正常范圍 { status=0; distance_cm=0;//失敗后就后退 TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);//關(guān)閉定時(shí)器 return;//本次失敗 } }若沒有收到反射回來的信號(hào)，則說明前方無障礙物，超聲波傳感器將發(fā)射下一個(gè)信號(hào)。同時(shí)也存在著另一種可能，即發(fā)出的信號(hào)在傳播過程中被捕捉或吸收，這是超聲波的特性所帶來的缺陷，是本次設(shè)計(jì)中需要改進(jìn)的地方。 TIM_SetCounter(TIM4,0); while(Echo==1)//開始計(jì)算長(zhǎng)度 { intcount=TIM_GetCounter(TIM4); if(count>60000)//回應(yīng)時(shí)間超出正常范圍 { status=0; distance_cm=0;//失敗后就后退 TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);//關(guān)閉定時(shí)器 return;//本次失敗 } } dis_count=TIM_GetCounter(TIM4); TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);//關(guān)閉定時(shí)器 distance_cm=(unsignedint)(((long)(dis_count)*34)/2000);//聲速340m/s status=0;//準(zhǔn)備下次發(fā)送 }若接收到了反射回來的超聲波信號(hào)，那么單片機(jī)會(huì)先根據(jù)發(fā)出信號(hào)與接收信號(hào)之間的時(shí)間差來判斷是否超出有效范圍。在本次設(shè)計(jì)的測(cè)試過程中，最大有效距離設(shè)置成10米。根據(jù)公式s=340m/s×t/2程序中應(yīng)將最長(zhǎng)有效時(shí)間設(shè)置為58823.5微秒，為便于計(jì)算取60000微秒。其余部分程序可見于附錄。4測(cè)試結(jié)果和誤差分析4.1測(cè)試數(shù)據(jù)記錄表4.1記錄了超聲波水平測(cè)距實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，從這幾組數(shù)據(jù)可以看出來最大相對(duì)誤差為1.60%，基本上是可以滿足水平方向障礙物的檢測(cè)的，當(dāng)水平探頭安裝在大約60cm左右的高度時(shí)，它的可探測(cè)范圍是大概是40cm-80cm高度的障礙物，對(duì)于不在這個(gè)區(qū)間的障礙物一般無法檢測(cè)到。表4.1水平測(cè)距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)際距離(cm)測(cè)量距離(cm)絕對(duì)誤差(cm)相對(duì)誤差%30.030.30.31.0050.050.60.81.20100.098.91.11.10150.0147.52.51.66200.0196.33.71.85250.0246.83.21.28300.0297.32.70.90350.0347.52.50.71400.0396.83.20.80為了便于觀察超聲波測(cè)距的效果，現(xiàn)將上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制成帶有數(shù)據(jù)標(biāo)記的散點(diǎn)圖，并將所有散點(diǎn)用平滑的曲線連接，以便于觀察趨勢(shì)，如圖4.1所示圖4.1水平測(cè)距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖通過觀察分析上圖可以得出結(jié)論：該超聲波傳感器的精確度隨測(cè)試距離的變化而變化，在測(cè)試距離為200厘米時(shí)達(dá)到最大值，相對(duì)誤差為1.85%。4.2測(cè)試誤差分析在現(xiàn)實(shí)的測(cè)量過程中，并不能保證探測(cè)一定能準(zhǔn)確無誤，有可能會(huì)出現(xiàn)各種誤差，一般引起測(cè)量出現(xiàn)問題的因素主要有以下幾點(diǎn)：1、溫度變化的影響超聲波在空氣中傳播，它的傳播速度是會(huì)受到壓力、濕度、溫度等環(huán)境因素的影響的。但是在一般的大氣環(huán)境下傳播，正常條件下大氣的壓力與濕度的變化是很小的，因此基本上可以忽略，那么它的傳播速度就主要受到環(huán)境溫度的影響。根據(jù)聲學(xué)理論，波動(dòng)方程可以表示為(4.1)其中c為聲波的傳播速度，p為聲壓，y表示的是聲波的傳播方向。C表示的是聲波傳播的速度，表示聲場(chǎng)中密度、壓強(qiáng)的變化兩者之間的關(guān)系，可用式(4.2)和(4.3)表達(dá)為(4.2)(4.3)其中M表示的是空氣的摩爾質(zhì)量，Cv表示的是定容比熱，空氣的普適常數(shù)用R表示，Cp為定壓比熱，T表示的是空氣的絕對(duì)溫度。當(dāng)溫度為零度的時(shí)候，即標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，ρ0=1.293%/m3，p0=105Pa，T0=273.15K。在此條件下聲速數(shù)值為c0=331.45m/s。