Low-cost Multi-agent Fleet for Acoustic Cooperative Localization Research

📄 arXiv: 2511.08822v1 📥 PDF

作者: Nelson Durrant, Braden Meyers, Matthew McMurray, Clayton Smith, Brighton Anderson, Tristan Hodgins, Kalliyan Velasco, Joshua G. Mangelson

分类: cs.RO, cs.MA

发布日期: 2025-11-11

💡 一句话要点

提出低成本可配置水下机器人集群CoUGARs，用于水声协同定位研究

🎯 匹配领域: 支柱三：空间感知 (Perception & SLAM)

关键词: 水下机器人 自主导航 协同定位 多智能体系统 低成本平台

📋 核心要点

  1. 水下多智能体自主系统的实际测试面临巨大的资金和工程挑战，现有方案成本高昂且定制性差。
  2. CoUGARs平台采用低成本的市售和3D打印部件，实现了快速配置和传感器集成，降低了研究门槛。
  3. 该系统集成了DVL、USBL等传感器，并开发了状态估计、导航和声学通信软件，通过仿真和实地测试验证了其有效性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种低成本、可配置的自主水下机器人(AUV)平台，名为可配置水下自主机器人集群(CoUGARs)，用于多智能体自主研究。截至2025年5月，基本设计成本低于3000美元，基于市售和3D打印部件，可快速定制各种传感器有效载荷和配置。目前扩展模型配备了多普勒计程仪(DVL)和超短基线(USBL)声学阵列/换能器，以支持基于声学的协同定位研究。状态估计、导航和声学通信软件已开发并部署，使用容器化软件栈，并与HoloOcean模拟器紧密集成。该系统已在犹他州的湖泊和水库中进行了仿真和现场试验。

🔬 方法详解

问题定义：水下多智能体协同定位研究需要大量的实验验证，但现有AUV平台成本高昂，限制了研究的规模和范围。此外，现有平台通常定制性差，难以快速集成新的传感器和算法。因此，需要一种低成本、可配置的AUV平台来支持水下多智能体协同定位研究。

核心思路：本文的核心思路是利用低成本的市售部件和3D打印技术，构建一种可快速配置和定制的AUV平台。通过模块化设计，可以方便地集成各种传感器和执行器，满足不同研究需求。同时，采用容器化软件栈，简化了软件的部署和维护。

技术框架：CoUGARs平台的整体架构包括硬件平台和软件平台两部分。硬件平台主要由推进系统、控制系统、传感器系统和电源系统组成。软件平台包括状态估计、导航、声学通信和任务管理等模块。各模块之间通过ROS进行通信。该系统还与HoloOcean模拟器集成，方便进行仿真测试。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了一个低成本、可配置的水下机器人平台，显著降低了水下多智能体研究的门槛。通过采用市售和3D打印部件，以及模块化设计，实现了快速配置和定制。此外，该平台还集成了先进的传感器和软件系统，支持多种协同定位算法的研究。

关键设计：CoUGARs平台采用模块化设计，方便集成不同的传感器和执行器。推进系统采用多个推进器，实现全向运动。控制系统采用Pixhawk飞控，实现自主导航和姿态控制。传感器系统包括DVL、USBL、IMU等，用于状态估计和定位。软件系统采用ROS框架，方便模块化开发和集成。容器化软件栈简化了软件的部署和维护。

📊 实验亮点

CoUGARs平台的基本设计成本低于3000美元，显著低于现有商业AUV平台。通过仿真和实地测试，验证了该平台在水下环境中的自主导航和协同定位能力。该平台集成了DVL和USBL等传感器，可以实现厘米级的定位精度。此外，该平台还与HoloOcean模拟器集成，方便进行仿真测试和算法验证。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于水下环境监测、水下资源勘探、水下基础设施维护、水下搜救等领域。低成本的AUV平台可以降低水下作业的成本和风险，提高作业效率。此外，该平台还可以作为水下机器人教育和科研的平台，促进相关技术的发展。

📄 摘要（原文）

Real-world underwater testing for multi-agent autonomy presents substantial financial and engineering challenges. In this work, we introduce the Configurable Underwater Group of Autonomous Robots (CoUGARs) as a low-cost, configurable autonomous-underwater-vehicle (AUV) platform for multi-agent autonomy research. The base design costs less than $3,000 USD (as of May 2025) and is based on commercially-available and 3D-printed parts, enabling quick customization for various sensor payloads and configurations. Our current expanded model is equipped with a doppler velocity log (DVL) and ultra-short-baseline (USBL) acoustic array/transducer to support research on acoustic-based cooperative localization. State estimation, navigation, and acoustic communications software has been developed and deployed using a containerized software stack and is tightly integrated with the HoloOcean simulator. The system was tested both in simulation and via in-situ field trials in Utah lakes and reservoirs.