A Navigation System For Underwater Vehicles Integrating DVL [Αυτόματη αποθήκευση]

1

A Navigation System For Underwater Vehicles Integrating DVL and USBL Measurements

( Ένα σύστημα πλοήγησης για υποθαλάσσια οχήματα ενσωματώνοντας μετρήσεις από DVL και USBL συστήματα )

Αλεξανδρή Σ. , Πανάγου Δ. , Παπαντωνόπουλος Ν.

ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας 90 Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου, Σχολή Μηχανολόγων Μηχ., Ε.Μ.Π

2

Κύριοι Συμμετέχοντες … πλην του παρουσιάζοντος :

• Ματίνα Αλεξανδρή – Ινστ. Ωκεανογραφίας, ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. (Οργάνωση, Συμβουλευτική, Ταμιευτήρας Ηθικού)

• Δήμητρα Πανάγου – Εργ. Αυτομάτου Ελέγχου, Μηχαν/Μηχ, Ε.Μ.Π. ( Το ρομποτικό κορίτσι, Σχεδιασμός-Υλοποίηση GUI)

• Justin Eskesen – SeaGrant College Program, M.I.T. ( Άνοιξε τους ορίζοντες στη υλοποίηση εφαρμογών σε περιβάλλον ΜΟΟS )

• Λεωνίδας Μανουσάκης και οι γνωστοί άνοστοι της ομάδας υποβρύχιων δραστηριοτήτων του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. καθώς και το πλήρωμα του Ω/Κ Φιλία


3

Το ΠρόβλημαΗ εκτίμηση της θέσης ενός υποθαλάσσιου οχήματος, δηλαδή η γνώση του στίγματος (γεωγραφικό μήκος και πλάτος) κατά τη διάρκεια μιας επιχείρησης.

Αδυναμία υποθαλάσσιας λειτουργίας του συστήματος GPS .Απαραίτητη η χρήση ακουστικών οργάνων.

Η παρούσα κατάσταση στην περίπτωση του MaxRover του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. :Χρήση του συστήματος TrackPoint ΙΙ (ORE). Δυσκολίες λόγω ακουστικά πολύπλοκου υποθαλάσσιου περιβάλλοντος – μικρός αριθμός έγκυρων μετρήσεων.


4

Σύγχρονες Τεχνικές Πλοήγησης

LBL (Long Baseline) : Ακρίβεια εκατοστού, χρονοβόρα εγκατάσταση, απαιτήσεις σε λεπτομερή γνώση του προφίλ της ταχύτητας (χρήση τεχνικών ray tracing)

USBL υψηλής ακρίβειας, ευκολία εγκατάστασηςΚατάλληλο για μικρά πλοία επιφανείας.


5


Αδρανειακό σύστημα πλοήγησης : INS (Inertial Navigation System). Χρησιμοποιεί επιταχυνσιόμετρα και γυροσκόπιο για την καταγραφή της επιτάχυνσης και του προσανατολισμού ενός οχήματος.

Doppler Velocity Log (DVL) : Καταγράφει την ταχύτητα ενός οχήματος (φαινόμενο Doppler) και τον προσανατολισμό (ενσωματωμένο inclinometer και μαγνητο-επαγωγική πυξίδα))


6



Τα παραπάνω συστήματα μας παρέχουν δεδομένα για τη θέση του οχήματος είτε απευθείας (LBL, USBL) είτε μέσω του διανύσματος που διένυσε το όχημα μεταξύ δύο διαδοχικών σημείων-μετρήσεων. Το διάστημα υπολογίζεται είτε με ολοκλήρωση του διανύσματος της ταχύτητας (DVL) ή με δύο διαδοχικές ολοκληρώσεις της επιτάχυνσης και της ταχύτητας (INS).

Στην τελευταία περίπτωση επεισέρχονται αυξητικά, σφάλματα από την κάθε μέτρηση τα οποία οφείλονται σε: • κατασκευαστικές ατέλειες, εγγενή σφάλματα στις μετρήσεις των αισθητήρων• θόρυβο (ηλ/μαγνητικό, ακουστικό)• σφάλματα ευθυγράμμισης του οργάνου με τους άξονες του οχήματος• ελλιπής ποσοτική γνώση των φυσικών μεταβλητών του περιβάλλοντος που επιχειρεί το όχημα (προφίλ ταχύτητας του ήχου, επίδραση του βαρυτικού πεδίου της Γης)

Τα ανωτέρω σφάλματα αντιμετωπίζονται με συνδυαστική χρήση των παραπάνω διαθέσιμων τεχνολογιών εφαρμόζοντας κάποιας μορφής στοχαστική επεξεργασία.

7

Η Προσέγγιση / Προσπάθειά μας

Στόχος : Η ανάπτυξη ενός συστήματος εκτίμησης θέσης ενός υποθαλάσσιου οχήματος, κάνοντας χρήση του υπάρχοντος τεχνολογικού εξοπλισμού του ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. Το σύστημα θα πρέπει να υποβοηθά τον χειριστή του οχήματος προσφέροντας μια εύχρηστη διεπαφή.

Σημαντικές είναι και οι ερευνητικές απαιτήσεις, σύμφωνα με τις οποίες η εκτίμηση της θέσης θα πρέπει να είναι αρκετά ακριβής, καθώς επίσης και η επιθυμητή ευστάθεια του συστήματος το οποίο θα πρέπει να λειτουργεί βέλτιστα με όσο το δυνατόν μικρότερες πιθανότητεςκατάρρευσης κατά τη διάρκεια μιας αποστολής.

