USV学习（二）：水面无人艇常见硬件有哪些——主控、RTK、推进器、通信模块详解

这一篇就专门把这个问题讲清楚。文章重点不是讲算法，而是讲 USV 常见硬件清单、每类硬件的作用、常见搭配方式、典型连接关系，以及安装布放逻辑。如果你后面准备自己做一个小型 USV，或者想看懂现有无人艇系统是怎么搭起来的，这篇内容基本就是必经的一步。ArduPilot Rover/Boat 官方文档也把 GPS/Compass、自动驾驶仪接线、电机与舵机输出、Boat 模式和 RTK/GPS Yaw 等内容作为整机装配的重要基础。

一、USV常见硬件分类

1.1 从系统角度看，USV 硬件可以分成七大模块

（1）平台结构模块

这一部分主要包括艇体、甲板、防水舱、设备安装支架、线缆通道和减振结构。它本身不直接参与控制计算，但会直接影响整艇的重心、稳性、抗浪性、设备安装空间以及后期维护便利性。很多时候，USV 能不能真正把 RTK、通信、推进器、摄像头这些设备稳定装好，首先取决于平台结构设计是否合理。这个思路和 ArduPilot 在"Autopilot System Assembly"里强调的整机装配逻辑是一致的：飞控不是孤立存在的，它必须嵌在完整载体结构中。

（2）导航定位模块

这一类硬件主要包括GPS、北斗、RTK、双天线 RTK、磁罗盘、IMU、惯导组合导航 等。它们共同解决的是三个问题：我在哪、我朝哪、我怎么在动。 对 Rover/Boat 这类载具来说，GPS 通常是自动导航的重要基础，罗盘也通常是常见配置；在更高精度的场景下，还会进一步引入 RTK 甚至双天线 GPS Yaw。ArduPilot 官方文档明确提到，GPS 在 Plane、Copter、Rover 中通常都是必需的，而 Compass 对 Rover 也通常是需要的。

（3）主控与计算模块

这一类包括Pixhawk、Cube、STM32 控制板、PLC、工控机、Jetson、树莓派等。简单来说，主控负责实时控制，工控机负责复杂任务。前者更偏飞控和运动控制，后者更偏视觉识别、任务调度、路径规划、人机交互和数据处理。ArduPilot 的 Rover 文档本质上就是围绕"自动驾驶仪 + 传感器 + 执行机构"的结构展开的。

（4）动力执行模块

这部分包括推进器、螺旋桨、电机、ESC、电调、舵机、舵机构、推力转向机构等。它们负责把控制器算出来的命令变成真实推力和方向控制。ArduPilot Rover 官方文档对两种典型结构给出了很明确的接线逻辑：一种是"舵机转向 + 油门 ESC"，另一种是"左右差速推进"。

（5）通信链路模块

这一类主要包括遥控接收机、数传电台、遥测模块、4G/5G 模块、无线网桥、卫星通信终端等。它们负责岸站与艇之间的命令下发、状态回传、视频回传和 RTK 差分数据传输。在 RTK 场景中，差分改正数据通常还需要单独链路送到艇上。ArduPilot 的 Here+ RTK 配置页就给出了"基站接地面站、艇载端接飞控"的连接思路。

（6）感知与任务载荷模块

这一类包括摄像头、雷达、激光雷达、测深仪、回声测深仪、声呐、水质传感器、ADCP、采样装置等。对于单纯的航行型 USV，它们可能不是必需；但对测绘、巡检、安防、环保监测和科研平台来说，这些往往才是"任务价值"的来源。ArduPilot Boat 文档也明确提到，Boat 场景支持 echosounders 这类用于水下测绘的载荷。

（7）能源与配电模块

这一类包括主电池、电源管理板、保险、DC-DC 模块、配电板、电流电压检测模块和 BEC 等。它们决定的不只是"能不能供电"，还决定了不同子系统供电是否稳定、噪声是否可控、航时能不能满足任务需要。早期 APM 文档就强调过，电源模块是自动驾驶仪常见供电方式之一。

二、USV最核心的几类硬件用处

2.1 主控 / 飞控：整艇的大脑

（1）主控到底负责什么

主控最核心的任务，是把传感器读进来的状态信息和任务系统给出的目标，转换成推进与转向指令。它既要读 GPS、罗盘、IMU、遥控输入，也要负责把结果输出给 ESC、舵机和其他执行器。对于基于 ArduPilot 的系统，这部分就是 Pixhawk/Cube 一类自动驾驶仪在做的事。官方接线文档中，GPS/Compass、RC 接收机、输出通道、串口外设等，都是围绕自动驾驶仪来组织的。

