CN110307834B - 基于低精度gps、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法 - Google Patents

基于低精度gps、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法，用于实现蟹塘自动作业船的导航。自动作业船的导航方式是从某点出发，沿塘堤平行，间隔一定行程的内螺旋路径。该发明通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。利用作业船与塘堤的距离，结合当前航向角，通过一定的数学计算，获得当前航向角与期望航向角的差值。将角度偏差值导入明轮电机驱动控制系统，利用PD控制方法调节产生左右明轮的转速差，实现作业船的航向控制，从而实现蟹塘自动作业船的导航。

Description

基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹 塘自动作业船组合导航方法
技术领域
本发明涉及导航与多传感器混合使用领域，具体涉及一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法。
背景技术
随着经济的持续发展，人们的生活水平明显提高，市场对河蟹的需求逐年增长。种草养殖的河蟹养殖塘，人力成本高，作业效率低，自动化、现代化、高效化水平明显不高。因此设计了一种自动导航水产养殖作业船。在作业船导航过程中，一般只使用单独的导航系统实现对船舶的定位、航向以及转向控制。但此种方法需要导航系统的精度达到厘米级别，设备投资大，并且航向控制需要较为复杂的算法。
发明内容
因此本发明基于降低成本，提出一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法。通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。利用三种传感器的数据，融合计算并判断转向依据，进而实现作业船的导航控制。本发明成本较低，并且多传感器拥有更多的判断依据，整套系统拥有更好的稳定性与抗风险能力。
本发明的目的是提供一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法，用于实现蟹塘自动作业船的导航。
1.本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(a)通过GPS系统的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，当作业船行驶至相关位置时，开始转向或者切换相应的航迹线。
(b)通过方位传感器确定作业船的当前航向角α。结合目标航线的航向信息，判断当前偏离目标航向的角度，为作业船的转向控制提供数据；
(c)通过特定的方式安装激光测距传感器，并通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤较为精确的距离L1。结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L2。实时监测L1的值，判断其数值大小，避免作业船与蟹塘堤岸相撞，对作业船造成损坏。
(d)分析激光测距传感器所得数据L1与GPS系统获得的定位信息。当二者的误差大于3m时，剔除激光传感器的数据；当误差小于3m时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据。
(e)利用激光测距传感器所得数据L1与步骤(a)中GPS系统的距离L，结合步骤(b)中方位传感器数据α，可得作业船当前位置在航线l1上的投影位置A。沿航线l1向前延伸一段距离h，获得目标点B。
(f)当目标点B超过当前航迹线CD的终点，则切换航迹线。当前航迹线CD与下一航迹线DE交于点D，以作业船当前位置O做航迹线DE的投影点O'。O'沿航迹线DE向前延伸h作为新的目标点B。
(g)利用作业船当前位置与目标点B的位置信息，获得目标航向角β。结合步骤(b)方位传感器所得当前航向角α，通过数学计算，得到航向角偏差e。
(h)判断作业船当前位置与目标点的距离OB。当OB距离较大时，作业船距离目标位置较远。此时给定较大的电机共模电流，作业船选择高航速运行；当OB较小时，作业船距离目标点位置较近。此时给定较小的电机共模电流，作业船选择低航速运行。
(i)将航向角偏差值e导入电机驱动控制系统，利用PID调节器产生左右明轮的差模电流信号，将差模电流信号导入左右明轮电机，产生左右电机的转速差，控制作业船转向。
2.所述步骤(a)中所述的GPS系统检测精度为2m。低精度的GPS系统所测得的作业船当前的经纬度信息不直接参与导航参数的精确计算，而是为作业船的导航信息融合提供判定依据以及地图信息。
3.所述步骤(b)中所述的方位传感器采用的是地磁传感器，是通过地磁感应元件确定当前的方向，因而对周边地磁环境较为敏感，安装过程中需要尽量避免四周的金属物质，减少地磁干扰。并且为了确保地磁数据的准确性，需要对方位传感器进行周期性的校准。校准数据存放于内部存储空间，方便方位传感器测量数据时调用。
