便攜式遙控測(cè)量船自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁國(guó)根

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 江西南昌 330029）

便攜式遙控測(cè)量船自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁國(guó)根

（江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 江西南昌 330029）

通過(guò)對(duì)便攜式遙控測(cè)量船自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用電子羅盤(pán)輔助GPS導(dǎo)航的方式，實(shí)現(xiàn)了遙控船的自動(dòng)導(dǎo)航。通過(guò)工程項(xiàng)目的實(shí)踐進(jìn)一步證明，自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)均能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的導(dǎo)航目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量的目的。

電子羅盤(pán)；定點(diǎn)導(dǎo)航；定線導(dǎo)航；GPS導(dǎo)航

1 概述

隨著科技的發(fā)展，自動(dòng)化控制逐漸走入人們的生活，自動(dòng)化導(dǎo)航也成為各行業(yè)追求的一種控制方法。目前傳統(tǒng)的導(dǎo)航方式有激光導(dǎo)航、視覺(jué)導(dǎo)航、機(jī)械導(dǎo)航、電磁導(dǎo)航、超聲波導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航和基于多傳感器的導(dǎo)航［1］。隨著軟、硬件系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)、船舶、水下測(cè)量中得到了廣泛地應(yīng)用。為提高水下測(cè)量的生產(chǎn)效率，便攜式遙控測(cè)量船自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)［2］也應(yīng)運(yùn)而生。由于遙控測(cè)量船作業(yè)距離比較大，方向不定，宜選用GPS導(dǎo)航或基于多傳感器的導(dǎo)航?？紤]便攜式遙控測(cè)量船輕巧和實(shí)用性的要求，又不宜在船上安裝太多傳感器，一般僅考慮采用GPS導(dǎo)航和電子羅盤(pán)相結(jié)合的方式。

要實(shí)現(xiàn)便攜式測(cè)量船的自動(dòng)導(dǎo)航，便應(yīng)該及時(shí)解算出船體的實(shí)際位置和船頭的實(shí)際方向。船體定位數(shù)據(jù)可通過(guò)RTK測(cè)量精確獲得［3-4］，而船頭的實(shí)際方向依賴(lài)于電子羅盤(pán)。但電子羅盤(pán)與RTK又分屬不同的坐標(biāo)系統(tǒng)，因此需要通過(guò)對(duì)電子羅盤(pán)的方向值進(jìn)行標(biāo)定，即求取電子羅盤(pán)各方向的補(bǔ)償值?？紤]到由于電子羅盤(pán)對(duì)其所處環(huán)境中的磁場(chǎng)較為敏感，若所處環(huán)境產(chǎn)生變化，則電子羅盤(pán)的補(bǔ)償值也會(huì)隨之改變，因而需要對(duì)電子羅盤(pán)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。

研究表明，通過(guò)對(duì)電子羅盤(pán)的標(biāo)定和校準(zhǔn)，可得到船頭的實(shí)際方向；通過(guò)GPSRTK技術(shù)，得到定位數(shù)據(jù)。進(jìn)而通過(guò)獲取的定位數(shù)據(jù)和船頭實(shí)際行駛方向值，即時(shí)計(jì)算位置偏移和方向偏差，根據(jù)偏差發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作命令，進(jìn)而控制相關(guān)外設(shè)工作（舵機(jī)和電機(jī)），實(shí)現(xiàn)便攜式遙控測(cè)量船自動(dòng)導(dǎo)航的目的。

2 自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

便攜式自動(dòng)導(dǎo)航測(cè)量船包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，主要架構(gòu)如下（圖1）：

圖1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

2.2 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)包括船體、岸基部分（遙控器）、動(dòng)力系統(tǒng)（電機(jī)）、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線接收系統(tǒng)、測(cè)深儀、紅外測(cè)距、GPS接收機(jī)和電子羅盤(pán)。遙控測(cè)量船上通過(guò)無(wú)線接收系統(tǒng)接收到岸上指令，根據(jù)指令，控制系統(tǒng)能控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向，且通過(guò)PLC控制電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)工作，以實(shí)現(xiàn)船體的加速、減速和轉(zhuǎn)向。

軟件系統(tǒng)主要包括岸基處理軟件、船載控制軟件和PLC控制軟件［5］。岸基控制系統(tǒng)的功能主要是接收遙控船的位置信息和狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算出坐標(biāo)和方向，根據(jù)坐標(biāo)和方向，計(jì)算偏移，并發(fā)出相應(yīng)的指令。船載控制軟件主要功能是整合各種數(shù)據(jù)，并將它通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)發(fā)射給岸基處理軟件；接收岸基指令，并根據(jù)指令指示硬件系統(tǒng)工作。PLC控制軟件主要功能是通過(guò)指令指示電機(jī)加速、減速。

3 自動(dòng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)

