无GNSS信号区域的自主船艇导航，精度±2厘米
自主船艇 有很多名称：机器船（roboat）、无人水面舰艇、无人水面航行器、自动驾驶船。它们指的是同一类设备。自主船艇只是在水面上运行的一种自主机器人。
客户就以下多种自主船艇应用场景联系过我们：
- 运送货物和乘客
- 在河道和港口中航行巡检
- 巡逻
- 与大型船舶自主对接，例如在完成救援任务后
- 利用水下声呐进行水下检测和目标探测
我们专注于 无GPS的自主船艇 ——而非远洋船舶或大型船只。下文讨论的自主导航船艇在河道、隧道、室内和地下工作，即在任何 无GNSS信号的区域 工作，而不是在可轻松用GPS定位导航的开阔海域或湖泊中。
无GPS条件下精确跟踪竞速船艇示例
自主船艇如何工作
与自主机器人或自动驾驶汽车一样，自主船艇依靠若干 关键系统 实现自主运行：
- 定位
- 障碍物检测与避障
- 移动或推进
由于无人水面航行器要与外界和用户交互并执行实际任务，它们还必须具备以下能力：
- 对外通信与连接
- 用户界面
- 载荷搭载能力
自主船艇从终端用户、操作员或大型船舶接收任务，并依靠定位系统以及障碍物检测与避障系统自主执行任务。它们依靠控制器、处理器、存储器和程序按规则运行。实际上，它们只是自主机器人的一个子类。
因此，与任何自主机器人一样，自主船艇也具有传感器、处理器和执行器。
自主导航船艇是 典型的自主机器人 ，只不过是在水面上。
定位还有许多其他方法，例如 激光雷达。但不建议将其用于船艇定位，原因如下：
- 价格昂贵
- 在雾天或雨天效果不佳
- 易受阳光、灯光、反射和红外光源干扰而“致盲”
摄像头 在理论上似乎比激光雷达更好。但在实践中，基于摄像头实现稳健而精确的定位仍然非常困难，而且其性能受光照条件、水面反射、雾和雨的影响很大。
因此，对于无GNSS信号区域的自主船艇，我们建议采用 外部RTLS 系统，例如 Marvelmind室内“GPS” or UWB 作为主要定位源。不过，采用传感器融合方案通常能获得更好的性能。
问题
当GPS/GLONASS/伽利略/北斗可用时，自主船艇的导航是一项相对简单的任务，尤其是在可以使用某种RTK GPS的情况下。但在 无GPS/GNSS信号的区域，这项任务的难度要大得多，例如：
- 高楼环绕的河道
- 隧道
- 封闭式高架桥
- 桥下
- 地下
即使有GPS， RTK GPS也可能无法使用，而自主船艇又必须与行驶中的船舶对接。
另一类问题出现在多艘船艇需要彼此靠近、保持间距同步移动时，例如船艇集群。
解决方案
解决方案是采用 实时定位系统（RTLS） or 室内定位系统（IPS），例如Marvelmind的精确室内“GPS”。
不要被“室内”一词误导。能在室内工作的系统，在室内外都能工作。但大多数室外导航系统（例如GPS）无法在室内工作，因为GPS卫星的无线电信号无法穿透墙壁或天花板。
自主导航船艇的RTLS如何工作
无GPS自主船艇的导航依赖于某种实时定位系统（RTLS）。这种系统与用于自主机器人或AGV的同类RTLS并无本质区别。
RTLS由三个主要部分组成：
- 固定信标 （锚点）——相当于GPS卫星，用作定位的坐标参考点
- 移动信标 （标签），安装在船上
- 调制解调器/路由器 ——中央设备，用于控制系统并集中获取船艇的位置数据，相当于GPS中的地面站
自主导航船艇可以获取位置数据，以及来自惯性测量单元（IMU）的陀螺仪和加速度计数据，这些数据直接来自 移动信标.
或者，也可以由外部“大脑”远程控制船艇：它通过 调制解调器 （系统的中央控制器）获取船艇的位置和IMU数据。尽管船艇是被远程控制的，但这并不会使其失去自主性。它们仍然是自主的，只是中央控制器位于船体之外。
配置快速建议
如果移动信标不会接触水、灰尘或水雾:
这种情况下，跟踪船艇与在2D平面跟踪机器人/AGV/车辆没有区别。详情请查看 机器人页面 。简而言之：
- Super-MP-3D 入门套件 ——上手简单、用途广泛的入门套件
- Super-MP-3D 入门套件 + Super-Beacon ——如果您需要 位置+方向
- Super-MP-3D 入门套件 + Super-Beacon + 2 x Omni-Microphones ——如果您的区域较大（20x20米或以上），或固定信标相对水平面的仰角不超过30度。您将能够 打造机器人 ，具备这样的行驶能力
如果移动信标会接触水、灰尘或水雾：
推荐配置如下：
- IA
- Super-Beacon 隐藏在船体内， Omni-Microphones 伸出船外，实现位置+方向定位，做法可参考我们的机器人 Boxie
如果需要更强的防护，可选用更坚固的 Industrial-RX with Omni 作为移动信标。
定制配置
如需针对您的具体情况和需求给出推荐配置，请发邮件至 info@marvelmind.com.