4.所述步骤(c)中所述的激光测距传感器安装方式如下：
要求作业船明轮幅板安装错开1/2位置，由于幅板的压水作用，自动作业船在航行时左右会产生轻微的晃动；
水平安装在自动作业船上高于水面30-40cm的激光测距传感器随着船的晃动，有利于检测到距离较远的塘堤，以减小激光测距传感器安装过程中的误差。
当作业船GPS系统或方位传感器因磁场或者高频信号的干扰产生较大误差，导致作业船输出错误控制信号时，激光测距传感器可以通过判断当前作业船与堤岸距离L1的大小，避免作业船与堤岸相撞，从而提高整套系统的稳定性与抗干扰能力。
5.所述步骤(d)中所述的将激光测距传感器所得距离与GPS系统确定的大致距离进行比较，并且在二者误差大于3m时，剔除激光传感器的数据，选择GPS的数据作为依据进行下一步的运算。
在恶劣天气或者顺时风向变化剧烈的情况下，船体可能会出现较为剧烈的左右晃动，安装在船体侧边的激光传感器随着船体的晃动，所测目标点的位置会超出塘堤的高度，从而导致所获得的距离并非作业船与塘堤的真实距离。在这种情况下，GPS系统所获得的定位信息并不会产生巨大的改变，相较于激光测距传感器有着更为可靠。
6.所述步骤(g)中所述的数学计算方法如下：
方位传感器获得的当前航向角为α，由激光测距传感器获得的自动作业船与塘堤的距离为L1，根据角度关系，可得自动作业船与塘堤垂直距离L2
L2＝L1·cosα
设当前的目标航向角为β，则可通过三角关系以及反三角函数计算得到
Figure BDA0002099302570000031
则根据三角形AOB内角和关系，可得航向角偏差e为
e＝β-α
本发明的有益效果为：该发明的技术特点在于通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。利用作业船与塘堤的距离，结合当前航向角，通过一定的数学计算，获得当前航向角与期望航向角的差值。将角度偏差值导入明轮电机驱动控制系统，利用PD控制方法调节产生左右明轮的转速差，实现作业船的航向控制，从而实现蟹塘自动作业船的导航。
附图说明
图1转向角算法示意图；
图2转弯算法示意图；
图3明轮安装示意图；(a)左明轮；(b)为右明轮；
图4传感器位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。
本发明提出一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法，用于实现蟹塘自动作业船的导航。本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(j)通过GPS系统的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，如图1所示。当作业船行驶至相关位置时，开始转向或者切换相应的航迹线。
(k)通过方位传感器确定作业船的当前航向角α。结合目标航线的航向信息，判断当前偏离目标航向的角度，为作业船的转向控制提供数据；
(l)通过特定的方式安装激光测距传感器，并通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤较为精确的距离L1。结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L2。实时监测L1的值，判断其数值大小，避免作业船与蟹塘堤岸相撞，对作业船造成损坏。
(m)分析激光测距传感器所得数据L1与GPS系统获得的定位信息。当二者的误差大于3m时，剔除激光传感器的数据；当误差小于3m时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据。
(n)利用激光测距传感器所得数据L1与步骤(a)中GPS系统的距离L，结合步骤(b)中方位传感器数据α，可得作业船当前位置在航线l1上的投影位置A。沿航线l1向前延伸一段距离h，获得目标点B。
(o)当目标点B超过当前航迹线CD的终点，则切换航迹线。当前航迹线CD与下一航迹线DE交于点D，如图2所示。以作业船当前位置O做航迹线DE的投影点O'。O'沿航迹线DE向前延伸h作为新的目标点B。
(p)利用作业船当前位置与目标点B的位置信息，获得目标航向角β。结合步骤(b)方位传感器所得当前航向角α，通过数学计算，得到航向角偏差e。
(q)判断作业船当前位置与目标点的距离OB。当OB距离较大时，作业船距离目标位置较远。此时给定较大的电机共模电流，作业船选择高航速运行；当OB较小时，作业船距离目标点位置较近。此时给定较小的电机共模电流，作业船选择低航速运行。
(r)将航向角偏差值e导入电机驱动控制系统，利用PID调节器产生左右明轮的差模电流信号，将差模电流信号导入左右明轮电机，产生左右电机的转速差，控制作业船转向。
该发明通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。通过三种传感器的数据融合计算，实现自动作业船的转向选择与控制。具体将从以下几个方面进行阐述：
1、自动作业船的导航方式
蟹塘自动作业船的导航方式是从预先设定的某一起点出发，沿堤塘平行运动，间隔一定距离的内螺旋路径。该路径可通过一系列拐点的坐标进行描述，拐点与拐点之间则为航迹线。自动作业船通过遍历航迹线实现最大限度的覆盖蟹塘。
