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水面无人艇的基本导航、制导与控制
摘要：本文讨论了通过海上试验开展和推广的自主原型双体船查理-水面无人艇(USV)的导航、制导和控制（NGC)。特别是实验演示的有效性，无人艇在只配备了GPS和指南针用扩展卡尔曼滤波和简单PID指导和控制执行如auto-heading、自动速度和直线等基本的控制任务的精度和功耗。
关键词：自主车、海洋机器人、制导系统。
1 引言
在过去几年，越来越多的水面无人艇应用于军事、环境和机器人研究的领域。特别是图2.1所示。无人艇证明了在反雷措施、水样采集、水深调查和支持将自主水下航行器作为通讯中继的操作等方面的能力。
在此背景下，设计和实现一个能够进行直线和角度测量的准确、可靠的导航，制导和控制系统是发展廉价的民用远程自主机的基础。据卡恰等人讨论的方法。 （2005），其中，基本的自动引导功能，即自动PD标题和线的视距（LOS）的指导，被证明足够完成无人双体船的业务目标，本文演示了如何使用传统与相对简单的技术，如延长卡尔曼滤波器，PI增益调度速度控制器，PI和PD指导法律的运动水平，使小型无人双体船进行基本准确的演习。特别是，2005年的通过cnr-issia热那亚发展、查利原型艇的试验（卡恰等人。2006），证明：
1.通过扩展卡尔曼滤波在全球定位系统基础上，估计车辆的位置和速度和通过罗盘测量和对于水上车速度的实用模型的有效性。
2.双回路的指导和控制架构的可行性。采用遥控潜水器的水下机器人已经成功（卡恰和维卢乔2000），内部循环控制车辆的线性角速度和外部循环实现了在运动的指导任务功能水平。对于只装备与全球定位系统和指南针的无人机也适用。
3.通过整合嵌入系统运动学中，利用海水电流扰动，用简单的PD指导自然直接的将静态误差归零是有效的。
尽管试验缺乏整体系统稳定性，但是基于对线性系统特质的常识的考虑，对实现导航、制导、控制结构和算法的试验论证缩小了理论和实际的差距。事实上，机动船的相对快速、简单的发展使得它们的业务能力更好同时推动了新型NGC的研究、传感和技术、控制技术的发展，在长远的角度看，推动海洋机器人的发展使能够为最终用户提供先进的海洋勘探开发工具。
本文安排如下：在第二部分对无人艇原型发展和所采用的指导和控制算法的概述，在第三部分介绍一个经卡恰实验确定的关于系统动力学的实用模型，在第四部分会讨论一种基于扩展卡尔曼滤波来估算方位，位置和速度的模型，在第五部分会提到对角速度控制器的PI增益调度设计，在第六部分处理基本的PI型自动航行和PD在线跟踪技术，在第七和第八部分对试验的设置和结果描述和讨论。
2背景
2.1原型USV概述
对于USV领域的先进模型和基础课题研究的拓展讨论，读者可以参考卡恰（2006）在对基本设计理论和趋势，以及，扩展民间应用的限制的讨论前，一些最有趣的USV模型如下：
- 麻省理工学院研发的用于教育和民用的家庭自动船，包括捕鱼渔船-ARTEMIS ，双体船ACES（自治区海岸探测系统），自动-猫(Manley 1997;Manley等 2000)，独木舟（海洋表面工艺和海底测量（Curcio 等 2005））。这些USV证明了自动航行控制和基于GPS的路点导航的可行性，以及，自主操作水文数据采集的可行性。整合后，从人机系统界面、任务规划和计算机体系结构看这个麻省理工学院奥赛罗级的水下机器人- 侦查艇kayaks证明了分布式声学导航算法对水下机器人的适用。
- 欧洲比较先进的自动船比如：
由罗思托克大学（德国）发明，用于高精度定位、跟踪指导，并携带了浅水的测量设备的测量船-海豚。
自主双体船德尔芬，由开发里斯本IST-ISR门实验室作为通信中继在作伴AUV（帕斯库亚尔曼等，2000）欧盟资助的项目阿西莫夫（以管理协调运行系统集成高级机器人海洋车辆）中，然后利用作为收集海洋的数据等深线图的独立单元。
由CNR-ISSIA热那亚实验室（意大利），最初设计、研制用于收集海洋表面微表层，后来改进为关于自动船的机器人的研究的自动双体船查理。
自治双体船ROAZ，由自治系统实验室工程波尔图ISEP研究所开发多自主性的研究活动机器人（马丁斯等人。2006）。
自治双体船Springer，由普利茅斯大学（英国）设计，用于追查污染物（许等。2006）。
