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越來越多的近海和離岸資產(chǎn)需要檢查、維修和保養(yǎng)（IRM）。潛水員完成了大部分IRM工作，但我們看到越來越多地使用遙控潛航器（ROV）來完成這項(xiàng)工作。海上的惡劣條件給潛水員帶來了很高的風(fēng)險(xiǎn)，但也限制了目前可用無人潛航器解決方案的有效性。

為了確保安全高效地執(zhí)行自主任務(wù)，自主潛航器（AUV）需要充分了解其環(huán)境、操作員偏好和平臺(tái)能力。特別是，AUV導(dǎo)航性能的自我評(píng)估對(duì)確保安全操作至關(guān)重要，尤其是在基礎(chǔ)設(shè)施或其他船只附近操作時(shí)。然而，可靠的水下導(dǎo)航解決方案在提供水下資產(chǎn)位置的準(zhǔn)確信息方面要么成本高昂，要么表現(xiàn)不佳。

TNO研究和開發(fā)了一種創(chuàng)新的小型海底傳感器融合解決方案，能夠以不到10 000歐元的硬件成本實(shí)現(xiàn)ROV水下監(jiān)測(cè)和檢查任務(wù)的自主化。這是在由TKI Wind op Zee資助的自主水下遠(yuǎn)程作業(yè)（AURO）公私合作項(xiàng)目中進(jìn)行的。驗(yàn)證測(cè)試在北海生活實(shí)驗(yàn)室(Proeftuin op de Noordzee)進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的指定區(qū)域。本文介紹了所開發(fā)的解決方案和評(píng)估系統(tǒng)性能的初步驗(yàn)證測(cè)試, 還概述了進(jìn)一步提高該能力的下一步措施。

近年來，經(jīng)濟(jì)型傳感器的性能已顯著提高。例如，多家制造商正在開發(fā)高端微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的慣性測(cè)量單元（IMU）。這些MEMS系統(tǒng)與高端光纖陀螺（FOG）IMU的性能不匹配，但在偏置穩(wěn)定性方面有了重大改進(jìn)?，F(xiàn)貨產(chǎn)品有霍尼韋爾HG4900系列和VectorNav VN2xx系列。除了MEMS IMU外，多個(gè)低端多普勒速度測(cè)速儀（DVL）也開始出現(xiàn)，例如Waterlinked和Cerulean公司的產(chǎn)品。

盡管經(jīng)濟(jì)型傳感器技術(shù)正在興起，但是目前幾乎沒有完全集成的“經(jīng)濟(jì)型”定位系統(tǒng)可用。大型無人潛航器（UUV）通常使用帶有集成定位傳感器的高端、笨重和重型的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（INS）。近年來出現(xiàn)了一些新公司可提供更小、更經(jīng)濟(jì)的潛航器,這大幅降低了海上作業(yè)的成本。然而，上述高端定位系統(tǒng)并不適合這些較小型UUV，從成本角度來看也不適用。

最后，由于水下惡劣的環(huán)境條件，潛航器的操作通常耗時(shí)且具有挑戰(zhàn)性，因此存在自動(dòng)化趨勢(shì)。如果UUV能夠以自主的方式遵循檢查軌跡，可以更有效地完成工作。為了實(shí)現(xiàn)安全的自主性操作，必須將位置的不確定性納入規(guī)劃階段，以避免碰撞并確?；A(chǔ)設(shè)施不會(huì)因UUV操作而受損。

圖1  集成了TOPS導(dǎo)航盒的Blue ROV2（左）和TOPS水密導(dǎo)航盒（右）

其目的是開發(fā)一種將經(jīng)濟(jì)型傳感器與先進(jìn)傳感器融合法相結(jié)合的經(jīng)濟(jì)型定位解決方案。一般來說，經(jīng)濟(jì)型傳感器規(guī)格較低，受不同環(huán)境條件的影響較大。該解決方案的理念是使用傳感器融合來評(píng)估傳感器在預(yù)運(yùn)行校準(zhǔn)階段的性能，然后對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)“近高端”性能。