代入式(4.3)可得(4.4)結(jié)合式(4.3)和(4.4)可以得到任何溫度t下的聲速表達(dá)式為(4.5)從式(4.5)可以看出，聲波的傳播速度與環(huán)境溫度是有很大關(guān)系的[12]?，F(xiàn)舉幾個(gè)數(shù)據(jù)為例，如表4.2：表4.2不同溫度下對(duì)應(yīng)的聲速溫度t(℃)-10010203040聲速c(m/s)325.4331.5337.5343.5349.6355.72、盲區(qū)的影響壓電式超聲波換能器又分為單探頭和雙探頭。(a)單探頭超聲波換能器(b)雙探頭超聲波換能器圖4.2壓電式超聲波換能器的兩種類型單探頭型的示意圖如圖4.2.(a)所示，它能同時(shí)兼具發(fā)射超聲波信號(hào)和接收回波信號(hào)的功能。在單探頭上加上一定的激勵(lì)電壓，使探頭振動(dòng)，然后發(fā)出超聲波。當(dāng)超聲波信號(hào)返回的時(shí)候，會(huì)引起探頭振動(dòng)，根據(jù)壓電逆效應(yīng)，超聲波回波信號(hào)的機(jī)械振動(dòng)能力被轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)發(fā)射超聲波的時(shí)候，探頭是會(huì)出現(xiàn)余震，即會(huì)出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。如果直接接收回波信號(hào)，由于余震引起的發(fā)射信號(hào)的幅值比回波信號(hào)要大的多，這時(shí)就會(huì)把余震產(chǎn)生的超聲波信號(hào)當(dāng)做回波信號(hào)，這必然就會(huì)出現(xiàn)很大的測(cè)量誤差。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，一般延遲一段時(shí)間再接收回波信號(hào)，這樣傳感器就出現(xiàn)了測(cè)量盲區(qū)。本次設(shè)計(jì)采用的是如圖4.2.(a)所示的雙探頭型，即發(fā)射頭用來發(fā)射信號(hào)，接收頭用來接收回波信號(hào)。雙探頭傳感器是一個(gè)用于發(fā)射而另一個(gè)用于接收的，理論上是不會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)的。但實(shí)際上一般兩個(gè)探頭安裝位置都比較接近，而聲波具有衍射現(xiàn)象，發(fā)射頭的信號(hào)是有可能會(huì)直接傳播到接收探頭的，這樣也就出現(xiàn)了誤報(bào)的情況，因此雙探頭也有盲區(qū)存在。雙探頭雖然也有盲區(qū)，但相對(duì)于單探頭傳感器來說，盲區(qū)要小得多[13]。3、入射角度由于超聲波入射角的存在，超聲波可能并不是垂直入射到物體處，超聲波可能會(huì)經(jīng)過多次反射才返回被接收探頭接收，這樣測(cè)量的距離就會(huì)比探頭與物體的實(shí)際距離稍大，造成測(cè)量誤差。4、系統(tǒng)本身誤差超聲波探頭從控制器下達(dá)發(fā)射命令到實(shí)際發(fā)出超聲波是有一定的時(shí)間誤差的，系統(tǒng)從接收到回波信號(hào)到對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行處理也會(huì)消耗一定的時(shí)間，這也不可避免的會(huì)造成一定的誤差。4.3余震現(xiàn)象4.3.1現(xiàn)象描述當(dāng)把寫好的程序燒錄進(jìn)去之后，測(cè)量與障礙物之間的距離時(shí)，經(jīng)常會(huì)測(cè)得一個(gè)極小的數(shù)據(jù)，只有不到0.5厘米，這樣的數(shù)據(jù)明顯是不符合實(shí)際情況的。而在同時(shí)，傳感器也會(huì)測(cè)得正確的數(shù)據(jù)。這種現(xiàn)象叫做“余震現(xiàn)象”。4.3.2產(chǎn)生余震現(xiàn)象的原因1、探頭的余震。發(fā)射頭在發(fā)出超聲波之后，還會(huì)繼續(xù)存在著幅度極為微小的震動(dòng)，這樣的震動(dòng)雖然無法觀察到，但同樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)余震信號(hào)向外傳播，這是無法避免的物理原理。解決辦法之一是讓傳感器發(fā)射超聲波完畢之后經(jīng)過一段時(shí)間再轉(zhuǎn)換成接收狀態(tài)。但這么做同樣會(huì)產(chǎn)生問題，例如會(huì)擴(kuò)大檢測(cè)盲區(qū)。2、殼體的余震。根本原因與探頭的余震相同，都是由發(fā)射頭的微小震動(dòng)而產(chǎn)生的余震。區(qū)別在于殼體的余震會(huì)通過固態(tài)介質(zhì)直接傳導(dǎo)到接收頭，這個(gè)時(shí)間相對(duì)于第一種情況來說更短，但依然會(huì)形成干擾。另外，當(dāng)外界環(huán)境的溫度改變時(shí)，殼體材料的物理特性也會(huì)改變，其余震的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、干擾程度也會(huì)隨之改變，在設(shè)計(jì)精度要求較高的設(shè)備時(shí)要將此因素考慮進(jìn)去。3、電路串?dāng)_。超聲波在發(fā)射的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的瞬間電流，電源會(huì)在一定程度上受到這個(gè)瞬間電流的影響。