Cooperation between two underwater vehicles for ship hull inspection using implicit communications and optical feedback

Abstract

Η διπλωματική αυτή αναφέρεται στη συνεργασία δύο υποβρύχιων ρομποτικών οχημάτων με διαφορετικές κινηματικές δυνατότητες για την επόπτευση μιας πλατιάς επιφάνειας, όπως για παράδειγμα των υφάλων ενός πλοίου. Τα οχήματα δεν επικοινωνούν άμεσα μεταξύ τους. Αντίθετα χρησιμοποιούν μια στρατηγική έμμεσης επικοινωνίας, η οποία βασίζεται σε μια διάταξη υποβρυχίων lasers. Συγκεκριμένα, τα οχήματα ανταλλάσσουν πληροφορίες χωροθεσίας. Αυτές οι πληροφορίες συνδέονται με τη σχετική πόζα (pose, θέση και προσανατολισμό) μεταξύ τους και την πόζα τους σε σχέση με την υπό επόπτευση επιφάνεια. Στα πλαίσια της διπλωματικής αυτής σχεδιάστηκε μια ειδική διαδικασία σχετικής χωροθεσίας. Αυτή η διαδικασία ορίζει το setup των lasers που θα πρέπει να τοποθετηθούν σε κάθε όχημα. Τα lasers κάθε οχήματος προβάλλουν τις ακτίνες τους πάνω στην επιφάνεια και δημιουργούν ευδιάκριτες κουκκίδες που είναι ορατές από τον οπτικό σένσορα (camera) του άλλου υποβρυχίου. Ένας ειδικός αλγοριθμος τεχνητής όρασης σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε για τον εντοπισμό των κουκκίδων αυτών στο επίπεδο της εικόνας της κάμερας. Τα οχήματα χρησιμοποιούν αυτή τη διαδικασία χωροθεσίας προκειμένου να πλοηγηθούν σε σχέση με τα ίδια και σε σχέση με την επιφάνεια. Τα οχήματα συνεργάζονται χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση Αρχηγού - Ακόλουθου (Leader - Follower approach). Ένα από τα οχήματα είναι μη-ολονομικό σε σχέση με την επίπεδη κινησή του. Αυτό το όχημα είναι ο Αρχηγός του σχηματισμού. Κινείται ανεξάρτητα από το άλλο όχημα και ακολουθεί μια προδιαγεγραμμένη διαδρομή που μοιάζει με μέανδρο και ορίζεται από σημεία διέλευσης. Το όχημα πρέπει πάντα να παρατηρεί την υπό επόπτευση επιφάνεια παρά τους μη-ολονομικούς περιορισμούς του. Για αυτό το σκοπό, σχεδιάστηκε ένας εξειδικευμένος ελεγκτής κίνησης ο οποίος αντιμετωπίζει το εν λόγω πρόβλημα. Από την άλλη, οι κουκκίδες των lasers που προβάλλονται από τον Αρχηγό δεν πρέπει ποτέ να φύγουν από το οπτικό πεδίο του Ακόλουθου διότι αλλιώς η διαδικασία χωροθεσίας δεν θα μπορέσει να δώσει αποτελέσματα. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι πληροφορίες χωροθεσίας εξαρτώνται απευθείας από τη θέση αυτών των κουκκίδων στο επίπεδο της εικόνας του Ακόλουθου. Επομένως, σχεδιάστηκε ένας ελεγκτής κίνησης για τον Ακόλουθο, ο οποίος συνδυάζει έννοιες και από τον οπτικό έλεγχο που βασίζεται στη θέση (position-based visual servoing) αλλά και από αυτόν που βασίζεται στην εικόνα (image-based visual servoing). Ο ελεγκτής αυτός εξασφαλίζει ότι οι κουκκίδες των lasers του Αρχηγού δεν θα εγκαταλείψουν ποτέ το επίπεδο της εικόνας του Ακόλουθου, ενώ ταυτόχρονα το όχημα θα μπορεί να κινείται σε συγκεκριμένη απόσταση σε σχέση με τον Αρχηγό. Η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας χωροθεσίας και των ελεγκτών κίνησης των οχημάτων ελέγχθηκε μέσω προσομοίωσης. Η αποτελεσματικότητα τους ελέγχθηκε και μέσα από μια πειραματική διαδικασία, εκτός από την περίπτωση του ελεγκτή του Ακόλουθου όπου σχεδιάστηκε η διαδικασία και ολοκληρώθηκε το setup, αλλά το πείραμα δεν έχει πραγματοποιηθεί ακόμη.

This thesis concerns the cooperation of two underwater vehicles with different kinematic capabilities for the inspection of a flat surface, e.g. a ship hull. The vehicles do not communicate explicitly with each other. Instead they use an implicit communications strategy which is based on a configuration of underwater laser pointers. In particular, the vehicles exchange localization information. This information is related to their relative pose (position and orientation) with respect to each other and to their pose with respect to the inspected surface. A specific relative localization procedure is designed. This procedure defines the setup of laser pointers that must be equipped on each vehicle. The laser pointers of each vehicle project their beams onto the surface and produce distinct laser dots that are visible from the camera sensor of the other vehicle. A dedicated computer vision algorithm is designed and implemented for the detection of these laser dots on the image frame of the camera. The vehicles use this localization procedure in order to navigate themselves relative to each other and relative to the surface. The vehicles cooperate using a Leader - Follower approach. One vehicle is nonholonomic with respect to its planar motion. This vehicle is the Leader of the formation. It moves independently from the other vehicle and follows a prescribed meander-like trajectory which is defined by waypoints. It must always face the inspected surface despite its nonholonomic constraints. To this end, a dedicated motion controller is designed that addresses this issue. On the other hand, the laser dots projected by the Leader must never leave the Follower image plane because otherwise the localization procedure will fail to produce any results. This is due to the fact that the localization information depends directly on the position of these dots inside the Follower image frame. Thus, a motion controller for the Follower is designed that combines notions from both position-based and image-based visual servoing. This controller guarantees that the Leader laser dots will never leave the Follower image plane, while at the same time the vehicle will be able to move at a specific distance offset with respect to the Leader. The efficacy of the localization procedure and the motion controllers is tested through simulation. It is also tested through an experimental procedure, except for the case of the Follower motion controller where the procedure is designed and the setup is complete, but the actual experiment is not performed yet.