Τηλεχειρισμός με οπτική ανατροφοδότηση υποβρυχίων ρομποτικών οχημάτων

Abstract

The purpose of this thesis, is the study and implementation of a platform for the semi-autonomous control of underwater robotic vehicles using visual feedback. The key motivation for the implementation of this platform, is its use in underwater inspection tasks (i.e ship hull inspection). Initially, a methodology for the calculation of the vehicle pose vector with respect to a visual target is proposed. This methodology is based on the use of a single camera (robot onboard camera) and a pair of underwater laser pointers. Then, a methodology for the concurrent state and parameter estimation of the vehicle is proposed, by fusing data from optical and inertial sensors using stochastic estimation filters. Also, a motion planning technique for keeping the target inside the camera field of view, as well as, preventing the vehicle to collide with the surface where the target is located is proposed. Moreover, a semi-autonomous visual servo control scheme is designed for the tele-operation of an under-actuated underwater vehicle, around a visual target. This scheme, is also responsible for keeping the target always inside the camera field of view. Finally, a computer vision mosaicking algorithm is implemented. Its purpose, is the real-time integration of any new optical information during the inspection procedure, as well as, the minimization of the target oscillation inside the camera field of view.

Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής, είναι η μελέτη και υλοποίηση υπολο-γιστικής πλατϕόρμας για τον ημι-αυτόνομο έλεγχο υποβρυχίων ϱομποτικών οχημάτωνμε χρήση οπτικής ανατροϕοδότησης. Βασικό κίνητρο για την δημιουργία τηςπλατϕόρμας αυτής, αποτελεί η χρήση της σε εϕαρμογές επιθεώρησης υποθαλάσσιωνεγκαταστάσεων (π.χ ύϕαλα πλοίων). Αρχικά, προτείνεται μεθοδολογία για τονπροσδιορισμό του διανύσματος ϑέσης και προσανατολισμού του οχήματος ως προςένα στόχο που ϐρίσκεται στο οπτικό πεδίο της κάμερας. Η μεθοδολογία στηρίζεταιαποκλειστικά σε χρήση μίας κάμερας και zεύγους Laser Pointers . Στη συνέχεια,προτείνεται μεθοδολογία για την ταυτόχρονη εκτίμηση του διανύσματος κατάστασηςκαι των παραμέτρων που περιγράϕουν το δυναμικό μοντέλο του οχήματος. Ημεθοδολογία στηρίζεται στη σύνθεση δεδομένων που προέρχονται από οπτικούς καιαδρανειακούς αισθητήρες, μέσω στοχαστικών φίλτρων εκτίμησης. Ακόμη, προτείνεταιτεχνική σχεδιασμού τροχιάς του οχήματος, η οποία διασϕαλίζει την συνεχή διατήρησητου στόχου στο οπτικό πεδίο της κάμερας. Ταυτόχρονα, η μεθοδολογία εγγυάταιπως το όχημα δεν ϑα συγκρουστεί με την επιϕάνεια στην οποία είναι τοποθετημένοςο στόχος. Επίσης, σχεδιάζεται ημι-αυτόνομο σχήμα ελέγχου κλειστού ϐρόχου μεχρήση οπτικής ανατροϕοδότησης, το οποίο προσϕέρει την δυνατότητα στον χειριστήνα πλοηγεί με ευκολία ένα υπο-επενεργούμενο υποβρύχιο ϱομποτικό όχημα γύρωαπό ένα στόχο, διασϕαλίζοντας την συνεχή διατήρησή του στο οπτικό πεδίο τηςκάμερας. Τέλος, υλοποιείται αλγόριθμος Τεχνητής ΄Ορασης για την δημιουργίαοπτικού μωσαϊκού σε πραγματικό χρόνο. Με τον τρόπο αυτό, επιτυγχάνεται ηενσωμάτωση κάθε νέας οπτικής πληροϕορίας που προκύπτει κατά την εξέλιξη τηςεπιθεώρησης, ενώ παράλληλα περιορίζεται σημαντικά η ταλάντωση του στόχου στοπεδίο της εικόνας.