基于北斗系統的AUV導航定位系統設計與實現

馬騰飛,匡興紅,趙夢晗,張強,徐麗婷

(上海海洋大學工程學院,上海 201306)

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基于北斗系統的AUV導航定位系統設計與實現

馬騰飛,匡興紅,趙夢晗,張強,徐麗婷

(上海海洋大學工程學院,上海 201306)

針對目前自治水下機器人(AUV)通信控制現狀,提出了基于北斗系統的AUV定位系統設計構想。采用北斗系統的導航定位系統可以精確獲取AUV位置信息,增強了地面控制端對AUV的控制能力并有效擴展了AUV的活動范圍,為改進AUV控制系統設計提供參考價值,同時提高AUV精確作業能力。

北斗系統;AUV;定位

0　引　言

自治水下機器人(AUV)是一種能攜帶多傳感器、專用設備或武器的水下智能化裝置。它自帶能源,不受臍帶纜繩的牽制,可以在大范圍海域自主航行,在海洋搜索、海洋考察以及軍事上有著良好的應用前景[1]。AUV主要采用水聲通信的通信手段,AUV工作時間大多數在水面以下,無線電通信無法使用,當AUV浮出水面時,即可采用衛星進行無線電通信。

北斗衛星導航系統是我國自行研制的全球衛星導航系統,是繼GPS,GLONASS之后第三個成熟的衛星導航系統,由空間段,地面段,用戶端三部分組成[2]。整個系統由35顆衛星組成,其中包括5顆靜止軌道衛星,目前已成功發射了16顆導航衛星,具備了覆蓋亞太地區的定位、導航和授時以及短報文通信服務能力。根據總體規劃部署,到2020年將建成覆蓋全球的北斗衛星導航系統,屆時可在全球范圍內為各類用戶全天候、全天時提供高精度、高可靠定位、導航與授時服務,以及短報文通信能力[2]。

目前北斗系統應用廣泛,尤其是在交通運輸、測繪勘測等方面發揮了顯著的作用。曾志勇[3]等將北斗衛星系統運用在海洋測量船上,實現對數據進行實時的存儲,對遠洋海洋測量船進行實時監測等;張國旺[4]等將北斗定位系統運用在飛行實驗中,在飛行實驗中利用北斗進行數據定位,取得了良好的效果;楊方[5]等將北斗系統運用在農機生產中,實現農機定位與自動駕駛,取得了巨大的經濟效益。AUV的遙控指揮可以借助北斗系統進行設計并實現,這樣的優點是能夠在較大范圍內進行AUV的定位和控制,降低了系統的設計和使用成本,同時系統更加穩定可靠。

1　導航系統工作原理

AUV在水面工作狀態時接收北斗導航衛星傳輸的數據[6]。AUV遙控指令處理模塊根據協議對收到的數據進行處理,提取有效的相關指令信息,并將指令信息發送給AUV自帶的運動控制模塊,AUV運動控制模塊根據指令做出相關動作,以實現AUV的下一步運動控制;AUV航行控制模塊將自身位置等有效狀態信息傳輸給狀態報告模塊,狀態信息按照協議編碼后通過北斗通信模塊發送給地面中心。地面中心接收AUV通過北斗導航衛星傳輸的有效數據,按照協議處理該數據,提取AUV位置等狀態信息,AUV地面中心根據其信息制定下一步控制指令。整個系統工作流程如圖1所示。

圖1　基于北斗系統的AUV導航系統控制流程

2　導航系統硬件設計

本文中AUV采用的北斗定位系統主要由通信模塊、北斗定位模塊、單片機模塊和上位機組成。如圖2所示。AUV開機后,上位機即開始向定位模塊下達接收數據指令,北斗模塊執行命令,開始接收來自北斗衛星的數據信號,并將數據文件傳輸給單片機模塊,單片機模塊處理得到位置信息后,將位置信息通過通信模塊傳輸給上位機存儲。

圖2　北斗定位系統框圖

2.1北斗定位模塊

北斗定位模塊由北斗有源天線、電源、北斗信號處理芯片等組成,采集北斗定位信息,并輸出建議使用的數據格式,即＄BDGGA格式數據。為了最大限度緩解延遲和提高定位精度,選用UM220北斗定位芯片,如圖3所示,該芯片具有高靈敏度、超低功耗、體積小巧的特點,是市場上尺寸最小的BD2/GPS模塊,支持單系統獨立定位和多系統聯合定位,能夠在較為惡劣的工作狀況下正常運行。

