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水面无人艇的制导、导航与控制
Massimo Caccia Marco Bibuli Riccardo Bono Gab
Riele Bruzzone
摘要：本文基于原型自主双体船Charlie进行的海上实验，讨论了水面无人艇的制导、导航与控制系统。特别是，实验证明了拓展的卡尔曼滤波器的精确性与功耗的有效性以及可以用简单的PID控制规律来执行基本的控制任务，比如使用只装备了GPS与指南针的USV来完成自动导向，自动变速与直线追踪等任务。
关键词：自主海洋机器导航系统
- 简介
在过去的几年中，越来越多的水面无人艇（USVs）被开发用于军事，环境和机器人研究应用。特别的是，如2.1所示，这些无人艇证明了它们在反雷措施（MCM），海水采样，海地测量与帮助自主水下航行器的使用等方面的能力。
在此背景下，设计和实施精确可靠的导航，制导与控制系统来进行线性与角度位置测量，这对于开发相对便宜的民用水面无人艇而言至关重要。根据Caccia等人讨论的方法。（2005年），其中基本的自动导航能力，即PD自动导航和视距（LOS）导航，证明足以满足无人驾驶双体船完成其操作目标，本文演示了如何配置 - 传统和相对简单的技术，例如扩展卡尔曼滤波器，PI增益调度速度控制器，运动学级别的PI和PD制导律，可以使小型无人双体船执行基本精确的运行。特别的是，由CNR-ISSIA Genova发明的Charlie USV在2005年的实验表明：
卡尔曼滤波器基于GPS和指南针测量来估计无人艇位置和速度的有效性以及用于测量相对于水的无人艇速度和动态模型；
对于仅配备GPS和指南针的USV而言，双回路制导和控制结构，已经在ROV (Caccia and Veruggio 2000)上得到了令人满意的应用，其中内部回路控制车辆线性和角速度和外部循环在运动学级别实现制导任务功能;
一个简单的PD导引律的有效性遵循一条直线，由于系统运动学中嵌入了一个积分器，该直线自然地归零了由海流扰动引起的静态误差。
尽管对整个系统稳定性缺乏完整的正式证明，但主要基于对线性化系统性质的常识考虑，实施的导航，制导和控制体系结构和算法的实验演示为理论与实践之间的差距。事实上，简单易操作的船只的相对快速和简单的发展使得它们的操作能力得到了证明，并促进了对新的NGC，传感和控制技术的实验研究，推动了海洋机器人的发展， 从长远来看，为最终用户提供先进的海洋勘探和开采工具。
本文按照以下方式组织。关于已开发的USV原型以及所采用的指导和控制技术的概述见Sect2.一个实用的系统动力学模型，如Caccia等人的实验确定的 （2006）见Sect3，而用于航向，位置和速度估计的基于模型的扩展卡尔曼滤波器则见第三部分。 第四部分提出了角速度和线速度控制器采用的PI增益调度设计。 第五第 6涉及传统的PI型自动航向和PD线跟踪技术。实验设置和结果在Sects7与8中进行了描述和讨论。
- 背景
2.1原型USV概述
关于USV领域已开发的原型和基础研究问题的扩展讨论，读者可以参考Caccia（2006）。 在简要讨论基本设计问题和趋势以及扩大的民用应用的主要限制之前，一些最有意义的原型USV列在下面：
在麻省理工学院开发的自主船只系列，包括拖网渔船ARTEMIS，双体船ACES（自主海岸探索系统）和Auto-Cat（Manley 1997; Manley等人2000）等教育和民用应用。 和皮划艇SCOUT（用于海洋和海底测试的表面工艺（Curcio等，2005））。 这些USV证明了自动航向控制和基于DGPS的航点导航的可行性，以及自主收集水文数据的可能性。 整合之后，从人机界面，任务计划和计算机架构的角度来看，SCOUT皮划艇采用MIT Odyssey AUV级别，支持分布式海底导航算法的开发和测试;
在欧洲发展的自主船只，例如：
测量海豚由德国罗斯托克大学设计和开发，用于在浅水区进行高精度定位和跟踪引导以及测量装置（如深度和流量）的携带（Majohr和Buch 2006）;
由里斯本IST-ISR的DSOR实验室开发的自主双体船Delfim作为与欧洲联盟资助的项目ASIMOV（高级系统集成管理协调运行的AUV（Pascoal et al.2000） 机器人海洋车辆），然后作为独立的单位进行勘测，以收集测深图和海洋资料;
