基于GPS和IMU的欠驱动无人水面艇动力定位方法

问 靖， 王建华， 郑 翔， 张山甲

(上海海事大学 航运技术与控制工程交通行业重点实验室，上海 201306)

0 引 言

无人水面艇(unmanned surface vehicle,USV)，又称为水面机器人，是一种能够在水面上依靠遥控或者自主方式进行独立航行的小型化、无人化的智能平台[1]，在科学、军事和商业领域中发挥着越来越重要的作用[2]。目前海洋结构物的定位方式主要有锚泊定位和动力定位两种，一般情况下，当水较浅时，多采用锚泊定位的方式[3]。但是，当水深超过600 m时锚泊方法的成本和可行性都变得较为复杂，而且新型USV都是无“锚”设计。当USV在执行海洋环境监测，测绘等任务时常常需要定点作业，然而由于风浪流的影响其位置和姿态难以保持，并且通常USV并不配置侧推器，属于欠驱动控制。因此,针对欠驱动USV的动力定位方法成为一个研究的难点。文献[4]指出针对欠驱动USV的区域保持控制方法研究目前尚无具体有效的研究成果。文献[5]指出了USV可以采取两种方法进行动力定位，一种是利用自身的动力抵消外界的干扰力，阻止其发生运动；这种方法虽然在理论上精度较高，但对于欠驱动USV来说极为困难。还有一种方法是在USV发生运动后，改变其运动方向，令其运动始终在规定区域内，本文即采用了这种方法。文献[6]也指出受水深的限制，传统的锚泊定位系统已经不能满足定位要求,并针对动力定位控制系统硬件在环仿真器中的设计进行研究；文献[7]对动力定位的混合控制器进行了设计；文献[8]研究了对暴露在气流和风扰动下USV的动力定位，设计了比例导数控制器，并用WAM-V USV做了实际的动力定位实验，得出当平均风向垂直于USV纵轴时，使用PD控制器的动力定位效果得到了显著提升。……