傳感器融合中使用了以下傳感器：

VectorNav VN200 IMU（3軸加速計(jì)、3軸陀螺儀和3軸磁力計(jì)）

BlueRobotics 30 巴  壓力傳感器

Waterlinked A50 DVL

使用帶有專用基站uBlox M8P的 RTK GPS（2cm精度）

含硬件的水密傳感器盒，并集成在Blue ROV2下面（見圖1）。

Blue ROV2是BlueRobotics公司制造的一款經(jīng)濟(jì)型、體積小巧的ROV（45 cm×34 cm×25 cm，12 kg）。TNO開發(fā)了定時(shí)定向和定位服務(wù)（TOPS），將多種最先進(jìn)的融合算法結(jié)合到一個(gè)高端融合引擎中，并可在集成到傳感器盒中的處理板上實(shí)時(shí)運(yùn)行。RTK GPS天線設(shè)計(jì)為伸出水面，Blue ROV2完全浸入水中時(shí)，可模擬所有水下傳感器的真實(shí)條件，同時(shí)保持精確的RTK GPS信號(hào)。這使執(zhí)行任務(wù)前航行模式成為可能，其中RTK GPS可用于傳感器融合。任務(wù)前航行本質(zhì)上是一個(gè)校準(zhǔn)階段，在該階段，融合引擎建立了對(duì)傳感器性能的評(píng)估（例如偏差和比例因子）。在實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)大約90 s的校準(zhǔn)階段足以讓Blue ROV2潛入水面以下并安全執(zhí)行任務(wù)。

為了證明定位系統(tǒng)的性能，在任務(wù)階段，在RTK GPS天線高于水面的情況下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。校準(zhǔn)后，手動(dòng)禁用RTK GPS用于融合引擎，評(píng)估融合性能的參考信號(hào)依然可用。為了能夠?qū)鞲衅鹘M合進(jìn)行比較，該盒子設(shè)計(jì)為可容納各種傳感器。

圖2  在Scheveningen港自主運(yùn)行的Blue ROV2

使用AURO項(xiàng)目（軟件和硬件）中開發(fā)的Blue ROV2和TOPS導(dǎo)航解決方案，證明了這一創(chuàng)新對(duì)技術(shù)集成商和最終用戶的價(jià)值。為了展示如何使用導(dǎo)航解決方案實(shí)現(xiàn)安全有效的操作，開發(fā)了一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)駕駛功能，使Blue ROV2能夠在水平面（即固定深度）中自主地遵循預(yù)先規(guī)劃的路徑。在這種情況下，演示展示了一種割草機(jī)模式來模擬海底檢查。

在校準(zhǔn)階段的第1個(gè)人工控制航行任務(wù)中，TOPS融合系統(tǒng)使用RTK GPS。此后， TOPS融合引擎不再使用RTK GPS，僅作為評(píng)估TOPS性能的參考。TOPS以200 Hz的頻率實(shí)時(shí)運(yùn)行，并估算了位置和位置不確定性。

測(cè)試結(jié)果顯示，行駛距離誤差約為0.4%。圖2顯示了Blue ROV2在Scheveningen港自主運(yùn)行，而圖3和圖4描述了演示的測(cè)試設(shè)置、ROV航行軌跡以及對(duì)TOPS不確定性預(yù)測(cè)的誤差和不確定性評(píng)估。

圖3  測(cè)試設(shè)置、ROV的航行軌跡，以及基于準(zhǔn)備最終演示時(shí)獲得的數(shù)據(jù)

AURO項(xiàng)目表明，最先進(jìn)的傳感器融合可用于使用低端小型導(dǎo)航傳感器，實(shí)現(xiàn)高端導(dǎo)航性能。通過在Scheveningen港進(jìn)行的各種試驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，該試驗(yàn)使用了與小型ROV（Blue Robotics公司的Blue ROV2）集成的自主研發(fā)傳感器盒。傳感器融合是通過TOPS完成的，TOPS是TNO開發(fā)的傳感器融合框架，結(jié)合了多種最先進(jìn)的融合算法。這些傳感器的硬件總成本低于10 000歐元，其尺寸和重量使其能夠集成到目前所有小型潛航器中。研究還表明，有可能在運(yùn)行過程中對(duì)位置的不確定性進(jìn)行準(zhǔn)確估算。

下一階段應(yīng)該是在不同的海上條件下，由系統(tǒng)終端用戶進(jìn)一步驗(yàn)證所開發(fā)的技術(shù)，以確保機(jī)器人平臺(tái)與其操作員之間的最佳合作。

圖4  ROV航行軌跡（左）以及基于最終演示準(zhǔn)備時(shí)獲取的數(shù)據(jù)的不確定性和誤差評(píng)估（右）

編譯：曹紅梅   

譯自：hydro-international網(wǎng)站

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出自：

“數(shù)字海洋與水下攻防”公眾號(hào)

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