Pose Estimation of Aquaculture Crane Using IMUs

Abstract

Et av norges største eksport varer er laks, derfor er akvakultur sektoren en av de mest betydelige sektorene i landet. Det vil derfor være avgjørende å skape endringer innenfor dette området for å oppnå størst mulig suksess, noe som vil da gi økt konkurransefortrinn i forhold til andre bransjer i andre regioner av verden. I tillegg er det viktig å fortsette å investere i teknologi og strategier som vil påvise bransjens eksisterende problemer og utfordringer. En av de primære utfordringene er det dynamiske miljøet hvor arbeidet skal utføres. Skip som utfører deres oppgaver ute på havet vil være sterkt påvirket av vinden og havbevegelsen. Grunnet de overnevnte utfordringene er det avgjørende å stabilisere krandriften når arbeidet utføres i et offshoremiljø. Offshore krandrift er en kompleks oppgave som krever at operatøren må samtidig kontrollere posisjonen til lasten, forutsi fartøyets bevegelse og kompensere for lastens svai. Det har vært ulike forslag opp gjennom årene som har delvis løst problemer forårsaket av det dynamiske miljøet i havet. Systemer som heave compensation, anti-rolling tanks, bilge keels, active fins og mer, er implementert for å stabilisere hele fartøyet. Disse systemene har vist seg å være effektive og er godt testet i feltet. Ulempen er at de er relativt dyre og kan ikke lett ettermonteres på skipet. Derfor, må et annet alternativ bli tatt i bruk for å redusere kostnadene, og implementere løsninger som vil gjøre kranoperasjoner både enklere og sikrere.

Forskingen i denne rapporten baserte seg på utnyttelse av Inertial Measurement Unit (IMU). Funksjonaliteten til den relativt dyre industrielle IMU ble undersøkt for å gi innsikt i om denne sensoren er i stand til å gi pålitelige målinger som kunne bidra til å gjøre kranoperasjoner enten hel- eller halvautomatiserte. Påliteligheten til dataene, og sensorens generelle ytelse, ble testet i hypotetiske situasjoner. IMUene er kjent for å avvike på grunn av ulike feil som hvit støy og bias, som alle må minimeres mest mulig dersom IMU skal gi kvalitetsmålinger. I tillegg til feil, vil bevegelse av fartøyet og oppgavene som utføres på skipets dekk også ha stor innflytelse på ytelsen til IMU. Resultatene viser at IMU er i stand til å estimere roll and pitch vinklene av kranlenkene, hvis den er riktig plassert og er isolert fra ytre forstyrrelser som menneskeskapte vibrasjoner, elektromagnetiske felt, osv. IMU er ikke i stand til å gi direkte estimeringer av posisjonen, grunnet at ingen av IMUs sensorer gir pålitelige estimeringer av posisjonen til det ønskede objektet. Integrasjon av akselerometeret eller gyroskopmålinger vil føre til fullstendig falske posisjonsestimater på grunn av at begge avlesningene inneholder bias forskyvning som vil føre til at posisjonsestimater avviker over tid. Arbeidet utført i denne oppgave viser til at det dynamiske miljøet i havet vil skape mange forstyrrelser som har stor innvirkning på IMUen. Dette viser til at i tillegg til de underliggende IMU-svakhetene så vil ikke denne sensoren være i stand til levere resultatene som ønskes oppnådd.

Salmon is one of Norway’s most exported goods, therefore aquaculture sector is among the most significant in the country. As a result, creating changes in this area will be essential to obtain more success, which will then give enhanced competitive advantage over other industries in other regions of the world. It is essential to continue making investments in technologies and strategies that will address the industry’s existing issues and difficulties. One of the main challenges is the dynamic environment where the work is to be performed. Ships performing their tasks out in the open seas will be heavily influenced by the wind and the motion of the ocean. For the reasons mentioned above, it is crucial to stabilize crane operations when working in an offshore environment. Operating an offshore crane is a difficult task that requires the operator to simultaneously regulate the load’s position, anticipate vessel motion, and account for load sway. For many years, there have been various proposals that would partly solve problems caused by the dynamic environment of the ocean. Systems like heave compensation, anti-rolling tanks, bilge keels, active fins and more, have been implemented in order to stabilize the entire vessel. These systems are proven to be effective and are well tested in the field. The downside is that they are relatively expensive and are not easily retrofitted on to the ship. Therefore, another approach has to be taken in order to reduce the cost, and to implement solutions which will make crane operations both easier and safer.

The research done in this report was based on exploitation of the Inertial Measurement Unit (IMU). Capabilities of the relatively expensive industrial IMU were examined in order to give insight into whether this sensor is capable of providing reliable measurements which could help to make crane operations either fully or semi-automated. The reliability of the data, and the overall performance of the sensor, was tested in hypothetical situations. The IMUs are known to suffer from various errors like white noise and bias, all of which will have to be minimized as much as possible if the IMU is to provide quality measurements. In addition to errors, motion of the vessel and the tasks performed on the deck of the ship will also greatly influence performance of the IMU. The results show that the IMU is capable of estimating pitch and roll angles of the crane links, if it is positioned properly and is isolated from the outside disturbances like man made vibrations, electromagnetic fields, etc. Unfortunately, the IMU is not capable of providing direct estimations of the position, due to the fact that none of IMU’s sensors are capable of reliably estimating the position of the desired object, directly. Integration of the accelerometer or gyroscope readings will lead to a completely false position estimations due to the fact that both readings contain bias offset which will cause position estimations to drift over time. With this said, the work performed in this thesis shows that the dynamic environment of the ocean would create numerous disturbances that would have a great impact on the IMU. This fact, in conjunction with inherent IMU weaknesses, shows that IMU alone is not capable of delivering desired results.