帆船智能自动驾驶系统 —— 基于 Arduino 双 MCU 的精准自动舵控
核心组件
- Arduino UNO（主控 MCU）× 1
- Arduino Nano（看门狗 MCU）× 1
完整 BOM 详见正文“Components List”节，含 GPS、步进电机、L298 驱动、RF433 遥控、LCD1602+i2c、EEPROM、多路复用器、锂电池、稳压、温感、保险丝等。
项目背景
独自航海时，自动驾驶能让水手腾出手享受“下午茶”。帆船无引擎，无法预设航点全程自航；自动驾驶仅在水手短暂休息时保持既定航向：GPS 获取航向/速度，步进电机经滑轮绳索控制舵杆，水手可通过遥控器或面板按键微调航向（±1°/±10°）。
系统架构
双 MCU 看门狗设计
- Uno（主控）： 处理 GPS 解析、舵向 PID 控制、按键/遥控交互、显示、传感器采集、EEPROM 参数存储。
- Nano（看门狗）： 独立监控 Uno 心跳。Uno 每 2.5s 翻转一次 Pin3→Nano A0；若超时未翻转，Nano 拉低复位引脚强制重启 Uno。未曾触发，但保险。
外设接口设计亮点
- LCD1602 + I2C 转接板： 仅 4 线占用引脚。
- 按键/遥控电阻分压： 6 个按键+4 键遥控共用 1 个 ADC 引脚，1% 精密电阻保证识别可靠。
- RF433 遥控 + 线圈天线： 实测 10m+，满足 4.2m 小艇需求。
- GPS (Beitian BN-220T)： 配置输出 2Hz
$GNRMC语句，接 Uno RX (Pin0)。烧录时须断开 GPS 避免占用串口。 - EEPROM (24C04 I2C)： 存储舵控参数（周期/最小动作/最大动作/系数），掉电保持。
- 4051 多路复用器： 扩展 ADC 采集电池电压、功耗分流电压、NTC 温度。
- 供电： 2S LiPo (7.4V) → 7805 → 5V，散热片上贴 NTC 过温报警，分流电阻 (0.22Ω/2W) 监测总电流，电压<7.0V 蜂鸣器报警。
- 指示灯： 黄灯 1Hz 闪烁=看门狗存活；蓝灯=自驾开启；红灯闪烁=遥控按键触发。
PCB 设计与组装
- 单面 PCB，含少量跨接线。提供元件面/焊盘面镜像文件，激光打印热转印制作。
- 双层堆叠：底层电源板，顶层自驾板，套在 Uno 上。
- 采用排针/杜邦线而非焊死，便于复用调试；建议量产时全焊接提高可靠性。
参数设置与传感器显示
长按黑键进入设置模式（航行中可直接进入），黑键翻页：
- 传感器页：电池电压(V)、功耗(mA)、散热温度(°C)
- Interval：舵控周期 (默认 2000ms，1000-5000ms 步进 100)
- Minimum：最小偏航触发阈值 (默认 2°，0-20° 步进 1)
- Max：单次最大舵角限幅 (默认 40°，10-45° 步进 1)
- Coefficient：舵角放大系数 (默认 1.50，0.1-4.0 步进 0.1)
- 第 6 页显示“Updating...”保存至 EEPROM
参数需海试调优：滑轮直径、杠杆比、舵杆长度、舵面灵敏度均影响响应特性。
实时运行逻辑
- 开机 GPS 定位，显示速度/时间/航向 H (R=目标航向，H=实时航向)。
- 连接舵绳，按蓝键启动自驾。系统周期性计算
calcmove = R - H（规一化到 ±180°）。 - 若
|calcmove| ≥ Minimum，按move = clamp(calcmove × Coeff, ±Max)驱动步进电机打舵，Interval后回中，形成“脉冲式”舵控。 - 红/绿键或遥控 ±1/±10° 修改 R；蓝键暂停/恢复；断开舵绳即夺回手动控制权。
软件核心要点
- 占用 65% Flash、45% RAM，运行稳健。
serialEvent()接收 2Hz GPS 数据 →nmeaExtractData()解析 →nmea0183_checksum()校验。兼容$GPRMC(EM406A) 与$GNRMC(BN-220T)。- Setup 阶段检查 EEPROM，首次运行自动格式化初始化（ID 校验 0x29/0x00）。
- 10s 周期通过 4051 读取传感器，低压/过温报警。
- 按键/遥控/显示刷新/看门狗喂狗均在主循环非阻塞处理。
- 核心函数
gomotor(steps)：使能驱动 → 步进电机移动步数 → 失能。
船上安装指南
自驾箱与步进电机固定于艉部。6mm 绕过两侧定滑轮（配弹力绳预紧），末端临时连接舵杆（快拆）。务必防水！
免责声明
这是一个供学习娱乐的 DIY 项目，非船级认证设备。真实航海请使用通过认证的商用自动驾驶。作者曾环球航行 16 个月，深知可靠自驾的重要性。本项目仅供技术探索与乐趣。
—— Marco Zonca
源代码
Autopilot.ino (Uno)
/* 完整代码见 GitHub，此处仅展示关键结构 */
#include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <NewTone.h> #include <Stepper.h> #include <Wire.h>
// ... 变量定义、EEPROM 读写、NMEA 解析、舵控算法、按键/遥控处理、看门狗喂狗、显示刷新 ...
// 核心函数：gomotor(), nmeaExtractData(), readMuxSensors(), RefreshDisplay(), checkRfRC(), checkHWButtons()
WatchDog.ino (Nano)
/* 看门狗核心逻辑 */
const int feedingPin = 14, ledPin = 15, restartPin = 16, buzzerPin = 17;
const long feedingInterval = 2500;
void loop() {
if (millis() - previousFeedingMillis > feedingInterval) {
digitalWrite(restartPin, LOW); // 复位 Uno
delay(500);
digitalWrite(restartPin, HIGH);
// 等待 Uno 重启...
}
// LED 1Hz 闪烁指示存活
}
完整代码：项目仓库（原文未给出完整链接，建议搜索作者 Marco Zonca 或项目名）
3D 打印件
- 23LM 步进电机安装板 (by Andrew Barney)
- 23LM 步进电机滑轮 (56 齿)
原理图
电源板、自驾板、接线图共 5 张 PNG，见 Schematics 栏。
制造工艺