CN114370869B - 一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法，通过获取无人艇与定位点之间的距离偏差和航向偏差，确定偏差分类，并进行航向调整，以控制驱动器改变左右推进器的转向、控制驱动器去调整左右推进器的转速，进行航向偏差调整；若偏差类型属于大于较大偏差值，控制左右推进器正或反向转动，以调整方向和姿态，控制无人艇前进或后退来靠近定位点，直至航向调整完毕。本发明针对固定双桨驱动的无人水面艇，在不增加侧向推进器的情况下，仅通过增加自定位软件功能模块便可实现其在欠驱动情况下的动力定位控制。本发明适用范围广、可移植性好、定位精度高，可广泛应用于固定双桨驱动的无人水面艇上。
Description
技术领域
本发明涉及无人水面艇的自定位技术，具体为一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法。
背景技术
随着自动化技术、无线通信技术、人工智能技术的发展，无人智能系统得到了普遍的应用，无人水面艇(unmanned surface Vehicle,USV)作为一种小型无人水面智能任务平台，具有体积小、成本低、雷达反射面积小、智能化等优势，特别适用于执行一些危险、枯燥、不适合载人船只执行的任务，被广泛应用于军、民应用领域，在军用领域主要用于巡逻、侦察、反雷等任务，在民用领域主要用于水上救援、水文气象环境探测、水声环境探测、水面水下目标模拟等。在这些应用领域中，大部分都对无人水面艇的动力定位功能有强烈的需求。
发明内容
为解决上述现有技术存在的不足，发明人经过研发设计，针对固定双桨驱动的无人水面艇，在不增加侧向推进器的情况下，仅通过增加自定位软件功能模块便可实现其在欠驱动情况下的动力定位控制。本发明适用范围广、可移植性好、定位精度高，可广泛应用于固定双桨驱动的无人水面艇上。具体的，本发明是这样实现的：
一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法，包括以下步骤：步骤S1：获取MEMS惯性/卫星组合导航仪器的传感器数据信息，获取当前无人水面艇的位置坐标信息、航向信息、航速信息；获取无人水面艇靠近的定位点的坐标信息；步骤S2、基于步骤S1中的信息，将无人艇与定位点的经纬度坐标，转换成局部平面坐标，并构建简化计算的平面坐标模型，获取无人艇与定位点之间的距离偏差和航向偏差；步骤S3、基于步骤S2的距离偏差和航向偏差，确定偏差分类，偏差分类包括，小于较小偏差值、大于较小偏差值但小于较大偏差值、大于较大偏差值；步骤S4、若偏差类型属于小于较小偏差值，则无需进行自定位；若偏差类型属于大于较小偏差值但小于较大偏差值，则基于无人艇与定位点之间的距离偏差和航向偏差进行航向调整，以控制驱动器改变左右推进器的转向、控制驱动器去调整左右推进器的转速，进行航向偏差调整；若偏差类型属于大于较大偏差值，控制左右推进器正或反向转动，以调整方向和姿态，控制无人艇前进或后退来靠近定位点，直至航向调整完毕。
进一步的，述步骤S2中构建简化计算的平面坐标模型，还包括MEMS惯性/卫星组合导航仪输出的位置坐标以及定位点坐标是WGS-84坐标系下的经纬度坐标；所述平面坐标模型为建立地球的椭球简化模型来计算，将无人艇工作区域转换成局部的平面坐标，然后在该平面坐标系下结合无人水面艇的航向计算出当前无人水面艇与定位点的距离偏差和航向偏差。
进一步的，步骤S4中还包括：左右两边推进器转向相同，转速相同，可实现无人水面艇原地转向(为了消除两个推进器的同向转动扭力，安装了一对桨叶相反的推进器)，左右推进器的转速大小决定调整航向的快慢，具体的航向调整控制使用模糊PID控制器来实现，达到快速调整航向并迅速收敛，稳定地指向定位点的要求。
本发明的有益效果：本发明的一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位技术，在不增加侧向推进器的情况下，仅通过增加自定位软件功能模块便可实现其在欠驱动情况下的动力定位，本发明适用范围广、可移植性好、定位精度高，可广泛应用于固定双桨驱动的无人水面艇上。
