王永鼎,李華南,錢瑩娟

(上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

0　引　言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是中國自主建設(shè)、獨立運行,且能夠與美國GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的GALILEO系統(tǒng)相互兼容、相互共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。另外,該系統(tǒng)還可以在全球范圍內(nèi)為各類型用戶提供精度高、可靠性能好的定位導(dǎo)航及授時服務(wù)的同時,具有獨特的短報文通信能力[1-2]。經(jīng)過多年的發(fā)展,北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的定位導(dǎo)航技術(shù)不斷完善,其定位導(dǎo)航性能越來越好。隨著北斗系統(tǒng)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展戰(zhàn)略的提出,更加推動了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、氣象、林業(yè)、電力以及智能城市與交通等關(guān)鍵行業(yè)的全面應(yīng)用[3]。

張榮群等[4]論述了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,研究了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與其他形式的農(nóng)業(yè)感知器技術(shù)集成后的應(yīng)用潛力。黃維[5]設(shè)計了一套基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的抗震救災(zāi)應(yīng)急指揮系統(tǒng),該系統(tǒng)平臺,集最新的通信與圖像傳輸、衛(wèi)星導(dǎo)航、測繪信息以及計算機等技術(shù)為一體,基本可以實時為災(zāi)區(qū)提供導(dǎo)航定位服務(wù)。于淵等[6]從北斗導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)發(fā)展的層面,對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在國內(nèi)智能交通領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢進(jìn)行了分析與探討。楊東凱等[7]利用北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的反射信號對地觀測,將其應(yīng)用在海風(fēng)海浪觀測中,為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個新型的應(yīng)用方向。王冠生等[8]提出將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用在城市管理上,推進(jìn)城市管理的互聯(lián)化、智能化,形成城市的智能交通、智慧社區(qū)及智慧管理。

自主式水下無人潛水器(AUV)是一種半智能化集成系統(tǒng),可以自主航行,可以根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的具體要求,對各機械模塊優(yōu)化組合。AUV作為一種簡單有效的海洋工具,為人類對海洋資源開發(fā)、探索,及海洋工程技術(shù)與裝備的研究,提供了諸多便利,并伴隨著能源與水聲、控制與導(dǎo)航技術(shù)的進(jìn)步,得到了廣泛應(yīng)用[9-10]。其中,水下AUV的導(dǎo)航定位技術(shù),至為關(guān)鍵。結(jié)合北斗系統(tǒng)的快速定位、簡短通訊和精密授時功能,可以將其應(yīng)用在AUV的導(dǎo)航定位中,為AUV提供更加準(zhǔn)確的定位導(dǎo)航,并賦予通信能力。

1　AUV應(yīng)用北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的基本工作原理

1.1　AUV水下導(dǎo)航定位技術(shù)

針對AUV在不同的水域深度執(zhí)行作業(yè),AUV所使用的導(dǎo)航定位技術(shù)方式不同。在工作水域深度小于300 m的近海面區(qū)域,可以使用無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù);在300 m至2000 m深度的中間層區(qū)域,由于無線電磁波在以海水為介質(zhì)傳播時,信號衰減非常明顯,無法接收衛(wèi)星廣播信號,因此該區(qū)域一般使用重力場輔助導(dǎo)航、地磁輔助導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航等導(dǎo)航技術(shù)對AUV進(jìn)行導(dǎo)航定位;在距離海底小于100 m的海底區(qū)域,可以利用海底地形匹配進(jìn)行導(dǎo)航[11]。表1示出AUV執(zhí)行水下作業(yè)任務(wù)時,在各水域深度使用不同導(dǎo)航定位技術(shù)的性能對比。

聯(lián)系人: 李華南 E-mail:hua-zi91@sina.cn

通過與表1的對比,可以清晰得出,AUV工作在水深小于300 m的近海面水域使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位,不僅可以直接接收衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息,而且實時性好,導(dǎo)航定位誤差小,精度高。

1.2　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)各組成部分的空間位置以及功能分布,可以簡單分為空間衛(wèi)星端、地面控制端以及用戶終端。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)各部分組成如圖1所示。地球同步軌道衛(wèi)星與低中軌道衛(wèi)星兩種衛(wèi)星共同組成系統(tǒng)的空間衛(wèi)星端,其作用主要是作為無線電信號的中轉(zhuǎn)站,全天候、全天時地中繼并傳播地面控制端和用戶終端的雙向信號。地面控制端則是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)核心樞紐,是整個系統(tǒng)的管理與控制中樞,對于所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息計算與處理都集中在中心站完成。整個北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的運行狀態(tài)以及無線電信號的發(fā)送與接收,都由地面控制端負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)與監(jiān)督。用戶終端則是用戶直接使用的裝置,一般都具有應(yīng)答電文能力的設(shè)備,用于接收地面控制端通過空間衛(wèi)星端北斗衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信號[12]。以上三部分構(gòu)成的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅可在全地球范圍內(nèi)發(fā)送衛(wèi)星信號,還可以全天持續(xù)地為地球各類型接收機終端用戶提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。

