馬騰飛,匡興紅,趙夢(mèng)晗,張強(qiáng),徐麗婷

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306)

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基于北斗系統(tǒng)的AUV導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬騰飛,匡興紅,趙夢(mèng)晗,張強(qiáng),徐麗婷

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院,上海 201306)

針對(duì)目前自治水下機(jī)器人(AUV)通信控制現(xiàn)狀,提出了基于北斗系統(tǒng)的AUV定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)想。采用北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)可以精確獲取AUV位置信息,增強(qiáng)了地面控制端對(duì)AUV的控制能力并有效擴(kuò)展了AUV的活動(dòng)范圍,為改進(jìn)AUV控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考價(jià)值,同時(shí)提高AUV精確作業(yè)能力。

北斗系統(tǒng);AUV;定位

0　引　言

自治水下機(jī)器人(AUV)是一種能攜帶多傳感器、專用設(shè)備或武器的水下智能化裝置。它自帶能源,不受臍帶纜繩的牽制,可以在大范圍海域自主航行,在海洋搜索、海洋考察以及軍事上有著良好的應(yīng)用前景[1]。AUV主要采用水聲通信的通信手段,AUV工作時(shí)間大多數(shù)在水面以下,無(wú)線電通信無(wú)法使用,當(dāng)AUV浮出水面時(shí),即可采用衛(wèi)星進(jìn)行無(wú)線電通信。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),是繼GPS,GLONASS之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),由空間段,地面段,用戶端三部分組成[2]。整個(gè)系統(tǒng)由35顆衛(wèi)星組成,其中包括5顆靜止軌道衛(wèi)星,目前已成功發(fā)射了16顆導(dǎo)航衛(wèi)星,具備了覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力。根據(jù)總體規(guī)劃部署,到2020年將建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),屆時(shí)可在全球范圍內(nèi)為各類用戶全天候、全天時(shí)提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù),以及短報(bào)文通信能力[2]。

目前北斗系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,尤其是在交通運(yùn)輸、測(cè)繪勘測(cè)等方面發(fā)揮了顯著的作用。曾志勇[3]等將北斗衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)用在海洋測(cè)量船上,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ),對(duì)遠(yuǎn)洋海洋測(cè)量船進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等;張國(guó)旺[4]等將北斗定位系統(tǒng)運(yùn)用在飛行實(shí)驗(yàn)中,在飛行實(shí)驗(yàn)中利用北斗進(jìn)行數(shù)據(jù)定位,取得了良好的效果;楊方[5]等將北斗系統(tǒng)運(yùn)用在農(nóng)機(jī)生產(chǎn)中,實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)定位與自動(dòng)駕駛,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。AUV的遙控指揮可以借助北斗系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn),這樣的優(yōu)點(diǎn)是能夠在較大范圍內(nèi)進(jìn)行AUV的定位和控制,降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用成本,同時(shí)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

1　導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理

AUV在水面工作狀態(tài)時(shí)接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)[6]。AUV遙控指令處理模塊根據(jù)協(xié)議對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,提取有效的相關(guān)指令信息,并將指令信息發(fā)送給AUV自帶的運(yùn)動(dòng)控制模塊,AUV運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)指令做出相關(guān)動(dòng)作,以實(shí)現(xiàn)AUV的下一步運(yùn)動(dòng)控制;AUV航行控制模塊將自身位置等有效狀態(tài)信息傳輸給狀態(tài)報(bào)告模塊,狀態(tài)信息按照協(xié)議編碼后通過(guò)北斗通信模塊發(fā)送給地面中心。地面中心接收AUV通過(guò)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星傳輸?shù)挠行?shù)據(jù),按照協(xié)議處理該數(shù)據(jù),提取AUV位置等狀態(tài)信息,AUV地面中心根據(jù)其信息制定下一步控制指令。整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1　基于北斗系統(tǒng)的AUV導(dǎo)航系統(tǒng)控制流程

2　導(dǎo)航系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文中AUV采用的北斗定位系統(tǒng)主要由通信模塊、北斗定位模塊、單片機(jī)模塊和上位機(jī)組成。如圖2所示。AUV開機(jī)后,上位機(jī)即開始向定位模塊下達(dá)接收數(shù)據(jù)指令,北斗模塊執(zhí)行命令,開始接收來(lái)自北斗衛(wèi)星的數(shù)據(jù)信號(hào),并將數(shù)據(jù)文件傳輸給單片機(jī)模塊,單片機(jī)模塊處理得到位置信息后,將位置信息通過(guò)通信模塊傳輸給上位機(jī)存儲(chǔ)。

圖2　北斗定位系統(tǒng)框圖

2.1北斗定位模塊

北斗定位模塊由北斗有源天線、電源、北斗信號(hào)處理芯片等組成,采集北斗定位信息,并輸出建議使用的數(shù)據(jù)格式,即＄BDGGA格式數(shù)據(jù)。為了最大限度緩解延遲和提高定位精度,選用UM220北斗定位芯片,如圖3所示,該芯片具有高靈敏度、超低功耗、體積小巧的特點(diǎn),是市場(chǎng)上尺寸最小的BD2/GPS模塊,支持單系統(tǒng)獨(dú)立定位和多系統(tǒng)聯(lián)合定位,能夠在較為惡劣的工作狀況下正常運(yùn)行。

