帆船自动驾驶仪（自动转向系统）开源分享

描述

前言：

我喜欢独自航行，因为当一个人带着他的帆船在海上航行时，他得到了进化到更高水平所需的一切。在恶劣天气的生海中航行可能非常困难，但如果他选择阳光和风好的天气好的日子，享受将是最大的。

幸福意味着无限的视野，完美的运动技术，最佳的选择，也意味着人类的东西，如一杯好酒和美味的三明治！正是在这个时候，自动驾驶仪提供了帮助：它代替您工作，同时您在海上享用下午 5:00 的茶和饼干。:-)

Autopilot 能为您做什么：

帆船没有引擎，不能沿着程序化的路径从港口到海滩，然后到钓鱼点，绕过灯塔再返回，它不能。

整个工作由水手完成，此时我们必须了解它：修剪风帆，控制天气和风源/速度，加固或释放绳索，注意与其他船只的交通，决定方向和转向......水手决定休息一下，比如说 10 秒或几分钟（著名的“下午茶时间”），他打开了自动驾驶仪。在几秒钟内，它的 GPS 会获取船的位置、速度和方向，并能够保持方向（路线）。转向系统是一根连接到方向舵的操纵杆，通常由专业的水手手移动，现在由自动驾驶仪通过由滑轮和绳索连接的步进电机控制。

控制方向舵是微调或粗调的连续工作。船更小（更轻），影响它的方向因素的变化更大：海浪，风的方向和压力，水手运动引起的船上重量转移，海流。但是Sailor总是醒着，即使自动驾驶开启，通过遥控的方式改变实际路线：上面有4个按钮，标记为+1 -1 +10 -10，用于角度的小或大变化，增加或减少值。这些按钮也出现在自动驾驶仪上，绿色（右）和红色（左）按钮。蓝色按钮（中间）用于激活或停用自动驾驶仪，即暂停。它也是一个黑色按钮，用于设置内存中的参数。

 

电路：

主要处理由 MCU Arduino Uno完成。另一个 MCU，Arduino Nano ，是看门狗：我知道它在 Uno 内部确实存在一种看门狗，但我喜欢用独立的外部微控制器来做，这是我一生的梦想，我现在很开心！Uno 必须通过引脚 3 -> A0 将 Nano 喂入高/低，5/0 伏，至少每 2.5 秒一次（喂食间隔）；如果不是，则表示 Uno 正在“休眠”或“阻塞”，Nano 会重置 Uno……它从未发生过，你能相信吗？

它与焊接在一起的i2c 电路转换器一起使用流行的显示器，最后仅使用 4 根线显着节省了与 Uno 通信的数字引脚。还有按钮和遥控器的连接方式由电阻分压器完成，以达到使用尽可能少的 MCU 端口的目标；我选择了 1% 精度的电阻，模拟比较值应该在我输入代码的值之间；如果由于您选择了其他类型的电阻而无法识别某些按钮，也只需对常量进行一些更改（修改“checkRfRC()”和“checkHWButtons()”处的代码）。RF 433Mhz 遥控 (RC) 电路运行良好；为了提高距离覆盖范围和成功机会，我添加了一个你可以用一根铜线自己制作的线圈天线；我在 10 米外对其进行了测试，但我认为它甚至可以在 20 米或更远的地方工作，考虑到我用来测试 Autopilot 的目标帆船只有 4.20 米长，这已经绰绰有余了。

GPS单元我一开始用的是EM406A不错，可惜后来发现有Week-Rollover-Bug，太旧了，只好换了个很不错的备受欢迎的北天BN-220T。使用其配置软件，请将其设置为每秒“吐”出 2 次（2Hz），这是必要的“$GNRMC”NMEA 序列句。GPS 将 (TX) 串行数据发送到 Uno 的引脚 0 (RX)。该数据包含用于计算电机校正的所有导航数据：日期、时间、位置纬度和经度、真实航向、速度和卫星定位的有效性。由于 Arduino 的 IDE 编程也使用 pin 0 (RX) 端口，请记住在此操作期间暂时断开 GPS...

我的另一个梦想是使用 EEPROM 。IC 2404 是一个漂亮的 512 字节 i2c 集成电路，我用于在此存储芯片中读取/写入步进电机运动的一些参数，我将在稍后的“软件”段落中解释。

组件列表：

• Arduino Uno 作为 MCU

• Arduino Nano 作为 WatchDog

• 北天BN-220T GPS

• 步进电机，型号 23LM，54 步 = 1/4 转

• 用于电机的控制器 Keyes L298

• RF433Mhz RC XD-YK04+4键遥控器+线圈天线

• 6 个常开按钮（2xRed、2xGreen、1xBlack 和 1xBlue）

• 电源开关（白色）

• 用于外部步进电机的母头 + 公头 6 针圆形连接器

• 蜂鸣器

• 显示LCD1602 2x16字符+i2c转换电路

• 3 个 LED（红色、蓝色和黄色））

• IC 24c04 i2c eeprom

• IC 4051 多路复用器

• 电池 LiPo 2s 7.4v 2600mA

• IC 7805 稳压器 + 散热器

• 热敏电阻 NTC MF52-103 10k

• 自恢复保险丝 2A

• 6x 1N4148 二极管 (D1-D6)

