小型自主水下航行器ecoSUB中Xsens MTi模块的应用

自主水下航行器（AUV）在油气钻探和开采、海洋勘测和水生环境监测等领域发挥着重要作用。AUV可以执行潜水员难以完成的任务，并且可以下潜到将人类操作员存在人身安全危险范围的深度。

如今市场上的大多数AUV产品都很大，且能够携带沉重的有效载荷，并配备了大型电池，这使得它们能够长时间停留在水下。这种类型的产品适合石油公司等客户，它们不仅能负担得起购买大型自主式潜水器的巨额成本，还能将其运输到需要的地方，进行石油勘探等操作。

总部位于英国的海洋机器人产品供应商Planet Ocean发现了目前市场上更小、更实惠AUV领域的空白。Planet Ocean的目标是使自主水下机器人的应用更加民主化：让所有研究机构、大学、商业用户、发展中国家的用户以及其他资源有限的用户都能接触到它们。

而研发这种创新型的水下机器人的设计需要一种既紧凑又精确的运动跟踪传感器。

Xsens使精确的水下导航成为可能

ecoSUB无人潜航器的有效运行要求通过航位推算技术获得准确的位置数据。在水面上方，地理定位很容易：卫星定位信号确定位置的一般精度为5米。

然而，卫星的射频信号不能穿透水，因此ecoSUB自主水下航行器采用持续跟踪其相对于水面发射点的运动数据的方式来确定其位置。

该技术的实现得益于使用他们使用了AHRS Xsens MTi-3（姿态和航向参考系统），以及用于深度测量的离散压力传感器。MTi-3传感器为ecoSUB提供了高精度的横滚、俯仰、航向和加速度测量。生态潜艇的机载计算机不断将这些测量值转换成位置坐标。

像设计一个小巧且重量轻的水下自动机器人这种特别具有挑战性的要求使Xsens运动跟踪传感器成为了团队理想的选择。

“ecoSUB的基本设计目标是制造一种体积小、重量轻、足以让普通人也能提起的水下机器人，同时还具有足够的承载能力和航程来执行各种任务。我们为ecoSUB设计的声呐浮标管尺寸为“A”型，长1米，重4公斤。为了优化ecoSUB的续航里程和动态特性，我们需要将尽可能多的内部空间分配给电池和电机。因此，在电机系统产生强磁场的情况下，运动传感器和控制电子系统的其余部分必须封装在一个小空间内。当然，水下机器人位置数据的准确性绝对至关重要。“例如，当自动潜航器被用于探测石油泄漏或监测海水含氧量变化时，用户需要准确知道它在三维空间中的测量位置。”ecoSUB首席机器人工程师Jeremy Sitbon说到。

Xsens MTi-3运动跟踪器：小巧、轻便、可靠

适用于ecoSUB设计的限制意味着运动传感器必须提供三个基本特性：

l 传感器运动跟踪数据的高精度

l 可靠性高，抗磁干扰能力强

l 体积小、重量轻

Xsens MTi-3 AHRS具备以上所有三个特点。MTi-3集成了多种传感器功能，包括3D加速度计、陀螺仪和磁力计以及处理器。

传感器对滚动和俯仰的静态测量精度为±0.5°，对偏航的测量精度为±2°。在使用中，当仅使用MTi-3运动传感器和压力传感器测量时，ecoSUB通常可实现行程5%的定位精度。

无论周围磁场如何变化，传感器的测量精度都保持稳定。ecoSUB的设计者充分利用了MTi-3传感器内置的复杂过滤功能：该传感器可以配置为在各种类型的工作环境中，包括连续的强磁干扰。这对ecoSUB来说是理想的，因为在eco sub中，螺旋桨通过磁力与发动机相连。

所有功能都集成在一个尺寸仅为12.1 x 12.1 x 2.55mm毫米、重量不到1克的紧凑封装中。典型功耗低于100mW，有助于ecoSUB的电池续航时间更长。

向全新的细分市场开放自主式潜水器

在完成海上试验后，创新的ecoSUB AUV于2020年进入全面商业生产。Jeremy Sitbon说：“Planet Ocean对向新一代用户介绍自动潜航器的实用性的可能性感到兴奋。ecoSUB的能力包括声学（声纳）通信，使多个ecoSUB自动潜航器能够像‘鱼群’一样同时使用，以提供水下条件的3D图像。生态潜艇像一辆海上‘卡车’——几乎可以装载任何类型的传感器或其他有效载荷，因此其使用潜力几乎是无限的。”

“ecoSUB产品的成功归功于我们能够将大量功能和性能集成到一个非常小的空间中。我们决定使用MTi-3，这对于我们成功完成ecoSUB的设计起到了非常重要的作用。我很高兴我们做出了正确的选择！”ecoSUB首席机器人工程师Jeremy Sitbon说到。