2、明轮的安装
自动作业船采用明轮驱动方式。明轮分布于船体两侧，水平位置相同，但明轮的幅板安装错开1/2位置，具体安装位置见附图3。当一侧明轮入水时，另一侧还未到达水面，入水一侧的压水动作会使船体产生轻微的倾斜。如此左右交替，使得自动作业船在航行时左右会产生轻微的晃动。通过这种机械结构，安装在自动作业船侧边的激光测距传感器随着船左右晃动，检测点不断地上下轻微移动，对短时间内的检测结果进行滤波，有利于获得较为准确的测量结果，并且有利于检测到距离较远的塘堤。
3、传感器的安装
3.1低精度GPS的安装
自动作业船导航系统采用精度为2m的低精度导航设备，能够确保在较成本的条件下，实现定位精度在2m的范围内。GPS采用单天线，天线安装位置如附图4，固定于船尾控制柜上方，位于自动作业船中轴线上。
3.2激光测距传感器的安装
激光测距传感器位于自动作业船一侧，并垂直于船体，保持相同的水平位置，高于水面30-40cm。具体位置见附图4。利用两侧明轮特殊的机械结构产生的轻微晃动，便于检测出较远侧塘堤的距离。
激光测距传感器用于检测自动作业船与塘堤的距离，为转向角的计算提供数据，也可作为低精度GPS系统的辅助判断依据，避免因GPS精度误差导致过于靠近塘堤或偏离航线。
3.3方位传感器的安装
方位传感器用于获得当前运动方向，为转向角的计算提供数据。安装与主控制柜内，位于自动作业船的中轴线上，安装位置如下图4。
需要注意，方位传感器主要成分是地磁感应器件，是通过地磁感应元件确定当前的方向，因而对周边地磁环境较为敏感。方位传感器安装时应当考虑周围空间的电磁屏蔽与干扰，安装过程中需要尽量避免四周出现金属物质，以免数据产生混乱，造成结果的不准确。
4、传感器的相互融合校正
本发明是一种基于低精度GPS、激光测距与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法。在不同外部条件下，三种传感器的数据准确度随环境变化而产生短时间的改变。这种情况下，继续单一依赖某种传感器的数据会使系统产生较大误差。故利用另一种或两种传感器对产生误差的传感器进行校正，提高整套系统对环境的容忍度与可靠度。
例如，当激光测距传感器所得数据L1与GPS系统所测数据相差大于3m时，剔除激光传感器的数据；当误差小于3m时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据。这是因为在恶劣天气或者顺时风向变化剧烈的情况下，船体可能会出现较为剧烈的左右晃动，安装在船体侧边的激光传感器随着船体的剧烈晃动，所测目标点的位置会超出塘堤的高度，从而导致所获得的距离并非作业船与塘堤的真实距离，而是岸边某一障碍物的距离。而在这种情况下，GPS系统所获得的定位信息并不会因为作业船左右晃动产生巨大的改变，相较于激光测距传感器有着更为可靠。
5、转向角的计算
本专利通过GPS系统的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，如图1所示。通过方位传感器确定作业船的当前航向角α。通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤较为精确的距离L1。结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L2。
自动作业船运行过程中，根据方位传感器获得的当前航向角为α，由激光测距传感器获得的自动作业船与塘堤的距离为L1，根据附图1图示角度关系，可得自动作业船与塘堤垂直距离
L2＝L1·cosα
设当前的目标航向角为β，则可计算得到
Figure BDA0002099302570000061
根据三角形补角性质可得航向偏差角e
e＝β-α
将航向角偏差值导入电机驱动控制系统，利用PID算法调节产生左右明轮的转速差，从而控制转向，直至自动作业船的当前航向与期望航向一致，保证自动作业船始终保持在航迹线上或者航迹线附近。
6、船速选择与判断
当作业船受到外界环境的影响，例如将强横向风或其他恶劣天气，偏离期望航迹线的轨道时，会自动调整明轮转速与转向，逐渐回归期望航迹线。在调整过程中，调节控制器会产生电机共模电流与差模电流。共模电流是指通过给定两侧电机相同的电流值，使得电机以相同的方向与速度转动，从而产生作业船前进或者后退的动力；差模电流是指通过给定两侧电机不同的电流值，使得电机以不同的方向或速度转动，从而产生作业船左转或者右转的动力。因此，在作业船调整过程中，会产生共模电流与差模电流两个电机控制量。具体控制策略如下：
在作业船偏离原有轨迹时，判断作业船当前位置与目标点的距离OB以及航向角偏差e，如附图1所示。当OB距离较大或者e较大时，作业船距离目标位置较远，且偏差角度较大。此时给定较大的电机共模电流与差模电流，作业船选择高航速运行；当OB较小或者e较小时，作业船距离目标点位置较近，且偏差角度较小。此时给定较小的电机共模电流与差模电流，作业船选择低航速运行。
7、航迹线的切换
本专利通过规划一系列的路径，实现作业船遍历蟹塘，全覆盖投饵。因此，需要在一段航迹线结束时切换航迹线。具体切换航迹线方法如下：
