Application of visual servoing to the dynamic positioning of an underwater vehicle
Résumé
Conventional underwater sensors are not well suited to the task of aiding unmanned underwater vehicles to hover. These sensors suffer from several drawbacks such as low sampling rates, low resolution, complexity of operations, drift and cost. Underwater
video cameras, however, can provide local measurements of position with respect to a local object. Underwater vision presents several challenges: it suffers from a limited range and poor visibility conditions. Besides, recovering motion from
images requires high computing power, which is a limited resource on-board most underwater vehicles.
The main objective of this thesis was therefore to investigate visual control methods to dynamically position a typical underwater vehicle with respect to a fixed object. These methods also had to have computing power's needs compatible with off-the-shelf embedded computers that can be operated on real vehicles.
A hybrid visual servoing technique, adaptated from the 2 1/2 D visual servoing scheme, was proposed. Its performance was assessed in simulations using a six degrees-of-freedom nonlinear dynamic model of an Remotely Operated Vehicle. The effects of sea current disturbances, the target's orientation, and noise under sparse feature tracking conditions was studied. The proposed method proved stable and took into account the restrictive controllability of the vehicle.
A 2-D visual servoing scheme which employed the Shi-Tomasi-Kanade sparse feature tracker on unmarked planar targets in a water tank was then proposed. The scheme controlled a planar Cartesian robot which emulated the dynamic behaviour of the surge and sway degrees-of-freedom of a typical underwater vehicle. The effect of
sea current disturbances on the stability and performance of the control scheme was also studied.
An underwater experimental evaluation of the Shi-Tomasi-Kanade feature tracker under various conditions of lighting and relative speed between the underwater scene and the camera was also performed.
video cameras, however, can provide local measurements of position with respect to a local object. Underwater vision presents several challenges: it suffers from a limited range and poor visibility conditions. Besides, recovering motion from
images requires high computing power, which is a limited resource on-board most underwater vehicles.
The main objective of this thesis was therefore to investigate visual control methods to dynamically position a typical underwater vehicle with respect to a fixed object. These methods also had to have computing power's needs compatible with off-the-shelf embedded computers that can be operated on real vehicles.
A hybrid visual servoing technique, adaptated from the 2 1/2 D visual servoing scheme, was proposed. Its performance was assessed in simulations using a six degrees-of-freedom nonlinear dynamic model of an Remotely Operated Vehicle. The effects of sea current disturbances, the target's orientation, and noise under sparse feature tracking conditions was studied. The proposed method proved stable and took into account the restrictive controllability of the vehicle.
A 2-D visual servoing scheme which employed the Shi-Tomasi-Kanade sparse feature tracker on unmarked planar targets in a water tank was then proposed. The scheme controlled a planar Cartesian robot which emulated the dynamic behaviour of the surge and sway degrees-of-freedom of a typical underwater vehicle. The effect of
sea current disturbances on the stability and performance of the control scheme was also studied.
An underwater experimental evaluation of the Shi-Tomasi-Kanade feature tracker under various conditions of lighting and relative speed between the underwater scene and the camera was also performed.
Les capteurs généralement utilisés pour le contrôle commande de véhicules (ou robots mobiles) sous-marins sont mal adaptés à la réalisation de tâches de type « point fixe », lorsque le robot doit rester stationnaire vis-à-vis d'une cible. Ces capteurs conventionnels présentent plusieurs limitations comme par exemple, une faible fréquence d'échantillonnage, une basse résolution, une dérive de la mesure, une utilisation malaisée ou encore un coût élevé. Les caméras vidéo sous-marines, en revanche, fournissent des mesures de position locales et relatives à l'environnement d'un robot sous-marin mobile. La vision sous-marine impose deux contraintes principales : la portée visuelle est limitée et les conditions de visibilité en mer sont médiocres. En outre, l'estimation du mouvement par traitement d'image nécessite une puissance de calcul importante incompatible avec les ressources embarquées sur la plupart des robots sous-marins mobiles.
L‘objectif principal de cette thèse était donc d'étudier des méthodes d'asservissement visuel pour réaliser le positionnement dynamique d'un véhicule sous-marin typique par rapport à un objet immobile (ou cible). Les méthodes envisagées devaient être compatibles, en terme de puissance de calcul, avec les capacités des ordinateurs embarqués standards intégrables à des véhicules sous-marins opérationnels.
Une technique d'asservissement visuel hybride, dérivée de la méthode d'asservissement visuel 2 D ½ a été proposée. Ces performances ont été évaluées en simulation en utilisant un modèle dynamique, non linéaire, à 6 degrés de liberté, d'un robot sous-marin téléopéré . En particulier, les effets des perturbations de courant, l'impact de l'orientation de la cible sur la stabilité de l'asservissement , et celui du bruit appliqué au module de poursuite de points d'intérêt, ont été analysés et quantifiés. La méthode proposée s'est avérée stable dans les conditions d'opération usuelles d'un robot sous-marin. Elle a permis aussi de prendre en compte la contrôlabilité restreinte du robot (4 degrés de liberté seulement sont contrôlables).
Une méthode d'asservissement visuel de type 2-D qui utilise le tracker de points de Shi,Tomasi et Kanade a été étudié sur des cibles non marquées placées au fond d'un bassin d'essai. Cette méthode avait pour but d'asservir un robot cartésien planaire de type portique qui simulait le comportement dynamique de deux degrés de liberté (avance et cavalement) d'un robot sous-marin mobile typique. L'impact de courants marins sur la stabilité et la performance du schéma d'asservissement a aussi été étudié.
Enfin, l'évaluation expérimentale du tracker de points de Shi, Tomasi et Kanade dans diverses conditions d'éclairage et de mouvement relatif de la caméra sous-marine par rapport à la scène, a été réalisée dans le bassin d'essai.
L‘objectif principal de cette thèse était donc d'étudier des méthodes d'asservissement visuel pour réaliser le positionnement dynamique d'un véhicule sous-marin typique par rapport à un objet immobile (ou cible). Les méthodes envisagées devaient être compatibles, en terme de puissance de calcul, avec les capacités des ordinateurs embarqués standards intégrables à des véhicules sous-marins opérationnels.
Une technique d'asservissement visuel hybride, dérivée de la méthode d'asservissement visuel 2 D ½ a été proposée. Ces performances ont été évaluées en simulation en utilisant un modèle dynamique, non linéaire, à 6 degrés de liberté, d'un robot sous-marin téléopéré . En particulier, les effets des perturbations de courant, l'impact de l'orientation de la cible sur la stabilité de l'asservissement , et celui du bruit appliqué au module de poursuite de points d'intérêt, ont été analysés et quantifiés. La méthode proposée s'est avérée stable dans les conditions d'opération usuelles d'un robot sous-marin. Elle a permis aussi de prendre en compte la contrôlabilité restreinte du robot (4 degrés de liberté seulement sont contrôlables).
Une méthode d'asservissement visuel de type 2-D qui utilise le tracker de points de Shi,Tomasi et Kanade a été étudié sur des cibles non marquées placées au fond d'un bassin d'essai. Cette méthode avait pour but d'asservir un robot cartésien planaire de type portique qui simulait le comportement dynamique de deux degrés de liberté (avance et cavalement) d'un robot sous-marin mobile typique. L'impact de courants marins sur la stabilité et la performance du schéma d'asservissement a aussi été étudié.
Enfin, l'évaluation expérimentale du tracker de points de Shi, Tomasi et Kanade dans diverses conditions d'éclairage et de mouvement relatif de la caméra sous-marine par rapport à la scène, a été réalisée dans le bassin d'essai.
Loading...