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1、基于自主式定位的自动导航系统于树海宋艳( 中船重工集团7 0 7 所九江分部九江3 3 2 0 0 7 )摘曩本文介绍了一种在某些特殊的情况下应用的基于自主式定位的导航系统该系统主要依赖于船位推算法进行定位，并对其定位误差进行了初步的分析，最后给出了在小吨位无人驾驶艇实际应用中的结累关键询船位推算自主式定位自动导航误差分析1 前言众所周知，舰艇在海上或内河中航行，导航系统是必不可少的设备，而在无人驾驶艇自动航行中。 自动导航系统尤为重要。尽管G P S ( 全球卫星定位系统) 及其他导航设备在目前的导航中已经得到了广 泛应用，但是在某些特殊使用条件下，由于不能依赖于外界的导航信息，这就需要一种
2、自主式定位的导 航系统进行定位和导航。基于这种思想或者说要求，我们设计了利用航向和速度进行船位推算的自主式 自动导航系统。该系统基于艇位推算法，由计算机船位推算系统、双轴速度传感器、方位仪( 罗经或电 子罗盘) 及自动操舵仪等组成。该系统具有航迹航向自动控制功能并可自动控制小艇在预定的航线上航 行。该系统应用于某小吨位的无入自动驾驶小艇上。2 主要技术指标适用于1 0 T 级以下小艇的自主式导航航行。 定位误差横内刁汗5 0 m航向偏差小于1 0 0 自导航程不小于3 0 0 0 m全重不大予、5 0 l 【I ；? 4j Fi 一功耗不大乎鼍洲1 ，卜j 。4 1 。0 -、3 系统的工作原
3、理本系统主要由自主式定位系统瓤臃连囊动控制系统薅个部分组戚。自主式定位系统的工作原理是基 于船位推算法。由方位仪、双轴速度传感鬻强计算机构成的船位推算系统，可以实时地推算船位，计算 出航迹偏差。航迹自动控制系统由计算机和操舵执行机构构成，计箕机中的航嬷自动控制部分再由航迹 偏差结合航向偏差计算出操舵角，送给操舵执行机构执行，从而达到控制小艇在预定的航线上航行。3 1 船位推算法的原理 当小艇在海上航行时，会受到风浪及海流的影响，产生航 向偏差和横漂运动，使小艇偏离预定的航线。如图1 所示，当 艇在从A 点以预定航向K l 向B 点航行时，在某。时刻，麓的，实际航向是K 2 ，偏航角是0 ，艇的
4、纵向速度为V ，艇横筒的速度为v 。在局部地区内，海面可以近似看作是一个平面如 果连接A B 作为Y 轴，以A 点作为原点，做横轴X 。可知艇在 Y 轴方向的速度分量为：YV y = V * c o s0 - V _ * s i 圈l 艇在X 轴方向的速度分量为：V x = V * s i n0 心，C O S 龟分别对V x 和V y 作时间上的积分即可推算出艇在直角坐标系X O Y 中的位置。在原点地理位置已知的1 0 8情况下，亦可推算出艇在地理坐标系中的地理位置。 3 2 航迹自动控制的原理当艇以预定的航向K 沿着预定的航线A B 由A 点向B 点航行时，由于受到风浪和横向水流的影响，
5、 小艇会有航向偏差以及横漂运动，导致小艇偏离预定的航迹。计算机中的船位推算部分接收实时航向信 息和实时的速度信息，解算出航迹偏差量，同时也解算出航偏角。计算机中的航迹自动控制部分根据航 向偏差量和航迹偏差量解算出应操舵的角度，送执行机构执行，改变小艇的航向，使其回到预定的航迹上来。从而完成航迹自动控制。4 系统的组成本系统由以下几部分内容组成：方位仪( 电子罗盘) ，可实时得提供小艇的实际航向；双轴速度传 感器，可实时得提供小艇的纵向和横向的运动速度；主计算机，存储航行计划；接收方位仪和双轴速度 传感器的数据、推算船位、推算航向偏差、推算航迹偏差向操舵执行机构发送操舵角：操舵机构，接收 操舵角
6、数据并执行；键盘，输入航行计划；显示器，显示输入数据和航行中的航向和航迹信息。如图2 系统组成框图5 航迹误差分析。由于本系统是基于自主式定位，因此航迹误差包括定位误差和动态控制误差。5 1 系统定位误差+由前面介绍得知，系统的定位基于对小艇的两个速度积分，即小艇的纵向速度和横向速度在坐标中的分量的和。小艇实时的纵向( 艇艏向) 速度V ，横向速度为V 一，在坐标中的速度分量为V x 和，0 是 计划航向和实时航向的差值。小艇在Y 轴上的航行距离为S y ，小艇在X 轴上的航行距离为S x ，则有：S 严fX , 5 , d 卢，c 6 so - v - s m0 ) a tS 萨fv x 护
7、J ( v s i n0 “o C O S0 由于实测的航向和实际的航向有个差值0 ，实测的速度也有误差V 和V ，则计算出的航行距离则有误差存在，即定位有个误差S y 和S x 。AS y = ，( V c o s0U s i n0 ) d b ，( + v ) c o s ( 0 + 0 ) _ ”AV - ) s i n ( 0 + 0 ) ) d r AS x = ，( V s i n0 - v C O S0 ) d t - ，( ( v + V ) s m ( 0 + 0 ) - “ V - ) c o s ( 0 + A0 ) ) d t由上两式可以看出，定位误差是实时航向误差、实