2.2單片機模塊

單片機模塊是定位系統的核心部分,負責接收北斗接收電路輸出的＄BDGGA格式數據并處理。模塊的主控制器選用C8051F340型單片機,C8051F340單片機是完全集成的混合信號片上系統MCU,具有速度高、功耗低的特點;有豐富的外圍設備,片內還集成了數據采集和控制所常用的模擬部件、其他數字外設和功能部件;自帶10位ADC,可以在片調試,是完全集成的混合信號系統芯片,完全滿足北斗信號數據的接收與處理要求。

圖3　UM220北斗定位芯片

3　硬件平臺搭建及定位結果

3.1硬件平臺搭建

在提出設計方案的基礎上,通過實驗來初步驗證方案的可行性。本設計的硬件平臺搭建結果實物圖如圖4所示。

圖4　懸浮于水面上的AUV

3.2定位結果

在校園現有水域中選擇一處較為開闊地點作為實驗區域,將搭載北斗定位系統硬件平臺的AUV放至該處并懸浮靜止。對北斗定位系統上電,北斗系統冷機開啟,數分鐘后北斗芯片定位成功并利用電腦讀取該點位置信息,得到的經緯度信息如圖5所示。

3.3定位精度分析

對由北斗定位系統得到的位置進行換算,實際

該點為北緯30°53′16″,東經121°53′36″,同時利用手機定位軟件對該點進行定位,得到定位結果如圖6所示。由圖6可知,北斗定位系統與手機定位軟件存在誤差,誤差較為細小,定位較為準確。將實驗中得到的該靜止點的坐標信息導入谷歌地球,得到如圖7所示結果。谷歌地球中顯示點與實際實驗中位置相吻合。

圖5　電腦讀取該點經緯度信息

圖6　手機定位軟件顯示該實驗點位置信息

圖7　谷歌地球軟件中顯示該AUV的位置

4　結束語

通過系統設計、平臺搭建以及實際實驗,證明北斗系統在AUV露出水面時能夠實現對其精確定位。地面控制端可以精確地獲得AUV的工作位置,能夠及時掌握其在水中工作的位置信息,極大地增強了地面控制端對其的遙控能力,為下一步實現對AUV遙控控制和擴大AUV活動范圍打下良好基礎。

[1]吳小平.基于蟻群算法的多AUV路徑規劃仿真研究[J].計算機仿真,2009,26(1):150-153.

[2]辛德奎. 基于北斗和GPS的雙模田間機車定位系統[J].黑龍江八一農墾大學學報,2014(1):85-87.

[3]曾志勇,王以明.新一代北斗衛星系統在海洋測量船中的應用[J].船艦科學技術,2016,38(1A):67-69.

[4]張國旺,袁炳南，房瑾，等.北斗定位系統在飛行試驗中的應用研究[J].計算機測量與控制,2015,23(5):1734-1739.

[5]楊方,劉華，樊禹銘，等.北斗農機自動導航系統的設計與應用[J].農業科技與裝備,2015(10):31-34.

[6]向小梅,聶林波.基于北斗衛星導航系統的UUV遙控系統軟件設計主控端[J].四川兵工學報,2015,36(5):42-45.

Design and Implementation for Navigation and Position System of Autonomous Underwater Vehicle Based on BeiDou System

MA Tengfei,KUANG Xinghong,ZHAO Menghan,ZHANG Qiang,XU Liting

(SchoolofEngineering,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China)

To improve the control system of AUV, a navigation and position system based on the Beidou system was proposed.Navigation and positioning system using the Beidou system can accurately obtain the AUV position information, the control capability of the ground control terminal to AUV is enhanced and the range of motion of AUV is extended. Providing a reference valueto improve the design of AUV control system, while improving the ability of AUV precision work.

Beidousystem; AUV; position

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.04.025

2016-02-23

上海市教委創新項目(編號:13YZ099)

TN967.1

A

1008-9268(2016)04-0117-04

馬騰飛(1991-),男,安徽滁州人,碩士生,研究方向為電氣控制。

匡興紅(1972-),男,四川人,副教授,主要從事無線傳感器網絡定位與跟蹤研究。

趙夢晗(1995-),女,安徽蚌埠人,在讀本科生,專業為電氣工程及其自動化。

張強(1995-),男,江蘇蘇州人,在讀本科生,專業為電氣工程及其自動化。

徐麗婷(1994-),女,上海人,在讀本科生,專業為電氣工程及其自動化。

聯系人： 馬騰飛 E-mail: 575094474@qq.com