河蟹養(yǎng)殖無人作業(yè)船路徑跟蹤算法研究

管凱 趙德安 洪劍青

摘要：河蟹養(yǎng)殖無人作業(yè)船能解決人工養(yǎng)殖成本高、效率低等問題，提高漁民收益。河蟹養(yǎng)殖無人作業(yè)船自動導(dǎo)航作業(yè)的關(guān)鍵是路徑跟蹤，傳統(tǒng)的純追蹤算法行駛路徑只包含直線作業(yè)與岸邊曲線轉(zhuǎn)彎作業(yè)，不能滿足作業(yè)船的自主循跡（自動導(dǎo)航）需求。為此針對預(yù)先規(guī)劃的路徑，研究了改進的純追蹤算法。通過試驗對該導(dǎo)航控制算法進行驗證，結(jié)果表明，無人作業(yè)船在以50cm/s的速度行駛并轉(zhuǎn)彎半徑為5m時，最大路徑跟蹤誤差可以控制在0.1m以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：無人作業(yè)船;自動導(dǎo)航;路徑跟蹤;純追蹤算法

DOI：10.11907/rjdk.182925開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP312文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2019）010-0078-04

0引言

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動化成為研究熱點，自動導(dǎo)航技術(shù)成為各國促進農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。自動導(dǎo)航路徑跟蹤誤差大小直接決定了導(dǎo)航控制效果。因此，研究導(dǎo)航控制中的路徑跟蹤算法對農(nóng)業(yè)智能化有著重要意義。

導(dǎo)航控制算法主要研究有：日本學(xué)者Nagasaka等在設(shè)定轉(zhuǎn)彎處的轉(zhuǎn)彎半徑后，根據(jù)實際航向與目標航向的偏差控制插秧機的路徑跟蹤，該方法可實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，但會有很大的超調(diào)量;Kisem等采用三次函數(shù)控制實現(xiàn)最小轉(zhuǎn)彎半徑與最大八角速率轉(zhuǎn)向兩種轉(zhuǎn)彎方法，雖然仿真最大跟蹤誤差小于0.2m，但該方法實際控制難度較大。Asif等提出一種增加一個積分器的滑?？刂扑惴?，相比于傳統(tǒng)的滑模控制性能更好;羅錫文等模擬拖拉機的運動設(shè)計了二輪車運動模型，路徑跟蹤采用PID控制，PID參數(shù)通過時域階躍響應(yīng)仿真分析和田間試驗結(jié)果綜合整定，但是只適合直線路徑跟蹤;李逃昌等設(shè)計的模糊自適應(yīng)純追蹤算法雖然適用直線和曲線行駛，但是該控制規(guī)則由專家經(jīng)驗設(shè)定，路徑跟蹤誤差較大且難以修正;韓科立等在直線路段與地頭轉(zhuǎn)彎的路徑跟蹤控制使用雙參數(shù)控制方法，研制了農(nóng)業(yè)輪式自動作業(yè)機器人。

本文以河蟹養(yǎng)殖智能化為背景建立試驗平臺，以天寶LGR-BD9821接收機12V/450W直流有刷電機和ARM9控制版為主要硬件設(shè)備，設(shè)計基于GPS定位系統(tǒng)改進后的純追蹤控制算法，通過蟹塘試驗對該導(dǎo)航控制算法進行可行性驗證。

1坐標變換與蟹塘區(qū)域平面坐標系

1.2蟹塘平面坐標系

先通過GPS定位蟹塘4個角以及碼頭的經(jīng)緯度，然后通過高斯正形投影轉(zhuǎn)換位，以碼頭為坐標原點，x軸指向正東方向，y軸指向正北方向，平面坐標系如圖1所示。

M₁、M₂、M₃、M₄真是蟹塘4個角的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換后的平面坐標，O為碼頭。實際導(dǎo)航控制算法的路徑規(guī)劃以及路徑跟蹤基于該平面坐標系。