（2）主控一般怎么选

如果是教学、比赛、小型实验平台，常见选择是 Pixhawk、Cube、STM32 自研板；如果是偏工程项目或企业级系统，则可能会采用 PLC + 工控机 + 专用控制器的组合。如果你后面还想接 ArduPilot、Mission Planner 或 QGroundControl 这类成熟生态，那么用 Pixhawk 或 Cube 会更省事，因为它们的端口定义、参数体系和文档都比较成熟。

（3）主控一般接哪些东西

从连接关系看，主控上游一般接 GPS/RTK、IMU/罗盘、遥控接收机、遥测模块、相机触发器、部分任务传感器；下游则接 ESC、电机、舵机以及其他执行装置。

ArduPilot 文档说明了自动驾驶仪需要连接基础外设，并且电机与舵机通过 RC Output 口输出控制。

（4）主控一般装在哪里

主控通常装在艇体中部、防水舱内、靠近重心的位置。这样做有三个好处：一是振动更均匀，利于 IMU 工作；二是到前后模块的线缆更平衡；三是更利于整艇重心控制。安装时一般还会加减振胶垫或减振平台，避免推进器和艇体拍浪把高频振动直接传到主控上。这个布放逻辑和飞控安装的一般原则是一致的。

2.2 GPS / 北斗 / 罗盘：最基础的导航组合

（1）为什么 USV 离不开 GPS

无人艇要做自主航行、航点导航、返航、巡线，首先就得知道自己在全局地图上的位置。对于 Rover/Boat 这类平台，GPS 通常就是最基础的位置来源。ArduPilot 文档明确提到，GPS 对 Rover 通常是必需的，除非你使用了其他位置确定系统。

（2）为什么很多 GPS 会带罗盘

因为仅知道位置还不够，控制器还需要知道船头朝向哪里。很多外置 GPS 模块会把 GNSS****（全球导航卫星系统） 和 Compass**（指南针/罗盘）**集成在一起，一方面便于布线，另一方面也能把罗盘放得更远离电源线、电机和 ESC，从而减小磁干扰。早期 APM 文档就专门强调，外置罗盘的好处之一，就是可以远离动力系统放置。

（3）GPS/罗盘如何连接

ArduPilot 官方文档说明，GPS 一般通过飞控的 GPS 口或对应串口接入，并特别提醒 GPS 要接到第一个配置为 GPS 协议的串口上，否则开机过程中可能找不到 GPS。文档还提到从自动驾驶仪到 GPS 模块的 TX 和 RX 是交叉连接的。

（4）GPS/罗盘装在哪里

这类模块一般放在艇体顶部较高位置，比如甲板上方小支架、桅杆顶部或顶部平台，核心原则就是：无遮挡、离干扰源远、尽量在中心线上。 如果装得太低，容易被设备遮挡；如果离电机、电调、电源线太近，又容易受磁场干扰，导致航向漂移。

2.3 RTK：把普通定位提升到工程级精度

（1）RTK 和普通 GPS 的区别是什么

普通 GPS 解决的是"能定位"，RTK 解决的是"高精度定位"。ArduPilot 的定位文档指出，RTK 可以把普通米级定位精度提升到厘米级；而在双天线方案下，还可以进一步利用 GPS 做航向估计。

（2）RTK 适合哪些 USV 场景

只要你对航线精度要求高，RTK 基本就有价值。典型场景包括测绘测扫、断面巡测、精准循线、定点悬停、编队航行、自动靠泊以及高精度采样。因为这些场景一旦偏航、偏线，任务数据质量就会明显受影响。Boat 模式里支持 Loiter 和保持位置能力，本质上也会受定位质量影响。

（3）RTK 系统一般由哪些部分组成

一套典型 RTK 系统至少包括：艇载 RTK 天线、艇载 RTK 接收机、基站或 NTRIP 差分源、以及一条把差分数据送到艇上的链路。ArduPilot Here+ 文档中，车辆端的 "Rover" 模块接飞控，基站端接地面站电脑，这就是很典型的艇载端 + 基站端结构。

（4）RTK 怎么连接到主控

如果是单 RTK 模块，通常就是 RTK 接收机通过 GPS 接口或串口接入主控；如果是基站 + 艇载端方案，则需要基站通过地面站和遥测链路，把 RTCM 改正数据送到艇载端，艇载端再把高精度位置送到飞控。ArduPilot Here+ 页面和 RTK 集成示意图都反映了这条链路。

