基于GPS定位的無人艇自主導航

陳永澤，舒軍勇，王真亮，謝能剛

(安徽工業大學　a.機械工程學院; b.研究生院，安徽 馬鞍山　243000)

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基于GPS定位的無人艇自主導航

陳永澤a，舒軍勇a，王真亮a，謝能剛b

(安徽工業大學a.機械工程學院; b.研究生院，安徽 馬鞍山243000)

研究了基于GPS定位技術的無人艇自主導航。根據GPS接收到的位置坐標和規劃的目標點坐標，提出一種自主導航算法。研制了無人艇實驗樣船，得到了無人艇實際航行軌跡。實際航行軌跡和理論航行軌跡的對比結果表明：該無人艇自主導航算法具有良好的魯棒性。

無人艇；GPS；自主導航

水面無人艇是一種具有自主規劃、自主航行能力，并可自主完成環境感知、目標探測等任務的小型水面平臺[1]。相對于無人機，對無人艇的研究起步較晚，但是其發展迅速。無人艇的研究對于水文監測、軍事偵察打擊等應用具有重要作用。目前已有許多國家在無人艇的研究方面取得卓越成果。例如美國“斯巴達偵察兵”無人艇、以色列“保護者”無人艇、我國“天象一號”無人艇等[2-4]。本文主要研究無人艇在給定目標點坐標的情況下，基于GPS定位技術[5-11]實現既定航線的自主航行過程控制。

1　無人小艇硬件設計

本研究無人艇實驗樣船裝置包括浮筒、支撐板、螺旋槳、蓄電池、中央控制器、電機驅動模塊、GPS模塊、若干導線等。實驗樣船如圖1所示。

圖1　無人艇實驗樣船

該無人艇船體的設計方案采用的雙體船，穩定性高。小艇的整體尺寸為3 000 mm×1 500 mm×325 mm。實驗選擇2個3 000 mm長的浮筒為整個實驗裝置提供足夠的浮力，2個浮筒上固定安裝一塊1 500 mm×1 300 mm的支撐板為其他設備提供安裝位置。2個螺旋槳作為推進器安裝在無人艇支撐板上的后兩側，對稱布置，與電機驅動模塊連接。蓄電池為整個裝置提供電源，直接連接電機驅動模塊，經降壓模塊與中央控制器連接。中央控制器分別與電機驅動模塊和GPS模塊連接。本實驗將GPS固定在船頭中間位置以便于船首位置和航向的計算。整個小艇的重心在約在小艇的幾何正中位置。硬件系統框架如圖2所示。

圖2　硬件系統框架

2　坐標系轉換

本研究GPS采用的坐標系是WGS-84，不僅輸出位置數據，還有日期、時間、航向、航速等參數[12]。由于本試驗是在小區域水域中航行，直接使用經緯度坐標相對直角坐標比較麻煩，因此將WGS-84坐標系轉化為墨卡托投影坐標系，x軸指向正東方向，y軸指向正北方向[13]。地球橢球長軸a=6 378 137 m，橢球短軸b=6 356 782.314 2 m。坐標變換公式見式(1)。

(1)

式中：λ0是起始點經度坐標；φ0是起始點緯度坐標；N是基準點的卯酉圈曲率半徑，計算公式見式(2)。

(2)

q是基準緯度的等量緯度，計算公式見式(3)。

(3)

3　無人艇航跡規劃及其制導規則

本研究GPS獲取的經緯度坐標轉換為墨卡托投影坐標[14]，無人艇航行位置和航向的調整采用螺旋槳差速原理，差速分高、中、低速。本文的制導算法是在梁秋憧等[15]的無人機自主導航算法、WEI Qiang等[16]的微型飛行器集合導航控制算法、屈薔等[17]的小型無人機自主導航算法、張東升等[18]的無人機應用GPS自主導航算法和MANABU OMAE等[19]的無人車轉彎算法的研究基礎上，結合無人艇航行規律提出的，適合本文無人艇航行的制導算法。

