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无需GPS进行导航:卡内基梅隆大学使用Xsens研发自动潜艇

Tartan自主水下航行器(TAUV)研发团队是由卡内基梅隆大学本科生新成立的跨学科团队。TAUV是由该团队设计、建造、编程和完成测试一艘自动潜艇,它将随团队参加一年一度的国际机器人潜艇竞赛。

无GPS导航:TAUV实现跟水下踪速度、姿态和航向

对于宾夕法尼亚州匹兹堡市卡耐基梅隆大学(CMU)的工程和计算机科学专业的学生来说,参与自动潜艇研发的学习经历远远超越了通常的讲座、研讨会和书面作业。在CMU,学生们有机会将新学到的知识应用到使用一系列尖端技术的现实产品开发中。

卡耐基梅隆大学拥有知名的机器人研发团队,此次学生们开发的是海洋机器人,团队将携带TAUV机器人参加由非营利组织RoboNation组织的著名的RoboSub比赛。CMU队的TartanAUV现已发展到第二代:这种新型潜艇是对第一代潜艇的重大技术升级,同时也标志着CMU将首次正式参加RoboSub竞赛。

比赛要求机器人在水下3D环境中能够获得精确、实时的三维位置和方位信息。TAUV升级的一个关键因素是集成了XsensMTi-200垂直参考单元(VRU),这使得他们的机器人即使在强磁场干扰下也能提供精确、同步的方位和航向输出。

3D导航:一项具有挑战性的水下任务

一年一度的RoboSub竞赛要求研发团队开发一种自主水下航行器(AUV),并在各种任务中完成测试,这些任务模拟了AUV在真实世界中操作所需的行为。这些行为涵盖视觉、机械和逻辑维度。潜艇需要在一个巨大的清水池中进行水下导航,识别大门等物体,计算任务和任务之间的内部路径,并执行特定的机动动作,如翻滚等。所有这些都要在15分钟的时限内完成。评判标准是潜艇能否成功完成任务,以及能否以规定方式完成任务。

由于潜艇在水下航行,不能使用卫星导航(GPS)信号来跟踪自己的位置。这意味着其必须执行航位推算,通过连续测量速度、姿态和航向,从已知的起点计算其目前位置。

CMU小组的工程负责人Theodore Chemel对名为“信天翁”的TartanAUV潜艇进行第一次迭代的性能分析时发现了一个实质性的改进机会。“信天翁”因航位推算计算中的漂移量而丢分,导致潜艇偏离理想路径,这拖慢了完成任务的时间。他说:“因此,新版本TartanAUV(翠鸟)的首要任务便是改进制导、导航和控制(GNC)系统。”。

计算能力不再限制潜艇的性能:升级后的“翠鸟”潜艇拥有一台强大的全新Nvidia Jetson AGX Xavier单板计算机。这提供了足够的计算带宽来执行多个导航传感器输入的高度复杂的同步和融合数据。这同时也让CMU的学生工程师有机会采用两种新的硬件组件,而这两种组件的结合,也帮助“翠鸟”极大地提高了导航性能。

其一是Xsens MTi-200 VRU。Theodore Chemel说,MTi单元内部的高度集成为TartanAUV团队带来了极大吸引力。MTi-200内部的软件出色地完成了该装置的加速度计、陀螺仪和磁力计产生的3D测量值的误差校正和同步工作,因此它产生的方位数据输出非常准确。当最大输出数据速率为400Hz时,它提供的精度足以满足我们的需求。”

MTi-200的另一大优势是它对磁干扰的高免疫力。RoboSub比赛通常在大型室内泳池中举行:潜艇在美国海军的一个测试舱中进行比赛,测试舱上方有巨大的金属门架。来自大量钢材的干扰严重影响了先前位置传感器提供的航向测量。

MTi-200的抗磁干扰功能解决了这些问题。Theodore Chemel说,在选择MTi-200之前,CMU团队在一个非常大的磁铁附近测试了它的性能。他说MTi-200 VRU的表现“坚如磐石”。“Xsens主动航向稳定(AHS)功能可以很好地过滤干扰,并在所有环境下提供准确的航向测量。”

导航硬件的第二项创新是增加了一个Teledyne Pathfinder多普勒计程仪(DVL),这是一种声学传感器,可提供极其精确的线速度测量。虽然这种设备很精确,但它提供的分辨率却非常低:它的更新速率只有10Hz。因此,CMU团队使用Jetson计算机的能力来融合和同步IMU和DVL输出:IMU测量填补了低频DVL测量之间的空白。MTi-200的高精度时钟提供主定时信号,触发DVL进行带时间戳的速度测量。

升级后的潜艇性能更强劲

CMU团队目前正着手准备参加2022年RoboSub比赛(7月25日至31日),TartanAUV的“翠鸟变体”的硬件升级结果看起来很不错。Theodore Chemel说,“当它在竞赛和执行特定任务时才是对潜艇性能的真正测试,但根据我们目前的测试结果显示,GNC系统现在完全按照我们希望的方式运行。在8分钟的测试运行中,我们的肉眼几乎看不到与绘制路径的偏差。感谢MTi-200和DVL,我们对升级版TartanAUV在3D坐标系中执行航位推算的结果非常满意。”

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