mAUV – 荷兰海事研究所（MARIN）的模块化自主水下航行器

        荷兰海事研究所（MARIN）在船舶和海上结构的动态定位 (DP) 系统以及帆船的自动驾驶仪方面拥有丰富的经验。它还建造了潜艇的自由航行模型，其中包括自动驾驶仪以及带有方向舵和帆板的控制装置。这些领域的经验在 mAUV 的发展中发挥了重要作用。挑战在于开发一种具有完全六自由度 (DoF) 控制的水下航行器，没有任何限制。此外，目标是一种能够以高前进速度有效行驶同时还能够在固定位置和方向上悬停的航行器。这是一种独特的能力组合。

        mAUV 现在可以运行，航行器控制和路径跟踪可用并经过测试。接下来的步骤是自主能力，包括高级导航、防撞和额外的执行器。

航行器概念

        航行器概念开发始于对一些（自我强加的）设计要求的定义，包括控制所有六个自由度的能力，将悬停与高速前进相结合，以及允许未来修改的模块化结构。控制软件的设置也是模块化的，便于重新配置。

        随后，选择了总体航行器布局、推进器配置和主要细节。选择圆柱形船体形状是因为其流线型、易于制造，并且可以包括额外的部分以供将来修改和添加。船首部分为圆柱形，船尾部分为抛物线形状，这两种形状也已用于潜艇的概念设计。这导致了具有良好流线特性的几何形状。长度和直径基于放置所有执行器、传感器和电子系统所需的内部空间。

MARIN 的模块化自主水下航行器

硬件、传感器和执行器

        MARIN 在开发和建造用于水池实验的自由航行船舶模型以及潜艇方面拥有丰富的经验。这意味着设计、开发和建造 mAUV 所需的大部分技术都可以在内部获得。航行器设计以 3D CAD 模型为中心，该模型不断更新，所有子系统（电子设备、电机、传感器、计算机硬件、电气系统、通信系统和软件）均由各种技术专家开发和完成。

        可以使用多个执行器来控制 mAUV 的位置和方向。其中包括多个推进器：四个船尾推进器（主推进器）、四个水平隧道推进器（横向运动和航向变化）和四个垂直隧道推进器（垂直运动和俯仰控制）。为了缩短开发时间，选择了 Blue Robotics 的现成T200 推进器。在船首和船尾还增加了两个内部装饰油箱，以调整航行器的重量。容量有限，但足以在每次任务开始时从漂浮状态变为中性浮力。

        航行器有几个用于导航和控制的内部传感器。例如，它有一个惯性导航系统（iXblue Phins C3 INS）来测量航行器的姿态、加速度和转速。辅助信号（位置）用于估计血管位置和线速度。最后，添加了一个姿态航向参考系统 ( Xsens Mti-300 AHRS ) 来测量船舶姿态和加速度。

航行器控制策略

        mAUV 可以在所有六个自由度中进行控制。这意味着航行器可以跟随任何可以想象的轨道，提供最大的灵活性来执行其任务。PID 控制目前用于航行器的位置和方向，但未来将研究替代控制方法，例如基于模型的控制。在操作过程中，航行器在不同的操作状态之间变化，例如“怠速”、“修剪”和“航路点跟踪”。每个操作状态都有自己的行为。状态之间的切换由状态机处理，状态机是定义 mAUV 行为的航行器控制系统的一部分。如有必要，状态机还使用操作状态“制动”和“表面”执行安全程序。这样可以避免在出现技术问题时对航行器造成的损坏，

mAUV 的主推进部分位于后部，控制系统位于中部，传感器位于前部

仿真模型

        mAUV 的控制系统是与航行器本身的设计和构造同时开发和测试的。使用 mAUV 的数字双胞胎使这成为可能。数字孪生是 mAUV 的时域仿真模型，它描述了刚体动力学、流体动力反作用力、所有 12 个单独的推进器、压载舱和内部移动质量。该模型是使用 MARIN 内部的 XMF 建模软件制作的。模拟航行器可以通过操纵杆手动控制，也可以与航行器控制软件联动。数字孪生是航行器动力学的完整表示，因此可用于设计和测试航行器控制系统。这允许并行开发航行器硬件和软件。

水池实验

        mAUV 完成后，航行器的性能在一系列模型水池测试中进行了评估。在水池而不是在室外进行测试的优点是可以控制环境条件，并且在测试之间很容易接近航行器。

        连接控制系统后，仔细检查所有航行器硬件组件并测试所有通信连接。然后，在MARIN的耐波和机动水池进行了一系列实验（中小企业）。首先是一组参数识别测试，其目的是确定航行器的附加质量和阻尼，以及最大推力值。这些参数来自测量的航行器运动，结果用于提高航行器数字孪生的准确性。第二系列测试是操作极限测试，以找出航行器的当前性能极限。确定了最大前进和横向速度，以及最大旋转速度。此外，还对以不同漂移角行驶的 mAUV 进行了测试。最后一系列测试旨在展示 mAUV 的可能应用。演示包括代表矿山检查任务的演习，用于调查任务的割草机模式，快速螺旋，

        测试活动结束时组织了一个示范日，荷兰海事部门各公司的代表参加了该活动。许多有趣的讨论为航行器的潜在应用和进一步研究带来了新的想法。

mAUV 完成后，车辆的性能在一系列模型盆地测试中进行了评估

未来发展

        mAUV 目前能够跟随在六个自由度中定义的预定义轨迹。然而，对于真正的自主操作，需要开发额外的能力。MARIN 的研究议程中有几个主题，包括在固定物体（例如对接站、水下结构）或其他交通工具（例如用于发射和回收的月池）附近进行精确导航的相对导航。这些研究工作将涉及硬件开发、位置估计算法和航行器控制策略。MARIN 还将研究额外的执行器，以在更高的前进速度下更有效地控制航行器。这将涉及执行器设计、航行器控制策略和分配算法。最后，传感器融合和态势感知算法将用于研究低成本运动传感器的性能。

结论

        MARIN 为其模型水池中的研究项目设计并建造了模块化自主水下航行器 (mAUV)。该航行器具有独特的控制能力，可适用于海上领域的不同自主任务。该航行器，其控制系统及其自主操作能力将通过正在进行的协调研究项目得到进一步发展。MARIN 积极寻求合作伙伴继续开发 mAUV 技术。最后，它旨在通过专注于航行器设计和优化的模拟研究和水池测试来协助行业各方进行航行器开发。