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Sealien： 全文共3000字，阅读大约需要4分钟。（文末的腾讯广告，每点击一次，我们就会获得0.5元的收入，您的爱心都会捐赠给贫困地区的孩子，我们会定期公布捐赠用途。原创不易，感谢支持！?） 说到导航与定位，大家最熟悉不过了，开车还是走路，都用手机地图，同时实现了导航和定位。对于ROV来说，由于它是遥控的，了解它们在水中的位置也很重要。陆地上的GPS信号不能在深水中传播，因此需要使用其他导航与定位系统。事实上，水下的定位根据精度要求，需要用到多种传感器。每台ROV都有传感器来获取航向和深度等信息。 点击此链接跳转第四篇《观察级水下机器人设计原理之：推进》 点击此链接跳转第三篇《观察级水下机器人设计原理之：通信》。 点击此链接跳转第二篇《观察级水下机器人设计原理之：电气》。 点击此链接跳转第一篇《观察级水下机器人设计原理之：外形设计》。 本篇我们接着简单介绍观察级水下机器人的导航与定位。 深海智人推出观察级ROV设计原理入门，了解了原理，也就接近具备自制一台小型ROV的能力，本文简要介绍观察级ROV的导航与定位。 iXBlue ROV 用惯性导航系统 Rovins Nano ? iXBlue ▼  深 海 智 人 用 智 慧 点 亮 深 海  作者 | 草履虫排版 | 三叶虫 导航用的最多的就是陀螺仪，三轴磁通门陀螺仪，测量三维磁场为观察级ROV提供了比较廉价的导航解决方案。 压力传感器用于深度测量。压力传感元件可以由应变仪或压电材料制成，其在受到压力时将产生电压、改变电阻或改变传感器输出的振荡频率。对于观测级ROV的自动控制功能通常是自动艏向和自动定深。自动定深功能就是利用了来自压力传感器的反馈。此外，还有一种光纤温度和压力传感器，该传感器可以在水中使用，测深精度可达1-3cm。 高度计，也称为单波束回声测深仪，可用于利用声波脉冲探测ROV与海底的距离。如果ROV在水深较浅的环境中工作，这种传感器很有用，几乎是ROV的标配设备。 用于观察级ROV高度计（回声测深仪） ? 互联网 ▼  随着水下作业任务要求越来越苛刻，导航误差要求也越来越严格，这就需要更复杂而精细的技术来实现。航位推算传感器不失为一种更好的选择。它可以提供可靠的导航反馈，但会有误差积累。 水下应用最多的航位推算方式是基于微机电陀螺仪（MEMS）的惯性导航系统（INS）。INS中的传感器叫做惯性测量单元(IMU)，通常由三个加速度计和三个陀螺仪组成。IMU可以测量加速度和旋转速度。INS除了包含IMU外，还有控制器和其他电子元件。然而，这种技术很容易产生漂移。将GPS定位与IMU组合在一起，可以产生了更精确的定位，从而提高ROV姿态估计的精度。 iXblue 的 Rovins 惯性导航系统 ? iXblue ▼  通过使用先进的环形激光器(RLG)或光纤陀螺(FOG)，可以获得更高的位置精度。这两种技术都非常精确，当集成到INS中时，漂移也很低，因为它们不受地球磁场畸变的影响。RLG已被普遍用于AUV。测量显示漂移误差小于0.01°/h，平均无故障时间(MTBF)超过6万小时。 随着光纤陀螺技术的发展，FOG越来越广泛地应用于AUV和ROV。有制造商将FOG惯导集成到ROV中实现全自动导航控制，FOG具有以下优势: 无运动部件 更高的分辨率 更低的功耗 安静 因为物理尺寸问题，RLG和FOG主要用在工作级ROV上。近几年随着技术发展传感器的尺寸也越来越少，特别是FOG，在空气中的重量已经低于10公斤。这种尺寸和重量的减小为观测级ROV提供了更精确的导航解决方案。 多普勒速度仪(DVL)利用多普勒效应来测算ROV的速度，参照物可以是水流或者海底。