3.1 自動(dòng)導(dǎo)航實(shí)施過(guò)程

便攜式測(cè)量船的自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要有：電子羅盤(pán)標(biāo)定和校準(zhǔn)、船體位置計(jì)算、計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)航向、確定轉(zhuǎn)舵值（圖2）。

圖2 自動(dòng)導(dǎo)航實(shí)施過(guò)程

3.2 電子羅盤(pán)標(biāo)定和校準(zhǔn)

電子羅盤(pán)是一種輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)電子羅盤(pán)的輔助導(dǎo)航，必須經(jīng)過(guò)標(biāo)定和校準(zhǔn)兩個(gè)過(guò)程。

電子羅盤(pán)的標(biāo)定：為了求出這些來(lái)自電路板的磁場(chǎng)干擾，必須將電子羅盤(pán)繞水平面旋轉(zhuǎn)1圈，以取得固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。

從古至今，描寫(xiě)大自然風(fēng)光的文學(xué)作品不計(jì)其數(shù)，但更多的是借助對(duì)自然風(fēng)景的描繪去抒發(fā)個(gè)人情感，把自然當(dāng)作心靈的寄托，在作品中自然多為一種意象的存在，缺少對(duì)人與自然的關(guān)系的關(guān)注?！爸挥邪橹F(xiàn)代工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、物質(zhì)文明迅速發(fā)展,人類(lèi)生存與自然環(huán)境因形形色色的污染破壞而變得惡劣的嚴(yán)峻的今天,才應(yīng)運(yùn)而生當(dāng)下新時(shí)代‘大自然文學(xué)'?！雹鄤⑾绕阶钤缣岢觥按笞匀晃膶W(xué)”概念，也是我國(guó)最早的大自然文學(xué)創(chuàng)作者，劉先平所創(chuàng)作的大自然文學(xué)不同于以往，他是使用文學(xué)的方式喚醒人與自然的和諧統(tǒng)一關(guān)系，大自然文學(xué)是熱愛(ài)生命的文學(xué)。

電子羅盤(pán)的校準(zhǔn)：標(biāo)定好的電子羅盤(pán)，經(jīng)過(guò)初始值設(shè)置，取得零值與正北方向一致。

3.3 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)航向

3.3.1 定線導(dǎo)航

當(dāng)船沿著航線運(yùn)動(dòng)時(shí)，其目標(biāo)方向根據(jù)當(dāng)前位置及其到航線的距離決定，如圖3所示：

圖3 標(biāo)準(zhǔn)航向示意圖

P為測(cè)量船，直線a為設(shè)計(jì)航線，箭頭為設(shè)計(jì)方向，直線b為范圍線，測(cè)量船必須在a和b之間運(yùn)行。L為范圍寬度，d為船當(dāng)前位置到航線的距離。

目標(biāo)航向設(shè)計(jì)原則為：當(dāng)船到航線的距離很近時(shí)，其目標(biāo)航向接近航向且朝向航線運(yùn)動(dòng)；當(dāng)船超出航行范圍時(shí)，其目標(biāo)方向?yàn)榇怪庇诤骄€方向并朝向航線運(yùn)動(dòng)。目標(biāo)方向與距離的具體關(guān)系如下：

φcur=φa±α

α=fabs［1/（15d/4L+0.25）-4］·2π/15

式中φcur為船當(dāng)前位置的目標(biāo)方向的方位角，φα為計(jì)劃航線的航向方位角，當(dāng)船處于航線左邊時(shí)為加，右邊時(shí)為減，α與d的關(guān)系如圖（圖4）。

圖4顯示為隨著距離的增加，目標(biāo)航向與航線方向的角度值之差的變化。

3.2.2 定點(diǎn)導(dǎo)航

圖4 標(biāo)準(zhǔn)角度偏差與距離關(guān)系圖

目標(biāo)航向?yàn)楫?dāng)前位置到目標(biāo)點(diǎn)的方位角，計(jì)算方法如下：

式中，xt、yt為目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)，xc、yc為當(dāng)前船的坐標(biāo)。

3.4 確定轉(zhuǎn)舵值

船體方向差由船體標(biāo)準(zhǔn)方向值和船體實(shí)際方向值的差值確定，通過(guò)船體方向差可計(jì)算轉(zhuǎn)舵值的大小?？芍?，方向差相差越大，轉(zhuǎn)舵值越大。最大轉(zhuǎn)舵值決定船體的最小轉(zhuǎn)彎半徑，根據(jù)機(jī)械特性，舵機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)舵值最大為45°。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)情況，確定通過(guò)方向差計(jì)算轉(zhuǎn)舵值的原則如下：

當(dāng)航向與目標(biāo)航向之間相差大于45°時(shí)，船舵機(jī)（左/右）轉(zhuǎn)45°；當(dāng)航向與目標(biāo)航向相差小于45°時(shí)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度值與角度差成正相關(guān)。

