無需GPS進行導航：卡內(nèi)基梅隆大學使用Xsens研發(fā)自動潛艇
Tartan自主水下航行器（TAUV）研發(fā)團隊是由卡內(nèi)基梅隆大學本科生新成立的跨學科團隊。TAUV是由該團隊設計、建造、編程和完成測試一艘自動潛艇，它將隨團隊參加一年一度的國際機器人潛艇競賽。
無GPS導航：TAUV實現(xiàn)跟水下蹤速度、姿態(tài)和航向
對于賓夕法尼亞州匹茲堡市卡耐基梅隆大學（CMU）的工程和計算機科學專業(yè)的學生來說，參與自動潛艇研發(fā)的學習經(jīng)歷遠遠超越了通常的講座、研討會和書面作業(yè)。在CMU，學生們有機會將新學到的知識應用到使用一系列尖端技術的現(xiàn)實產(chǎn)品開發(fā)中。
卡耐基梅隆大學擁有知名的機器人研發(fā)團隊，此次學生們開發(fā)的是海洋機器人，團隊將攜帶TAUV機器人參加由非營利組織RoboNation組織的著名的RoboSub比賽。CMU隊的TartanAUV現(xiàn)已發(fā)展到第二代：這種新型潛艇是對第一代潛艇的重大技術升級，同時也標志著CMU將首次正式參加RoboSub競賽。
比賽要求機器人在水下3D環(huán)境中能夠獲得精確、實時的三維位置和方位信息。TAUV升級的一個關鍵因素是集成了XsensMTi-200垂直參考單元（VRU），這使得他們的機器人即使在強磁場干擾下也能提供精確、同步的方位和航向輸出。
3D導航：一項具有挑戰(zhàn)性的水下任務
一年一度的RoboSub競賽要求研發(fā)團隊開發(fā)一種自主水下航行器（AUV），并在各種任務中完成測試，這些任務模擬了AUV在真實世界中操作所需的行為。這些行為涵蓋視覺、機械和邏輯維度。潛艇需要在一個巨大的清水池中進行水下導航，識別大門等物體，計算任務和任務之間的內(nèi)部路徑，并執(zhí)行特定的機動動作，如翻滾等。所有這些都要在15分鐘的時限內(nèi)完成。評判標準是潛艇能否成功完成任務，以及能否以規(guī)定方式完成任務。
由于潛艇在水下航行，不能使用衛(wèi)星導航（GPS）信號來跟蹤自己的位置。這意味著其必須執(zhí)行航位推算，通過連續(xù)測量速度、姿態(tài)和航向，從已知的起點計算其目前位置。
CMU小組的工程負責人Theodore Chemel對名為“信天翁”的TartanAUV潛艇進行第一次迭代的性能分析時發(fā)現(xiàn)了一個實質(zhì)性的改進機會。“信天翁”因航位推算計算中的漂移量而丟分，導致潛艇偏離理想路徑，這拖慢了完成任務的時間。他說：“因此，新版本TartanAUV（翠鳥）的首要任務便是改進制導、導航和控制（GNC）系統(tǒng)。”。
計算能力不再限制潛艇的性能：升級后的“翠鳥”潛艇擁有一臺強大的全新Nvidia Jetson AGX Xavier單板計算機。這提供了足夠的計算帶寬來執(zhí)行多個導航傳感器輸入的高度復雜的同步和融合數(shù)據(jù)。這同時也讓CMU的學生工程師有機會采用兩種新的硬件組件，而這兩種組件的結合，也幫助“翠鳥”極大地提高了導航性能。
其一是Xsens MTi-200 VRU。Theodore Chemel說，MTi單元內(nèi)部的高度集成為TartanAUV團隊帶來了極大吸引力。MTi-200內(nèi)部的軟件出色地完成了該裝置的加速度計、陀螺儀和磁力計產(chǎn)生的3D測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)輸出非常準確。當最大輸出數(shù)據(jù)速率為400Hz時，它提供的精度足以滿足我們的需求。”
MTi-200的另一大優(yōu)勢是它對磁干擾的高免疫力。RoboSub比賽通常在大型室內(nèi)泳池中舉行：潛艇在美國海軍的一個測試艙中進行比賽，測試艙上方有巨大的金屬門架。來自大量鋼材的干擾嚴重影響了先前位置傳感器提供的航向測量。
MTi-200的抗磁干擾功能解決了這些問題。Theodore Chemel說，在選擇MTi-200之前，CMU團隊在一個非常大的磁鐵附近測試了它的性能。他說MTi-200?VRU的表現(xiàn)“堅如磐石”。“Xsens主動航向穩(wěn)定（AHS）功能可以很好地過濾干擾，并在所有環(huán)境下提供準確的航向測量。”
導航硬件的第二項創(chuàng)新是增加了一個Teledyne Pathfinder多普勒計程儀（DVL），這是一種聲學傳感器，可提供極其精確的線速度測量。雖然這種設備很精確，但它提供的分辨率卻非常低：它的更新速率只有10Hz。因此，CMU團隊使用Jetson計算機的能力來融合和同步IMU和DVL輸出：IMU測量填補了低頻DVL測量之間的空白。MTi-200的高精度時鐘提供主定時信號，觸發(fā)DVL進行帶時間戳的速度測量。
升級后的潛艇性能更強勁
CMU團隊目前正著手準備參加2022年RoboSub比賽（7月25日至31日），TartanAUV的“翠鳥變體”的硬件升級結果看起來很不錯。Theodore Chemel說，“當它在競賽和執(zhí)行特定任務時才是對潛艇性能的真正測試，但根據(jù)我們目前的測試結果顯示，GNC系統(tǒng)現(xiàn)在完全按照我們希望的方式運行。在8分鐘的測試運行中，我們的肉眼幾乎看不到與繪制路徑的偏差。感謝MTi-200和DVL，我們對升級版TartanAUV在3D坐標系中執(zhí)行航位推算的結果非常滿意。”
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