Raspi$^2$USBL：基于树莓派的开源被动倒置超短基准定位系统用于水下机器人
机器人学
2025-11-11 v1
摘要
精确的水下定位始终是水下机器人研究中的根本性挑战,因为全球导航卫星系统 (GNSS) 的信号无法穿透海面。本文提出 RaspiUSBL,一种开源、基于树莓派的被动倒置超短基准 (piUSBL)定位系统,旨在为水下机器人研究提供低成本且易于获取的解决方案。该系统由被动声学接收器和主动信标组成。接收器采用模块化硬件架构,集成水声阵列、多通道前置放大器、烧箱控制晶体振荡器 (OCXO)、树莓派 5 以及 MCC 系列数据采集 (DAQ) 板。除 Pi 5、OCXO 和 MCC 板外,信标还包括阻抗匹配网络、功率放大器以及发射换能器。开源 C++ 软件框架提供高精度时钟同步和触发功能,用于实现单程传播时间 (OWTT) 消息,并进行实时信号处理,包括匹配滤波、阵列波束成形和自适应增益控制,以估计收到信号的飞行时间 (TOF) 和到达方向 (DOA)。在 anechoic tank、淡水湖和公开海域的实验验证表明,该 RaspiUSBL 系统的倾斜距离精度良好,方位精度在 以内,在运行距离可达 1.3 km 时性能稳定。这些结果确认,低成本、可复现的硬件能够提供具备研究级水下定位精度的系统。通过以开源方式发布硬件和软件,RaspiUSBL 提供了一个统一的参考平台,降低了水下机器人实验室的进入门槛,促进了可重复性,并推动了水下声学导航和群体机器人技术的协作创新。
引用
@article{arxiv.2511.06998,
title = {Raspi$^2$USBL: An open-source Raspberry Pi-Based Passive Inverted Ultra-Short Baseline Positioning System for Underwater Robotics},
author = {Jin Huang and Yingqiang Wang and Ying Chen},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.06998},
year = {2025}
}