2作業(yè)船運動學(xué)模型

河蟹養(yǎng)殖船采用雙空心浮體作為船體，長3.2m，寬2.2m，使用直流無刷電機（12V/450W）驅(qū)動。該船可簡化為二輪小車運動學(xué)模型，圖1為平面坐標系下的運動學(xué)分析，圖2中α是小車前輪轉(zhuǎn)向角，以車的縱向中心軸為基準，左邊為負，右邊為正。θ為小車的航向角（小車縱向與真北即Y軸方向的夾角），取順時針方向夾角，L為小車前后車輪中心間距。

3導(dǎo)航控制方法設(shè)計

3.1計算前視目標點

前視目標點計算需用到前視距離，而前視距離是仿照人駕駛車輛時觀察車前路況時的距離，研究表明該距離大小與車速及轉(zhuǎn)彎路段彎曲程度有關(guān)。車速越大前視距離（l）越大，彎度越大前視距離越小，即：

3.2導(dǎo)航偏差設(shè)定

由圖3可知導(dǎo)航偏差有航向偏差Ω（當前航向與目標航向的角度差）與橫向偏差d（作業(yè)船當前位置與預(yù)設(shè)路徑的最小距離），若作業(yè)船位于預(yù)設(shè)路徑AB的左邊則d為負反之為正，若當前航向在目標航向的左邊則Ω為負反之為正。

3.3路徑跟蹤控制算法設(shè)計

河蟹養(yǎng)殖自主作業(yè)船由兩個帶有明輪的電機驅(qū)動行駛，本文路徑跟蹤控制算法基本原理是利用上述得到的航向偏差與橫向偏差作為驅(qū)動控制器的輸入量，將理論推導(dǎo)的電機驅(qū)動電壓及正反轉(zhuǎn)信號作為輸出量。

式（6）中，±0.56Ω前面的正負號表示驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)信息，+表示正轉(zhuǎn)，-表示反轉(zhuǎn)，k_d是橫向偏差的比例系數(shù)，反映導(dǎo)航效果，當d：>0.2m時k_d=1.09，反之為0。該算法可實現(xiàn)直線路徑跟蹤也可實現(xiàn)曲線路徑跟蹤，適用性強。

4無人作業(yè)船水下試驗

4.1試驗與數(shù)據(jù)采集

本試驗是在江蘇大學(xué)西山操場旁邊的魚塘進行，數(shù)據(jù)通過無線串口和上位機SecureCRT通信采集，頻率為10Hz，船載GPS接收機單點定位RTK模式水平誤差為±2cm，航向測定誤差最大為0.09°，導(dǎo)航控制算法存儲在MINL2440開發(fā)板，試驗現(xiàn)場如圖4所示。

4.2數(shù)據(jù)分析

將自動導(dǎo)航作業(yè)時的橫向誤差d與實時位置P輸出到上位機，由此得到路徑跟蹤誤差曲線與實際行走路線。圖5上半部分為橫向誤差曲線（橫軸為時間，單位100ms，縱軸為距離，單位m），下半部分為實際行走路線（橫軸為經(jīng)度，縱軸為緯度，系列1是實際導(dǎo)航行走路徑，系列2是預(yù)設(shè)路徑）。

對試驗數(shù)據(jù)分析可知，河蟹養(yǎng)殖船導(dǎo)航時的直線段路徑跟蹤平均誤差為0.066m，最大直線段跟蹤誤差為0.122m，轉(zhuǎn)彎部分跟蹤平均誤差為0.323m，最大轉(zhuǎn)彎跟蹤誤差為0.521m，誤差在可接受范圍內(nèi)，表明本文的導(dǎo)航控制算法具有較好的導(dǎo)航效果。

5結(jié)語

通過動態(tài)調(diào)整前視距離1計算前視目標點的方法，能對河蟹養(yǎng)殖無人作業(yè)船進行路徑跟蹤時確定目標點，可在一定精度前提下實現(xiàn)準確導(dǎo)航作業(yè)。本文對傳統(tǒng)純追蹤算法的改進是針對直線路徑跟蹤，但試驗證明該方法也適用于轉(zhuǎn)彎路徑跟蹤，實時性強、魯棒性好。本文設(shè)計的路徑跟蹤算法雖是針對水面無人作業(yè)船，但若地面移動機器人在使用GPS定位時，也可采用坐標轉(zhuǎn)換實現(xiàn)路徑跟蹤。