如果是参照海底，DVL离海底最大高度300米。Teledyne 生产带有活塞式换能器或相控阵换能器的DVL。相控阵换能器与活塞式换能器相比有许多优点，诸如尺寸更小、高度范围更大以及由于换能器的单个表面而减少了对系统的阻力。值得注意的是，DVL最好不要靠近推进器，水流噪音问题会导致DVL导航不准。DVL通常被集成到惯性导航系统中，以便进行更精确的定位，再加上卡尔曼滤波器，误差可以显著降低。 由于DVL使用多普勒效应，为了精确测量，有必要知道声音在水中传播的速度。声音在水中的速度受温度、盐度和深度的影响，在整个传播过程中，这些参数都会发生变化，从而影响DVL测量的准确性。DVL的另一种形式是相关速度测量仪(CVL)，原理类似高度计，就不详述了。 Seatronics 公司的RDI Workhorse DVL ? Seatronics ▼  绝对位置导航的另一种形式是使用水下已知位置的各种声学收发器（水下基站）。当ROV上的应答器在声波通信范围内时，通过三角测量算法计算ROV的位置。在用的有许多方法，但其中超短基线(USBL)由于尺寸紧凑和易于安装，是观测级ROV最适合的导航系统。USBL系统的定位原理是靠测量信号到达接收基阵阵元之间的相位差和测量目标到基阵中心的斜距来实现定位的。基阵安装在母船上，信标通过ROV脐带缆连接安装在ROV上。母船上通过脐带缆发送控制指令到USBL信标，发送声脉冲，通过水深传导到接收基阵，测算发送和接收的时间差来测量斜距。 有些时候会用到两个声呐，一个声纳用于高度和接近障碍物，另一个双频声纳用于成像和测绘其周围环境。随着系统变得更加精确和计算能力增加，基于特征的导航或即时定位与构图(SLAM)在使用成像声纳的ROV中变得更加普遍。近年来，多波束声纳的成本和尺寸已经显著降低，就可以集成到观测级ROV中。基于特征的导航的优点在于它不会受到漂移的影响，并且可以用于辅助惯性导航系统进行校正。然而，这些系统通常需要用于水下导航和控制的后处理和实时SLAM，技术目前尚不成熟。 还有就是利用两个摄像机进行视觉控制的水下机器人，用于水中入坞对接。 SeeByte通过集成来自多个导航传感器的输入，为ROV控制系统提供软件解决方案，SeeByte提供改进的用户界面，并允许ROV半自动化工作，从而降低操作的复杂程度。此外，通过在操作员界面上创建实时增强现实和力反馈控制器的触觉技术来帮助操作员导航和操作干预。 观测级ROV通常配备有基本的导航传感器套件。随着传感器的尺寸、重量和成本的降低，精确越来越高，未来将会看到高精度导航系统越来越多地在水下领域使用，从而使ROV变得更加先进、智能和强大。 该系列文章主要介绍了观察级ROV的基本原理。讨论了可以在商业和研究应用中找到的标准和新颖的外形，对各种浮力和框架材料进行了分析。介绍了观测级ROV的不同电源，通过脐带缆或安装在观测级ROV上的电池提供交流或DC电源。提到了多种通过脐带缆传输数据的方式，如使用铜或光纤作为传输介质。也对最常见的观测级ROV通信协议进行了讨论和比较。研究了推进器技术和推进器结构。最后，讲到了用于水下机器人导航和控制的导航和定位传感器，并对不同的惯性导航系统技术进行了对比分析。 未来我们将会看到观察级ROV越来越有能力在复杂的任务环境中工作。增加观察级ROV推进器的可用功率，减小导航和定位传感器的尺寸并提高其精度，以及增强控制系统的智能化，允许实时半自主控制，并辅助操作人员在复杂工况下操作。 注：1、文章部分图片和信息引自互联网。2、转载请在文章开头处注明“转自深海智人”。 |
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