基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法，用于实现蟹塘自动作业船的导航。自动作业船的导航方式是从某点出发，沿塘堤平行，间隔一定行程的内螺旋路径。该发明专利技术通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。利用作业船与塘堤的距离，结合当前航向角，通过一定的数学计算，获得当前航向角与期望航向角的差值。将角度偏差值导入明轮电机驱动控制系统，利用PD控制方法调节产生左右明轮的转速差，实现作业船的航向控制，从而实现蟹塘自动作业船的导航。

Integrated Navigation Method for Crab Pond Automation Vessel Based on Information Fusion of Low Precision GPS, Laser Ranging Sensor and Azimuth Sensor

【技术实现步骤摘要】
基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法
本专利技术涉及导航与多传感器混合使用领域，具体涉及一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法。
技术介绍
随着经济的持续发展，人们的生活水平明显提高，市场对河蟹的需求逐年增长。种草养殖的河蟹养殖塘，人力成本高，作业效率低，自动化、现代化、高效化水平明显不高。因此设计了一种自动导航水产养殖作业船。在作业船导航过程中，一般只使用单独的导航系统实现对船舶的定位、航向以及转向控制。但此种方法需要导航系统的精度达到厘米级别，设备投资大，并且航向控制需要较为复杂的算法。
技术实现思路
因此本专利技术基于降低成本，提出一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法。通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。利用三种传感器的数据，融合计算并判断转向依据，进而实现作业船的导航控制。本专利技术成本较低，并且多传感器拥有更多的判断依据，整套系统拥有更好的稳定性与抗风险能力。本专利技术的目的是提供一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法，用于实现蟹塘自动作业船的导航。1.本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：(a)通过GPS系统的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，当作业船行驶至相关位置时，开始转向或者切换相应的航迹线。(b)通过方位传感器确定作业船的当前航向角α。结合目标航线的航向信息，判断当前偏离目标航向的角度，为作业船的转向控制提供数据；(c)通过特定的方式安装激光测距传感器，并通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤较为精确的距离L1。结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L2。实时监测L1的值，判断其数值大小，避免作业船与蟹塘堤岸相撞，对作业船造成损坏。(d)分析激光测距传感器所得数据L1与GPS系统获得的定位信息。当二者的误差大于3m时，剔除激光传感器的数据；当误差小于3m时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据。(e)利用激光测距传感器所得数据L1与步骤(a)中GPS系统的距离L，结合步骤(b)中方位传感器数据α，可得作业船当前位置在航线l1上的投影位置A。沿航线l1向前延伸一段距离h，获得目标点B。(f)当目标点B超过当前航迹线CD的终点，则切换航迹线。当前航迹线CD与下一航迹线DE交于点D，以作业船当前位置O做航迹线DE的投影点O'。O'沿航迹线DE向前延伸h作为新的目标点B。(g)利用作业船当前位置与目标点B的位置信息，获得目标航向角β。结合步骤(b)方位传感器所得当前航向角α，通过数学计算，得到航向角偏差e。(h)判断作业船当前位置与目标点的距离OB。当OB距离较大时，作业船距离目标位置较远。此时给定较大的电机共模电流，作业船选择高航速运行；当OB较小时，作业船距离目标点位置较近。此时给定较小的电机共模电流，作业船选择低航速运行。(i)将航向角偏差值e导入电机驱动控制系统，利用PID调节器产生左右明轮的差模电流信号，将差模电流信号导入左右明轮电机，产生左右电机的转速差，控制作业船转向。2.所述步骤(a)中所述的GPS系统检测精度为2m。低精度的GPS系统所测得的作业船当前的经纬度信息不直接参与导航参数的精确计算，而是为作业船的导航信息融合提供判定依据以及地图信息。3.所述步骤(b)中所述的方位传感器采用的是地磁传感器，是通过地磁感应元件确定当前的方向，因而对周边地磁环境较为敏感，安装过程中需要尽量避免四周的金属物质，减少地磁干扰。并且为了确保地磁数据的准确性，需要对方位传感器进行周期性的校准。校准数据存放于内部存储空间，方便方位传感器测量数据时调用。4.所述步骤(c)中所述的激光测距传感器安装方式如下：要求作业船明轮幅板安装错开1/2位置，由于幅板的压水作用，自动作业船在航行时左右会产生轻微的晃动；水平安装在自动作业船上高于水面30-40cm的激光测距传感器随着船的晃动，有利于检测到距离较远的塘堤，以减小激光测距传感器安装过程中的误差。当作业船GPS系统或方位传感器因磁场或者高频信号的干扰产生较大误差，导致作业船输出错误控制信号时，激光测距传感器可以通过判断当前作业船与堤岸距离L1的大小，避免作业船与堤岸相撞，从而提高整套系统的稳定性与抗干扰能力。5.所述步骤(d)中所述的将激光测距传感器所得距离与GPS系统确定的大致距离进行比较，并且在二者误差大于3m时，剔除激光传感器的数据，选择GPS的数据作为依据进行下一步的运算。在恶劣天气或者顺时风向变化剧烈的情况下，船体可能会出现较为剧烈的左右晃动，安装在船体侧边的激光传感器随着船体的晃动，所测目标点的位置会超出塘堤的高度，从而导致所获得的距离并非作业船与塘堤的真实距离。在这种情况下，GPS系统所获得的定位信息并不会产生巨大的改变，相较于激光测距传感器有着更为可靠。6.所述步骤(g)中所述的数学计算方法如下：方位传感器获得的当前航向角为α，由激光测距传感器获得的自动作业船与塘堤的距离为L1，根据角度关系，可得自动作业船与塘堤垂直距离L2L2＝L1·cosα设当前的目标航向角为β，则可通过三角关系以及反三角函数计算得到则根据三角形AOB内角和关系，可得航向角偏差e为e＝β-α本专利技术的有益效果为：该专利技术的技术特点在于通过低精度的GPS系统确定导航轨迹拐点的位置以及轨迹航向，通过方位传感器确定当前自动作业船的运动方向，通过激光测距传感器确定自动作业船与近侧塘堤的距离。利用作业船与塘堤的距离，结合当前航向角，通过一定的数学计算，获得当前航向角与期望航向角的差值。将角度偏差值导入明轮电机驱动控制系统，利用PD控制方法调节产生左右明轮的转速差，实现作业船的航向控制，从而实现蟹塘自动作业船的导航。附图说明图1转向角算法示意图；图2转弯算法示意图；图3明轮安装示意图；(a)左明轮；(b)为右明轮；图4传感器位置示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步描述。本专利技术提出一种基于低精度GPS、激光测距传感器与方位传感器信息融合的蟹塘自动作业船组合导航方法，用于实现蟹塘自动作业船的导航。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：(j)通过GPS系统的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，如图1所示。当作业船行驶至相关位置时，开始转向或者切换相应的航迹线。(k)通过方位传感器确定作业船的当前航向角α。结合目标航线的航向信息，判断当前偏离目标航向的角度，为作业船的转向控制提供数据；(l)通过特定的方式安装激光测距传感器，并通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤较为精确的距离L1。结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L2。实时监测L1的值，判断其数值大小，避免作业船与蟹塘堤岸相撞，对作业船造成损坏。(m)分析激光测距传感器所得数据L1与GPS系统获得的定位信息。当二者的误差大于3m时，剔除激光传感器的数据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于低精度GPS、激光测距与方位传感器的蟹塘自动作业船组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：通过GPS系统的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，当作业船行驶至相关位置时，开始转向或者切换相应的航迹线；通过方位传感器确定作业船的当前航向角α，结合目标航线的航向信息，判断当前偏离目标航向的角度，为作业船的转向控制提供数据；安装激光测距传感器，并通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤的距离L1，结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L2，实时监测L1的值，判断其数值大小，避免作业船与蟹塘堤岸相撞，对作业船造成损坏；分析激光测距传感器所得距离L1与GPS系统获得的定位信息，当二者的误差大于一定值时，剔除激光传感器的数据；当误差小于一定值时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据；利用激光测距传感器所得距离L1和目标航线与距离塘堤的距离L，结合方位传感器当前航向角α，得作业船当前位置在航线l1上的投影位置A，沿航线l1向前延伸一段距离h，获得目标点B；当目标点B超过当前航迹线CD的终点，则切换航迹线，当前航迹线CD与下一航迹线DE交于点D，以作业船当前位置O做航迹线DE的投影点O'。O'沿航迹线DE向前延伸h作为新的目标点B；利用作业船当前位置与目标点B的位置信息，获得目标航向角β，结合方位传感器所得当前航向角α，通过数学计算，得到航向角偏差e；判断作业船当前位置与目标点的距离OB，当OB距离较大时，作业船距离目标位置较远，此时给定较大的电机共模电流，作业船选择高航速运行；当OB较小时，作业船距离目标点位置较近，此时给定较小的电机共模电流，作业船选择低航速运行；将航向角偏差值e导入电机驱动控制系统，利用PID调节器产生左右明轮的差模电流信号，将差模电流信号导入左右明轮电机，产生左右电机的转速差，控制作业船转向。...

