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。
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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。