8、时纵向速度、实时横向速度和时间的函数。精确计算定位误差有一定的难度。由于本系统应用中主要关心的是横向的误差，下面我们对横向定位误差进 行粗略分析。假设航行中速度误差均为最大系统误差V ，航向误差均为最大0 。当0 = o 时有最大误差：A S x a n a x - J ( V * s i n O V _ * c o s O ) d t - J ( ( V + A V ) * s i n O - ( V _ + A V ) * c o s O ) d t AV * S y V1 0 9当A V = - 士o 1 节，S y = 3 0 0 0 米，V = 1 5 节时，A s x m a x
9、l 矧2 0 米 当V = 曲1 节，S y = 3 0 0 0 米，V = 1 0 节时，A s x m a x l 堪- 3 0 米 当弘士0 0 5 节，S 严3 0 0 0 米，忙1 5 节l 时，黜擞l 嫩1 0 米当A V - e b 0 0 5 节，S y = 3 0 0 0 米，V = 1 0 节时，A s x m a x l ：跬1 5 米 当A V = 0 对育最大误差a s x m a x 2 f J ( V s i n 0 一虼* c o s e ) d t - J ( V * s i n ( 0 + A e ) - V c o s ( 刚- A e ) ) d t =
10、 t g A 0 s y当A e - - 士- 0 5 度，S y = 3 0 0 0 米时，A s x m a x 2 ：进- 2 6 18 米当e = 士0 3 度，S y = 3 0 0 0 米时，A s x m a x 2 划：l5 7 0 米由以上分析可知，整个系统的最大横向定位误差：A s x m a x f f i A s x m a x l + A s x r n a x 2当A V = - 士- 0 1 节，S y = 3 0 0 0 米，V = 1 5 节，A ( 归- x - 0 3 度时，A s x m a x = 生3 5 7 米 当恻1节，S y = 3 0 0 0
11、 米，V = 1 0 节，厶归如3 度时，A s x m 蝌4 5 7 米 当A V = 士- 0 0 5 节。S y = 3 0 0 0 米。V = 1 5 节，肛卸3 度时，A s x m 删5 7 米 当V = 蛐0 5 节，S y = 3 0 0 0 米，V = 1 5 节，O ；卸3 度时，A s x m a x - - d ：3 0 7 米 当A V = 生- 0 0 5 节，S y = 3 0 0 0 米，V = 1 5 节，A 归t - 0 。5 度时，A s x m 斛3 6 1 8 米 当A V = - i 0 0 5 节，S y = 3 0 0 0 米，V = 1 0 节
12、，厶e = 哇0 5 度时，麟m 删1 1 8 米均能满足系统的横向偏差不大于5 0 米的要求。由于小艇时在动态的航行中，航向和速度误差带来 的定位误差是随机并带有正副方向的。因此，实际应用中的定位误差大小将是一种随机变化的，而且会 小于估算的最大误差。出现最大误差的几率非常的小，如果按照随机概率的估算，定位误差应该大部分的概率是在最大的误差一半以内。 5 2 航迹控制中的动态误差 小艇在航行中受到海流和风浪的影响会偏离预定的航迹，尽管在航迹自动控制下，小艇会返回到预 定的航迹，但是在航行过程是先有一定的航迹偏差，然后才有控制响应，这就带来了一定的动态航迹偏 差。而且在航迹控制过程中还存在控制
13、响应的滞后带来的瞬时偏差。 小艇的动态响应引起的误差根据小艟设计提供的数据表明只有不到l m , 在这里几乎可以忽略不计。 由于在本系统内采用了一种新的航迹航向控制模式，使得小艇可以在定位的基础上控制在航迹偏差不大 于5 m 甚至更小( 通过设定莱控制系数可达到) 。综上所逑，本系统的航迹误差完全可以控制在5 0 m 以内。6 结束谙上述所设计的自主式定位导航系统已经成功地应用在莱小艇上。在内湖和近海岸做过近百次的航行 实验，航行方式包括单一直线航行和由两条直线形成的折线航行方式，航行距离有1 0 0 0 米和3 0 0 0 米。 航行中少有的几次最大横向偏差是刍5 米囊小的偏差在1 米以内。多数偏差在l o 2 5 米之间。这也充 分证明亍误差分析中的推断( 鉴于某种原因。详细的航迹偏差数据从略) 。 航行试验中采用的方位仪，先是使用莱型号的电罗经，定位精度很高，但是可惜的是在恶劣的海况 下出现倒台现象，不能稳定的工作。后来采用了电子罗盘，工作稳定，遗撼的是航向误差略大，从而影 响到定位误差偏大。尽管如此，定位精度仍能满足使用要求。上诉的近百次的航行试验就是采用的电子罗盘作为方位仪的。1 1 0
