描述

前言：

我喜歡獨自航行，因為當(dāng)一個人帶著他的帆船在海上航行時，他得到了進化到更高水平所需的一切。在惡劣天氣的生海中航行可能非常困難，但如果他選擇陽光和風(fēng)好的天氣好的日子，享受將是最大的。

幸福意味著無限的視野，完美的運動技術(shù)，最佳的選擇，也意味著人類的東西，如一杯好酒和美味的三明治！正是在這個時候，自動駕駛儀提供了幫助：它代替您工作，同時您在海上享用下午 5:00 的茶和餅干。:-)

Autopilot 能為您做什么：

帆船沒有引擎，不能沿著程序化的路徑從港口到海灘，然后到釣魚點，繞過燈塔再返回，它不能。

整個工作由水手完成，此時我們必須了解它：修剪風(fēng)帆，控制天氣和風(fēng)源/速度，加固或釋放繩索，注意與其他船只的交通，決定方向和轉(zhuǎn)向......水手決定休息一下，比如說 10 秒或幾分鐘（著名的“下午茶時間”），他打開了自動駕駛儀。在幾秒鐘內(nèi)，它的 GPS 會獲取船的位置、速度和方向，并能夠保持方向（路線）。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是一根連接到方向舵的操縱桿，通常由專業(yè)的水手手移動，現(xiàn)在由自動駕駛儀通過由滑輪和繩索連接的步進電機控制。

控制方向舵是微調(diào)或粗調(diào)的連續(xù)工作。船更小（更輕），影響它的方向因素的變化更大：海浪，風(fēng)的方向和壓力，水手運動引起的船上重量轉(zhuǎn)移，海流。但是Sailor總是醒著，即使自動駕駛開啟，通過遙控的方式改變實際路線：上面有4個按鈕，標(biāo)記為+1 -1 +10 -10，用于角度的小或大變化，增加或減少值。這些按鈕也出現(xiàn)在自動駕駛儀上，綠色（右）和紅色（左）按鈕。藍(lán)色按鈕（中間）用于激活或停用自動駕駛儀，即暫停。它也是一個黑色按鈕，用于設(shè)置內(nèi)存中的參數(shù)。

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電路：

主要處理由 MCU Arduino Uno完成。另一個 MCU，Arduino Nano ，是看門狗：我知道它在 Uno 內(nèi)部確實存在一種看門狗，但我喜歡用獨立的外部微控制器來做，這是我一生的夢想，我現(xiàn)在很開心！Uno 必須通過引腳 3 -> A0 將 Nano 喂入高/低，5/0 伏，至少每 2.5 秒一次（喂食間隔）；如果不是，則表示 Uno 正在“休眠”或“阻塞”，Nano 會重置 Uno……它從未發(fā)生過，你能相信嗎？

它與焊接在一起的i2c 電路轉(zhuǎn)換器一起使用流行的顯示器，最后僅使用 4 根線顯著節(jié)省了與 Uno 通信的數(shù)字引腳。還有按鈕和遙控器的連接方式由電阻分壓器完成，以達到使用盡可能少的 MCU 端口的目標(biāo)；我選擇了 1% 精度的電阻，模擬比較值應(yīng)該在我輸入代碼的值之間；如果由于您選擇了其他類型的電阻而無法識別某些按鈕，也只需對常量進行一些更改（修改“checkRfRC()”和“checkHWButtons()”處的代碼）。RF 433Mhz 遙控 (RC) 電路運行良好；為了提高距離覆蓋范圍和成功機會，我添加了一個你可以用一根銅線自己制作的線圈天線；我在 10 米外對其進行了測試，但我認(rèn)為它甚至可以在 20 米或更遠(yuǎn)的地方工作，考慮到我用來測試 Autopilot 的目標(biāo)帆船只有 4.20 米長，這已經(jīng)綽綽有余了。

GPS單元我一開始用的是EM406A不錯，可惜后來發(fā)現(xiàn)有Week-Rollover-Bug，太舊了，只好換了個很不錯的備受歡迎的北天BN-220T。使用其配置軟件，請將其設(shè)置為每秒“吐”出 2 次（2Hz），這是必要的“$GNRMC”NMEA 序列句。GPS 將 (TX) 串行數(shù)據(jù)發(fā)送到 Uno 的引腳 0 (RX)。該數(shù)據(jù)包含用于計算電機校正的所有導(dǎo)航數(shù)據(jù)：日期、時間、位置緯度和經(jīng)度、真實航向、速度和衛(wèi)星定位的有效性。由于 Arduino 的 IDE 編程也使用 pin 0 (RX) 端口，請記住在此操作期間暫時斷開 GPS...

