论文总字数：30202字

摘 要

本文主要着眼于无人船遥控方面进行研究，详细阐述了国内外无人船的历史、发展状况及其面临的挑战，并提出本课题的主要研究任务，同时介绍了系统总体控制方案和各部分模块的主要功能。

整体系统使用模块化方案，该方案采用基于Windows的Qt平台和ARM处理器进行控制器的设计，并利用无线通信技术进行无线遥控。通过对常用核心控制器的性能进行比较，该模型最终采用以STM32F103ZET6芯片作为核心处理器，并在外部搭建串口模块和SPI通信模块等诸多硬件资源。同时基于STM32固件库进行程序开发，通过串口模块和无线通信模块进行指令传输，驱动螺旋桨来控制船体的运动，以实现前进、后退、加速、左转、右转和停止的功能。通过实地试验，能够简单地控制无人船的运动，基本符合预期的设计要求。

关键词：无人船 Qt图形控制界面 无线通信技术

Design and Implementation of Unmanned Surface Vehicle in 2015

Abstract

This thesis mainly focuses on the remote control of USV. The article firstly makes a detailed introduction of the history, the present condition and the challenges of the USV at home and aboard, the main task of this project, the overall control strategy, and the principle functions of modules in detail.

The overall control system is designed based on the modularization. The master controller is carried out by the Qt for Windows and ARM microprocessors in this scheme while wireless communication technology is applied for the remote control of this vehicle. After comparing the performances of common core controllers, the STM32F103ZET6 microprocessor is chosen as the core controller, expanding many peripheral hardware resources, such as serial port module and SPI communication module. The software is mainly based on the firmware library of STM32 and control commands of graphical user interface are transferred via serial module and wireless communication module. Immediately receiving the instructions, the two propellers would be driven to control the movements of the vehicle, realizing the functions of forward/ backward/ speedup/ turning left/ turning right/stop. Through a series of field trials, the system realized simple remote control of the USV, and the results suggest that the system achieves the anticipated design goal.

Key Words: USV; Qt GUI; wireless communication technology

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 无人船国内外技术发展及现状 2

1.2.1 国外技术发展及现状 2

1.2.2 国内技术发展及现状 3

1.3 无人船研发面临的挑战 5

1.4 课题主要研究内容 6

第二章 系统总体方案介绍 8

2.1 需求分析 8

2.2 方案选型 8

2.2.1 核心微控制器的选择 9

2.2.2 无线通信方式选择 9

2.2.3 系统软件设计思路 11

第三章 系统硬件部分设计 12

3.1 主控制模块 12

3.1.1 复位电路 12

3.1.2 时钟电路 13

3.2 无线通信模块 13

3.3 串口通信模块 16

3.4 电机驱动模块 17

第四章 基于STM32固件库的软件设计 19

4.1 关于STM32固件库介绍 19

4.2 开发环境及移植步骤介绍 19

4.3 具体程序设计内容 21

4.3.1 串口通信部分 21

4.3.2 无线通信部分 22

4.3.3 电机驱动部分 24

第五章 Qt图形控制界面设计 27

5.1 开发环境介绍 27

5.1.1 Qt软件平台简介 27

5.1.2 Qt Creator介绍 27

5.2 具体程序开发 27

5.2.1 QtSerialPort部分 28

5.2.2 Push Button部分 29

第六章 整体系统测试 30

6.1 整体实验测试平台 30

6.2 Qt图形界面和无线通信模块测试 31

6.3 PWM波占空比测试 32

第七章 总结与展望 35

7.1 课题总结 35

7.2 课题展望 35

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着高新科技的进步，引发了一系列的技术创新，其中信息技术的飞速发展，使得工业、军事等领域都逐步向无人化方向发展。欧美等发达国家一直在积极开展对于无人化工作平台的应用及其相关问题的研究，并已经实际应用了一些具备实质性价值的产品^[[1]]。

在无人化工业领域中，已经存在应用于海上作业和煤矿作业的工作平台。在这些平台的工作设备上都运用了各类自动控制系统，可以实现实时收集现场各类数据并将信息传输到监控中心，使监控中心工作人员可以监控设备的工作状况，并在必要时对设备运行进行遥控控制。在军事领域，无人化工作平台也已被广泛应用，其中包括无人作战系统、各类无人机和军用机器人等。例如美军用于地雷探测及排除、监视和灭火等工作的MOR-800型智能机器人车；用于情报战况搜集，可持续性工作的“全球鹰”无人机等^[[2]]。

依据执行任务和工作环境的不同，无人化平台一般分为：武装机器人、无人机、无人化工业平台和水下机器人等不同类型。无人水面船（Unmanned Surface Vehicle，简称USV）也是无人化工作平台的一种，作为一种新型的概念船，能够自主在水面进行较长时间行驶，同时可以由操作人员进行远程遥控操作以完成相应任务^[[3]]。现阶段，无人机早已在军事、工业和农业领域得到广泛应用，而USV的研究暂时落后无人机，但到目前为止，无人船在科研和军事等领域也已得到部分应用^[[4]]。

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