3。用于军事用途的无人水面舰艇如SSC San迭戈测试平台，基于庞巴迪挑战2000（ebken等人SeaDoo。2005），以色列的黄貂鱼水面无人艇（鱼无人艇表面车辆），最高时速可达40节，并且保护者无人艇（保护无人海军巡逻车），配备光电传感器，雷达，全球定位系统，惯性导航系统和一个稳定的12.7毫米机枪，和英国国防科技公司的浅水影响扫雷系统（SWIMS）（麦田和年轻2006），由皇家海军用来支持MCM在伊拉克的行动2003。SWIMS基本上包括在一个转换组件的开发，以改变现有的作战支援艇，已由英国人皇家海军安装在遥控船上。
上述原型揭示了在基本设计问题和趋势不同的方法：
双体船船体形状的交通工具，在波涛汹涌的大海，它可以安装不同的承载能力，通常是研究开发的首选，而在军事现场，以它们的作为海军作战的标准舰艇的速度和携带较大的燃料罐的能力刚性充气艇（RIBs）是首选。
电力供应是环境采样应用的首选，其中没有污染的约束操作区域是强制性的，而当长任务必须进行，如沿海的情况监控或反水雷作战，汽油动力更实用；
对于低成本发展的需要和容易转移到最终用户的动机，甚至在军事应用，在远程控制的现有船舶改造的开发包的发展，新车型的设计与开发是研究机构的典型项目；
完全自动行动的目标是民用和研究应用的lsquo;北极星rsquo;，而军事应用中，采用远程控制船只的解决方案，通过合适的人机交互，以优化在许多不同的任务条件下的系统性能。
由于后勤方面的限制通常是非常窄，以及建设材料的发明如玻璃纤维，以建立强大的和轻型外壳，无人船常见的趋势是模块化、易于运输。
无论如何，一个民用无人艇使用的主要缺陷即在不限制的领域，对海上交通，缺乏操作规程在海上的自动艇和可靠障碍检测与回避的方法。就法律问题比如说，读者可以参考一下水下技术问题学会文件关于自治的操作规则海洋的车（AMV）：lsquo;咨询论文（7月1）rsquo;第一个基本步骤，实施冲突规避策略已被本杰明和梅西奥提出（2004）。在军事领域自动障碍检测的初步研究正在进行，如在初步集成的雷达和人工视觉设备上的SSC的圣迭戈（ebken等人。2005）。由于辅助激光光源被水完全吸收的特性，激光门控强化CCD（lgiccd）至少在夜间作业上对海上障碍物检测是一个显著的改善。
2.2 无人艇制导与控制现状
至于基本自动驾驶仪的设计中，控制车辆的航向和速度而言，经营成果表明，在许多实际应用中的简单P（I）D标题控制器足以保证满意的在控制USV的水平运动性能，作为在携带的海面微层采样的情况下通过出CNR-伊西亚查理（卡恰等，2005），并与SCOUT ASC进行oftests（柯西奥等，2005）。无论如何，更先进的控制技术已被评估。例如，一个双嵌套循环H 2的控制器，在那里内横摆率循环保证稳定性，耐用性和抗扰性，和外位置的一个改进跟踪性能，已经满意施加到MESSIN航向控制（Majohr和布赫2006）。更一般方法已在帕斯库亚尔曼等人已提出。（2006），其中，在增益调度控制器中，提出了插值参数线性控制器在不同的设计向前速度的建议。特别是，在频域中，Hinfin;性能标准用于设计线性控制器允许一个统一的控制和运动估计，进行通过互补滤波技术。（弗里克塞尔等，1996）。
在许多应用中，车辆需要遵循用指定的速度曲线丝丝入扣理想的路径，由最终用户，放松约束强的典型轨迹跟踪，定义为需要的船只跟随一个时间参数化参考曲线，即在特定的时间瞬间。因此，所谓的路径存在以下问题面临，即车辆具有跟随没有时间约束的平坦道路，通常获得顺畅衔接相对于所需的路径对轨迹跟踪控制器，不太可能达到饱和控制信号（Encarnaccedil;ao和帕斯库亚尔曼2001年）。在文献中已经提出了一些路径跟踪技术基本上源于对开发轮式机器人的经验。路径跟踪算法有定义，计算和减少到零之间的距离车辆和路径以及矢量之间的角度表示容器速度和切线到所需路径。基于增益调度控制理论的解决方案约一个广义误差矢量的线性修剪路径已在帕斯库亚尔曼等人已提出和实施（2006），并在德尔芬ASC运行。目前，研究主要集中在能够在全球范围内的非线性控制的发展设计方法，而不是保证稳定仅局部地如在上述的方法。尤其是反推控制设计方发下的技术路径兔已被合并（Encarnaccedil;ao和2001年帕斯库亚尔曼;拉皮埃尔等，2003），和对于无人艇的初步实验验证已在Bibuli等人提出。 （2007）。在布雷维克和Fossen的讨论中，提出了系统的指导，为了运动水平的理论指导以使其尽可能通用，使物理系统自主，以及发展的需要，应计算所需的所有参考信号。（2004年），其中一个参数的自适应技术拟引进环保积分动作扰动补偿。不管怎样，路径跟随演出可以通过使用预览控制器的设计得到加强，如在戈麦斯等人提出的技术（2006）。据worthnoting即inmany实际应用中，需要该容器通过的分路点的序列大致导航，常规线的视线引导，根据引导朝向各时刻的目标车辆船头，特别是从上看运动平稳性和执行机构的活动，提供令人满意性能。