同時(shí)它也會(huì)干擾接收電路。每次發(fā)射完畢，接收電路還需要一段時(shí)間穩(wěn)定工作狀態(tài)。在此期間，其輸出的信號(hào)很難使用。改進(jìn)電路板設(shè)計(jì)可以使這種情況得到改善。4.3.3解決辦法為了避免這種現(xiàn)象對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致誤判，可以采取加權(quán)平均濾波的方法。程序如下：u32t=0; inti=0; floatlengthTemp=0; floatsum=0; while(i!=5) { TRIG_Send=1;//發(fā)送口高電平輸出 Delay_Us(20); TRIG_Send=0; while(ECHO_Reci==0);//等待接收口高電平輸出 OpenTimerForHc();//打開定時(shí)器 i=i+1; while(ECHO_Reci==1); CloseTimerForHc();//關(guān)閉定時(shí)器 t=GetEchoTimer();//獲取時(shí)間,分辨率為1US lengthTemp=((float)t/58.0);//cm sum=lengthTemp+sum; } lengthTemp=sum/5.0; returnlengthTemp;該程序采用while語句的循環(huán)，檢測(cè)的過程中可以測(cè)得多個(gè)數(shù)據(jù)，再取平均值。此方法可以有效的消除余震現(xiàn)象。

結(jié)論和展望本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)無人巡航小船進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和研究，提出了設(shè)計(jì)的思路，介紹了無人巡航小船各個(gè)模塊的硬件電路設(shè)計(jì)方案和對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)分析。這款無人巡航小船存在著以下幾個(gè)方面的特性：1、采用了STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)如使用了用途非常廣泛的ARM內(nèi)核、集成了非常豐富的接口，通信模塊以及其他功能模塊、可選擇的型號(hào)非常多，基本上都不需要外部的硬件擴(kuò)展、對(duì)各種流行的嵌入式操作系統(tǒng)支持比較好，各大嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)站基本上都會(huì)提供支持它的相應(yīng)的代碼。2、在對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行改造時(shí)，只需要加入編寫好的中斷程序，就可實(shí)現(xiàn)自主避障，且不影響原有的主程序。3、超聲波傳感器和STM32的成本相對(duì)不高，且插入的中斷程序的內(nèi)容也并不復(fù)雜，但它們對(duì)實(shí)現(xiàn)無人巡航小船的避障功能起到了質(zhì)的提高。在本方案中，系統(tǒng)的缺陷在于面對(duì)不同工作設(shè)備及工作環(huán)境下避障策略存在局限性。比如：1、無人巡航小船傳感器數(shù)量太少且傳感器的種類比較單一。超聲波受環(huán)境影響較大，且超聲波傳感器不易檢測(cè)到松軟、吸音性好的物體；紅外線傳感器對(duì)于強(qiáng)光的物體容易誤報(bào)，且不易檢測(cè)出透明的物體。兩種方案都在一定程度上存在著缺陷。作為改進(jìn)，可以在設(shè)備上多方位安裝不同種類的傳感器，如紅外線傳感器、超聲波傳感器等，以此來提高無人巡航小船的自動(dòng)化程度和自動(dòng)化效率。2、從驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)來講，采用兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)無人巡航小船，還是采用一臺(tái)電機(jī)加一臺(tái)舵機(jī)的方法驅(qū)動(dòng)無人巡航小船，兩種方案各有優(yōu)勢(shì)和缺陷。在選擇方案時(shí)，應(yīng)該遵循工作效率高、容易操作控制、資源高效利用的原則，展開綜合剖析，最后確定最合適的方案。3、就小船的功能性而言，功能多且強(qiáng)的設(shè)備相對(duì)于功能單一的設(shè)備來說容易受到更多的關(guān)注。所以可以對(duì)無人巡航小船進(jìn)行潛在功能的挖掘，例如：圖像的采集和傳輸、WiFi通訊、循跡等，使其成為更高程度的移動(dòng)智能設(shè)備。4、從自主避障策略和路徑規(guī)劃來說，無人巡航小船應(yīng)具備自主選擇最優(yōu)路徑的能力?？偟膩碚f，設(shè)計(jì)方案是比較完善的，基本上達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)[1]王舟,錢昌安,梁明澤,何冉,劉曉龍,沈海龍.無人水面艇發(fā)展趨勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)[J].飛航導(dǎo)彈,2018,(11):11-15.[2]宋磊.