無(wú)需GPS進(jìn)行導(dǎo)航：卡內(nèi)基梅隆大學(xué)使用Xsens研發(fā)自動(dòng)潛艇
Tartan自主水下航行器（TAUV）研發(fā)團(tuán)隊(duì)是由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)本科生新成立的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)。TAUV是由該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì),、建造,、編程和完成測(cè)試一艘自動(dòng)潛艇，它將隨團(tuán)隊(duì)參加一年一度的國(guó)際機(jī)器人潛艇競(jìng)賽,。
無(wú)GPS導(dǎo)航：TAUV實(shí)現(xiàn)跟水下蹤速度,、姿態(tài)和航向
對(duì)于賓夕法尼亞州匹茲堡市卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）的工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，參與自動(dòng)潛艇研發(fā)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了通常的講座,、研討會(huì)和書(shū)面作業(yè),。在CMU，學(xué)生們有機(jī)會(huì)將新學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到使用一系列尖端技術(shù)的現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中,。
卡耐基梅隆大學(xué)擁有知名的機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì),，此次學(xué)生們開(kāi)發(fā)的是海洋機(jī)器人，團(tuán)隊(duì)將攜帶TAUV機(jī)器人參加由非營(yíng)利組織RoboNation組織的著名的RoboSub比賽,。CMU隊(duì)的TartanAUV現(xiàn)已發(fā)展到第二代：這種新型潛艇是對(duì)第一代潛艇的重大技術(shù)升級(jí),，同時(shí)也標(biāo)志著CMU將首次正式參加RoboSub競(jìng)賽。
比賽要求機(jī)器人在水下3D環(huán)境中能夠獲得精確,、實(shí)時(shí)的三維位置和方位信息,。TAUV升級(jí)的一個(gè)關(guān)鍵因素是集成了XsensMTi-200垂直參考單元（VRU），這使得他們的機(jī)器人即使在強(qiáng)磁場(chǎng)干擾下也能提供精確,、同步的方位和航向輸出,。
3D導(dǎo)航：一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的水下任務(wù)
一年一度的RoboSub競(jìng)賽要求研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)一種自主水下航行器（AUV），并在各種任務(wù)中完成測(cè)試,，這些任務(wù)模擬了AUV在真實(shí)世界中操作所需的行為,。這些行為涵蓋視覺(jué)、機(jī)械和邏輯維度,。潛艇需要在一個(gè)巨大的清水池中進(jìn)行水下導(dǎo)航,，識(shí)別大門(mén)等物體,，計(jì)算任務(wù)和任務(wù)之間的內(nèi)部路徑，并執(zhí)行特定的機(jī)動(dòng)動(dòng)作,，如翻滾等,。所有這些都要在15分鐘的時(shí)限內(nèi)完成。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是潛艇能否成功完成任務(wù),，以及能否以規(guī)定方式完成任務(wù),。
由于潛艇在水下航行，不能使用衛(wèi)星導(dǎo)航（GPS）信號(hào)來(lái)跟蹤自己的位置,。這意味著其必須執(zhí)行航位推算,，通過(guò)連續(xù)測(cè)量速度、姿態(tài)和航向,，從已知的起點(diǎn)計(jì)算其目前位置,。
CMU小組的工程負(fù)責(zé)人Theodore Chemel對(duì)名為“信天翁”的TartanAUV潛艇進(jìn)行第一次迭代的性能分析時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)機(jī)會(huì)?！靶盘煳獭币蚝轿煌扑阌?jì)算中的漂移量而丟分,，導(dǎo)致潛艇偏離理想路徑，這拖慢了完成任務(wù)的時(shí)間,。他說(shuō)：“因此,，新版本TartanAUV（翠鳥(niǎo)）的首要任務(wù)便是改進(jìn)制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制（GNC）系統(tǒng),?！薄?/p>
