越来越多的近海和离岸资产需要检查、维修和保养（IRM）。潜水员完成了大部分IRM工作，但我们看到越来越多地使用遥控潜航器（ROV）来完成这项工作。海上的恶劣条件给潜水员带来了很高的风险，但也限制了目前可用无人潜航器解决方案的有效性。
为了确保安全高效地执行自主任务，自主潜航器（AUV）需要充分了解其环境、操作员偏好和平台能力。特别是，AUV导航性能的自我评估对确保安全操作至关重要，尤其是在基础设施或其他船只附近操作时。然而，可靠的水下导航解决方案在提供水下资产位置的准确信息方面要么成本高昂，要么表现不佳。
TNO研究和开发了一种创新的小型海底传感器融合解决方案，能够以不到10 000欧元的硬件成本实现ROV水下监测和检查任务的自主化。这是在由TKI Wind op Zee资助的自主水下远程作业（AURO）公私合作项目中进行的。验证测试在北海生活实验室(Proeftuin op de Noordzee)进行，该实验室是进行实验的指定区域。本文介绍了所开发的解决方案和评估系统性能的初步验证测试, 还概述了进一步提高该能力的下一步措施。
1 最先进的海底导航和市场趋势
近年来，经济型传感器的性能已显著提高。例如，多家制造商正在开发高端微机电系统（MEMS）的惯性测量单元（IMU）。这些MEMS系统与高端光纤陀螺（FOG）IMU的性能不匹配，但在偏置稳定性方面有了重大改进。现货产品有霍尼韦尔HG4900系列和VectorNav VN2xx系列。除了MEMS IMU外，多个低端多普勒速度测速仪（DVL）也开始出现，例如Waterlinked和Cerulean公司的产品。
尽管经济型传感器技术正在兴起，但是目前几乎没有完全集成的“经济型”定位系统可用。大型无人潜航器（UUV）通常使用带有集成定位传感器的高端、笨重和重型的惯性导航系统（INS）。近年来出现了一些新公司可提供更小、更经济的潜航器,这大幅降低了海上作业的成本。然而，上述高端定位系统并不适合这些较小型UUV，从成本角度来看也不适用。
最后，由于水下恶劣的环境条件，潜航器的操作通常耗时且具有挑战性，因此存在自动化趋势。如果UUV能够以自主的方式遵循检查轨迹，可以更有效地完成工作。为了实现安全的自主性操作，必须将位置的不确定性纳入规划阶段，以避免碰撞并确保基础设施不会因UUV操作而受损。
图1 集成了TOPS导航盒的Blue ROV2（左）和TOPS水密导航盒（右）
2 海底导航解决方案（软件和硬件）
其目的是开发一种将经济型传感器与先进传感器融合法相结合的经济型定位解决方案。一般来说，经济型传感器规格较低，受不同环境条件的影响较大。该解决方案的理念是使用传感器融合来评估传感器在预运行校准阶段的性能，然后对此进行补偿，从而实现“近高端”性能。
传感器融合中使用了以下传感器：
VectorNav VN200 IMU（3轴加速计、3轴陀螺仪和3轴磁力计）
BlueRobotics 30 巴 压力传感器
Waterlinked A50 DVL
使用带有专用基站uBlox M8P的 RTK GPS（2cm精度）
含硬件的水密传感器盒，并集成在Blue ROV2下面（见图1）。
Blue ROV2是BlueRobotics公司制造的一款经济型、体积小巧的ROV（45 cm×34 cm×25 cm，12 kg）。TNO开发了定时定向和定位服务（TOPS），将多种最先进的融合算法结合到一个高端融合引擎中，并可在集成到传感器盒中的处理板上实时运行。RTK GPS天线设计为伸出水面，Blue ROV2完全浸入水中时，可模拟所有水下传感器的真实条件，同时保持精确的RTK GPS信号。这使执行任务前航行模式成为可能，其中RTK GPS可用于传感器融合。任务前航行本质上是一个校准阶段，在该阶段，融合引擎建立了对传感器性能的评估（例如偏差和比例因子）。在实验过程中，发现大约90 s的校准阶段足以让Blue ROV2潜入水面以下并安全执行任务。
为了证明定位系统的性能，在任务阶段，在RTK GPS天线高于水面的情况下进行了实验。校准后，手动禁用RTK GPS用于融合引擎，评估融合性能的参考信号依然可用。为了能够对传感器组合进行比较，该盒子设计为可容纳各种传感器。
图2 在Scheveningen港自主运行的Blue ROV2
3 验证测试
使用AURO项目（软件和硬件）中开发的Blue ROV2和TOPS导航解决方案，证明了这一创新对技术集成商和最终用户的价值。为了展示如何使用导航解决方案实现安全有效的操作，开发了一种简单的自动驾驶功能，使Blue ROV2能够在水平面（即固定深度）中自主地遵循预先规划的路径。在这种情况下，演示展示了一种割草机模式来模拟海底检查。
在校准阶段的第1个人工控制航行任务中，TOPS融合系统使用RTK GPS。此后， TOPS融合引擎不再使用RTK GPS，仅作为评估TOPS性能的参考。TOPS以200 Hz的频率实时运行，并估算了位置和位置不确定性。
测试结果显示，行驶距离误差约为0.4%。图2显示了Blue ROV2在Scheveningen港自主运行，而图3和图4描述了演示的测试设置、ROV航行轨迹以及对TOPS不确定性预测的误差和不确定性评估。
图3 测试设置、ROV的航行轨迹，以及基于准备最终演示时获得的数据
4 结论和下一阶段
AURO项目表明，最先进的传感器融合可用于使用低端小型导航传感器，实现高端导航性能。通过在Scheveningen港进行的各种试验证明了这一点，该试验使用了与小型ROV（Blue Robotics公司的Blue ROV2）集成的自主研发传感器盒。传感器融合是通过TOPS完成的，TOPS是TNO开发的传感器融合框架，结合了多种最先进的融合算法。这些传感器的硬件总成本低于10 000欧元，其尺寸和重量使其能够集成到目前所有小型潜航器中。研究还表明，有可能在运行过程中对位置的不确定性进行准确估算。
下一阶段应该是在不同的海上条件下，由系统终端用户进一步验证所开发的技术，以确保机器人平台与其操作员之间的最佳合作。
图4 ROV航行轨迹（左）以及基于最终演示准备时获取的数据的不确定性和误差评估（右）
编译：曹红梅
译自：hydro-international网站
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