旋轉(zhuǎn)角度與航向差的具體關(guān)系如下：

式中β為舵機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，dα為當(dāng)前航向與目標(biāo)航向之差，其關(guān)系如圖所示（圖5）：

圖5 角度偏差與轉(zhuǎn)舵關(guān)系圖

圖5 中當(dāng)方向差很大時(shí)，舵機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)大角度，當(dāng)方向差較小時(shí)，舵機(jī)旋轉(zhuǎn)較小值以起到微調(diào)作用。

3.5 綜合導(dǎo)航

如上所述，導(dǎo)航方法包括定線導(dǎo)航和定點(diǎn)導(dǎo)航，對(duì)于定線導(dǎo)航，需要如下操作：船當(dāng)前位置朝著航線起始位置定點(diǎn)導(dǎo)航---＞到達(dá)起始點(diǎn)---＞通過(guò)定點(diǎn)導(dǎo)航（目標(biāo)點(diǎn)為航線上距起始點(diǎn)一定距離的點(diǎn)）調(diào)整船的航行方向使其運(yùn)行方向與航線方向接近，從而使船平滑的進(jìn)入定線導(dǎo)航。

4 工程應(yīng)用

某項(xiàng)目為圩堤除險(xiǎn)加固工程測(cè)量，該段長(zhǎng)度約1公里，測(cè)量工作包括水下和岸上。為給設(shè)計(jì)部門(mén)提供準(zhǔn)確的水下地形資料，該段水下測(cè)量采用便攜式自動(dòng)導(dǎo)航遙控測(cè)量船進(jìn)行施測(cè)。遙控測(cè)量船可以靠近河岸進(jìn)行測(cè)量，可以克服大船無(wú)法靠近岸邊的缺陷，可為設(shè)計(jì)部門(mén)進(jìn)行方量計(jì)算提供更準(zhǔn)確的資料。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)GPS精度誤差為0．05米時(shí)，導(dǎo)航測(cè)量點(diǎn)與航線的平均偏差為0．2米。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步驗(yàn)證，當(dāng)自動(dòng)導(dǎo)航模式為定線導(dǎo)航時(shí)，遙控測(cè)量船可以按照預(yù)定的航線進(jìn)行施測(cè)，在尋找航線端點(diǎn)時(shí)，由于船行駛方向與導(dǎo)航方向的偏差較大，此時(shí)調(diào)整航向時(shí)，軌跡點(diǎn)與航線之間的偏差值較大，經(jīng)過(guò)量測(cè)發(fā)現(xiàn)，離航線最大偏離為0．66米，滿(mǎn)足自動(dòng)導(dǎo)航的要求。當(dāng)測(cè)量模式為定點(diǎn)導(dǎo)航時(shí)，此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)方向均指向目標(biāo)點(diǎn)，滿(mǎn)足自動(dòng)定點(diǎn)導(dǎo)航要求（圖6、圖7）。

圖6 導(dǎo)航程序界面及導(dǎo)航軌跡

圖7 導(dǎo)航地形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

便攜式遙控測(cè)量船自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)為自動(dòng)化測(cè)量提供了可靠的保證，可節(jié)約生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。根據(jù)實(shí)際情況，遙控船在有風(fēng)浪的情況下，仍能夠保持較好的穩(wěn)定性，可確保儀器、設(shè)備和人身財(cái)產(chǎn)安全，為大規(guī)模推廣創(chuàng)造了良好的條件。便攜式水域地形測(cè)量自動(dòng)化采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)將填補(bǔ)小型水庫(kù)、枯水期淺水道測(cè)量、亂水區(qū)大比例航道測(cè)量、狹窄水域整治、工程施工中填挖方計(jì)算工程測(cè)量中自動(dòng)化水深采集的空白；徹底解決危險(xiǎn)水域水下測(cè)量、應(yīng)急區(qū)域水下測(cè)量的危險(xiǎn)和難題；提升施工測(cè)量水下自動(dòng)化采集的能力，減輕職工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低維護(hù)成本，對(duì)未來(lái)水下測(cè)量將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

［1］蔣浩然，陳軍，王虎，雷王利、袁池，移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)研究進(jìn)展［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（12）

［2］林旭波，丁繼勝，唐秋華．基于GPS高精度定位的便攜遙控水上測(cè)量船技術(shù)研究及集成［J］．測(cè)繪通報(bào)，2012(S1)．

［3］顏早璜．GPS和測(cè)深儀組合在某碼頭前沿水域水下地形測(cè)量中的應(yīng)用［J］．西部探礦工程，2014，26(3):125-126．

［4］杜飛，王淼．解析水下測(cè)繪中CORS的網(wǎng)絡(luò)RTK技術(shù)的應(yīng)用［J］．技術(shù)與市場(chǎng)，2014，21(3):19-19．

［5］求是科技．8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)完全手冊(cè)［M］．北京：人民郵電出版社，2006．