全球自主:國(guó)外無人水面艇未來發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)[J].軍事文摘,2015,(13):26-28.[3]吳恭興.無人艇操縱性與智能控制技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2011:1-7.[4]Son,N.S.,Kim,S.Y.,Van,S.H..Designofanoperationcontrolandremotemonitoringsystemofsmallunmannedshipforclose-rangeobservations[C].Piscataway,N.J.,USA:IEEE,2004:1093-1010.[5]申云磊,高霄鵬.無人艇的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].船電技術(shù),2018,38(09):7-10.[6]P.Krishnamurthy,F.Khorrami,T.L.Ng.ObstacleAvoidanceforUnmannedSeaSurfaceVehicles:AHierarchicalApproach[C].Amsterdam:Elsevier,2008:6798-6803[7]任慶樺.移動(dòng)障礙物檢測(cè)方法及實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究[D].南京:東南大學(xué),2016.[8]李茂山.超聲波測(cè)距原理及實(shí)踐技術(shù)[J].中國(guó)測(cè)試,1994,(01):12-20.[9]李鳴華,余水寶.單片機(jī)在超聲波料位測(cè)量中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1998,(09):15-17.[10]王紅梅.高分辨力超聲測(cè)距方法的研究[D].青島:山東科技大學(xué),2004.[11]李軍,申俊澤.超聲測(cè)距模塊HC-SR04的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011,11(10):77-78.[12]蔡靜怡,王才嶧.基于STM32移動(dòng)智能小車室內(nèi)避障模塊設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技,2019,16(04):76-77+90.[13]李方旭,馬彬瀚,丁偉,趙靜秋.基于HC-SR04超聲波傳感器的智能避障小車設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016,(34):26-27.

致謝首先，我要感謝我的校內(nèi)論文指導(dǎo)老師：廣東工業(yè)大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的張偉老師。在論文的寫作過程中，張老師從選題指導(dǎo)、論文框架到細(xì)節(jié)修改都做出了指導(dǎo)性的意見和建議，提出了許多有益的改進(jìn)性意見，投入了大量的心血和精力。另外，我還要感謝我實(shí)習(xí)所在的黃埔軍械修理廠的蔣偉歡老師和陳亮老師。在黃埔軍械修理廠實(shí)習(xí)的這半年時(shí)間里，每當(dāng)我在工作中遇到困難時(shí)、在完成畢業(yè)論文的過程中遇到疑惑時(shí)，蔣老師和陳老師都對(duì)我及時(shí)給予了悉心指點(diǎn)。同時(shí)他們對(duì)工作認(rèn)真負(fù)責(zé)、一絲不茍的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度也讓我十分敬佩，在未來的工作中，我也會(huì)向他們學(xué)習(xí)。在這里我向以上三位老師表示誠(chéng)摯的謝意。

附錄部分程序#include"UltrasonicCtrol.h"#include"interface.h"#include"stm32f10x.h"volatileunsignedcharstatus=0;//程序當(dāng)前狀態(tài)，0,空閑1發(fā)送觸發(fā)信號(hào)，2等待信號(hào)返回,3unsignedintdis_count=0;//脈寬長(zhǎng)計(jì)時(shí)volatileunsignedintdistance_cm=0;//當(dāng)前距離unsignedchart2_full_count=0;//計(jì)數(shù)器計(jì)滿次數(shù)計(jì)數(shù)staticunsignedintultick_5ms=0;//5ms計(jì)數(shù)器voidTime4Init(void){TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=65535;TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=(72-1);//72M/72=1usTIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;TIM_TimeBaseInit(TIM4,&TIM_TimeBaseStructure);}//外部中斷配置超聲波,這里沒用到中斷計(jì)數(shù)方式voidUltraSoundInit(void) { GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;//定