陈永泽，舒军勇，王真亮，谢能刚

(安徽工业大学　a.机械工程学院; b.研究生院，安徽 马鞍山　243000)



基于GPS定位的无人艇自主导航

陈永泽a，舒军勇a，王真亮a，谢能刚b

(安徽工业大学a.机械工程学院; b.研究生院，安徽 马鞍山243000)

研究了基于GPS定位技术的无人艇自主导航。根据GPS接收到的位置坐标和规划的目标点坐标，提出一种自主导航算法。研制了无人艇实验样船，得到了无人艇实际航行轨迹。实际航行轨迹和理论航行轨迹的对比结果表明：该无人艇自主导航算法具有良好的鲁棒性。

无人艇；GPS；自主导航

水面无人艇是一种具有自主规划、自主航行能力，并可自主完成环境感知、目标探测等任务的小型水面平台[1]。相对于无人机，对无人艇的研究起步较晚，但是其发展迅速。无人艇的研究对于水文监测、军事侦察打击等应用具有重要作用。目前已有许多国家在无人艇的研究方面取得卓越成果。例如美国“斯巴达侦察兵”无人艇、以色列“保护者”无人艇、我国“天象一号”无人艇等[2-4]。本文主要研究无人艇在给定目标点坐标的情况下，基于GPS定位技术[5-11]实现既定航线的自主航行过程控制。

1　无人小艇硬件设计

本研究无人艇实验样船装置包括浮筒、支撑板、螺旋桨、蓄电池、中央控制器、电机驱动模块、GPS模块、若干导线等。实验样船如图1所示。

图1　无人艇实验样船

该无人艇船体的设计方案采用的双体船，稳定性高。小艇的整体尺寸为3 000 mm×1 500 mm×325 mm。实验选择2个3 000 mm长的浮筒为整个实验装置提供足够的浮力，2个浮筒上固定安装一块1 500 mm×1 300 mm的支撑板为其他设备提供安装位置。2个螺旋桨作为推进器安装在无人艇支撑板上的后两侧，对称布置，与电机驱动模块连接。蓄电池为整个装置提供电源，直接连接电机驱动模块，经降压模块与中央控制器连接。中央控制器分别与电机驱动模块和GPS模块连接。本实验将GPS固定在船头中间位置以便于船首位置和航向的计算。整个小艇的重心在约在小艇的几何正中位置。硬件系统框架如图2所示。

图2　硬件系统框架

2　坐标系转换

本研究GPS采用的坐标系是WGS-84，不仅输出位置数据，还有日期、时间、航向、航速等参数[12]。由于本试验是在小区域水域中航行，直接使用经纬度坐标相对直角坐标比较麻烦，因此将WGS-84坐标系转化为墨卡托投影坐标系，x轴指向正东方向，y轴指向正北方向[13]。地球椭球长轴a=6 378 137 m，椭球短轴b=6 356 782.314 2 m。坐标变换公式见式(1)。

(1)

式中：λ0是起始点经度坐标；φ0是起始点纬度坐标；N是基准点的卯酉圈曲率半径，计算公式见式(2)。

(2)

q是基准纬度的等量纬度，计算公式见式(3)。

(3)

3　无人艇航迹规划及其制导规则

本研究GPS获取的经纬度坐标转换为墨卡托投影坐标[14]，无人艇航行位置和航向的调整采用螺旋桨差速原理，差速分高、中、低速。本文的制导算法是在梁秋憧等[15]的无人机自主导航算法、WEI Qiang等[16]的微型飞行器集合导航控制算法、屈蔷等[17]的小型无人机自主导航算法、张东升等[18]的无人机应用GPS自主导航算法和MANABU OMAE等[19]的无人车转弯算法的研究基础上，结合无人艇航行规律提出的，适合本文无人艇航行的制导算法。

3.1矢量法直线制导

直线制导算法示意图[15]如图3所示。

图3　矢量直线制导算法示意图

无人艇规划航迹线从A(xA,yA)点驶向B(xB,yB) 点，S0(xS0,yS0)是相对于无人艇当前位置点S1(xS1,yS1)的前一位置点，S0S1是无人艇的实际航向，β为无人艇允许航行角度范围，ε为无人艇位置允许最大偏差，α为无人艇航向允许偏差，θ1为无人艇航向S0S1与AB的夹角，θ2为无人艇航向S0S1与S1D的夹角，dev为无人艇的实际位置偏差。无人艇的实际航行受到诸多因素影响：起始航向、风、水流、电机性能。无人艇在航行过程中需要调整其位置和航向。

首先基于GPS定位判断无人艇的位置在规划航迹线的左侧还是右侧，具体矢量直线制导算法如表1所示。

3.2矢量转弯导航

矢量转弯算法示意图如图4所示。

图4　矢量转弯算法示意图

小艇从A点经B点驶向C点，首先完成AB段矢量直线航行。矢量转弯航行先判断小艇是顺时针转弯还是逆时针转弯，转弯算法如下：如果小艇是顺时针转弯，小艇在距离B点P1处开始减速，左螺旋桨加速，右螺旋桨减速，使小艇顺时针转弯，当小艇航向与BC平行时，即转至P2点，小艇转弯完成；如果小艇是逆时针转弯，小艇在距离B点P1处开始减速，右螺旋桨加速，左螺旋桨减速，使小艇逆时针转弯，当小艇航向与BC平行时，即转至P2点，小艇转弯完成。

4　实验结果

本文实验规划航迹是正三角形、正四边形、正五边形和正六边形，小艇航行轨迹如图5所示。规划航迹点的直角坐标直接输入到程序中，本文的控制程序是基于C语言开发的，在Linux系统下运行，航迹控制程序直接存储在中央控制器中。GPS通信协议是串口通信协议。本文将GPS默认波特率9 600改为38 400，缩短了GPS接收速率，使得无人艇螺旋桨反应加快。在无人艇航行过程中，GPS所读取的信息存储在中央控制器的内存中。

图5　实验结果

5　结束语

在GPS定位条件下，无人艇在直线导航阶段位置偏移波动较小，在转弯航行过程中位置偏移量约为5 m。小艇在航行过程中位置出现偏移是由于GPS信息接收和命令发出到做出判断需要时间，因此调整具有滞后性，还有与GPS本身的误差和小艇的惯性有关。通过实验检测，本文的航行算法具有良好的鲁棒性，为进一步研究提供了参考。

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(责任编辑杨黎丽)

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

江苏省水利科技项目(2014078)

陈永泽(1990—)，男，安徽五河人，硕士，主要从事无人艇研究，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：陈永泽，舒军勇，王真亮，等.基于GPS定位的无人艇自主导航[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(8):117-121.