我的另一個夢想是使用 EEPROM 。IC 2404 是一個漂亮的 512 字節(jié) i2c 集成電路，我用于在此存儲芯片中讀取/寫入步進電機運動的一些參數(shù)，我將在稍后的“軟件”段落中解釋。

組件列表：

• Arduino Uno 作為 MCU

• Arduino Nano 作為 WatchDog

• 北天BN-220T GPS

• 步進電機，型號 23LM，54 步 = 1/4 轉(zhuǎn)

• 用于電機的控制器 Keyes L298

• RF433Mhz RC XD-YK04+4鍵遙控器+線圈天線

• 6 個常開按鈕（2xRed、2xGreen、1xBlack 和 1xBlue）

• 電源開關(guān)（白色）

• 用于外部步進電機的母頭 + 公頭 6 針圓形連接器

• 蜂鳴器

• 顯示LCD1602 2x16字符+i2c轉(zhuǎn)換電路

• 3 個 LED（紅色、藍(lán)色和黃色））

• IC 24c04 i2c eeprom

• IC 4051 多路復(fù)用器

• 電池 LiPo 2s 7.4v 2600mA

• IC 7805 穩(wěn)壓器 + 散熱器

• 熱敏電阻 NTC MF52-103 10k

• 自恢復(fù)保險絲 2A

• 6x 1N4148 二極管 (D1-D6)

• 電源屏蔽層上的電阻器 (R1-R4=10k, R5=100k)

• Autopilot 防護罩上的電阻器（R1=330, R2=1k, R3=2k, R4=5.1k, R5=1k, R6/R7/R14=330, R8-R13=10k, R15=10M）

• 電容器（C1=470uF 16v，C2=100n）

• 2W 0.22 歐姆電阻 (R6)

• 公針

• 母長針頭

• 外殼透明且“防水”

電路上有幾個傳感器都通過IC 4051 多路復(fù)用器連接到 Arduino Uno 。它是一個熱敏電阻，以控制穩(wěn)壓器散熱器溫度，一個2W電阻和4x10k作為分壓器來計算安培作為整個電路的功耗。電池電壓也得到控制：當(dāng)單個元件放電到 3.3v 以下時，LiPo 是關(guān)鍵的；該電路在一個封裝中包含兩個元件 (2S) LiPo，在低電壓（低于 7.0v）的情況下，蜂鳴器會以短促的嗶嗶聲通知您。不要等待太久關(guān)閉，并盡快充電！發(fā)光二極管：黃色以 1Hz 閃爍，讓您知道 WatchDog 正在工作；自動駕駛開啟時藍(lán)色開啟，暫停則關(guān)閉；按下遙控器按鈕之一時，紅色 LED 閃爍。

所有電路工作電壓為 5.0v，由 LiPo 2S 7.4v 2600mA/h 電池和IC 7805 穩(wěn)壓器供電。電流不應(yīng)大于800mA，但通常在100-450mA左右。請在上面放一個散熱器。熱敏電阻放在上面，如果溫度超過 50°C，蜂鳴器會發(fā)出嗶嗶聲。

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1 / 8 ? Autopilot 原型板電路“實時”（更多圖片請按“>”）

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PCB印刷電路板和組裝：

由于這個原因，我使用了單面 PCB ，我必須包括一些跳線（虛線）來解決整個電路的路線。此處顯示了組件面，但在下方您有所有文件、組件和焊接面，鏡像，用于通過激光打印機在“黃色”或“藍(lán)色”紙張上下載和打印。我用的是黃色的，但他們說藍(lán)色更好（但價格要高得多）。打印時請記住禁用碳粉節(jié)省設(shè)置，改為使用 1200 dpi 分辨率以獲得深黑色效果。從魔術(shù)片到PCB的墨粉轉(zhuǎn)移過程是使用熱熨斗完成的……在兩面印刷，也在元件面上印刷，可以輕松識別物品的位置，甚至使項目“專業(yè)”。