（5）RTK 天线放哪里最好

RTK 天线一般应放在艇体最上方、中心线附近、尽量无遮挡的位置。这样可以获得更好的天空视野，减少多路径误差，同时也更利于姿态变化时保持稳定测量。如果采用双天线 GPS Yaw，ArduPilot 文档明确要求两天线至少间隔 30 cm，并说明双 GPS 可以接在串口或 DroneCAN 上。

（6）双天线 RTK 为什么有意义

双天线 RTK 的价值在于，不仅能给位置，还能给航向。ArduPilot 文档指出，双天线或双模块方案可用来估计 yaw，这样就可以降低对磁罗盘的依赖，减少电机和 ESC 带来的磁干扰问题。对于金属结构多、电磁环境复杂或大电流推进平台，这一点尤其有价值。

2.4 IMU / 惯导：负责高频姿态与运动状态估计

（1）IMU 的作用是什么

IMU 负责测量加速度和角速度，它的特点是更新快、实时性强，适合做短时姿态和运动变化估计。单靠 GPS 更新频率往往不足以支撑平滑控制，IMU 则可以弥补这部分高频信息缺口。因此在自动控制里，真正直接参与闭环的一般不是单一 GPS，而是融合后的状态估计。ArduPilot 的姿态与航向估计参数中，也会结合 compass 或 GPS yaw 等来源共同参与航向解算。

（2）IMU 一般装在哪里

IMU 最理想的位置，是接近整艇重心、结构刚性较好、振动相对较小的区域。因此它常常直接集成在主控飞控内部，或者安装在与飞控相近的位置。它不适合靠近推进器、拍浪最剧烈的位置或柔性舱盖上，否则高频振动会严重影响测量质量。这个布放原则与飞控安装原则是统一的。

2.5 推进器 / 电机 / ESC：让船真正动起来

（1）推进系统负责什么

推进系统是控制系统的执行末端，负责把"控制命令"变成"推力输出"。对 USV 来说，最常见的方式有两类：一种是单推进 + 舵机转向，另一种是双推进差速转向。ArduPilot Rover 文档正是围绕这两种结构给出接线方法。

（2）单推进 + 舵机转向怎么接

在这种模式下，舵机一般接 RC Output 1，电机 ESC 一般接 RC Output 3。ArduPilot 文档给出的默认功能映射是 SERVO1_FUNCTION = 26，也就是 Ground Steering，而 SERVO3_FUNCTION = 70，也就是 Throttle。这个结构最接近传统小船和车模式控制，理解起来也最直观。

（3）双推进差速怎么接

差速结构里，左推进器接输出 1，右推进器接输出 3，控制器通过改变左右推力差来实现转向。ArduPilot 文档把这种方式称为 Skid Steering。对于双体船、小型测量艇、没有传统舵机的无人艇，这种结构很常见，因为机械结构简单、控制响应快。

（4）推进器和 ESC 一般装在哪里

推进器通常装在艇尾、两侧尾部或船底靠后位置，以便形成稳定的推进方向和足够力臂；ESC 则大多放在防水舱内靠近推进器的区域，这样动力线不会太长。安装时要同时考虑防水、散热和维护便利。Blue Robotics 的 T200 产品与使用指南也明确说明，这类推进器不仅能用于 ROV/AUV，也能用于 surface vessels。

（5）什么时候用涵道推进器

如果你更关注低速控制、精准循迹、近岸操纵、抗水草缠绕或安全性，涵道推进器往往会更合适。对于很多小中型 USV，双涵道差速是很常见的方案，因为它兼顾了结构简单和控制精细。ArduPilot Boat 文档中也提到，Boat 场景可以支持 thrusters，甚至可以打开 vectored thrust 来改善转向响应。

2.6 舵机与舵机构：不是所有 USV 都靠差速转向

（1）舵机的作用

对于采用传统船舶式推进的 USV，舵机主要负责转动舵面，或者带动可转向推进器，从而实现方向控制。它不直接提供前进动力，而是改变推力方向或水流方向。ArduPilot 文档中专门把"Separate Steering and Throttle"作为一种标准模式。

（2）舵机一般怎么装

舵机一般装在艇尾内部舱室，通过连杆、转轴或舵臂与外部舵机构连接。这样可以尽量减少暴露在水中的精密部件数量，提高可靠性。它与主控一般用标准 PWM 方式连接，调试时要重点关注中位、限位和舵角方向。

2.7 遥测模块、数传、电台、4G：让艇和岸站连起来

（1）为什么 USV 一定要有通信链路

无人艇不是完全孤立工作的。你需要看它的位置、模式、电量、速度、航向，有时还需要下发任务、接管控制、传 RTK 差分或回传视频。所以通信链路不是锦上添花，而是系统基本能力。ArduPilot 的自动驾驶仪接线页把 Telemetry 作为常见外设接口之一，而 Here+ 配置页又进一步体现了 RTK 对数据链路的依赖。

