基于超聲波陣列的無(wú)人船避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃艷虎 覃紅強(qiáng) 吳學(xué)思 李月 李堂明 黃曉鋒

摘?要：無(wú)人船在航行中容易受到外界不確定因素的影響造成撞毀、炸機(jī)現(xiàn)象，為了實(shí)現(xiàn)無(wú)人船更加快速的避障，提出了一種機(jī)載超聲波陣列結(jié)合卡爾曼濾波算法的方法。首先通過(guò)超聲波對(duì)障礙物信息進(jìn)行判斷，其次通過(guò)卡爾曼濾波算法進(jìn)行誤差修正，最后通過(guò)PID控制算法做出避障策略。

關(guān)鍵詞：無(wú)人船;避障;超聲波陣列;卡爾曼濾波;PID控制

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

無(wú)人船作業(yè)中路徑規(guī)劃大部分建立在地圖已知情況下，但在實(shí)際中受動(dòng)態(tài)環(huán)境影響，預(yù)期的路徑與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況不符合[1]，而如何動(dòng)態(tài)獲取復(fù)雜環(huán)境下的信息實(shí)現(xiàn)快速的避障和再次路徑規(guī)劃成為了無(wú)人船執(zhí)行任務(wù)的難點(diǎn)。

1?系統(tǒng)原理概述

1.1?無(wú)人船簡(jiǎn)介

無(wú)人船由上位機(jī)軟件、超聲波陣列、MCU控制器組成。上位機(jī)軟件使無(wú)人船與上位機(jī)進(jìn)行交互;超聲波陣列提供障礙物距離信息;MCU控制器協(xié)調(diào)無(wú)人船各模塊之間的工作。

1.2?超聲波陣列

圖1?超聲波避障模塊

如圖1所示，超聲波陣列由八個(gè)45度角間隔排列的超聲波組成，超聲波模塊的感應(yīng)角度為15度，因此各模塊之間不會(huì)形成干擾[2]。

2?邏輯控制與算法實(shí)現(xiàn)

2.1?避障邏輯分析

通過(guò)超聲波陣列檢測(cè)出每個(gè)方向的障礙物距離（每個(gè)測(cè)量值進(jìn)行一次濾波）。若檢測(cè)到左側(cè)和前方有障礙物，船頭向右微轉(zhuǎn)。若檢測(cè)到右側(cè)有障礙物，船頭向左微轉(zhuǎn)。

2.2?卡爾曼濾波算法的實(shí)現(xiàn)

卡爾曼濾波是一種以最小均方誤差為準(zhǔn)則從而處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的有效手段[3-4]。超聲波陣列在檢測(cè)過(guò)程中易受到溫度、聲波的影響，因此需要建立包含溫度、聲波因子的卡爾曼濾波模型。算法流程如圖2所示：

圖2?卡爾曼濾波流程圖

測(cè)試數(shù)據(jù)在濾波之前的方差為0.762476，濾波之后降低到0.048692。

2.3?PID控制及實(shí)現(xiàn)

為滿足無(wú)人船避障的響應(yīng)速度、動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，采用了PID控制算法[5]。PID控制流程如圖3所示。

圖3?PID控制流程圖

計(jì)算出u（k），用stm32產(chǎn)生PWM來(lái)控制電機(jī)電流大小，進(jìn)而對(duì)無(wú)人船進(jìn)行方向調(diào)整和控制。

3?結(jié)論

超聲波陣列結(jié)合卡爾曼濾波方法對(duì)無(wú)人船航行中不確定的因素可以靈活的檢測(cè)和誤差修正，從而提高了無(wú)人船的避障能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫東平.無(wú)人船控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].中國(guó)海洋大學(xué)，2015.

[2]趙旭峰.基于S3C2410的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J].硅谷，2010，22：48+43.

[3]謝建，朱建軍.不等式約束卡爾曼濾波的解算及其統(tǒng)計(jì)性質(zhì)[J].測(cè)繪與空間地理信息，2009，02：28-31.

[4]王琦，孫華，李偉華，等.卡爾曼濾波在變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào)，2009.

[5]樊國(guó)平.智能PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2005.

基金項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（面向水面浮游物打撈的自主巡航船設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號(hào)：201910606139）;國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（基于VR技術(shù)的虛擬駕校平臺(tái)設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號(hào)：201910606029）;國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（煤礦井下數(shù)據(jù)系統(tǒng)的研究，項(xiàng)目編號(hào)：201910606137）

作者簡(jiǎn)介：黃艷虎（1991-），男，碩士，助教，研究方向：導(dǎo)航定位與控制。