東英測繪——無人船技術(shù)

一、傳感器

一般在開發(fā)一個無人載具（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、磁力計，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接收機是裝在船上的，它能輸出當(dāng)前的接收機模塊所在地點經(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連成一條直線的原理來獲取船頭的朝向。

（2）利用磁力計獲取航向，有些GNSS模塊上邊寫的一行小字：with compass. 這個compass就是指磁力計，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陀螺儀，校準(zhǔn)的時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，這個時候你會發(fā)現(xiàn)這個陀螺儀的指針始終指著你的家門口，由此可以測量出你運動起來的時候跟你家門口的夾角。如果我們給它設(shè)定了個已知的方向基準(zhǔn)，那么方位也就能能獲得了。

另外，我們知道了加速度計可以測量物體運動時候的加速度，然后我們將每個時間內(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，我們就能夠完全可以制造一個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。會看到：將小船放下水小船會一直哆嗦？出現(xiàn)這種情況是因為電子傳感器直接獲取的數(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，那么下一個時刻可能由于突發(fā)的干擾導(dǎo)致讀數(shù)變成了60度，再下一個時刻恢復(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+下位機的架構(gòu)。所謂上位機，以樹莓派為例：類似于人的大腦，用來負(fù)責(zé)交互、綜合與高級運算；下位機一般采用嵌入式芯片如STM32，類似于人的小腦，負(fù)責(zé)運動控制，直接對電機等外圍設(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上位機；單位的打印機就是下位機。此外，通過上位機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目的上位機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，那工作量就很大了。

四、路徑規(guī)劃

有了以上的東西，我們的無人載具機就已經(jīng)具備了遙控行駛的能力了。如果還需要加入自動巡航的功能，那么我們還需要加入路徑規(guī)劃的部分。假設(shè)給你兩個經(jīng)緯度目標(biāo)點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GPS的坐標(biāo)，你需要將兩個坐標(biāo)之間的方位角和距離計算出來；有了方位角和距離，你就是需要反過來根據(jù)第一個坐標(biāo)點計算第二個坐標(biāo)。

規(guī)劃是對未來的時域、空域的一系類計劃可分為全局規(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，實時規(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、制動三方面的控制，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，也包括號燈、喇叭等等的控制。

以上就是對無人船技術(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，我們會及時與您聯(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。