（2）常见通信模块有哪些

最常见的是三类：第一类是传统遥测电台或数传，用于 MAVLink 状态链路；第二类是 4G/5G 或无线网桥，用于远距离控制和视频回传；第三类是遥控接收机，作为人工接管通道。不同链路承担的任务不一样，工程上往往是组合使用，而不是单独依赖一种。

（3）通信模块怎么接

遥测模块通常接飞控的 TELEM 口；4G/5G 模块和网桥更多接工控机、伴随计算机或上位机通信设备；遥控接收机则接主控的 RC 输入。ArduPilot 文档也提到，某些接收机可以通过特定串口接入。

（4）通信天线装哪里

通信天线一般都应放在艇体高处，并尽量远离电机、电调和大电流电源线。原因很直接：更高的位置有利于传播，更远离干扰源则有利于稳定通信。实际布放时，RTK/GNSS 天线、数传天线、4G 天线往往还会适当分开，避免互相影响。这个思路也与 GPS/Compass 远离干扰源的原则一致。

2.8 摄像头、雷达、测深仪和任务载荷：决定 USV 能做什么任务

（1）为什么 USV 不只是"会跑"

如果一条艇只能按航线跑，那它更像一个航行平台；而真正体现应用价值的，是它搭载的任务系统。Boat 文档中提到 echosounders 和 ReefMaster bathymetry，这已经说明了 USV 在测深和水下测绘场景中的典型应用。

（2）摄像头一般装哪里

前向摄像头一般装在艇首或桅杆位置，目的是获得更好的前向视野；云台相机则更适合装在顶部，便于巡视和监控。若是安防或巡检型 USV，高位视角往往更有价值；若是靠泊或近距离避障，则前视位置更重要。这个布放逻辑与地面车辆和机器人视觉安装思路类似。

（3）测深仪和声呐装哪里

测深仪、单波束回声测深仪、多波束声呐等，需要安装在艇底或与水体良好耦合的位置，这样才能获得稳定测量。Boat 文档中之所以专门提 echosounders，就是因为它们是 Boat/USV 很常见的专业任务载荷。

2.9 电池 / 电源管理：决定能跑多久，也决定系统稳不稳

（1）电源系统为什么特别重要

USV 上往往同时存在大功率推进系统和低噪声电子系统。推进器需要大电流，飞控和传感器则需要稳定、干净的低压电源。如果配电做得不好，轻则飞控重启，重则传感器漂移、通信异常甚至烧毁设备。ArduPilot 相关文档长期都把电源模块作为基础装配的一部分。

（2）电池一般装在哪里

主电池通常装在艇体内部较低、靠近重心的位置。原因有两个：一是压低重心，提高稳性；二是减少推进器加减速时对纵倾横倾的影响。配电板、电源模块和稳压模块一般放在靠近主控但又便于维护的位置，既方便接线，也便于监测电压电流。

（3）供电如何分层

一条比较合理的供电逻辑，通常是主电池先到配电与保护模块，再分成推进系统高功率供电、主控与传感器低压供电、通信与工控机供电三路。这样能把"脏电"和"净电"尽量分开，减少互相影响。虽然不同平台具体做法不一样，但这种分层思路在工程上非常普遍。结合 ArduPilot 自动驾驶仪供电结构来看，这种思路也是符合实践的。

三、USV 常见硬件的典型搭配方案

3.1 入门型小型 USV 搭配

（1）适合什么场景

适合教学、验证、比赛、小范围巡航和基本自主导航。

（2）典型配置

一块 Pixhawk 或 STM32 主控，一个 GPS+Compass 模块，一套遥控器与接收机，一对推进器或单推进 + 舵机，一套 ESC，一个数传模块，一块主电池。这样的系统已经能完成基础手动控制、航点导航和简单返航。GPS/Compass、RC 接收机和电机输出的连接方式，ArduPilot 文档都已经给出了基本模式。

3.2 工程型测量 USV 搭配

（1）适合什么场景

适合测深、断面巡测、测扫、精准巡线、水环境监测。

（2）典型配置

在入门型基础上增加 RTK、双天线 GPS Yaw 或高等级惯导，再增加 4G/网桥链路、工控机、测深仪、水质传感器等任务载荷。Boat 文档中提到的 Loiter、保持位置、echosounders 和 bathymetry，就是这类平台比较典型的应用方向。

