9、海洋机器人导航：方法、分类与前沿技术

海洋机器人导航：方法、分类与前沿技术

1. 基于传感器的导航方法

在海洋机器人导航中，有多种基于传感器的方法。其中，多普勒测速仪（DVL）是一种重要的传感器。只要机器人在传感器范围内的相对平坦地形上移动，DVL 就能测量机器人相对于海底的速度以及真实航向角，这种模式称为“底锁”，适用于 100 - 200 米的高度范围。当无法探测到海底时，DVL 还能测量机器人相对于水的速度，即“水锁”模式。

DVL 在导航中起着关键作用，尤其对于单自主车辆，它可为导航提供基础支持，或辅助惯性测量单元（IMU）等其他导航技术。不过，DVL 系统通常存在两个误差源：姿态传感器的航向精度和 DVL 与姿态传感器之间的校准对齐误差。基于速度测量来估计位置的过程称为航位推算（DR），但这些误差会导致位置估计误差随时间漂移。

基于多普勒效应的类似传感器还有相关速度记录仪（CVL）和声多普勒海流剖面仪（ADCP）。CVL 可在高达 500 米的高度提供高精度的速度测量，即使在低速情况下也能保持良好性能；ADCP 则用于直接测量海流速度。需要注意的是，这些传感器在非结构化地形上的使用受到限制，例如在 MORPH 项目的任务场景中，DVL 系统就不被考虑使用。

另一种估计机器人在水中前进速度的方法是利用螺旋桨的旋转速率和机器人的动态模型。通常可以较为准确地得出旋转速率与速度之间的稳态关系，但该方法的缺点是需要为每个新的机器人建立复杂的动态模型。

目前讨论的这些基于传感器的测量方法都无法提供永久无漂移的 x 和 y 坐标估计。对于浅深度的水下任务，一种可行的解决方案是机器人携带 DVL/IMU/AHRS 设备，并定期返回水面使用全球定位系统（GPS）进行位置修正。这种方法适