[论文解读] Nukhada USV: a Robot for Autonomous Surveying and Support to Underwater Operations

Èric Pairet, Simone Spano+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2022

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 6被引用 4

一句话总结

本文介绍了Nukhada USV，一种模块化、混合动力的无人水面航行器，专为自主水下勘测与支持任务而设计。其采用对称 catamaran（ catamaran）构型，并配备1:5比例的缩比原型机（Nukhada-mini），用于安全验证算法，支持长续航任务，可自定义有效载荷，并在测深勘测和螺旋机动测试中取得成功。

ABSTRACT

The Technology Innovation Institute in Abu Dhabi, United Arab Emirates, has recently finished the production and testing of a new unmanned surface vehicle, called Nukhada, specifically designed for autonomous survey, inspection, and support to underwater operations. This manuscript describes the main characteristics of the Nukhada USV, as well as some of the trials conducted during the development.

研究动机与目标

• 开发一种坚固、模块化的USV平台，用于长时间自主水下作业。
• 通过缩比原型机（Nukhada-mini）实现在仿真与实际部署之间的安全、高效过渡。
• 通过可定制的有效载荷集成和延长续航能力，支持多样化的水下任务。
• 通过在受控环境和开放水域中的实际试验，验证车辆动力学与自主性能。
• 通过集成对称设计提升船舶操控性与水动力性能，推动海洋机器人技术发展。

提出的方法

• Nukhada USV采用模块化双体船体设计，配备可互换的Type-A（平底）和Type-B（水动力优化）防水玻璃钢模块。
• 采用混合动力系统，包含5.6 kWh LiFePO4电池和2.5 kW柴油发电机，以实现更长航程和充电能力。
• 通过安装在中央计算机上的软件栈实现自主控制，基于ROS架构，支持路径规划与传感器融合。
• Nukhada-mini USV复制了全尺寸系统的传感器配置和软件，用于在受控环境中进行低风险算法原型开发。
• 覆盖任务采用“耙形”算法规划，扫测间距为10 m，通过RTK GNSS和单波束回波测深仪执行。
• 通过定半径转向和螺旋机动测试验证水动力性能，对比对称设计与传统舷外机布局的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 模块化、可扩展的USV设计在多大程度上能提升从仿真到实际部署的过渡安全性与效率？
• RQ2 对称双体船设计在车辆操控性与水动力稳定性方面具有哪些性能优势？
• RQ3 缩比原型机（Nukhada-mini）在多大程度上能准确复现全尺寸USV的行为，以用于自主性测试？
• RQ4 混合动力系统在支持长时间自主勘测任务方面效果如何？
• RQ5 在USV平台上使用低成本单波束回波测深仪进行测深制图，其可达到的精度与可靠性如何？

主要发现

• Nukhada-mini USV在Al Bateen运河成功完成3.3 km的测深勘测，覆盖面积达31,000 m²，生成了深度范围为3至6.5 m的详细深度图。
• 该任务在约1.5小时内自主完成，扫测间距为10 m，表现出可靠的路径跟踪与传感器数据采集能力。
• Nukhada USV的对称设计在转向机动过程中显著减小了航向角与航迹角之间的差异，优于传统舷外机布局。
• 螺旋机动测试中，通过将一侧推进器从全速正转逐渐反转至全速倒转，实现了零半径转向，证实了其高机动性。
• 混合动力系统显著延长了续航时间，标准充电模式下电池充电耗时4小时，快充模式下仅需1小时。
• 使用缩比原型机（Nukhada-mini）使得在全尺寸部署前能够安全、低成本地测试自主算法。