附图说明
图1为自定位无人水面艇硬件构成框图；
图2为经纬度坐标转换成局部平面坐标的简化计算模型示意图；
图3为无人水面艇的自定位模型图；
图4为自定位软件模块的工作流程图；
图5为模糊PID控制器原理结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明“一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位技术”实现所需主要硬件构成如图1所示，由控制器单元、传感器单元、执行器单元，其中控制器单元可使用普通的工业控制器，传感器单元采用MEMS惯性/卫星组合导航仪器，执行器单元由推进器和驱动器组成。控制器单元有串行通信接口用于获取MEMS惯性/卫星组合导航仪提供的数据，重要获取无人水面艇的位置坐标、航向及航速数据，控制器单元还需要有用于控制电机驱动器的DA接口(模拟量输出接口)和DO接口(数字量输出接口)，DA用于控制推进器电机的转速大小，DO用于控制推进器电机的转动方向。
对每个关键部分的实施实例进行说明：
(1)利用MEMS惯性/卫星组合导航仪实时获得无人水面艇的位置坐标、航行姿态和航行速度信息，MEMS惯性/卫星组合导航仪输出的位置坐标以及定位点坐标一般都是WGS-84坐标系下的经纬度坐标，为了计算无人艇与定位点的距离偏差和航向偏差，需要将其转换成平面坐标,考虑到无人水面艇的工作范围较小，如图2所示，建立地球的椭球简化模型来计算，将无人艇工作区域转换成局部的平面坐标，如图3所示，在该平面坐标系下结合无人水面艇的航向计算出当前无人水面艇与定位点的距离偏差和航向偏差。具体实施方法如下所述：WGS-84坐标系统下将地球平行于赤道平面的横截面视为圆，而垂直于赤道平面的地球截面视为椭圆，称地球为WGS-84椭球。从数学上讲椭球表面展开是曲面，为了绘制平面地图的需要，测绘学中用各种方法将这种曲面近似地展开为平面，我国测绘学界常用的展开方法是用高斯-克吕格投影法，用这种方法可以展开大区域的地图，但这种情况下图中的经、纬线已不是一条直线了，其计算公式也比较复杂。考虑到无人艇自主航行应用中，工作范围相对比较小，所以应该完全可以用直线来代替曲线，从而得到比较简单的简化计算公式。在这个简化计算的模型中，规定X轴是一条沿纬线方向的线，Y轴为一条沿经线方向的线，在一个相对小的范围内，可以认为这两个方向的线是相互垂直的直线，且各条经、纬线之间是相互平行的。以图2所示为例，在测定的区域内确定一个点(O点)做为平面直角坐标系的原点，那么，区域内任意一点(C点)沿纬线方向偏离此原点的距离OA就是这一点的Y坐标值，沿经线方向偏离原点的距离OB是其X坐标值。
a)沿经度方向的距离OA
如图3所示，O点转换到经度截面下的坐标为O(xo，yo),其中
其中：a—地球椭球长半轴，取值为6378137.0；
b—地球椭球短半轴6356752.0；
latio—O点在WGS-84坐标系下的纬度。
同样计算得到A点在经度截面下的坐标A(xA，yA)。利用这两点的坐标可求出沿经度方向的距离OA。
b)沿纬度方向的距离OB
从图2可见，OB是沿纬度圈上的一段弧长，而纬度圈是一个圆，所以只要求出O点上纬度圈的半径，弧长就很容易计算了。O点的纬度圈半径就是这个椭圆截面上O点的X坐标xo,式(1)已经给出了这个值的计算公式。因此后可以得出OB距离。
其中：longiOB是O点到B点的经度差。
依照上面推导将无人艇的位置坐标和目标泊位点的坐标转换成平面坐标后，得到无人水面艇的路径跟踪模型如图3所示。按照模型可计算距离偏差Δh和航向偏差Δα，计算距离偏差：
目标路径AB方向与指北方向X轴的夹角为α，由如下公式求解：
其中：为沿指北方向X轴正方向的单位向量，则航向偏差Δα由下式求得。
Δα＝θ-α(7)
其中：θ为当前无人水面艇的航向。当Δα为正时，表明无人水面艇的航向偏右，反之，航向偏左。
