東英測繪——無人船技術(shù)

一、傳感器

一般在開發(fā)一個(gè)無人載具（不僅限于無人船），如果想要良好地控制它，下面的這些傳感器是必不可少的：GNSS定位系統(tǒng)、陀螺儀、加速度計(jì)、磁力計(jì)，如果想要讓無人船更加的智能化，我們可以考慮加入毫米波雷達(dá)、視覺系統(tǒng)等等，用于自動(dòng)避障。

1、GNSS模塊

一我們般常說的GPS只是國外（美）的那一套定位系統(tǒng)，以及我們自己的北斗、歐洲的伽利略，俄羅斯的格洛納斯定位系統(tǒng)，這些統(tǒng)稱為GNSS，Global Navigation Satellite System。GNSS接收機(jī)是裝在船上的，它能輸出當(dāng)前的接收機(jī)模塊所在地點(diǎn)經(jīng)緯度。但是不同的定位系統(tǒng)基于的坐標(biāo)系是不同的，GPS基于WGS84坐標(biāo)系，北斗基于一套咱國家的坐標(biāo)系。獲取了一定坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度，還需要知道航向，這里航向可以用兩種方法獲得。

（1）第一種利用GNSS獲取航向，小船下水之后先讓它往前行駛一小段，然后我們就能利用兩點(diǎn)連成一條直線的原理來獲取船頭的朝向。

（2）利用磁力計(jì)獲取航向，有些GNSS模塊上邊寫的一行小字：with compass. 這個(gè)compass就是指磁力計(jì)，也就是我們所說的指南針，然后利用霍爾原理采集三軸上的磁數(shù)據(jù)。

2、陀螺儀

陀螺儀的基本作用是進(jìn)行測量方位。我們可以簡單的把它理解成指南針,但陀螺儀指向的原理跟磁力沒有任何關(guān)系，陀螺儀是利用角動(dòng)量守恒來進(jìn)行測量的。例如：設(shè)想一下你的手里拿著一臺(tái)陀螺儀，校準(zhǔn)的時(shí)候把它的指針指向了你的家門口接著你出去圍著家跑一圈，這個(gè)時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)陀螺儀的指針始終指著你的家門口，由此可以測量出你運(yùn)動(dòng)起來的時(shí)候跟你家門口的夾角。如果我們給它設(shè)定了個(gè)已知的方向基準(zhǔn)，那么方位也就能能獲得了。

另外，我們知道了加速度計(jì)可以測量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)候的加速度，然后我們將每個(gè)時(shí)間內(nèi)測得的加速度值進(jìn)行積分兩次就可以得到位移的值。所有單純使用陀螺儀與加速度計(jì)，我們就能夠完全可以制造一個(gè)不需要任何其他參考系的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)！

二、濾波算法

如果需要直接用讀取回來的數(shù)據(jù)來進(jìn)行控制無人船。會(huì)看到：將小船放下水小船會(huì)一直哆嗦？出現(xiàn)這種情況是因?yàn)殡娮觽鞲衅髦苯荧@取的數(shù)據(jù)噪聲很大，需要濾波。比如，在這一秒傳感器讀取的船頭偏航角是30度，那么下一個(gè)時(shí)刻可能由于突發(fā)的干擾導(dǎo)致讀數(shù)變成了60度，再下一個(gè)時(shí)刻恢復(fù)了正常30度。接著用濾波算法，輸入傳感器的數(shù)據(jù)中帶噪聲的數(shù)據(jù)，它就能給你濾波輸出很接近真實(shí)數(shù)據(jù)的結(jié)果。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

成熟的無人船系統(tǒng)一般采用的是上位機(jī)+下位機(jī)的架構(gòu)。所謂上位機(jī)，以樹莓派為例：類似于人的大腦，用來負(fù)責(zé)交互、綜合與高級(jí)運(yùn)算；下位機(jī)一般采用嵌入式芯片如STM32，類似于人的小腦，負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制，直接對(duì)電機(jī)等外圍設(shè)備下達(dá)指令。

簡單來說，如果你需要遠(yuǎn)程控制單位的電腦辦公，單位的電腦就可以看做是一臺(tái)上位機(jī)；單位的打印機(jī)就是下位機(jī)。此外，通過上位機(jī)還可以很方便的拓展很多的功能。比如在文章末尾附的無人船項(xiàng)目的上位機(jī)就通過僅僅兩三行代碼加入了語音提示無人船工作狀態(tài)的功能。如果是僅使用下位機(jī)，那工作量就很大了。

四、路徑規(guī)劃

有了以上的東西，我們的無人載具機(jī)就已經(jīng)具備了遙控行駛的能力了。如果還需要加入自動(dòng)巡航的功能，那么我們還需要加入路徑規(guī)劃的部分。假設(shè)給你兩個(gè)經(jīng)緯度目標(biāo)點(diǎn)A、B，怎么規(guī)劃出一條路線呢？這里用到了方位角，換句話說就是，有了兩個(gè)GPS的坐標(biāo)，你需要將兩個(gè)坐標(biāo)之間的方位角和距離計(jì)算出來；有了方位角和距離，你就是需要反過來根據(jù)第一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)計(jì)算第二個(gè)坐標(biāo)。

規(guī)劃是對(duì)未來的時(shí)域、空域的一系類計(jì)劃可分為全局規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃包括全局路徑規(guī)劃和局部路徑規(guī)劃，全局路徑規(guī)劃指在已知全局地圖的情況下，從車輛當(dāng)前位置規(guī)劃出一條到目的地的全局路徑。局部路徑規(guī)劃指根據(jù)環(huán)境感知的信息在換道、轉(zhuǎn)彎、躲避障礙物等情況下，實(shí)時(shí)規(guī)劃出一條安全、平順、舒適的行駛路徑。路徑規(guī)劃有很多算法，包括Dijkstra算法、蟻群算法、Astara算法、勢場法、粒子群算法、遺傳算法、狼群算法以及模擬退火算法等。

五、決策與控制

決策，在整個(gè)無人駕駛系統(tǒng)中，扮演者“駕駛員大腦”的角色，根據(jù)定位和感知以及路徑規(guī)劃的信息，決定無人船的形式策略。包括：是否轉(zhuǎn)向避碰、是否繞行、是否停車等?？刂?，主要包括轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)三方面的控制，執(zhí)行規(guī)劃決策模塊下發(fā)的期望速度和期望轉(zhuǎn)向角度，也包括號(hào)燈、喇叭等等的控制。

以上就是對(duì)無人船技術(shù)的介紹，如果你還有什么不了解的地方，歡迎留言或者在線咨詢，我們會(huì)及時(shí)與您聯(lián)系。東英測繪儀器有限公司提供RTK/GPS、全站儀、水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、無人機(jī)等儀器的銷售、檢測、校正等服務(wù)，也承接測繪培訓(xùn)和各種內(nèi)外業(yè)測量任務(wù)，有相關(guān)的需要了解都可以留言或者在線咨詢我們，我們將詳細(xì)為你解答。