在这个案例研究中，Xsens详细介绍了卡内基梅隆大学(CMU)使用其MTi-200垂直参考单元(VRU)为CMU的第二代TartanAUV全自动潜艇提供准确、同步的方向和航向输出。
没有GPS导航:卡内基梅隆大学的自主潜艇如何跟踪水下速度、姿态和航向
对于宾夕法尼亚州匹兹堡市卡内基梅隆大学(CMU)的工程和计算机科学专业的学生来说，学习经历超出了通常的讲座、研讨会和书面作业。在CMU，学生有机会将他们新获得的知识应用到使用一系列前沿技术的现实产品开发中。
这是因为CMU举办了一个成功的机器人项目，一个学生团队开发了一个海洋机器人，参加由非营利教育机构RoboNation组织的著名的RoboSub比赛。CMU团队的TartanAUV全自动潜艇现在已经进入第二代:新潜艇在第一代的基础上进行了实质性的技术升级，这标志着CMU首次参加RoboSub比赛。
正如学生们在下面解释的那样，这项比赛需要极其精确的、实时的水下3D定位和方向信息。这次升级的一个关键因素是集成了Xsensmti - 200垂直参考单元(VRU)，即使存在强磁干扰，也能提供准确、同步的方向和航向输出。
3D导航:一项具有挑战性的水下任务
一年一度的RoboSub竞赛要求学生团队开发一个自主水下航行器(AUV)，然后在各种任务中测试它，这些任务模拟AUV在现实世界中运行所需的行为。这些行为有视觉的、机械的和逻辑的维度。潜艇需要在一大片清澈的水中航行，识别门等物体，计算任务内部和任务之间的路径，并执行特定的机动，如桶滚，所有这些都需要在15分钟内完成。评判参赛选手的标准是他们的潜艇是否成功完成任务，以及它执行任务的风格。
由于潜艇在水下航行，它不能使用卫星导航(GPS)信号来跟踪它的位置。这意味着它必须进行航位推算，通过连续测量速度、姿态和航向，从已知的起点计算其3D位置。
CMU团队的工程负责人Theodore Chemel表示，对名为“Albatross”的TartanAUV潜艇第一次迭代的性能分析发现了巨大的改进机会。
“信天翁号由于航位推算计算中的漂移量而降低了分数，导致潜艇偏离了理想路径，减缓了任务的完成。因此，TartanAUV的新翠鸟版本的首要任务是改进制导、导航和控制(GNC)系统。”
翠鸟(2020)
计算能力对潜艇的性能没有限制:升级后的翠鸟潜艇包括一台强大的新型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。这让CMU的学生工程师有机会采用两种新的硬件组件，结合在一起，在导航性能上有了巨大的改进。
一种是Xsens MTi-200 VRU。Theodore Chemel表示，MTi单元内部的高度集成是TartanAUV团队的一大吸引力。
“MTi-200内置的软件对加速度计、陀螺仪和磁力计产生的3D测量进行了出色的纠错和同步，因此它产生的方向数据输出非常准确。在最大400Hz的输出数据速率下，它提供了足够的精度来满足我们的需求。”
MTi-200的另一大优势是它对磁干扰的高免疫力。机器人潜艇比赛通常在大型室内泳池中举行:“信天翁”潜艇在美国海军的一艘测试坦克中进行比赛，该坦克位于一个机库中，头顶上有巨大的金属龙门架。钢材质量的干扰严重影响了先前位置传感器提供的航向测量。
MTi-200没有这样的问题。Theodore Chemel说，在选择MTi-200之前，CMU团队通过在一块非常大的磁铁附近操作它来测试它的性能。他说VRU的表现“坚如磐石”。Xsens主动航向稳定(AHS)功能可以很好地滤除干扰，并在所有环境中提供准确的航向测量。”
导航硬件的第二个创新是增加了Teledyne Pathfinder多普勒速度测井(DVL)，这是一种声学传感器，可以提供极其精确的线速度测量。但是，虽然这款设备很精确，但它的分辨率非常低:它的更新频率只有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计时信号，触发DVL执行时间戳速度测量。
升级后的sub提供了有希望的性能改进
随着CMU团队准备参加2022年RoboSub比赛(7月25日至31日，华盛顿特区)，翠鸟型TartanAUV的大量硬件升级的结果看起来很有希望。Theodore Chemel说:“对潜艇性能的真正测试是在它参加比赛并执行指定任务时，但我们的测试表明GNC系统现在的表现完全符合我们的要求。在8分钟的测试运行中，很难用肉眼看到偏离所绘路径的情况。多亏了MTi-200和DVL，我们对新的TartanAUV在3D中进行航迹推算的方式感到非常满意。”
令人印象深刻的不仅仅是TartanAUV的导航系统，它还吸引了机械、电气工程和计算机科学专业学生的人才。当他们准备在加州参加比赛时，他们已经为MTi-200 VRU的出色使用感到自豪。