由CNR-ISSIA Genova（意大利）开发的自主双体船Charlie最初是为收集海面微层而设计，开发和开发的（Caccia et al。2005），然后升级为用于自主船舶的机器人研究;
自主双体船ROAZ，是由波尔图工程研究所自治系统实验室在多个自动机器人上进行的研究活动开发的（Martins et al。2006）;
由英国普利茅斯大学开发的自主双体船Springer用于追踪污染物（Xu et al。2006）;
基于Bombardier SeaDoo Challenger 2000（Ebken et al。2005），以色列Stingray USV（Stingray-Unmanned Surface Vehicle）的SSC圣地亚哥试验台等军事用途开发的无人水面舰艇， 最高速度可达40节，以及装备有电光传感器，雷达，GPS，惯性导航系统和稳定的12.7毫米机枪的Protector USV（保护器 - 无人海军巡逻车）以及QinetiQ Ltd 浅水影响扫雷系统（SWIMS）（2006年玉米地和青年），皇家海军在2003年用于支持MCM在伊拉克的作战行动.SWIMS基本上是开发一套改装套件，以改造现有的作战支援艇， 英国皇家海军，在远程控制的船只。
上述原型揭示了基本设计问题和趋势的不同方法：
双体船船体形车辆优化了安装的便利性和不同载荷的装载能力，从而最大限度地减少了在恶劣的海洋中的运动，这通常是研究开发人员首选的，而在军事领域，刚性充气艇（RIBs ）是优选的，因为它们作为海军作战的标准舰船扩散并且能够携带较大的油箱;
对于环境采样应用来说，电力供应是优选的，其中不对操作区域进行污染的约束是强制性的，而当需要执行长时间的任务时，例如在沿海监视或MCM作业的情况下，汽油推进更为实用;
无人艇的设计和开发是典型的研究机构，而低成本开发的需求和向终端用户转移的便利，甚至在军事应用中，也开发了转换套件以改造现有的远程受控船舶；
完全自主操作的目标是民用和研究应用的极点明星，而军事应用通过适当的人机交互在远程控制船舶中看到解决方案，以优化许多不同任务条件下的系统性能。
常见趋势是USV的模块化和易于运输，因为后勤限制通常非常狭窄，以及引入建筑材料（如玻璃纤维）以建造坚固轻质的船体。
无论如何，延伸使用USV技术用于民用应用（即不限于海上交通的地区）的主要限制依赖于缺乏海上自动驾驶车辆操作规则以及可靠的障碍物探测方法和回避。就法律问题而言，读者可以参考例如水下技术协会关于自主海洋车辆运行规则（AMV）的问题的文件 - 咨询文件（2006年8月7日） #39;，而在Benjamin和Curcio（2004）中已经提出了根据道路规则实施避撞策略的第一个基本步骤。在军事领域正在开展自动障碍物探测的初步工作，例如在圣地亚哥共享服务中心（Ebken et al。2005）集成雷达和人造视觉设备。由于辅助激光光源被水完全吸收，激光门控增强型CCD（LGICCD）至少可以在夜间操作中显着改善海上障碍物检测。
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- USV的先进指导和控制技术
就控制车辆航向和速度的基本自动驾驶仪的设计而言，运行结果表明，在许多实际应用中，一个简单的P（I）D航向控制器足以保证满意的控制水平运动一个USV，就像CNR-ISSIA Charlie（Caccia et al。2005）进行的海面微层采样和SCOUT ASC（Curcio et al。2005）进行的测试一样。无论如何，更先进的控制技术已经被评估。例如，一个双嵌套环路H2控制器，其内部的偏航率环路保证了稳定性，鲁棒性和抗干扰性，而外部位置提高了跟踪性能，已被满意地应用于MESSIN路线控制（Majohr和Buch 2006）。 Pascoal等人提出了更一般的方法。（2006），其中提出了增益调度控制器，内插以不同前进速度设计的线性控制器的参数。特别是，用于设计线性控制器的Hinfin;性能标准允许在基于频率域的方法（Fryxell et al。1996）中通过互补滤波器技术对控制和运动估计进行统一处理。