• 电源屏蔽层上的电阻器 (R1-R4=10k, R5=100k)

• Autopilot 防护罩上的电阻器（R1=330, R2=1k, R3=2k, R4=5.1k, R5=1k, R6/R7/R14=330, R8-R13=10k, R15=10M）

• 电容器（C1=470uF 16v，C2=100n）

• 2W 0.22 欧姆电阻 (R6)

• 公针

• 母长针头

• 外壳透明且“防水”

电路上有几个传感器都通过IC 4051 多路复用器连接到 Arduino Uno 。它是一个热敏电阻，以控制稳压器散热器温度，一个2W电阻和4x10k作为分压器来计算安培作为整个电路的功耗。电池电压也得到控制：当单个元件放电到 3.3v 以下时，LiPo 是关键的；该电路在一个封装中包含两个元件 (2S) LiPo，在低电压（低于 7.0v）的情况下，蜂鸣器会以短促的哔哔声通知您。不要等待太久关闭，并尽快充电！发光二极管：黄色以 1Hz 闪烁，让您知道 WatchDog 正在工作；自动驾驶开启时蓝色开启，暂停则关闭；按下遥控器按钮之一时，红色 LED 闪烁。

所有电路工作电压为 5.0v，由 LiPo 2S 7.4v 2600mA/h 电池和IC 7805 稳压器供电。电流不应大于800mA，但通常在100-450mA左右。请在上面放一个散热器。热敏电阻放在上面，如果温度超过 50°C，蜂鸣器会发出哔哔声。

 

 

 

 

1 / 8 • Autopilot 原型板电路“实时”（更多图片请按“>”）

 

PCB印刷电路板和组装：

由于这个原因，我使用了单面 PCB ，我必须包括一些跳线（虚线）来解决整个电路的路线。此处显示了组件面，但在下方您有所有文件、组件和焊接面，镜像，用于通过激光打印机在“黄色”或“蓝色”纸张上下载和打印。我用的是黄色的，但他们说蓝色更好（但价格要高得多）。打印时请记住禁用碳粉节省设置，改为使用 1200 dpi 分辨率以获得深黑色效果。从魔术片到PCB的墨粉转移过程是使用热熨斗完成的……在两面印刷，也在元件面上印刷，可以轻松识别物品的位置，甚至使项目“专业”。

两块 PCB 的尺寸都可以作为堆栈安装在另一个 Arduino Uno 上：首先是电源单元，然后是自动驾驶仪单元。

我的选择是将所有东西放在一起，PCB、MCU、RC、电机驱动电路、电池、GPS、按钮、开关、电线、连接器等。想着有一天可以重复使用它们：我没有把它们焊接在一起，我用头和流行的杜邦电线/连接代替。然后大约有200个未焊接的连接，这意味着不时会发生意外和不需要的故障或电路的不同行为，这是正常的。建议焊接一切以获得更稳定的电路！

 

 

 

 

1 / 2 •自动驾驶仪板屏蔽，组件面（更多图片请按“>”）

 

参数设置和显示传感器值：

按下盒子侧面的黑色按钮，进入设置模式；这也可以在主动导航期间完成，无需先输入 Pause。显示屏第一页显示电池电压（V=7.83）、功耗（mA=177）和散热器附近热敏电阻传感器的温度（38°C）；一次又一次地按下进入下一页的黑色按钮；第 2、3、4、5 页显示下列参数，您可以通过 -1 和 +1 按钮更改这些值。第 6 页显示“正在更新...”如果您更改了某些内容，则值将保存在 EEPROM 存储器中。

• 间隔：即2000毫秒，是步进电机一次尝试和另一次尝试之间的时间，以恢复“H”航向“R”路线，向右或向左移动舵杆；

• 最小值：即 2°，是自动驾驶干预的最小偏离路线度数；达到此值，方向舵稳定地保持在中心位置；

• Max：即40°，是步进电机一次的最大转向变化；如果计算的是 50° 变化，实际上 Stepper 只会移动 40°；

• Coeffic.：即1.50 x°，是一次转向变化的系数；如果计算是针对 40° 变化，实际上步进电机将移动 (40 x 1.50)=60°；

当安装在帆船上时，这些参数是微调 Autopilot所必需的。响应性、灵敏度和平滑度取决于滑轮的直径、滑轮的数量、步进电机上主滑轮的直径、舵的灵敏度、舵杆连接在其上的长度等。让我们安装一切，并尝试在船上体验。当然，在所有测试阶段都选择一个阳光明媚、风轻云淡的日子！