兩塊 PCB 的尺寸都可以作為堆棧安裝在另一個 Arduino Uno 上：首先是電源單元，然后是自動駕駛儀單元。

我的選擇是將所有東西放在一起，PCB、MCU、RC、電機驅(qū)動電路、電池、GPS、按鈕、開關(guān)、電線、連接器等。想著有一天可以重復(fù)使用它們：我沒有把它們焊接在一起，我用頭和流行的杜邦電線/連接代替。然后大約有200個未焊接的連接，這意味著不時會發(fā)生意外和不需要的故障或電路的不同行為，這是正常的。建議焊接一切以獲得更穩(wěn)定的電路！

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1 / 2 ?自動駕駛儀板屏蔽，組件面（更多圖片請按“>”）

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參數(shù)設(shè)置和顯示傳感器值：

按下盒子側(cè)面的黑色按鈕，進入設(shè)置模式；這也可以在主動導(dǎo)航期間完成，無需先輸入 Pause。顯示屏第一頁顯示電池電壓（V=7.83）、功耗（mA=177）和散熱器附近熱敏電阻傳感器的溫度（38°C）；一次又一次地按下進入下一頁的黑色按鈕；第 2、3、4、5 頁顯示下列參數(shù)，您可以通過 -1 和 +1 按鈕更改這些值。第 6 頁顯示“正在更新...”如果您更改了某些內(nèi)容，則值將保存在 EEPROM 存儲器中。

• 間隔：即2000毫秒，是步進電機一次嘗試和另一次嘗試之間的時間，以恢復(fù)“H”航向“R”路線，向右或向左移動舵桿；

• 最小值：即 2°，是自動駕駛干預(yù)的最小偏離路線度數(shù)；達到此值，方向舵穩(wěn)定地保持在中心位置；

• Max：即40°，是步進電機一次的最大轉(zhuǎn)向變化；如果計算的是 50° 變化，實際上 Stepper 只會移動 40°；

• Coeffic.：即1.50 x°，是一次轉(zhuǎn)向變化的系數(shù)；如果計算是針對 40° 變化，實際上步進電機將移動 (40 x 1.50)=60°；

當(dāng)安裝在帆船上時，這些參數(shù)是微調(diào) Autopilot所必需的。響應(yīng)性、靈敏度和平滑度取決于滑輪的直徑、滑輪的數(shù)量、步進電機上主滑輪的直徑、舵的靈敏度、舵桿連接在其上的長度等。讓我們安裝一切，并嘗試在船上體驗。當(dāng)然，在所有測試階段都選擇一個陽光明媚、風(fēng)輕云淡的日子！

它是如何“現(xiàn)場”工作的：

您正在海上、湖上或海港周圍航行。現(xiàn)在是下午茶時間，你的可樂和你最喜歡的三明治在口袋里等著。我們在這里：打開 Autopilot并讓它進行衛(wèi)星 GPS 定位，您現(xiàn)在應(yīng)該在顯示屏上讀取以節(jié)為單位的實際速度、時鐘和航向方向，即 H270°（R=要遵循的路線，H=實際航向）以度為單位（記住180°=南，270°=西，360°或0°=北，90°=東）。在暫停模式下（顯示 STOP），R 和 H 值相同。現(xiàn)在連接轉(zhuǎn)向繩，從步進電機到舵桿，然后按藍(lán)色按鈕啟動 Autopilot 轉(zhuǎn)向；在這一點上，自動駕駛儀保持 R=路線方向，并且可以控制 H=航向時發(fā)生的情況。標(biāo)題編號肯定會更改 ，根據(jù)我們已經(jīng)討論過的天氣條件，緩慢或快速。然后自動駕駛儀嘗試恢復(fù)到 R=路線方向進行修正，即 -10°、+5° 等，直到 H 值等于 R 值。您可以決定對路線進行一些更改，您可以使用設(shè)備上的紅色和綠色按鈕（-1 -10 +1 +10）或通過遙控器來修改數(shù)字。要收回對轉(zhuǎn)向的控制，您只需按下暫停藍(lán)色按鈕，將繩索從舵桿上斷開，用手繼續(xù)工作。做得好。

