0 引　言

随着科学技术的发展，部分小型无人艇（USV）已经不再局限于应用在海洋环境中，也适用于室内、管道等环境^[1]。考虑此类应用环境的特殊性，要求USV具有更高精度的避障与定位性能^[2]，因此需要研究一种适用于室内的USV避障定位系统。毕卫红等^[3]在研究船舶避障系统过程中，利用激光雷达获取障碍物与自身坐标信息，通过对障碍物的判断与分类实现避障功能。但该系统适用于广阔的海洋环境中，对于相对狭窄的室内环境并不适用。张金泽等^[4]采用模糊推理的方法进行船舶定位避障系统设计，但该系统在针对运动障碍物时的避障性能显著下降。

超声波技术作为一种室内定位技术，以纵波方式在介质中传播，主要优势体现在非接触、方向性好、对光照与色彩依赖度不高、高分辨率等方面，是当前室内定位应用中普遍使用的一种技术。针对这些问题，设计基于超声波的USV室内避障定位误差修正系统，实现USV在室内等相对狭小范围内的准确定位与避障。

1 USV室内避障定位误差修正系统设计 1.1 系统整体架构设计

图1为基于超声波的USV室内避障定位误差修正系统整体结构。基于超声波的USV室内避障定位误差修正系统主要由信号处理单元、超声波定位模块、GPS模块、发动机模块、舵机执行模块等。其中超声波定位模块HC-SR04能够在不使用模拟数字转换器的条件下直接获取周边环境信息的数字信号供信号处理单元使用。信号处理单元利用串口实现同GPS模块间的通信，基于超声波获取的信息，通过GPS模块构建舰船周边环境地图。信号处理单元利用串口同通用分组无线服务技术模块相连接，在USV终端设备通电后，该模块同上位机相连接，将连接数据包传输至上位机中，构建USV同上位控制机间的连接。上位控制机将USV运行路线信息传输至信号处理单元内，利用信号处理单元控制舵机执行模块改变舰船航向，在发动机模块驱动下完成舰船航行。

1.2 超声波定位模块设计

超声波定位模块是USV航行路线规划与障碍物躲避的基础^[5]，同时，该模块有效运行的基础条件是准确地发射并接受超声波信号。图2为超声波定位模块结构图。超声波定位模块主要包括数据采集卡、接线盒、调理电路与超声波换能器等。数据采集卡发送模拟电压信号，信号经由接线盒传输至发波调理电路，通过换能器1发出信号。信号在遇到障碍物后返回，被换能器2接收后，进入收波调理电路进行放大处理，返回至接线盒内并传输至数据采集卡内。

基于超声波的USV室内避障定位误差产生的原因可归纳为环境温度原因、时间同步误差原因与硬件延时误差原因等^[6]，可描述为：

$ \beta {\text{ = }}{\beta _t} + {\beta _h} + {\beta _s} + {\beta _e}，$

(1)

式中： $ \ \beta $ 和 $ {\ \beta _t} $ 分别表示USV室内避障定位误差和环境温度原因导致的误差， $ {\ \beta _h} $ 和 $ {\ \beta _s} $ 分别表示硬件延时误差和时间同步误差， $ {\ \beta _e} $ 表示其他误差。

$ {\ \beta _t} $ ， $ {\ \beta _h} $ ， $ {\ \beta _s} $ ， $ {\ \beta _e} $ 均为超声波定位模块在USV室内避障定位过程中产生的误差，若室内环境中，受这些误差影响后，USV超声波定位模块的定位误差受上述误差原因影响后所导致的定位误差在x，y，z三轴上存在相应的倾向性，也就是投影至不同坐标轴上的定位误差值以一个常量为核心进行变化，通过该常量修正 $ {\ \beta _t} $ ， $ {\ \beta _h} $ ， $ {\ \beta _s} $ ， $ {\ \beta _e} $ 即可降低超声波定位模块的误差。考虑该常量值具有模糊性，因此可将超声波定位模块内任意信标节点在不同坐标轴上的定位误差视为常量实施修正，由此降低模块内其他信标节点在不同坐标轴上的 $ {\ \beta _t} $ ， $ {\ \beta _h} $ ， $ {\ \beta _s} $ ， $ {\ \beta _e} $ ，由此降低 $ \delta $ 。

通过分析超声波定位模块应用过程中的标准坐标与定位误差，获取 $\ \beta $ ，其在坐标上的描述为：

$ \beta {\text{ = }}\sqrt {{{\left( {\beta x} \right)}^2} + {{\left( {\beta y} \right)}^2} + {{\left( {\beta z} \right)}^2}} 。$

(2)

基于式(2)提出超声波定位误差修正方法，通过添加参考节点获取定位误差修正量，基于修正量对USV超声波定位过程中的误差进行修正，提升USV定位与避障精度。误差修正具体过程如下：

