海洋智能无人艇导航系统

由于USV是通用平台，它们在设计时将为不同的任务携带相应的传感器和执行器。将现有的载人船只改装成USV也是很典型的设计方法。为了使USV能够自主工作，它们需要一个通用的基本导航系统，允许它们从一个点导航到另一个点。自主操作USV的基本导航系统通常包括制导、导航和控制子系统。如图4.17所示，这些子系统相互作用，任何一个子系统的缺陷都可能降低整个系统的性能。

图4.17　USV制导、导航和控制系统的一般结构

1）导航

导航系统的重点是识别USV的当前和未来状态（如位置、方位、速度和加速度），以及根据USV的过去和当前状态，从其携带的传感器获得的环境信息（包括洋流和风速）中识别USV及其周围环境。该模块的位置信息由GPS获得，而方位信息由IMU提供。

利用实时运动（real-time kinematic，RTK）技术，可以实现厘米级的定位精度。在这方面，2个GPS接收器可以沿着船体的纵轴以极长的距离安装。一个固定式GPS接收机作为基站，为另一个接收机提供位置校正，再根据航行器上两个接收器的位置差推断出航行器的航向。当在有强磁干扰的区域（例如大型金属船附近）作业时，因为IMU的航向参考不可靠，所以这种备用航向信息是非常重要的。

USV在水面上的速度可以从位置信息推断出来。速度可以直接用多普勒测速仪（Doppler velocity log，DVL）测量，但传感器的跟踪范围必须能够到达海底。此外，利用卡尔曼滤波技术可以获得更高的位置精度并提供更可靠的导航信息。

2）制导

制导系统负责根据导航系统提供的信息及地面站给定的任务，结合载具性能和环境条件，不断生成并随时更新控制系统的航道命令，使航行具有平滑性、可行性和最优化性。制导场景大致可分成以下三种：最简单的场景称为纯跟踪制导，在这种情况下USV的任务是到达指定的位置，或者在移动的航路点情况下跟踪目标，而不需要考虑USV可能走的路径，USV可能被命令在航路点上保持不动，这就是所谓的动态定位；第二个场景是路径跟踪制导，要求USV沿着规定的路径航行，这在受限制的水域中是必要的；第三个场景是轨迹跟踪制导，同时考虑空间和时间约束。在这种情况下，USV不仅必须沿着给定的路径航行，而且必须在特定的时间到达给定的点。(www.xing528.com)

在有运动障碍物的动态环境中，轨迹跟踪制导可以防止USV与障碍物碰撞。但在实际情况中大部分的USV操作仅需要进行路径跟踪制导即可。在实现路径跟踪系统时，通常使用视线（line-of-sigh，LOS）原理。LOS原理如图4.18所示。USV可以认为是一个包围在一个半径固定的虚拟圆内，该半径称为视距距离。圆与指向目标航路点的路径相交的点称为LOS位置。沿着这一点，航行器既收敛于路径，又沿路径通过。

图4.18　LOS制导概念

3）控制

控制系统的重点是确定适当的控制力量和力矩，以产生配合制导和导航系统提供的指令，同时满足所需的控制目标。据研究，仅控制航行器足以进行水平面导航，然而为了精确地执行航路点稳定或自主对接需参考摇摆动力学。

在实际中，浪涌和偏航自由度被解耦为速度和转向子系统。假设这两个子系统没有相互作用，然后针对这两个子系统分别开发了线性控制技术。典型的控制方法有比例积分微分（proportional-intergral derivative，PID）控制技术和线性二次高斯（linear quadratic Gaussian，LQG）控制技术。

然而，线性控制器只能在线性化动力学模型的小范围工作条件下最优工作，当操作条件（如航行器吃水）发生巨大变化时，控制性能可能会显著下降。为此，可以开发多个线性控制器来覆盖可能的条件范围，然后可以使用增益调度技术将这些控制器连接到一个控制系统中，或者通过使用非线性控制技术，如局部控制网络或模糊逻辑，可以实现鲁棒控制性能。