水是生命之源，地球上超过70%的地区都被水覆盖着，人类的文明也离不开水，大河流域孕育了四大文明古国，海洋流域造就了古希腊的繁荣商业。然而随着工业化的进行，全球环境加剧恶化，雾霾、气温上升等问题层出不穷，作为气候的调节器，河流、海洋的作用非常重要，所谓“工欲善其事，必先利其器”，为了防止水域的环境恶化，对于水域环境、水质的监测不容小视。

目前大多数对流速、水质、水位等水文数据的探测依靠人工采集，然而人工采集的业务量大、效率低、数据不准确，并且很多水域的工作环境异常恶劣，工作人员的工作风险很高，比如对海洋气候的监测中，面对风暴、洋流等情况人工作业的危险系数极高，因此有必要开发出一种低成本、低风险、高效率的无人智能监测平台。无人船技术的发展恰好可以弥补人工作业的缺点。首先，无人船的船体小，灵活性较高，造价较低；其次，机器人、智能传感器、无线传感网、数据的通信与传输等技术可以很好的融合在无人船技术上。这样的背景下，无人船将集环境水质监测、水下测绘、科学探测、搜索救援、安防巡逻于一体，起到极其重要的作用，甚至可以发展到军事作战领域。

相对于国外发达国家，我国的无人船技术起步较晚，我国第一艘自主研发的海洋监测船是由气象局与航天科工集团合作研发的“天象一号”，该船长6.5m，船体由碳纤维构成，于2008年奥运会期间监测青岛奥帆赛区的气象情况，采集水文数据。该无人船探测系统由两部分组成：一是海上无人探测平台，二是地面控制系统。经过测试，“天象一号”的各设备运行正常，数据准确，验证了该无人船水上气象采集系统的准确性、实时性、安全性及可靠性，为国内无人海洋气象监控开创了先河，奠定了基础。2014年，在上海举行的2014国际海洋技术与工程设备展览会上，由珠海的云洲智能科技有限公司研发的＂领航者＂号无人船更加吸引了很多人的目光。

而国外的无人船更多运用在军事领域和资源勘测领域，美、日、法、德、以色列等国都有相应的无人船设计推出，而美国无疑占据了全球无人船技术的制高点。美国的第一艘用于科学研究的无人船命名为“ARTEMIS”，该无人船由麻省理工海洋学院制造，曾经在波士顿的查尔斯河上进行简单的科氏力测量工作，由于该船的体积较小，导致其稳定性和抗风浪能力较差，以它为基础另外开发了一种用于自动海岸测量的无人船，其装备了传感器，用于水道测量，并且于1997年在波士顿港口进行了一次成功的水道测量实验。

进入新世纪之后，美国从2002开始投资进行“斯巴达”无人船的研制，其主要发挥监测、侦查、反恐、情报获取等军事领域的作用，随着世界格局的变化，美国无人船在军事方面承担着越来越重要的作用。

2. 研究的基本内容与方案

本次毕业设计的基本内容是对靠多个电机驱动的无人船提供基于ARM的自动航行控制器设计，该控制器包括对多个电机的智能驱动，使之能前进、后退、左右拐弯等路径行进；通过4G通信模块的交互获取无人船自动航行时的姿态数据，GPS数据，探测数据等。

系统框图如图1所示：

整个设计分为两个部分，水上船载系统和地面监测控制系统，船载部分主要包括马达、陀螺仪、加速度计、磁力计，其中马达属于动力部分，其他属于姿态信息采集部分。

马达的选型主要需要考虑其重量、额定电压、最大输出功率、最大推力、功重比这几个参数。个人打算搜集淘宝上大部分马达的信息，对比选出效率最高、功重比最大的型号；陀螺仪、加速度计、磁力计数据采集部分将采用微电子芯片传感器，主要考虑芯片输出的量程和精度；船载部分核心控制使用STM32 ARM板，其主要作用包括，控制马达的运转速度、通过I2C接口读取陀螺仪等信息采集模块的数据、通过通信模块将数据传输到地面控制端。

地面控制端采用STM32 ARM板进行LCD屏的数据显示，通过4G通信模块将陀螺仪等传感器的数据读出，在屏幕上设计交互按钮控制无人船的航行方向。