Underwater slam for estructured environments using and imaging sonar

Abstract

Aquesta tesi tracta sobre el problema de la navegació per a vehicles submarins autònoms que operen en entorns artificials estructurats com ara ports, canals, plataformes marines i altres escenaris similars. A partir d'una estimació precisa de la posició en aquests entorns, les capacitats dels vehicles submarins s'incrementen notablement i s'obre una porta al seu funcionament autònom. El manteniment, inspecció i vigilància d'instal lacions marines són alguns exemples de possibles aplicacions. Les principals contribucions d'aquesta tesi consisteixen per una banda en el desenvolupament de diferents sistemes de localització per a aquelles situacions on es disposa d'un mapa previ de l'entorn i per l'altra en el desenvolupament d'una nova solució al problema de la Localització i Construcció Simultània de Mapes (SLAM en les seves sigles en anglès), la finalitat del qual és fer que un vehicle autònom creï un mapa de l'entorn desconegut que el rodeja i, al mateix temps, utilitzi aquest mapa per a determinar la seva pròpia posició. S'ha escollit un sonar d'imatges d'escaneig mecànic com a sensor principal per a aquest treball tant pel seu relatiu baix cost com per la seva capacitat per produir una representació detallada de l'entorn. Per altra banda, les particularitats de la seva operació i, especialment, la baixa freqúència a la que es produeixen les mesures, constitueixen els principals inconvenients que s'han hagut d'abordar en les estratègies de localització proposades. Les solucions adoptades per aquests problemes constitueixen una altra contribució d'aquesta tesi. El desenvolupament de vehicles autònoms i el seu ús com a plataformes experimentals és un altre aspecte important d'aquest treball. Experiments portats a terme tant en el laboratori com en escenaris reals d'aplicació han proporcionat les dades necessàries per a provar i avaluar els diferents sistemes de localització proposats.

This thesis is concerned with the navigation problem for autonomous underwater vehicles operating in artificial structured environments like harbours, marinas, marine platforms and other similar scenarios. Obtaining an accurate position in such scenarios would notably increase the capabilities of underwater vehicles and open the door to real autonomous operation. Maintenance, inspection and surveillance of marine installations are only a few examples of possible applications. The principal contributions of this thesis consist of the development of different localization systems for those situations in which an a priori map of the environment is available but, in particular, in the development of a novel solution to the Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) problem. This solution pursues the objective of providing an autonomous vehicle with the ability to build a map within an unknown environment while, at the same time, using this same map to keep track of its current position. A mechanical scanning imaging sonar has been chosen as the principal sensor for this work because of its relative low cost and its capacity to produce a rich representation of the environment. On the other hand, the particularities of its operation and, especially, its low scanning rate, have presented many challenges during the development of this proposed localization strategies. The solutions adopted to address these problems constitute another contribution in this thesis. The development of underwater vehicles and their use as experimental platforms is another important aspect of the research work presented here. Experiments carried out in both laboratory and real application environments have provided the different datasets necessary for the testing and evaluation of the different localization approaches.