以 $ \left( {{x_1},{y_1},{z_1}} \right) $ ， $ \left( {{x_2},{y_2},{z_2}} \right) $ 和 $ \left( {{x_3},{y_3},{z_3}} \right) $ 分别表示设置在室内顶部固定区域的3个信标节点坐标值，以 $ \left( {{x_u},{y_u},{z_u}} \right) $ 表示参考站位置坐标。以 $\ \mu _{uk}^{} $ 表示超声波定位避障过程中所获取的参考站值信标节点 $ k $ 的伪距，利用式(3)确定参考站测量坐标 $ \left( {{{x'}_u},{{y'}_u},{{z'}_u}} \right) $ ：

$ \mu _{uk}^2 = {\left( {{{x'}_u} - {x_k}} \right)^2} + {\left( {{{y'}_u} - {y_k}} \right)^2} + {\left( {{{z'}_u} - {z_k}} \right)^2}。$

(3)

依照参考站标准坐标值同测量值提取误差修正值：

$ \left\{ \begin{gathered} {\beta _x} = {x_u} - {{x'}_u} ，\\ {\beta _y} = {y_u} - {{y'}_u} ，\\ {\beta _z} = {z_u} - {{z'}_u}。\\ \end{gathered} \right. $

(4)

利用Active Bat超声波定位方法获取的目标节点至信标节点k的伪距 $\ \mu _{uk}^{} $ ，利用式(5)计算目标节点坐标 $ \left( {{{x'}_r},{{y'}_r},{{z'}_r}} \right) $ ：

$ \mu _{uk}^2 = {\left( {{{x'}_r} - {x_k}} \right)^2} + {\left( {{{y'}_r} - {y_k}} \right)^2} + {\left( {{{z'}_r} - {z_k}} \right)^2}。$

(5)

依照上述所获取的误差修正值 $ \delta $ 修正USV超声波定位误差：

$ \left\{ \begin{gathered} x = {{x'}_r} + {\beta _x}，\\ y = {{y'}_r} + {\beta _y}，\\ z = {{z'}_r} + {\beta _z}。\\ \end{gathered} \right. $

(6)

通过上述过程可知，依照参考站获取USV定位误差修正值，经由误差修正过程可准确确定目标节点的三维坐标 $ \left( {x,y,z} \right) $ 。

1.3 舵机执行模块设计

USV定位避障过程中，方向舵机执行模块的主要功能是控制舰船航行方向，以保障该模块运行的有效性与稳定性，该模块采用金属齿双轴承舵机，其反应速度与工作电压分别为0.17 s/60°和5.4±0.6 V。图3为舵机控制结构框图。舵机执行模块中的硬件连接较为简单，其在本质上可理解为是一个位置随动模块，其中主要包含控制电路、直流电机、减速机构、反馈电位计、舵盘等，利用内部位置反馈过程令舵盘输出与给定控制信号呈正比状态的转角，当负载力矩低于其输出力矩上限时，舵盘输出转角同设定脉冲宽度之间呈正比例相关。以保障舵机能够及时响应，避免供电电压波动造成舵机控制失灵的问题产生，设定电机稳压输出5 V。同时在实际USV舵机执行控制过程中还可利用延长舵机力臂提升摆幅的方式增强舵机控制精度。

2 结果与分析

为验证本文基于超声波的USV室内避障定位误差修正系统的实际应用性能，在长、宽、高分别为60 m×42 m×4.5 m的室内进行本文系统性能测试。在室内的顶部设置4个信标节点坐标与一个参考点坐标，具体坐标信息如表1所示。

选取某小型USV为研究对象，在测试对象上搭建本文系统终端。终端内所使用的超声波定位模块为HC-SR04，其主要参数如表2所示。

2.1 目标定位测试

设定研究对象内超声波定位模块采样频率为1 MHz，而1 μs采集一个点。测试本文系统超声波定位误差，所得结果如图4所示。分析可知，测试对象运行过程中，本文系统内的超声波定位误差基本控制在1.8 cm内。这表明本文系统能够实现超声波定位目的，且具有较高的定位精度。这主要是由于本文系统内采用了超声波定位误差修正方法，最大限度提升了定位精度。

2.2 避障性能分析

为验证本文系统在测试对象航行过程中的避障性能，在障碍物不同状态下获取本文系统避障结果，如图5所示。图中黑色圆点与白色圆点分别表示研究对象起始点与终点。由图5(a)可知，当室内障碍物处于固定状态时，本文系统能够准确定位障碍物，同时根据障碍物空间位置与密集度等信息规划出准确的航线，有效躲避全部固定障碍物，顺利由起始点抵达终点。由图5(b)可知，在当室内障碍物处于运动状态时，本文系统能够实时定位运动障碍物的移动路线，并以此为基础进行避障，通过随时改变自身航线躲避全部运动障碍物，顺利由起始点抵达终点。

3 结　语

本文设计基于超声波的USV室内避障定位误差修正系统，完成了系统的硬件设计与软件开发，并通过测试过程验证了本文系统能够有效实现USV定位与避障功能。本文研究主要集中在终端系统，对于上位机的研究并不深入，在后续研究过程中将主要针对上位机进行研究与优化，拓展本文系统的实用性。