軟件方面：

代碼很長，但我希望它足夠清晰，易于理解。無論如何，我會解釋它是如何做的。該草圖使用了大約 65% 的程序和大約 45% 的內(nèi)存。即使使用 String 類，主要用于 Serial NMEA 語句操作，整個闡述流程也穩(wěn)定可靠；它使用“serialEvent()”每秒兩次從 GPS 接收數(shù)據(jù)，然后調(diào)用“nmeaExtractData()”，最后使用“nmea0183_checksum()”檢查數(shù)據(jù)包以確保數(shù)據(jù)完整性。如果您使用其他品牌和型號的 GPS確保句子結(jié)構(gòu)相同，否則您必須在此處進行一些更改。例如EM406A 使用 "$GPRMC" packet id ，BT220 使用 "$GNRMC" 代替...只是一個小的名稱更改...https://nmachecksum.eqth.net - 這里是一個完整的 NMEA 句子的示例，它包含：id、時間、有效性、緯度、經(jīng)度、速度、真實路線、日期、變化和校驗和。

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

在“Setup()”期間檢查 EEPROM ：如果是新的或未知的，它會被初始化（格式化）。內(nèi)存中的參數(shù)以字節(jié)讀取/寫入：0=0x29, 1=0x00, 2-3=interval, 4-5=min, 6-7=max, 8-11=coefficient (byte, byte, int, int,漂浮）。我小心地處理了 EEPROM 讀/寫操作，可能防御性太強了……傳感器每 10 秒通過多路復(fù)用器的“readMuxSensors()”檢查一次，如果電池電量低或溫度高，就會發(fā)出警報。功耗分辨率低，步長40mA左右。不斷檢查硬件和 RC 按鈕；他們所做的取決于“IsSetup”布爾值以及顯示“RefreshDisplay()”是否. 代碼的核心是 STEERING CONTROL 部分，它調(diào)用“gomotor()”函數(shù)將步進器移出和移回；是的，它可能會將方向舵向右移動 10°，并且在間隔值之后它會移動回零方向舵位置，等等在新一輪計算之后。如前所述，轉(zhuǎn)向工作也在設(shè)置期間進行，因為它只影響幾個按鈕和顯示行為。Whatchdog 喂食非常簡單但很重要：只要盡快打開/關(guān)閉它的 Pin。

如何在帆船上安裝它：

如下圖所示，我選擇將Autopilot和步進電機放在船尾，都用螺栓等固定好；一根直徑為 6 毫米的繩子從主電機滑輪開始，繞著放置在兩側(cè)的另外兩個滑輪。這兩個滑輪應(yīng)通過兩個蹦極環(huán)“固定”在船上，以保持繩索略微張緊。此時，最后，你要決定如何將繩索連接到舵桿（臨時連接）；它必須在您希望 Autopilot 運行時連接，易于連接和斷開連接。讓 Autopilot 系統(tǒng)遠(yuǎn)離水！:-)

帆船上的自動駕駛儀安裝

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新聞與更新：

• 10.05.2020 ，添加用于下載步進滑輪（由我制作）和安裝板（由 Andrew Barney 制作）的 .STEP 3D CAD 項目文件，以及它們的 3D 預(yù)覽圖片。

• 14.01.2022 ，我發(fā)現(xiàn) NTC 溫度計算方面的改進，因此您應(yīng)該更改 readMuxSensors() 函數(shù)中的值，如下所示：

• 浮動 R1 = 100000; // 100k Ohm 分壓電阻

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

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

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

• 07.10.2022，第 2 版現(xiàn)已在此鏈接上可用！

免責(zé)聲明和警告：

可以說這是我們在這里玩的游戲，沒什么可認(rèn)真的！幾年前，我進行了一次長達 16 個月的長途旅行，乘坐帆船環(huán)游世界。在所有天氣條件下，甚至在惡劣的天氣條件下，我們都使用真正的自動駕駛儀（不是這個！）進行了廣泛的導(dǎo)航。真正的自動駕駛儀是非常強大的硬件和軟件，你必須非常信任。相反，這款 Arduino Autopilot是一款非常棒的游戲，可以用來玩游戲并花時間娛樂。

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