Fraunhofer-Gesellschaft

Publica

Hier finden Sie wissenschaftliche Publikationen aus den Fraunhofer-Instituten.

Umgebungskartenschätzung aus Sidescan-Sonardaten für ein autonomes Unterwasserfahrzeug

 
: Woock, Philipp
: Beyerer, Jürgen

:
Volltext urn:nbn:de:0011-n-4260789 (23 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: c4df0e16271c4d6635f78fe61e3edb28
(CC) by-sa
Erstellt am: 15.12.2016


Karlsruhe: KIT Scientific Publishing, 2016, XXV, 331 S.
Zugl.: Karlsruhe, Inst. für Technologie (KIT), Diss., 2015
Karlsruher Schriften zur Anthropomatik, 26
ISBN: 978-3-7315-0541-9
Deutsch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer IOSB ()
AUV

Abstract
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Erzeugung von Höhenkarten des Meeresbodens aus Sonardaten eines bildgebenden Sonars am Beispiel eines Sidescan-Sonars in der Tiefsee. Diese bathymetrische Information lässt sich aus den Sonardaten nur indirekt gewinnen, da nur Schallintensitäten über der Zeit gemessen werden und keine Abstandsinformation. Daten eines bildgebenden Sonars erlauben einem geübten menschlichen Operator mit bloßem Auge Aussagen über die Gestalt des Meeresbodens zu machen. Dieser Vorgang soll zukünftig automatisiert ohne menschliche Interaktion von statten gehen. Die entstehenden Höhenkarten sollen letztlich dazu dienen, die Genauigkeit der Navigation eines autonomen Unterwasserfahrzeugs durch Wiedererkennung von Orten zu erhöhen. Die Arbeit leistet mehrere Teilbeiträge zur Sidescan-Sonardatenverarbeitung. Ein Beitrag der Arbeit besteht aus der Schaffung einer Simulationsumgebung für Sidescan-Sonardaten, die in der Lage ist, verschiedene Terraintypen zu modellieren, die dreidimensionale Abstrahlcharakteristik eines Sonarsensors zu berücksichtigen und verschiedene Sonaraufnahmemodi zu simulieren. Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, dass die Simulationsumgebung die Sonaraufnahme für voll dreidimensionale Szenen modellieren kann und nicht nur Höhenkarten berücksichtigt. Für die Schätzung der Höhenkarten aus Sidescan-Sonardaten liefert die Arbeit drei Beiträge: Ein bestehendes Schätzverfahren für Daten einer Geradeausfahrt wurde für die Auswertung der Daten aus Kurvenfahrten ertüchtigt. Die kritische Berechnung der Oberflächengradienten erfolgt dafür auf einer Punktwolkenrepräsentation, die an die extrem ungleich verteilte Sampledichte in der Bodenebene angepasst ist. Den Hauptteil der Arbeit bildet ein neues Schätzverfahren, das Sonarmessungen aus vorberechneten Sonarantworten von Basiselementen, sog. Kerneln, zusammensetzt. Durch die Entsprechungen der Kernel im Ortsbereich wird für jede Messung ein Höhenprofil gewonnen. Diesen kernelbasierten Einzellinien-Höhenprofilen wird gemäß der Strahlaufweitung des Sonars eine Unsicherheit in Fahrtrichtung zugeordnet. Dann werden die so erweiterten Kernel entsprechend der Fahrzeugeigenbewegung in eine globale Karte eingetragen und mit anderen Schätzungen aus anderen Messungen über ein Distanzmaß zu einer Gesamtkarte fusioniert. Der dritte Beitrag besteht aus der Übertragung eines aktuellen Verfahrens aus dem optischen inversen Raytracing auf die Sonardomäne. Das Verfahren sucht auf einem Voxelgitter eine Maximum-a-posteriori-Belegung mithilfe von Loopy Belief Propagation, die die Meeresbodenoberfläche konsistent zu den Messungen wiedergibt. Dazu musste der Nachrichtenaustausch auf dem zugrundeliegenden Faktorgraphen an die stark unterschiedliche Datenaufnahme beim Sonar im Vergleich zur optischen Aufnahme angepasst werden. Im Gegensatz zu den eindimensionalen RayMRF-Faktoren des optischen Verfahrens, mussten dafür zweidimensionale »BeamMRF«-Faktoren mit den zugehörigen Nachrichten definiert werden.

 

This work deals with the creation of elevation maps from data of an imaging sonar, in particular a sidescan sonar in the deep sea. The bathymetric information can be extracted from the data only indirectly as only echo intensity values over time are measured. Data of an imaging sonar allow a human operator to estimate the shape of the seafloor. In the course of ever increasing automation, this task needs to be done without human interaction. The resulting elevation maps of the surroundings may then be used to aid navigation of an autonomous underwater vehicle by recognition of already known places.
This work makes several contributions to sidescan sonar data processing. One contribution is in the area of sidescan sonar data simulation. The created simulator is capable of creating several different terrain shapes, supports a three-dimensional beam pattern of the sonar sensor and models various sonar recording modes. A highlight of the simulator is the ability to model full three-dimensional scenes and not just heightmaps. Regarding the estimation of elevation maps from sidescan sonar data, this work makes three contributions: An existing estimation method for data from straight trajectories is extended to curved trajectories. To achieve that, the critical computation of surface gradients is performed on a point cloud representation that has been adapted to cope with the extremely uneven distribution of samples in the ground plane. The main part of this work comprises a new estimation method that recreates a sonar measurement from pre-calculated sonar responses of basis elements called »kernels«. The shapes of the matching kernels correspond to a height profile for each measurement line. These kernel-based line profiles are extended to the other dimension by the amount of beam widening of the sonar. The resulting extended kernels are then placed in a global map using the corresponding vehicle pose. In that global map, they are fused with kernels from other measurements by evaluation of a distance measure. The third contribution is the application of a current method from optical inverse ray tracing to the sonar domain. The method uses a voxel grid and finds the bottom shape that maximizes the posterior probability by loopy belief propagation that best encodes the seafloor shape under consideration of the measurements. Due to the very different recording properties of an imaging sonar to a camera, the message passing for the associated factor graph had to be remodeled for the sonar domain. This involves the definition of two-dimensional »BeamMRF« factors opposed to the one-dimensional RayMRF factors of the optical method.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-426078.html