3.3 高可靠型自主作业 USV 搭配

（1）适合什么场景

适合长航时、复杂环境、自主作业、巡检安防、多艇协同。

（2）典型配置

这类系统通常会进一步引入双 GPS、双通信链路、工控机 + 主控双层架构、更规范的配电保护和更成熟的任务载荷系统。双 GPS Yaw、外置罗盘、独立通信链路与标准化自动驾驶仪接口，都是提高可靠性的常见做法。

四、USV 的完整连接关系

4.1 一条典型的数据流

（1）感知链路

GPS/RTK、罗盘、IMU、摄像头、任务传感器先采集位置、航向、姿态和环境信息，再送入主控或工控机。GPS/Compass 通常走 GPS 口或串口，遥测走 TELEM 口，任务载荷则视接口类型选择串口、CAN、USB 或网口。

（2）控制链路

主控根据当前位置、目标航点、航向偏差和速度状态，计算出推进器油门和舵机角度，再通过输出口把命令发送给 ESC 和舵机。单推进 + 舵机模式与双推进差速模式，ArduPilot 文档都给出了明确的输出关系。

（3）通信链路

主控和工控机再把状态通过数传、遥测或 4G/网桥回传到岸站；如果系统使用 RTK，基站或 NTRIP 差分改正数据还要反向传回艇上。Here+ 和 RTK 集成图就是这一过程的典型说明。

4.2 一条典型的物理布放逻辑

（1）上层甲板与桅杆区域

一般放 GNSS/RTK 天线、数传天线、4G 天线、摄像头、雷达等。原因是这些设备需要更好的视野或传播条件。GPS/Compass 外置也正是为了远离动力系统噪声。

（2）艇体中部防水舱

一般放主控、工控机、配电模块、电源管理、遥测模块和核心线束。这个区域最适合做系统"中枢"，利于重心控制，也利于维护。

（3）艇尾与水下执行区域

一般放推进器、螺旋桨、舵机联动机构、尾部任务传感器和部分电调。这个位置更利于形成稳定推进和转向力矩。电机/舵机输出口与这种安装方式也是对应的。

（4）艇底任务区域

一般放测深仪、声呐、取样口、水质探头等。只要载荷需要与水体直接接触或面向水下探测，通常都会优先考虑艇底或水线附近合理安装位。Boat 文档里提到的 echosounders 就属于这一类。

五、初学者问题总结

5.1 GPS 和 RTK 是不是一回事

不是

GPS 是基础定位来源，RTK 是基于 GNSS 的高精度差分定位方案。前者解决"知道大概在哪"，后者解决"知道得足够准"。ArduPilot 文档中对 RTK 的描述也明确强调了厘米级精度提升。

5.2 有了 RTK 还要不要罗盘

看方案

如果只是单天线 RTK，一般仍然需要罗盘或其他航向来源；如果是双天线 GPS Yaw，则可以显著降低对罗盘的依赖。ArduPilot 的 GPS for Yaw 文档已经明确说明了这一点。

5.3 USV 一定要用 Pixhawk 吗

不一定

Pixhawk 只是一个成熟、文档丰富、生态完善的选项。你也可以用 STM32、PLC 或自研控制器。但如果你希望快速搭系统、直接用成熟地面站和参数体系，Pixhawk/Cube 往往更省时间。这个判断来自其成熟的接线文档、输出映射和 Boat/Rover 支持。

5.4 差速推进和舵机转向，哪种更适合 USV

没有绝对答案

小型双体艇、小型测量艇、需要结构简化的原型平台，常常更适合差速推进；采用传统船型、单主推进或已有成熟舵系结构的平台，则更适合舵机转向。ArduPilot 同时支持这两种方式，也说明它们都是工程上很常见的路线。

六、总结

这一篇我们把水面无人艇从"系统概念"进一步落到了"具体硬件"。从工程角度看，一条 USV 至少要把四件事讲清楚：用什么硬件、每个硬件干什么、这些硬件怎么接、这些硬件装在哪里。

主控决定系统如何思考

GPS/RTK 和 IMU/罗盘决定系统如何认识自己

推进器和舵机决定系统如何真正运动

通信模块决定艇和岸站如何协同

任务载荷决定这条艇到底能完成什么任务

能源系统则决定整套系统是否能够稳定、持续地工作

ArduPilot Rover/Boat 的官方文档把这些模块分别落到了 GPS/Compass 接线、电机与舵机连接、Boat 配置、RTK 与 GPS Yaw 等具体页面里，也从侧面说明：USV 的本质从来不是某一个单独硬件，而是一整套模块化协同系统。