1.3　應(yīng)用北斗系統(tǒng)的AUV定位基本原理

當(dāng)AUV在近海面水域工作時,使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位,安裝在AUV上的北斗信號接收機直接接收北斗導(dǎo)航衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。設(shè)AUV的坐標(biāo)為(X0,Y0,Z0)為未知參數(shù),而用于定位的空間衛(wèi)星端衛(wèi)星的瞬時位置坐標(biāo)為已知值,分別為(Xi,Yi,Zi),i=1,2,3,4,以已知衛(wèi)星坐標(biāo)為圓心,以衛(wèi)星坐標(biāo)到AUV坐標(biāo)的距離為半徑,采用三維空間距離交會的方法,最終確定出AUV的三維空間坐標(biāo)位置,具體計算公式如下:

[(X1-X0)2+(Y1-Y0)2+(Z1-

Z0)2]1/2+C(Vt1-Vt0)=D1，

(1)

[(X2-X0)2+(Y2-Y0)2+(Z2-

Z0)2]1/2+C(Vt2-Vt0)=D2，

(2)

[(X3-X0)2+(Y3-Y0)2+(Z3-

Z0)2]1/2+C(Vt3-Vt0)=D3，

(3)

[(X4-X0)2+(Y4-Y0)2+(Z4-

Z0)2]1/2+C(Vt4-Vt0)=D4，

(4)

Di=CΔti(i=1,2,3,4)

其中:C為光速,即信號的傳播速度;Di為距離,衛(wèi)星與AUV之間的距離; Δti為時間,即衛(wèi)星信號到達(dá)AUV信號接收裝置的時間;Vti為衛(wèi)星時鐘差,由衛(wèi)星星歷提供;Vt0為AUV時鐘差。

公式(1)～(4)中,只有四個位置參數(shù)X0、Y0、Z0以及Vt0,聯(lián)立這四個方程式,便可以解算出AUV的空間位置(X0,Y0,Z0)以及北斗衛(wèi)星信號接收裝置的時鐘差Vt0.

2　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在AUV中的具體應(yīng)用

2.1　AUV系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

根據(jù)使用環(huán)境、工作用途以及研發(fā)團(tuán)隊的設(shè)計風(fēng)格不同,國內(nèi)外公開的AUV外形設(shè)計各不相同,主要有回轉(zhuǎn)體形、立扁形、扁平形、多體形和魚雷形等外形形式,其中以魚雷形的AUV外形最多。針對AUV機械設(shè)計的發(fā)展趨勢,主要是朝著遠(yuǎn)程化、深?；⒅悄芑?、標(biāo)準(zhǔn)化以及模塊化發(fā)展[13-15]。AUV機械結(jié)構(gòu)模塊化生產(chǎn),不僅可以提升自主水下機器人的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用進(jìn)程,還可以提高使用的方便性和通用性。AUV研制風(fēng)險減低,縮短研發(fā)周期的同時,節(jié)省研發(fā)時間以及人力資源。各機械結(jié)構(gòu)模塊之間相對獨立,生產(chǎn)、維護(hù)過程便捷高效,可以大大增強互換性[14]。AUV機械結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計,根據(jù)各模塊承載功能的不同,可以設(shè)計為四個部分,分別為艏部、能源段、控制導(dǎo)航段與艉部。AUV四個不同模塊如圖2所示。

AUV的四個模塊,分別具有不同的功能。艏部主要負(fù)責(zé)AUV溫度信息采集、水下拍攝及照明等,能源段為整體機械機構(gòu)提供能源,保障AUV有充足的電量完成目標(biāo)任務(wù),艉部是放置推進(jìn)器的地方,并控制AUV的行駛方向姿態(tài)等?？刂茖?dǎo)航段是AUV整個機械結(jié)構(gòu)的“心臟”,主要作用是實現(xiàn)和協(xié)調(diào)AUV在水下的運動,完成與操縱平臺的信息傳遞,接收和獲取自主式水下機器人的位置和姿態(tài)、對底航行高度、速度、深度以及加速度等基本信息,AUV通過這些信息,實現(xiàn)導(dǎo)航定位,完成預(yù)先設(shè)置的任務(wù)。

