Tartan自主水下航行器（TAUV）研發(fā)團(tuán)隊是由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)本科生新成立的跨學(xué)科團(tuán)隊。TAUV是由該團(tuán)隊設(shè)計、建造、編程和完成測試一艘自動潛艇，它將隨團(tuán)隊參加一年一度的國際機(jī)器人潛艇競賽。

無GPS導(dǎo)航：TAUV實(shí)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(xué)（CMU）的工程和計算機(jī)科學(xué)專業(yè)的學(xué)生來說，參與自動潛艇研發(fā)的學(xué)習(xí)經(jīng)歷遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了通常的講座、研討會和書面作業(yè)。在CMU，學(xué)生們有機(jī)會將新學(xué)到的知識應(yīng)用到使用一系列尖端技術(shù)的現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品開發(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，此次學(xué)生們開發(fā)的是海洋機(jī)器人，團(tuán)隊將攜帶TAUV機(jī)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(shù)升級，同時也標(biāo)志著CMU將首次正式參加RoboSub競賽。

比賽要求機(jī)器人在水下3D環(huán)境中能夠獲得精確、實(shí)時的三維位置和方位信息。TAUV升級的一個關(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：一項具有挑戰(zhàn)性的水下任務(wù)

一年一度的RoboSub競賽要求研發(fā)團(tuán)隊開發(fā)一種自主水下航行器（AUV），并在各種任務(wù)中完成測試，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、機(jī)械和邏輯維度。潛艇需要在一個巨大的清水池中進(jìn)行水下導(dǎo)航，識別大門等物體，計算任務(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(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(diǎn)計算其目前位置。

CMU小組的工程負(fù)責(zé)人Theodore Chemel對名為“信天翁”的TartanAUV潛艇進(jìn)行第一次迭代的性能分析時發(fā)現(xiàn)了一個實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)機(jī)會。“信天翁”因航位推算計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)的時間。他說：“因此，新版本TartanAUV（翠鳥）的首要任務(wù)便是改進(jìn)制導(dǎo)、導(dǎo)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(qiáng)大的全新Nvidia Jetson AGX Xavier單板計算機(jī)。這提供了足夠的計算帶寬來執(zhí)行多個導(dǎo)航傳感器輸入的高度復(fù)雜的同步和融合數(shù)據(jù)。這同時也讓CMU的學(xué)生工程師有機(jī)會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”極大地提高了導(dǎo)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(tuán)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(zhǔn)確。當(dāng)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(jìn)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(yán)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(tuán)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(zhǔn)確的航向測量。”

導(dǎo)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(xué)傳感器，可提供極其精確的線速度測量。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)隊使用Jetson計算機(jī)的能力來融合和同步IMU和DVL輸出：IMU測量填補(bǔ)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(jìn)行帶時間戳的速度測量。

升級后的潛艇性能更強(qiáng)勁

CMU團(tuán)隊目前正著手準(zhǔn)備參加2022年RoboSub比賽（7月25日至31日），TartanAUV的“翠鳥變體”的硬件升級結(jié)果看起來很不錯。Theodore Chemel說，“當(dāng)它在競賽和執(zhí)行特定任務(wù)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(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，我們對升級版TartanAUV在3D坐標(biāo)系中執(zhí)行航位推算的結(jié)果非常滿意。”