(2)如图4所示，其控制方法是当无人水面艇处于定位点较小位置偏差范围内时，不作任何处理；当无人水面艇飘出定位点超出较小位置偏差范围后，然后在平面坐标系下结合无人水面艇的航向计算出当前无人水面艇与定位点的距离偏差和航向偏差，根据航向偏差，控制器首先进行航向调整，通过DO口输出高低信号来控制驱动器改变左右推进器的转向，通过DA口输出不同幅值的电压信号来控制驱动器去调整左右推进器的转速，左右两边推进器转向相同，转速相同，可实现无人水面艇原地转向(为了消除两个推进器的同向转动扭力，安装了一对桨叶相反的推进器)，左右推进器的转速大小决定调整航向的快慢，具体的调整控制使用模糊PID控制器来实现，模糊PID控制器原理结构如图5所示，达到快速调整航向并迅速收敛，稳定地指向定位点的要求，当无人艇没有飘出较大位置偏差范围，只调整无人艇航向；当无人水面艇飘出较大偏差范围后，再结合获得的无人艇航行速度和与定位点的距离偏差控制左右推进器反向转动，控制无人艇前进和后退来靠近定位点，同样要求快速到达并且考虑惯性影响能准确停留在定位点处。
本发明的一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位技术，在不增加侧向推进器的情况下，仅通过增加自定位软件功能模块便可实现其在欠驱动情况下的动力定位，本发明适用范围广、可移植性好、定位精度高，可广泛应用于固定双桨驱动的无人水面艇上。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (3)
1.一种固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤S1：获取MEMS惯性/卫星组合导航仪器的传感器数据信息，获取当前无人水面艇的位置坐标信息、航向信息、航速信息；获取无人水面艇靠近的定位点的坐标信息；
步骤S2、基于步骤S1中的信息，将无人艇与定位点的经纬度坐标，转换成局部平面坐标，并构建简化计算的平面坐标模型，获取无人艇与定位点之间的距离偏差和航向偏差；
步骤S3、基于步骤S2的距离偏差和航向偏差，确定偏差分类，偏差分类包括，小于较小偏差值、大于较小偏差值但小于较大偏差值、大于较大偏差值；
步骤S4、若偏差类型属于小于较小偏差值，则无需进行自定位；若偏差类型属于大于较小偏差值但小于较大偏差值，则基于无人艇与定位点之间的距离偏差和航向偏差进行航向调整，以控制驱动器改变左右推进器的转向、控制驱动器去调整左右推进器的转速，进行航向偏差调整；若偏差类型属于大于较大偏差值，控制左右推进器正或反向转动，以调整方向和姿态，控制无人艇前进或后退来靠近定位点，直至航向调整完毕；
将无人水面艇的位置坐标信息和目标泊位点的坐标转换成平面坐标后，得到无人水面艇的路径跟踪模型，按照路径跟踪模型计算距离偏差Δh和航向偏差Δα；
计算距离偏差：
目标路径AB方向与指北方向X轴的夹角为α，由如下公式求解：
其中：为沿指北方向X轴正方向的单位向量，则航向偏差Δα由下式求得；
Δα＝θ-α (7)
其中：θ为当前无人水面艇的航向；当Δα为正时，表明无人水面艇的航向偏右，反之，航向偏左。
2.根据权利要求1所述的固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法，其特征在于，所述步骤S2中构建简化计算的平面坐标模型，还包括MEMS惯性/卫星组合导航仪输出的位置坐标以及定位点坐标是WGS-84坐标系下的经纬度坐标；所述平面坐标模型为建立地球的椭球简化模型来计算，将无人艇工作区域转换成局部的平面坐标，然后在该平面坐标系下结合无人水面艇的航向计算出当前无人水面艇与定位点的距离偏差和航向偏差。
3.根据权利要求1所述的固定双桨驱动的无人水面艇自定位方法，其特征在于，步骤S4中还包括：左右两边推进器转向相同，转速相同，实现无人水面艇原地转向、无人水面艇安装了一对桨叶相反的推进器，左右推进器的转速大小决定调整航向的快慢，航向调整控制使用模糊PID控制器来实现，达到快速调整航向并迅速收敛，稳定地指向定位点的要求。
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