微型多功能无人船软硬件系统开发

1. 项目概述与设计指标

本项目针对小型水域精细化作业需求，在 500mm×300mm×100mm 的尺寸约束下，开发了一款集成零能耗垃圾归集、定量投饵、水质浊度遥测与机器视觉辅助驾驶的微型无人船。系统基于树莓派 Zero 2W 边缘算力底座，满载重量控制在 1540g，吃水线 50mm。实测底层控制端到端延迟均值 42ms，视觉识别帧率稳定于 30FPS，各项参数均达到预期工程指标。

2. 机械结构与流体优化

船体外部进行了结构件的布局，前部安装了撞角以提供物理防护，并合理放置了雷达与通信天线，确保信号收发质量。尾部为主要的推进与转向机构。

↑ 左侧：船艏撞角、雷达及天线布局；右侧：尾部推进及转向机构

船首参考破冰船特征设计了特定角度的引流撞角，利用航行相对水流自然剥离漂浮物，实现零能耗垃圾归集。以下为水流仿真的验证结果：

↑ SolidWorks 流体力学仿真，验证斜面结构可有效改变驻点分布并导流漂浮物

船体外壳采用 PETG 材质 3D 打印成型。针对初期实验暴露的漏水问题，经切片软件排查，确认根源在内墙与底面实心填充交界处无法绝对致密。工程端采用 K-704B 有机硅密封胶厚涂填缝配合层纹修补液，成功通过了后续 5 小时静水渗水复测。

↑ 左侧：切片软件排查底面与内墙结合处的致密性缺陷；右侧：涂胶密封后的 5 小时静水防渗测试

后部投饵机构受微型船体重心严格约束，整体架设于舱盖上方。初期刚性连杆设计在运行至死角时会导致舵机严重堵转卡死，最终改用柔性软片拨刷结构，依靠非刚性材料形变容差越过机械死点，彻底解决了卡弹故障。

↑ 投饵摆臂机构结构详图及一体成型的摇臂设计

3. 硬件拓扑与信号隔离

针对单块 7.4V 电池供电导致的电压域矛盾，系统采用电调 BEC 逆向供电拓扑：将双路电调内置的 5V 开关降压输出逆接至 PCA9685A 驱动板，供投饵舵机与射频接收机取电；树莓派则通过独立稳压供电，仅共地连接。该方案在节省降压模块体积的同时，实现了动力域与逻辑域的电气隔离。

↑ 舱内电气布局：核心计算节点置于高位防患渗水，动力与信号走线物理分区

↑ 左侧：底层 I2C 总线与程序调试；右侧：有刷电机驱动模块实拍

4. 控制算法与代码实现

底层滤波算法：在带水波纹的水面工况下，超声波返回数据存在剧烈跳动。软件底座实现了一套七元素滑动窗口复合滤波算法：剔除极大极小值后再做一阶低通滤波，实测将数据方差从 14.5cm 降至 1.2cm。

↑ 代码实现：超声波七元素滑动窗口与复合滤波 (hardware/sensors.py)

双发电机动态补偿：针对廉价有刷电机物理响应不对称特性，底盘控制解算器引入了动态前馈补偿。通过 Trim 参数将左电机最大占空比强行截断在 85%，并在越过中位死区时给右电机注入 13% 初始占空比，通过纯软件层面的校准实现了同步直线行驶。

↑ 代码实现：底层混控限幅配平与右电机起步死区补偿 (hardware/motor_controller.py)

轻量化视觉与调度：弃用重载 YOLO 模型，改用 MobileNetSSD Caffe 轻量化网络置于 OpenCV DNN 后台异步推理。为控制功耗，开发了基于 RC 通道的按需唤醒调度机制：常规巡航切断视频流进程，仅在接收到指令时拉起摄像头激活 PID 追踪，整机续航提升约 40.3%。