河蟹养殖无人作业船路径跟踪算法研究

管凯 赵德安 洪剑青

摘要：河蟹养殖无人作业船能解决人工养殖成本高、效率低等问题，提高漁民收益。河蟹养殖无人作业船自动导航作业的关键是路径跟踪，传统的纯追踪算法行驶路径只包含直线作业与岸边曲线转弯作业，不能满足作业船的自主循迹（自动导航）需求。为此针对预先规划的路径，研究了改进的纯追踪算法。通过试验对该导航控制算法进行验证，结果表明，无人作业船在以50cm/s的速度行驶并转弯半径为5m时，最大路径跟踪误差可以控制在0.1m以內。

关键词：无人作业船;自动导航;路径跟踪;纯追踪算法

DOI：10.11907/rjdk.182925开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP312文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2019）010-0078-04

0引言

随着科技的发展，农业自动化成为研究热点，自动导航技术成为各国促进农业发展的关键技术。自动导航路径跟踪误差大小直接决定了导航控制效果。因此，研究导航控制中的路径跟踪算法对农业智能化有着重要意义。

导航控制算法主要研究有：日本学者Nagasaka等在设定转弯处的转弯半径后，根据实际航向与目标航向的偏差控制插秧机的路径跟踪，该方法可实现转弯，但会有很大的超调量;Kisem等采用三次函数控制实现最小转弯半径与最大八角速率转向两种转弯方法，虽然仿真最大跟踪误差小于0.2m，但该方法实际控制难度较大。Asif等提出一种增加一个积分器的滑模控制算法，相比于传统的滑模控制性能更好;罗锡文等模拟拖拉机的运动设计了二轮车运动模型，路径跟踪采用PID控制，PID参数通过时域阶跃响应仿真分析和田间试验结果综合整定，但是只适合直线路径跟踪;李逃昌等设计的模糊自适应纯追踪算法虽然适用直线和曲线行驶，但是该控制规则由专家经验设定，路径跟踪误差较大且难以修正;韩科立等在直线路段与地头转弯的路径跟踪控制使用双参数控制方法，研制了农业轮式自动作业机器人。

本文以河蟹养殖智能化为背景建立试验平台，以天宝LGR-BD9821接收机12V/450W直流有刷电机和ARM9控制版为主要硬件设备，设计基于GPS定位系统改进后的纯追踪控制算法，通过蟹塘试验对该导航控制算法进行可行性验证。

1坐标变换与蟹塘区域平面坐标系

1.2蟹塘平面坐标系

先通过GPS定位蟹塘4个角以及码头的经纬度，然后通过高斯正形投影转换位，以码头为坐标原点，x轴指向正东方向，y轴指向正北方向，平面坐标系如图1所示。

M₁、M₂、M₃、M₄真是蟹塘4个角的经纬度转换后的平面坐标，O为码头。实际导航控制算法的路径规划以及路径跟踪基于该平面坐标系。

2作业船运动学模型

河蟹养殖船采用双空心浮体作为船体，长3.2m，宽2.2m，使用直流无刷电机（12V/450W）驱动。该船可简化为二轮小车运动学模型，图1为平面坐标系下的运动学分析，图2中α是小车前轮转向角，以车的纵向中心轴为基准，左边为负，右边为正。θ为小车的航向角（小车纵向与真北即Y轴方向的夹角），取顺时针方向夹角，L为小车前后车轮中心间距。

3导航控制方法设计

3.1计算前视目标点

前视目标点计算需用到前视距离，而前视距离是仿照人驾驶车辆时观察车前路况时的距离，研究表明该距离大小与车速及转弯路段弯曲程度有关。车速越大前视距离（l）越大，弯度越大前视距离越小，即：

3.2导航偏差设定

由图3可知导航偏差有航向偏差Ω（当前航向与目标航向的角度差）与横向偏差d（作业船当前位置与预设路径的最小距离），若作业船位于预设路径AB的左边则d为负反之为正，若当前航向在目标航向的左边则Ω为负反之为正。

3.3路径跟踪控制算法设计

河蟹养殖自主作业船由两个带有明轮的电机驱动行驶，本文路径跟踪控制算法基本原理是利用上述得到的航向偏差与横向偏差作为驱动控制器的输入量，将理论推导的电机驱动电压及正反转信号作为输出量。

式（6）中，±0.56Ω前面的正负号表示驱动电机的正反转信息，+表示正转，-表示反转，k_d是横向偏差的比例系数，反映导航效果，当d：>0.2m时k_d=1.09，反之为0。该算法可实现直线路径跟踪也可实现曲线路径跟踪，适用性强。

4无人作业船水下试验

4.1试验与数据采集

本试验是在江苏大学西山操场旁边的鱼塘进行，数据通过无线串口和上位机SecureCRT通信采集，频率为10Hz，船载GPS接收机单点定位RTK模式水平误差为±2cm，航向测定误差最大为0.09°，导航控制算法存储在MINL2440开发板，试验现场如图4所示。

4.2数据分析

将自动导航作业时的横向误差d与实时位置P输出到上位机，由此得到路径跟踪误差曲线与实际行走路线。图5上半部分为横向误差曲线（横轴为时间，单位100ms，纵轴为距离，单位m），下半部分为实际行走路线（横轴为经度，纵轴为纬度，系列1是实际导航行走路径，系列2是预设路径）。

对试验数据分析可知，河蟹养殖船导航时的直线段路径跟踪平均误差为0.066m，最大直线段跟踪误差为0.122m，转弯部分跟踪平均误差为0.323m，最大转弯跟踪误差为0.521m，误差在可接受范围内，表明本文的导航控制算法具有较好的导航效果。

5结语

通过动态调整前视距离1计算前视目标点的方法，能对河蟹养殖无人作业船进行路径跟踪时确定目标点，可在一定精度前提下实现准确导航作业。本文对传统纯追踪算法的改进是针对直线路径跟踪，但试验证明该方法也适用于转弯路径跟踪，实时性强、鲁棒性好。本文设计的路径跟踪算法虽是针对水面无人作业船，但若地面移动机器人在使用GPS定位时，也可采用坐标转换实现路径跟踪。