它是如何“现场”工作的：

您正在海上、湖上或海港周围航行。现在是下午茶时间，你的可乐和你最喜欢的三明治在口袋里等着。我们在这里：打开 Autopilot并让它进行卫星 GPS 定位，您现在应该在显示屏上读取以节为单位的实际速度、时钟和航向方向，即 H270°（R=要遵循的路线，H=实际航向）以度为单位（记住180°=南，270°=西，360°或0°=北，90°=东）。在暂停模式下（显示 STOP），R 和 H 值相同。现在连接转向绳，从步进电机到舵杆，然后按蓝色按钮启动 Autopilot 转向；在这一点上，自动驾驶仪保持 R=路线方向，并且可以控制 H=航向时发生的情况。标题编号肯定会更改 ，根据我们已经讨论过的天气条件，缓慢或快速。然后自动驾驶仪尝试恢复到 R=路线方向进行修正，即 -10°、+5° 等，直到 H 值等于 R 值。您可以决定对路线进行一些更改，您可以使用设备上的红色和绿色按钮（-1 -10 +1 +10）或通过遥控器来修改数字。要收回对转向的控制，您只需按下暂停蓝色按钮，将绳索从舵杆上断开，用手继续工作。做得好。

软件方面：

代码很长，但我希望它足够清晰，易于理解。无论如何，我会解释它是如何做的。该草图使用了大约 65% 的程序和大约 45% 的内存。即使使用 String 类，主要用于 Serial NMEA 语句操作，整个阐述流程也稳定可靠；它使用“serialEvent()”每秒两次从 GPS 接收数据，然后调用“nmeaExtractData()”，最后使用“nmea0183_checksum()”检查数据包以确保数据完整性。如果您使用其他品牌和型号的 GPS确保句子结构相同，否则您必须在此处进行一些更改。例如EM406A 使用 "$GPRMC" packet id ，BT220 使用 "$GNRMC" 代替...只是一个小的名称更改...https://nmachecksum.eqth.net - 这里是一个完整的 NMEA 句子的示例，它包含：id、时间、有效性、纬度、经度、速度、真实路线、日期、变化和校验和。

$GPRMC, 095836.000, A, 4551.9676, N, 01328.7118, E, 2.09, 341.84, 280519,, *08

在“Setup()”期间检查 EEPROM ：如果是新的或未知的，它会被初始化（格式化）。内存中的参数以字节读取/写入：0=0x29, 1=0x00, 2-3=interval, 4-5=min, 6-7=max, 8-11=coefficient (byte, byte, int, int,漂浮）。我小心地处理了 EEPROM 读/写操作，可能防御性太强了……传感器每 10 秒通过多路复用器的“readMuxSensors()”检查一次，如果电池电量低或温度高，就会发出警报。功耗分辨率低，步长40mA左右。不断检查硬件和 RC 按钮；他们所做的取决于“IsSetup”布尔值以及显示“RefreshDisplay()”是否. 代码的核心是 STEERING CONTROL 部分，它调用“gomotor()”函数将步进器移出和移回；是的，它可能会将方向舵向右移动 10°，并且在间隔值之后它会移动回零方向舵位置，等等在新一轮计算之后。如前所述，转向工作也在设置期间进行，因为它只影响几个按钮和显示行为。Whatchdog 喂食非常简单但很重要：只要尽快打开/关闭它的 Pin。

如何在帆船上安装它：

如下图所示，我选择将Autopilot和步进电机放在船尾，都用螺栓等固定好；一根直径为 6 毫米的绳子从主电机滑轮开始，绕着放置在两侧的另外两个滑轮。这两个滑轮应通过两个蹦极环“固定”在船上，以保持绳索略微张紧。此时，最后，你要决定如何将绳索连接到舵杆（临时连接）；它必须在您希望 Autopilot 运行时连接，易于连接和断开连接。让 Autopilot 系统远离水！:-)

帆船上的自动驾驶仪安装

 

新闻与更新：

• 10.05.2020 ，添加用于下载步进滑轮（由我制作）和安装板（由 Andrew Barney 制作）的 .STEP 3D CAD 项目文件，以及它们的 3D 预览图片。

• 14.01.2022 ，我发现 NTC 温度计算方面的改进，因此您应该更改 readMuxSensors() 函数中的值，如下所示：

• 浮动 R1 = 100000; // 100k Ohm 分压电阻

• 浮动 c1 = 6.66082410500E-004; // 斯坦哈特-哈特 C1

• 浮动 c2 = 2.23928204100E-004; // 斯坦哈特-哈特 C2

• 浮动 c3 = 7.19951882000E-008; // 斯坦哈特-哈特 C3

• 07.10.2022，第 2 版现已在此链接上可用！

免责声明和警告：

可以说这是我们在这里玩的游戏，没什么可认真的！几年前，我进行了一次长达 16 个月的长途旅行，乘坐帆船环游世界。在所有天气条件下，甚至在恶劣的天气条件下，我们都使用真正的自动驾驶仪（不是这个！）进行了广泛的导航。真正的自动驾驶仪是非常强大的硬件和软件，你必须非常信任。相反，这款 Arduino Autopilot是一款非常棒的游戏，可以用来玩游戏并花时间娱乐。