【技术特征摘要】
1.一种基于低精度GPS、激光测距与方位传感器的蟹塘自动作业船组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤：通过GPS系统的数据规划作业船的目标航线、目标航线与距离塘堤的距离L、下一位置的目标点以及转弯点的位置信息，当作业船行驶至相关位置时，开始转向或者切换相应的航迹线；通过方位传感器确定作业船的当前航向角α，结合目标航线的航向信息，判断当前偏离目标航向的角度，为作业船的转向控制提供数据；安装激光测距传感器，并通过激光测距传感器获得作业船与近侧塘堤的距离L1，结合当前航向角α，计算获得作业船与堤岸的垂直距离L2，实时监测L1的值，判断其数值大小，避免作业船与蟹塘堤岸相撞，对作业船造成损坏；分析激光测距传感器所得距离L1与GPS系统获得的定位信息，当二者的误差大于一定值时，剔除激光传感器的数据；当误差小于一定值时，选择激光测距传感器所得的数据作为航向角计算的依据；利用激光测距传感器所得距离L1和目标航线与距离塘堤的距离L，结合方位传感器当前航向角α，得作业船当前位置在航线l1上的投影位置A，沿航线l1向前延伸一段距离h，获得目标点B；当目标点B超过当前航迹线CD的终点，则切换航迹线，当前航迹线CD与下一航迹线DE交于点D，以作业船当前位置O做航迹线DE的投影点O'。O'沿航迹线DE向前延伸h作为新的目标点B；利用作业船当前位置与目标点B的位置信息，获得目标航向角β，结合方位传感器所得当前航向角α，通过数学计算，得到航向角偏差e；判断作业船当前位置与目标点的距离OB，当OB距离较大时，作业船距离目标位置较远，此时给定较大的电机共模电流，作业船选择高航速运行；当OB较小时，作业船距离目标点位置较近，此时给定较小的电机共模电流，作业船选择低航速运行；将航向角偏差值e导入电机驱动控制系统，利用PID调节器产生左右明轮的差模电流信号，将差模电流信号导入左右明轮电机，产生左右电机的转速差，控制作业船转向。2.根据权利要求1所述的基于低精度GPS、激光测距与方位传感器的蟹塘自动作业船...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵德安，钱梦男，秦云，孙月平，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32