自主船艇与其他类型自主机器人的对比
自主船艇 对比 轮式自主机器人/AGV:
- 两者主要都在2D平面内运行
- 轮式机器人通常面临更多障碍物和遮挡
- 轮式机器人有里程计作为额外的位置信息来源
- 水对电子设备危害严重——对船艇来说问题更大。海水则更加危险
自主船艇 对比 自主无人机:
- 船艇更容易，因为它是2D的
- 通常遮挡更少
- 无人机会坠毁，船艇会沉没。但无人机的“生命”更加危险，通常也更短暂
- 由于电池和整体能源供应的原因，船艇能保持自主运行的时间比无人机长得多
"谎言、渔夫的吹嘘、竞选承诺、统计数据，还有IPxx"——请务实看待
请记住，合适的防护等级保证的是：设备 不会损坏 （仅限短时间接触水或雨水飞溅）。而 IPxx认证 并未涉及长时间接触的情况 ，也未涉及接触非清洁淡水的情况，例如脏水、含油水、盐水、雪等。
当然，IPxx设备很可能也能挺过这些情况，但没有任何保证。这是所有 IPxx 条款细则中公开的秘密。 请心中有数，对预期保持务实.
怎么办？
- 使用后用淡水清洗，以免污垢、盐分或类似污染物损坏防护膜
- 确保冰或霜不会刺破防护膜。不要让水在信标上结冰
- 如需长时间淋雨，请使用专用遮雨罩——类似室外摄像头的做法。同时保持与固定信标之间的视距
- 室外型信标能够承受雨淋或水溅，但不保证跟踪性能。细节决定成败
- 组装完成后，在所有金属部件上涂覆专用防盐水清漆。切记不要喷到防护膜上
长期户外使用或长期接触水尘的建议
- 为信标加装各类遮挡罩和遮雨罩，避免雨水、灰尘和阳光直接作用于信标
- 遮挡罩和遮雨罩不得造成超声波阴影和非视距情况
- 遮挡罩和遮雨罩的制作和安装方式，必须确保雨滴声不会干扰声音与之相似的超声波脉冲
- 在非直接暴露的情况下，即使几乎没有防护等级的Super-Beacon，往往也能在户外长期良好工作
- 请记住，在零度以下的温度下，给内置锂聚合物电池充电有导致电池损坏甚至起火的风险
问答
2023年3月11日：自主船艇的室内定位系统
Marvelmind团队，您好：
我们目前正在为自主船艇测试和搭建室内
定位系统。我们目前的配置包括
三个安装在三脚架上的固定信标，以及两个安装在船上、
带全向麦克风的移动信标。
您做的是2D定位，强烈建议使用两个固定
信标，或使用2+2个固定信标构成完全重叠的子地图。
您放置3个固定信标，系统会自动切换到
3D跟踪。您并不需要3D，而且对于2D来说它更不可靠，因为
这时必须与3个固定信标保持视距，而不是像2D那样只需2个固定
信标。
虽然我们在IA架构下
已实现了对船艇较为理想的跟踪，
但我们还有
几个问题，希望您能解答。
在当前配置下，我们得到的总更新率为6Hz。是否
应在调制解调器设置中选择与之相近的更新率
（8Hz）？
还是说，定位计算本身要快得多，
采用更高的更新率能给我们带来更好、更及时的数据（例如
16 Hz）？不过，有效载荷和无线电设置只允许
6Hz。我们不想增加延迟而拖慢通信。
我们对Super-Beacon的引脚定义
（见手册中的图示）有些困惑。该图示没有说清楚
引脚图的观察视角。
我们附上了一张示意图
供您参考，如能确认
其是否正确，我们将不胜感激。
另外，能否请您说明，SPI
连接是否需要SS引脚，还是会自动以从机
模式工作？
此外，我们没有找到关于
信标UART和SPI接口电压规格的信息。
这些接口工作在5V还是3V？
查看所提供的软件包后，我们发现dashapi
有些复杂，也没有找到关于输出IMU
数据的说明。
在当前应用中，我们使用的是C语言示例，因为它
足以满足我们的需求。不过，我们对IMU数据
还有一些疑问。直接从
信标获取RAW IMU数据时，更新率可达100Hz；而从
调制解调器获取同样的数据时，在我们的配置下更新率只有6Hz。
是一种较复杂的架构，需要单独的调制解调器和专用
软件来接收100Hz的高速IMU数据，但这是可行的，并且已经可以提供。
能否请
您确认，这些数值是6Hz的RAW IMU数据，还是
6Hz间隔内的累积值？
弄清这一
区别很有帮助，因为这决定了是否有必要直接
从信标累积RAW IMU数据。
或者，经过处理的IMU数据正是为解决这种
更新率差异而设计的？
为了确定船艇的方向和角度，我们在船上通过无线电配对了两个
移动信标。
关于用于角度
计算的IMU融合，能否介绍一下具体流程？在上述更新率下，
通过无线电配对是否足够，还是
UART更适合IMU融合？完成配对并
启用中心位置后，更新的IMU数据是
计算出的融合IMU数据，还是两个传感器各自的输出？