3.1矢量法直線制導

直線制導算法示意圖[15]如圖3所示。

圖3　矢量直線制導算法示意圖

無人艇規劃航跡線從A(xA,yA)點駛向B(xB,yB) 點，S0(xS0,yS0)是相對于無人艇當前位置點S1(xS1,yS1)的前一位置點，S0S1是無人艇的實際航向，β為無人艇允許航行角度范圍，ε為無人艇位置允許最大偏差，α為無人艇航向允許偏差，θ1為無人艇航向S0S1與AB的夾角，θ2為無人艇航向S0S1與S1D的夾角，dev為無人艇的實際位置偏差。無人艇的實際航行受到諸多因素影響：起始航向、風、水流、電機性能。無人艇在航行過程中需要調整其位置和航向。

首先基于GPS定位判斷無人艇的位置在規劃航跡線的左側還是右側，具體矢量直線制導算法如表1所示。

3.2矢量轉彎導航

矢量轉彎算法示意圖如圖4所示。

圖4　矢量轉彎算法示意圖

小艇從A點經B點駛向C點，首先完成AB段矢量直線航行。矢量轉彎航行先判斷小艇是順時針轉彎還是逆時針轉彎，轉彎算法如下：如果小艇是順時針轉彎，小艇在距離B點P1處開始減速，左螺旋槳加速，右螺旋槳減速，使小艇順時針轉彎，當小艇航向與BC平行時，即轉至P2點，小艇轉彎完成；如果小艇是逆時針轉彎，小艇在距離B點P1處開始減速，右螺旋槳加速，左螺旋槳減速，使小艇逆時針轉彎，當小艇航向與BC平行時，即轉至P2點，小艇轉彎完成。

4　實驗結果

本文實驗規劃航跡是正三角形、正四邊形、正五邊形和正六邊形，小艇航行軌跡如圖5所示。規劃航跡點的直角坐標直接輸入到程序中，本文的控制程序是基于C語言開發的，在Linux系統下運行，航跡控制程序直接存儲在中央控制器中。GPS通信協議是串口通信協議。本文將GPS默認波特率9 600改為38 400，縮短了GPS接收速率，使得無人艇螺旋槳反應加快。在無人艇航行過程中，GPS所讀取的信息存儲在中央控制器的內存中。

圖5　實驗結果

5　結束語

在GPS定位條件下，無人艇在直線導航階段位置偏移波動較小，在轉彎航行過程中位置偏移量約為5 m。小艇在航行過程中位置出現偏移是由于GPS信息接收和命令發出到做出判斷需要時間，因此調整具有滯后性，還有與GPS本身的誤差和小艇的慣性有關。通過實驗檢測，本文的航行算法具有良好的魯棒性，為進一步研究提供了參考。

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(責任編輯楊黎麗)

Unmanned Surface Vehicle Automatic Navigation Based On GPS

CHEN Yong-zea, SHU Jun-yonga, WANG Zhen-lianga, XIE Neng-gangb

(a.School of Mechanical Engineering； b.Graduate School,Anhui University of Technology, Maanshan 243000, China)

This paper mainly investigated unmanned surface vehicle automatic navigation based on GPS. According to the GPS received position coordinates and planning target point coordinates, this paper put forward an automatic navigation algorithm. Experimental sample of unmanned surface vehicle was established and actual trajectory was gained. By the actual trajectory and the comparison of theoretical trajectory as a result, we proved that the unmanned surface vehicle navigation algorithm has good robustness.

unmanned surface vehicle; GPS; automatic navigation

2016-03-18

江蘇省水利科技項目(2014078)

陳永澤(1990—)，男，安徽五河人，碩士，主要從事無人艇研究，E-mail:982079343@qq.com。

format：CHEN Yong-ze, SHU Jun-yong, WANG Zhen-liang, et al.Unmanned Surface Vehicle Automatic Navigation Based On GPS[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(8):117-121.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.08.019

TN967.1

A

1674-8425(2016)08-0117-05

引用格式：陳永澤，舒軍勇，王真亮，等.基于GPS定位的無人艇自主導航[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(8):117-121.