Tartan自主水下航行器（TAUV）研發團隊是由卡內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實現跟水下蹤速度、姿態和航向

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的學生來說，參與自動潛艇研發的學習經歷遠遠超越了通常的講座、研討會和書面作業。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實產品開發中。

卡耐基梅隆大學擁有知名的機器人研發團隊，此次學生們開發的是海洋機器人，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現已發展到第二代：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：一項具有挑戰性的水下任務

一年一度的RoboSub競賽要求研發團隊開發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部路徑，并執行特定的機動動作，如翻滾等。所有這些都要在15分鐘的時限內完成。評判標準是潛艇能否成功完成任務，以及能否以規定方式完成任務。

由于潛艇在水下航行，不能使用衛星導航（GPS）信號來跟蹤自己的位置。這意味著其必須執行航位推算，通過連續測量速度、姿態和航向，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現了一個實質性的改進機會?！靶盘煳獭币蚝轿煌扑阌嬎阒械钠屏慷鴣G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?！?。

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行多個導航傳感器輸入的高度復雜的同步和融合數據。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單元內部的高度集成為TartanAUV團隊帶來了極大吸引力。MTi-200內部的軟件出色地完成了該裝置的加速度計、陀螺儀和磁力計產生的3D測量值的誤差校正和同步工作，因此它產生的方位數據輸出非常準確。當最大輸出數據速率為400Hz時，它提供的精度足以滿足我們的需求?！?/p>

MTi-200的另一大優勢是它對磁干擾的高免疫力。RoboSub比賽通常在大型室內泳池中舉行：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“堅如磐石”?！?a class="insidelink" href="http://www.www.gentlemenlisten.com/Shop/mc/Suits/XsensMoven/" target="_blank" title="Xsens動作捕捉系統">Xsens主動航向穩定（AHS）功能可以很好地過濾干擾，并在所有環境下提供準確的航向測量?！?/p>

導航硬件的第二項創新是增加了一個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，“當它在競賽和執行特定任務時才是對潛艇性能的真正測試，但根據我們目前的測試結果顯示，GNC系統現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坐標系中執行航位推算的結果非常滿意?！?/p>