2.2　基于北斗系統(tǒng)的AUV定位導(dǎo)航控制流程

AUV在近海面水域執(zhí)行工作時,控制導(dǎo)航段實時接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。接收的數(shù)據(jù)信息通過AUV的遙控指令模塊按照遙控協(xié)議進(jìn)行濾波等處理,提取有效的指令信息,并將有效的指令信息傳送給水下自主機器人自帶的航行控制模塊。航行控制模塊根據(jù)接收到的指令信息,執(zhí)行相應(yīng)的動作,完成運動控制。AUV完成動作之后,其自身狀態(tài)信息需要通過AUV航行控制模塊反饋至狀態(tài)報告模塊,狀態(tài)報告模塊將狀態(tài)信息按照遙控協(xié)議進(jìn)行編碼處理,并經(jīng)過通信模塊發(fā)送至AUV用戶端。AUV用戶端將位置等信息數(shù)據(jù)經(jīng)空間衛(wèi)星端的北斗衛(wèi)星發(fā)送至地面控制端。地面控制端接收AUV經(jīng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù),先按照遙控協(xié)議進(jìn)行處理,提取出有效的AUV狀態(tài)指令信息。AUV決策控制模塊根據(jù)這些經(jīng)過指令生成模塊處理的有效的狀態(tài)指令信息,制定下一步的控制指令[16-17]。制定好的控制指令傳送至指令生成模塊,經(jīng)過狀態(tài)分析模塊處理,并由北斗衛(wèi)星通信模塊將信息數(shù)據(jù)經(jīng)北斗衛(wèi)星發(fā)送至AUV用戶端。由此完成雙工通訊,實現(xiàn)AUV狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)傳輸、實時控制,實現(xiàn)精準(zhǔn)的AUV的定位導(dǎo)航等。整個控制過程的流程邏輯如圖3所示。

2.3　北斗系統(tǒng)的AUV硬件設(shè)計

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在AUV近海面水域進(jìn)行巡航時,主要涉及到通信模塊、定位導(dǎo)航系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、能源驅(qū)動模塊以及控制系統(tǒng)等系統(tǒng)模塊。各個系統(tǒng)模塊相互配合協(xié)調(diào),只有保證全部正常運轉(zhuǎn)的情況下,AUV才能精確執(zhí)行水下作業(yè)任務(wù),滿足使用要求。

基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV,利用北斗定位系統(tǒng)快速定位和地理信息系統(tǒng)(GIS)實時解算出運動中AUV的具體位姿信息。AUV的制導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對AUV的位置與姿態(tài)等相關(guān)信息參數(shù)輸出,協(xié)調(diào)AUV當(dāng)前執(zhí)行的作業(yè)任務(wù),為AUV規(guī)劃出最優(yōu)的航行路線。制導(dǎo)系統(tǒng)完成路徑規(guī)劃后,AUV控制系統(tǒng)控制能源驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動相應(yīng)機構(gòu)調(diào)整航行方向和速度,最后按照制導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)劃好的路徑進(jìn)行航行。硬件設(shè)計如圖4所示。

硬件系統(tǒng)設(shè)計過程中,控制系統(tǒng)是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)AUV的核心系統(tǒng),也是連接整個AUV系統(tǒng)各個部件的綜合樞紐,控制著各部件完成相應(yīng)的動作,主要處理制導(dǎo)系統(tǒng)的響應(yīng)輸入并給出相應(yīng)的輸出指令信號,控制推進(jìn)器轉(zhuǎn)向電機正反轉(zhuǎn),完成操作者預(yù)先設(shè)置的作業(yè)命令。

3　應(yīng)用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV驗證

在硬件系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上,搭建使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV平臺。為了驗證搭載北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的AUV基本航行功能以及定位導(dǎo)航性能,分別就AUV的自主定向巡航以及自主定速巡航進(jìn)行試驗驗證。

3.1　自主定向巡航

給定應(yīng)用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV航行航向角,使其按照該航向角自主巡航,即便AUV航行過程中,受到擾動偏離原航線,仍能快速回到預(yù)設(shè)航向上。預(yù)先設(shè)定航向角為0°,使其保持直行一段距離,然后調(diào)整航向角為90°.驗證過程中,AUV定位準(zhǔn)確,運行平穩(wěn),能夠快速回到期望航向上,實際航向與期望航向基本保持一致。圖5示出了依照仿真測驗實際航向數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的期望航向繪制的對比曲線。

3.2　自主定速巡航

設(shè)定使用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV恒定的航行速度,并以該航速執(zhí)行定速巡航,對比預(yù)設(shè)航速與AUV實際航速之間的差異。通過對比,可以清楚地了解到應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV自主定速巡航和期望值相差不大,即使有差異,也能迅速維持穩(wěn)定航行。預(yù)設(shè)自主巡航速度與實際巡航速度曲線如圖6所示。

4　結(jié)束語

本文從應(yīng)用角度出發(fā),對比分析了AUV水下導(dǎo)航定位的主要技術(shù)以及性能特點,提出AUV在近海面區(qū)域航行時,采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位具有精度高、實時性好等優(yōu)點。同時,研究了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用在AUV上,實現(xiàn)定位導(dǎo)航的基本原理。緊跟目前AUV機械結(jié)構(gòu)模塊化發(fā)展趨勢,探討了AUV模塊中導(dǎo)航控制段應(yīng)用北斗系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航的控制流程邏輯以及硬件設(shè)計搭建。最后,對基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的AUV硬件平臺進(jìn)行自主定向巡航和自主定速巡航驗證,得出應(yīng)用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位的AUV運行平穩(wěn),基本符合設(shè)計使用要求,可以為水下AUV在近海面區(qū)域提供精確的導(dǎo)航定位信息。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星端衛(wèi)星數(shù)量的不斷增加、設(shè)備的不斷升級改進(jìn)以及定位精度的逐步提高,基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域必將更加廣闊,在水下AUV中的應(yīng)用也會更加普遍。

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