作业船在循迹过程中，会不断靠近目标航线，并逐渐沿着航迹线向前运行。因此目标点随着作业船不断向前移动。当目标点超过当前航迹线的终点，则切换航迹线。如图2所示，当前航迹线CD与下一航迹线DE交于点D。以作业船当前位置O做航迹线DE的投影点O'。O'沿航迹线DE向前延伸h作为新的目标点B。随着目标点B在下一航迹线DE上不断前移，作业船会跟着目标点逐渐转向，直至完全切换至下一航迹线。
综上，本发明的一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法，用于实现蟹塘自动作业船的导航。自动作业船的导航方式是从某点出发，沿塘堤平行，间隔一定行程的内螺旋路径。该发明通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。利用作业船与塘堤的距离，结合当前航向角，通过一定的数学计算，获得当前航向角与期望航向角的差值。将角度偏差值导入明轮电机驱动控制系统，利用PD控制方法调节产生左右明轮的转速差，实现作业船的航向控制，从而实现蟹塘自动作业船的导航。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种基于低精度GPS、激光测距与方位传感器的蟹塘自动作业船组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过低精度GPS的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，当作业船行驶至相关位置时，开始转向或者切换相应的航迹线；
通过方位传感器确定作业船的当前航向角α，结合目标航线的航向信息，判断当前位置偏离目标航向的角度，为作业船的转向控制提供数据；
安装激光测距传感器，并通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤的距离L 1，结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L 2，实时监测L 1的值，判断其数值大小，避免作业船与蟹塘堤岸相撞，对作业船造成损坏；
分析激光测距传感器所得距离L 1与低精度GPS获得的定位信息，当二者的误差大于一定值时，剔除激光传感器的数据；当误差小于一定值时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据；
分析激光测距传感器所得数据L 1与低精度GPS获得的定位信息，当二者的误差大于3m时，剔除激光传感器的数据；当误差小于3m时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据；
利用激光测距传感器所得距离L 1和目标航线与距离塘堤的距离L，结合方位传感器当前航向角α，得作业船当前位置在航线l 1上的投影位置A，沿航线l 1向前延伸一段距离h，获得目标点B；
当目标点B超过当前航迹线CD的终点，则切换航迹线，当前航迹线CD与下一航迹线DE交于点D，以作业船当前位置O做航迹线DE的投影点O’， O’沿航迹线DE向前延伸h作为新的目标点；
利用作业船当前位置与目标点B的位置信息，获得目标航向角β，结合方位传感器所得当前航向角α，通过数学计算，得到航向角偏差e；
判断作业船当前位置与目标点的距离OB，当OB距离较大时，作业船距离目标位置较远，此时给定较大的电机共模电流，作业船选择高航速运行；当OB较小时，作业船距离目标点位置较近，此时给定较小的电机共模电流，作业船选择低航速运行；
将航向角偏差值e导入电机驱动控制系统，利用PID调节器产生左右明轮的差模电流信号，将差模电流信号导入左右明轮电机，产生左右电机的转速差，控制作业船转向；
所述激光测距传感器位于自动作业船一侧，并垂直于船体，保持相同的水平位置，高于水面30-40cm；当作业船低精度GPS或方位传感器因磁场或者高频信号的干扰产生较大误差，导致作业船输出错误控制信号时，激光测距传感器通过判断当前作业船与堤岸距离L 1的大小，避免作业船与堤岸相撞；
通过数学计算，得到航向角偏差e方法如下：
方位传感器获得的当前航向角为α，由激光测距传感器获得的自动作业船与塘堤的距离为L 1，根据角度关系，可得自动作业船与塘堤垂直距离L 2 ：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
设当前的目标航向角为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，则可通过三角关系以及反三角函数计算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
则根据三角形AOB内角和关系，可得航向角偏差e为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
所述的低精度GPS检测精度为2m；
所述的方位传感器采用的是地磁传感器，通过地磁感应元件确定当前的方向，安装过程中避免四周的金属物质，对方位传感器进行周期性的校准，校准数据存放于内部存储空间，用于方位传感器测量数据时调用。
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