在许多应用中，车辆需要遵循所需的路径与最终用户指定的速度曲线非常准确，放松了典型的轨迹跟踪的强约束，定义为要求血管遵循时间参数化的参考曲线，即特定的指向特定的时刻。因此，所谓的路径跟随问题面临着，即车辆必须遵循没有时间约束的平面路径，通常获得相对于轨迹跟踪控制器更平滑的收敛到期望路径，不太可能推动 - 控制信号饱和（Encarnaccedil;ao和Pascoal 2001）。在文献中已经提出了许多路径跟踪技术，这些技术基本上是由轮式机器人开发的想法产生的。路径跟踪算法必须定义，计算和减少车辆与路径之间的距离以及表示船舶速度的矢量与所需路径的切线之间的角度。Pascoal等人提出了基于增益调度控制理论的解决方案和关于调整路径的广义误差向量的线性化。（2006），并在Delfim ASC上实施和运行。目前，研究主要集中在开发非线性控制设计方法，以保证全局稳定性，而不仅仅局限于上述方法。特别是，后台控制设计方法和后续的兔子路径跟踪技术已经结合（Encarnaccedil;ao和Pascoal 2001; Lapierre et al.2003），并且USB的初步实验验证已经在Bibuli等人提出。（2007年）。在Breivik中讨论了制导系统的作用，即计算使物理系统自治所需的所有参考信号，以及在运动学级别上制定指导理论以使其尽可能通用化的需求。和Fossen（2004），其中提出了参数自适应技术来引入环境扰动补偿的积分作用。无论如何，通过使用Gomes等人介绍的预览控制器设计技术可以增强路径跟随器的性能。（2006年）。值得注意的是，在许多实际应用中，要求船舶大致通过一系列航点，常规视线导航（基于每次向机动车朝目标指引）提供令人满意的性能，特别是从运动平滑和致动器活动的角度来看。
- 模型
假定船只运动仅限于水平面，即忽略俯仰，旋转与起伏，考虑两个参考坐标系，其中船舶的位置和方向[xy psi;]通常用直角坐标系来表示，另外波浪与桅杆的速度（u v为直接速度，ur vr为相对于水的速度）、摇摆率r以及力和力矩[XY N]由船体坐标系来表示。参见图1，以Charlie USV为例，包括参考坐标系，绝对与相对速度，执行器位置以及舵角。
用[xC yC] T来表示海流，相对于水速的船体坐标系下的速度与速度表示如下：
u = ur x˙C cos psi; y˙C sin psi; (1)
v = vr minus; x˙C sin psi; y˙C cos psi;
并且船舶的运动速度与方向通常用下面公式表示：
x˙ = ur cos psi; minus; vr sin psi; x˙C
y˙ = ur sin psi; vr cos psi; y˙C (2)
psi;˙ = r
在直角坐标系与船体坐标系下将船舶运行速度相联系起来。
图1
就动力学而言，Caccia等人已经定义了一种小型双体船的实用模型。（2006），在只配置了GPS与指南针的USV测试平台上，从精度的角度来看，它所提供的噪声大小与传感器采样率方面的质量是一致的。特别是，一组测试稳态与之字形操纵的实验在USV Charlir上进行，同时通过搭载的GPS与指南针来收集相关无人艇运动和惯性参数的数据。一般的无人艇动力学模型，在合理的假设以及参数估计的一致性与保证质量的基础上进行了简化。对于用于试验的小型双体船，其结果是，由于无法确定水的摆动速度以及波浪与偏航方程之间的耦合项与可用测量值之间的耦合关系，因而忽略了它们的动力学特性，并且他们的动态减少到：
mtilde; uu˙r = ktilde;uur ktilde;u2 u2 ktilde;nmacr; 2delta;2 nmacr; 2delta;2 nmacr; 2 (3)
r
r
Itilde;r r˙ = ktilde;r r ktilde;r|r|r|r| ktilde;nmacr; 2 nmacr; 2 nmacr; 2delta; (4)
其中delta;是舵角，mtilde; u和Itilde;r是惯性参数，ku，ku2和kr是阻力系数。因为在这种情况下，船舶配备伺服放大器关闭。随着时间的推移硬件推进器革命率控制循环，该状态相对于该系统恒定可忽略不计，螺旋桨转速n与由车辆控制系统施加的参考电压V成比例。 因此，模型中使用了标准化的螺旋桨旋转速率n，以伏特表示，并且与伺服放大器的作用相比，与eta;成比例。值得注意的是，在稳定状态下，船舶速度u导致与标准化的螺旋桨旋
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