計(jì)算能力不再限制潛艇的性能：升級(jí)后的“翠鳥(niǎo)”潛艇擁有一臺(tái)強(qiáng)大的全新Nvidia Jetson AGX Xavier單板計(jì)算機(jī),。這提供了足夠的計(jì)算帶寬來(lái)執(zhí)行多個(gè)導(dǎo)航傳感器輸入的高度復(fù)雜的同步和融合數(shù)據(jù),。這同時(shí)也讓CMU的學(xué)生工程師有機(jī)會(huì)采用兩種新的硬件組件，而這兩種組件的結(jié)合,，也幫助“翠鳥(niǎo)”極大地提高了導(dǎo)航性能,。
其一是Xsens MTi-200 VRU。Theodore Chemel說(shuō),，MTi單元內(nèi)部的高度集成為T(mén)artanAUV團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了極大吸引力,。MTi-200內(nèi)部的軟件出色地完成了該裝置的加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)產(chǎn)生的3D測(cè)量值的誤差校正和同步工作,，因此它產(chǎn)生的方位數(shù)據(jù)輸出非常準(zhǔn)確,。當(dāng)最大輸出數(shù)據(jù)速率為400Hz時(shí)，它提供的精度足以滿足我們的需求,?！?/p>
MTi-200的另一大優(yōu)勢(shì)是它對(duì)磁干擾的高免疫力。RoboSub比賽通常在大型室內(nèi)泳池中舉行：潛艇在美國(guó)海軍的一個(gè)測(cè)試艙中進(jìn)行比賽，測(cè)試艙上方有巨大的金屬門(mén)架,。來(lái)自大量鋼材的干擾嚴(yán)重影響了先前位置傳感器提供的航向測(cè)量,。
MTi-200的抗磁干擾功能解決了這些問(wèn)題。Theodore Chemel說(shuō),，在選擇MTi-200之前,，CMU團(tuán)隊(duì)在一個(gè)非常大的磁鐵附近測(cè)試了它的性能。他說(shuō)MTi-200?VRU的表現(xiàn)“堅(jiān)如磐石”,?！?a class="insidelink" href="http://shcjtec.com/Shop/mc/Suits/XsensMoven/" target="_blank" title="Xsens動(dòng)作捕捉系統(tǒng)">Xsens主動(dòng)航向穩(wěn)定（AHS）功能可以很好地過(guò)濾干擾，并在所有環(huán)境下提供準(zhǔn)確的航向測(cè)量,?！?/p>
導(dǎo)航硬件的第二項(xiàng)創(chuàng)新是增加了一個(gè)Teledyne Pathfinder多普勒計(jì)程儀（DVL），這是一種聲學(xué)傳感器,，可提供極其精確的線速度測(cè)量。雖然這種設(shè)備很精確,，但它提供的分辨率卻非常低：它的更新速率只有10Hz,。因此，CMU團(tuán)隊(duì)使用Jetson計(jì)算機(jī)的能力來(lái)融合和同步IMU和DVL輸出：IMU測(cè)量填補(bǔ)了低頻DVL測(cè)量之間的空白,。MTi-200的高精度時(shí)鐘提供主定時(shí)信號(hào),，觸發(fā)DVL進(jìn)行帶時(shí)間戳的速度測(cè)量。
升級(jí)后的潛艇性能更強(qiáng)勁
CMU團(tuán)隊(duì)目前正著手準(zhǔn)備參加2022年RoboSub比賽（7月25日至31日）,，TartanAUV的“翠鳥(niǎo)變體”的硬件升級(jí)結(jié)果看起來(lái)很不錯(cuò),。Theodore Chemel說(shuō)，“當(dāng)它在競(jìng)賽和執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)才是對(duì)潛艇性能的真正測(cè)試,，但根據(jù)我們目前的測(cè)試結(jié)果顯示,，GNC系統(tǒng)現(xiàn)在完全按照我們希望的方式運(yùn)行。在8分鐘的測(cè)試運(yùn)行中,，我們的肉眼幾乎看不到與繪制路徑的偏差,。感謝MTi-200和DVL，我們對(duì)升級(jí)版TartanAUV在3D坐標(biāo)系中執(zhí)行航位推算的結(jié)果非常滿意,?！?/p>
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