Επίσης, σημαντική παράμετρος αποτελεί και η μεταφερσιμότητα του συστήματος, ώστε με σχετικά περιορισμένες μετατροπές, αυτό να μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε άλλα οχήματα όπως το βαθυσκάφος Θετις ή ενδεχομένως σε υποθαλάσσια οχήματα που μπορεί να αποκτηθούν μελλοντικά από το ΕΛ.ΚΕ.ΘΕ.


8

Ο εξοπλισμός / αισθητήρες

Τρόπος : Multi Sensor Data Fusion Αισθητήρες/τεχνολογία που συμμετέχουν :

• Workhorse Navigator Doppler Velocity Log (DVL) – TELEDYNE RDI:1200kHz, καταγραφή του διανύσματος της ταχύτητας (φαινόμενο Doppler)Το όργανο διαθέτει ενσωματωμένη μαγνητο-επαγωγική πυξίδα και Inclinometer για τη καταγραφή της συμπεριφοράς και του προσανατολισμού του οχήματος (δεδομένα για τα μεγέθη Heading,Pitch,Roll) καθώς και αισθητήρα πίεσης για την καταγραφή του βάθους.

• TrackLink 1500HA, USBL – LinkQuest Inc.Ultra Short BaseLine σύστημα ακουστικού εντοπισμού με ενσωματωμένη λειτουργία ακουστικού modem. Παρέχει το στίγμα του οχήματος με γεωαναφορά.

• GPS / DGPS του σκάφους που συνοδεύει το όχημα

• Δεδομένα από την πυξίδα του σκάφους για τον προσανατολισμό ως προς τον βορρά (heading)


9ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας 90 Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου, Σχολή Μηχανολόγων Μηχ., Ε.Μ.Π

Το λογισμικό υπόβαθροMission Oriented Operating Suite

MOOS

Το σύνολο των αισθητήρων επικοινωνεί μέσω σειριακής θύρας με υπολογιστή στον οποίο έχει εγκατασταθεί το MOOS. Για κάθε αισθητήρα αναπτύχθηκε και μια εφαρμογή για τους σκοπούς της αμφίδρομης επικοινωνίας.

Dr. Paul Newman/ ΜΙΤ, Oxford

Σύνολο βιβλιοθηκών και εφαρμογών για διαχείριση αισθητήρων ,δυναμικό έλεγχος, πλοήγηση υψηλής ακρίβειας …

Ανοιχτό λογισμικό (σε C++)

Σημαντική κοινότητα χρηστών

Κάθε client-εφαρμογή επικοινωνεί με τη“βάση δεδομένων” MOOSDB

Οι εφαρμογές ανταλλάσουν πληροφορία μέσω της MOOSDB

10

Το λογισμικό υπόβαθροMission Oriented Operating Suite

MOOS


Με το MOOS στοχεύσαμε στην συνδυασμένη επεξεργασία των δεδομένων από τους διάφορους αισθητήρες μέσω ενός EKF (Extended Kalman Filter) το οποίο παρέχεται για σκοπούς πλοήγησης.Το φίλτρο συνθέτει στοχαστικά προβλέψεις προερχόμενες από ένα απλό μαθηματικό μοντέλο της κίνησης του οχήματος μαζί με μετρήσεις από τους αισθητήρες.

Ταυτόχρονα υλοποιήθηκε σε περιβάλλον Matlab ένα GUI με σκοπό την αναπαράσταση της πληροφορίας για τη θέση του οχήματος και του ερευνητικού σκάφους(έξοδος του MOOS) πάνω σε βαθυμετρικό χάρτη της περιοχής.

10 State EKF

Σύστημα τοπικών συντεταγμένων

11

Graphical User Interface


12

Δοκιμή στο Πεδίο

Τοποθεσία – Περιοχή Λιμένος Ηρακλείου Όχημα – Υποθαλάσσια πλατφόρμα (έλκυθρο)


Σκοπός – Έλεγχος επικοινωνιών αισθητήρων – MOOS – GUI (απουσία USBL)

13ΕΛ.ΚΕ.Θ.Ε. Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας 90 Πανελλήνιο Συμπόσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου, Σχολή Μηχανολόγων Μηχ., Ε.Μ.Π

Δοκιμή στο Πεδίο

Αποτελέσματα

Με κόκκινο η πορεία του φουσκωτού (GPS) Με πράσινο η πορεία της πλατφόρμας (DVL)

Όλες οι επικοινωνίες λειτούργησαν ικανοποιητικά.

Οι λειτουργίες του συστήματος μπορούν να δοκιμαστούν στο ROV MaxRover.

Το σύνολο της διαθέσιμης πληροφορίας μέσω της εφαρμογής UMS (MOOS)

14

Μελλοντικά Σχέδια

Το σύστημα σε ολοκληρωμένη μορφή δοκιμάστηκε στο MaxRover.Εμφανίστηκαν τεχνικά προβλήματα με την επικοινωνία του DVL τα οποία μας ταλαιπώρησαν αρκετά. Δεν κατέστη δυνατή η δοκιμή σε πραγματικές επιχειρησιακές συνθήκες.

Ευχόμαστε να υπάρξει και δεύτερη ευκαιρία!


15

ΕΦΧΑΡΙΣΤΟ


Documents

A Navigation System For Underwater Vehicles Integrating DVL [Αυτόματη αποθήκευση]