- 建模
假定船舶运动受水平面的限制，即忽略俯仰，滚动和升沉的影响，2个参考框架可以考虑:地球固定框架E，船舶的位置和方向通常可以表示为[ x y psi;]，和以浪涌和摇摆速度（用[ u v ]代表，水用[ ur vr ]表示），偏航角速度 r，和力和力距[ X Y N ]组成的固定架 b。图1图案表示查利无人艇，包括参考帧、绝对与相对速度,执行器位置和方向舵角。与海流T[˙XC ˙YC ] 、相对于水的绝对速度和速度用以下表示
u = ur ˙xC cospsi; ˙yC sinpsi;
v = vr minus; ˙xC sinpsi; ˙yC cospsi; （1）
在地球固定框架中艇的运动表达式如下：
x= ur cospsi; minus;vr sinpsi; ˙xC
˙y= ur sinpsi; vr cospsi; ˙yC （2）
˙psi;= r
就动力而言，一个实用的模型小双体船已在卡恰等人定义（2006）。从精度上看，配备了全球定位系统和指南针由传感器提供的平台上无人艇上,对噪声的测量与实际基本上是一致的。特别是一组稳定状态和曲折的用无人艇查理的演习，车载数据采集指南针和全球定位系统，以确定车辆的阻力和惯性参数。车辆的一般理论模型,一直被认为在合理的假设参数估计的一致性和质量和简化流体力学的基础上。用于实验的小原型双体，用相对于水的摆动速度以及耦合从浪涌和偏航方程与可用与availablemeasurements浪涌和偏航方程之间，因为这是不可能的，他们被忽视和动力学减少到
在该车辆控制系统应用中转速控制回路的时间常数可以忽略不计的系统中，delta;代表舵角，tilde;mu，tilde;IR代表惯性，tilde;Ku，tilde;ku2r，tilde;KR和tilde;KR | R |代表阻力系数，在该情况下，该船配备伺服放大器关闭一个硬件推进器，螺旋桨转速和参考电压成比例。因此，在模型中一个标准的螺旋桨转速macr;N，用伏特表示，由于伺服放大器的作用和n成正比。值得注意的是，在稳定状态下，从激增的速度相对于可用的传感器不可使舵阻力和扭矩的依赖，船舶速度u是标准螺旋桨转速macr;N成正比的。因此，tilde;Kmacr;N 2delta;2表示舵阻力，和tilde;Kmacr;N2考虑船舶纵向不对称，这与不同的有效载荷配置的变化。在模型中，在设计控制规律时，通常有些被忽略，即假定等于零，并用控制作用补偿。
在（4）中，当车辆还在动,macr;n是零时，转向扭矩macr;N2delta;已被确定为螺旋桨转速功能而不是推进速度，舵动作忽略。因此,当车辆的实际速度密切关注macr;n的时空演化车辆动力学领域对该模型的有效性是macr;N＞macr;Nmin gt; 0。
- 运动估计
只参考标准螺旋桨转速，在线性位置和航向的舵角测量的基础上，可以车辆运动估计。无论如何，虽然简化，一个浪涌和偏航动态的车辆模型是可用的，可以作为一种虚拟传感器，进行偏航和浪涌衍生的测量，以增加过滤器的性能的平滑度和延迟的估计。实践已经证明了其有效性，例如，可以很嘈杂的深度测量，在一个ROV的垂荡运动估计试验中（卡恰和维卢乔1999）。
至于偏航运动而言，航向测量psi;M =psi; xi;psi;由车载罗盘提供，（xi;psi;代表测量噪声）。由于有效载荷配置更改船舶纵向不对称，系统状态[psi;Rtilde;Kmacr;N2 ] T也包括参数Kmacr;N2除了车辆航向psi;和偏航率R，并给出了系统方程：
其中xi;macr;N2delta;和xi;Kmacr;n2代表系统噪声。国家是通过传统的扩展卡尔曼滤波（EKF）估计，给出了最优估计的一种近似（见，例如，里贝罗2004的EKF的讨论和细节）。
另一方面，车辆的线性运动方程描述如下:
其中在激增估计和慢海电流变化中，xi;ur，xi;˙XC和xi;˙YC象征了系统噪声误差模型。
很显然，当只有位置和航向测量是可用的，它是不可能区分的车辆速度与水和海电流，从而有可能估计船舶的绝对速度。无论如何，开环集成（3）可以提供一个关于水上车辆激增的可能。尽管由于始终存在的不匹配
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