2.2單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊是定位系統(tǒng)的核心部分,負(fù)責(zé)接收北斗接收電路輸出的＄BDGGA格式數(shù)據(jù)并處理。模塊的主控制器選用C8051F340型單片機(jī),C8051F340單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)MCU,具有速度高、功耗低的特點(diǎn);有豐富的外圍設(shè)備,片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制所常用的模擬部件、其他數(shù)字外設(shè)和功能部件;自帶10位ADC,可以在片調(diào)試,是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)芯片,完全滿足北斗信號(hào)數(shù)據(jù)的接收與處理要求。

圖3　UM220北斗定位芯片

3　硬件平臺(tái)搭建及定位結(jié)果

3.1硬件平臺(tái)搭建

在提出設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上,通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)初步驗(yàn)證方案的可行性。本設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)搭建結(jié)果實(shí)物圖如圖4所示。

圖4　懸浮于水面上的AUV

3.2定位結(jié)果

在校園現(xiàn)有水域中選擇一處較為開闊地點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域,將搭載北斗定位系統(tǒng)硬件平臺(tái)的AUV放至該處并懸浮靜止。對(duì)北斗定位系統(tǒng)上電,北斗系統(tǒng)冷機(jī)開啟,數(shù)分鐘后北斗芯片定位成功并利用電腦讀取該點(diǎn)位置信息,得到的經(jīng)緯度信息如圖5所示。

3.3定位精度分析

對(duì)由北斗定位系統(tǒng)得到的位置進(jìn)行換算,實(shí)際

該點(diǎn)為北緯30°53′16″,東經(jīng)121°53′36″,同時(shí)利用手機(jī)定位軟件對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行定位,得到定位結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,北斗定位系統(tǒng)與手機(jī)定位軟件存在誤差,誤差較為細(xì)小,定位較為準(zhǔn)確。將實(shí)驗(yàn)中得到的該靜止點(diǎn)的坐標(biāo)信息導(dǎo)入谷歌地球,得到如圖7所示結(jié)果。谷歌地球中顯示點(diǎn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)中位置相吻合。

圖5　電腦讀取該點(diǎn)經(jīng)緯度信息

圖6　手機(jī)定位軟件顯示該實(shí)驗(yàn)點(diǎn)位置信息

圖7　谷歌地球軟件中顯示該AUV的位置

4　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、平臺(tái)搭建以及實(shí)際實(shí)驗(yàn),證明北斗系統(tǒng)在AUV露出水面時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其精確定位。地面控制端可以精確地獲得AUV的工作位置,能夠及時(shí)掌握其在水中工作的位置信息,極大地增強(qiáng)了地面控制端對(duì)其的遙控能力,為下一步實(shí)現(xiàn)對(duì)AUV遙控控制和擴(kuò)大AUV活動(dòng)范圍打下良好基礎(chǔ)。

[1]吳小平.基于蟻群算法的多AUV路徑規(guī)劃仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2009,26(1):150-153.

[2]辛德奎. 基于北斗和GPS的雙模田間機(jī)車定位系統(tǒng)[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào),2014(1):85-87.

[3]曾志勇,王以明.新一代北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在海洋測(cè)量船中的應(yīng)用[J].船艦科學(xué)技術(shù),2016,38(1A):67-69.

[4]張國(guó)旺,袁炳南，房瑾，等.北斗定位系統(tǒng)在飛行試驗(yàn)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2015,23(5):1734-1739.

[5]楊方,劉華，樊禹銘，等.北斗農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2015(10):31-34.

[6]向小梅,聶林波.基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的UUV遙控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主控端[J].四川兵工學(xué)報(bào),2015,36(5):42-45.

Design and Implementation for Navigation and Position System of Autonomous Underwater Vehicle Based on BeiDou System

MA Tengfei,KUANG Xinghong,ZHAO Menghan,ZHANG Qiang,XU Liting

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

To improve the control system of AUV, a navigation and position system based on the Beidou system was proposed.Navigation and positioning system using the Beidou system can accurately obtain the AUV position information, the control capability of the ground control terminal to AUV is enhanced and the range of motion of AUV is extended. Providing a reference valueto improve the design of AUV control system, while improving the ability of AUV precision work.

Beidousystem; AUV; position

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.025

2016-02-23

上海市教委創(chuàng)新項(xiàng)目(編號(hào):13YZ099)

TN967.1

A

1008-9268(2016)04-0117-04

馬騰飛(1991-),男,安徽滁州人,碩士生,研究方向?yàn)殡姎饪刂啤?/p>

匡興紅(1972-),男,四川人,副教授,主要從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位與跟蹤研究。

趙夢(mèng)晗(1995-),女,安徽蚌埠人,在讀本科生,專業(yè)為電氣工程及其自動(dòng)化。

張強(qiáng)(1995-),男,江蘇蘇州人,在讀本科生,專業(yè)為電氣工程及其自動(dòng)化。

徐麗婷(1994-),女,上海人,在讀本科生,專業(yè)為電氣工程及其自動(dòng)化。

聯(lián)系人： 馬騰飛 E-mail: 575094474@qq.com