Altitude Control System for Acquiring Optimal Underwater Hyperspectral Imagery Data using an Unmanned Underwater Vehicle

Abstract

Utviklingen av autonome undervannsrobot-systemer for effektiv havkartlegging utgjør en betydelig utfordring. Disse systemene må være i stand til å navigere og manøvrere i et miljø som er mørkt, dystert, og ofte fiendtlig, med varierende vannforhold og et terreng som kan være vanskelig å bevege seg gjennom. Likevel kan teknologiske fremskritt, som utviklingen av Undervannsslange-roboter, gi muligheter til å utforske og kartlegge dypere områder av havet enn noen gang før.

Denne avhandlingen presenterer utviklingen av et høyde-kontrollsystem, som kan brukes av enhver undervannsrobot. Systemet bruker et stereokamera og en Doppler hastighetslogg til å estimere høyden, slik at det kan opprettholde en ønsket høyde i forhold til havbunnen. Hovedmålet med systemet er å plassere et hyperspektralt kamera, som er festet til robotens hovedramme, på en hensiktsmessig måte for å innhente høykvalitetsdata av havbunnsmaterialer. Systemet ble simulert ved hjelp av Plankton Simulator, et åpen kildeverktøy som bruker Gazebo Simulator og UUV Simulator-plug-in for å gjenskape et realistisk undervannsmiljø for testing. Simuleringen ble bygget ved hjelp av Robot Operating System 2 (ROS2) rammeverk.

Systemet ble testet i to serier med simuleringer, først med en tradisjonell ROV, og deretter med en Undervanns Slangerobot (USR). Den første simuleringen involverte en valgt seksjon av et fjell med varierende hellinger, mens den andre simuleringen ble brukt som sammenligningsgrunnlag. Begge robotene hadde manuell bevegelse kontrollert av en operatør, mens høyden ble regulert av det automatiske systemet. Mellom de to simuleringene ble kontrolleren og observatøren forbedret, og simuleringene ble kjørt igjen.

En av de største utfordringene under utviklingen av systemet var den forlengede kroppen til USR, som gjorde det vanskelig å opprettholde en høyde uten at systemet begynte å oscillere. For å løse dette problemet ble en kontrollalgoritme implementert for å redusere svingningene og forbedre USR'ens stabilitet. En annen utfordring under utviklingen var å opprettholde en konstant høyde med hyperspektralkameraet mens man traverserte den ujevne havbunnen. For å håndtere dette, ble en Doppler hastighetslogg lagt til for å estimere høyden i forhold til havbunnen.

Det nåværende høydekontrollsystemet, selv om det kun er testet i simuleringer, har muligheten til å bli en fungerende skisse på hvordan roboten kan følge havbunnen. Det er et lovende utgangspunkt for videre utvikling, og kan tjene som et mellomledd for havkartlegging og oppdagelse ved hjelp av USR utstyrt med et hyperspektralkamera.

Developing autonomous underwater robot systems that can effectively map the deep sea is a significant challenge. These systems must be able to navigate and maneuver in an environment that is dark, murky, and often hostile, with varying water conditions and terrain that can be difficult to traverse. Despite these challenges, advances in technology, such as the development of Underwater Snake Robots, may open up the possibility to explore and map deeper regions of the ocean than ever before.

This thesis presents the development of an altitude control system, which can be applied to any underwater robot system. The system utilizes a stereo depth camera and a Doppler velocity log to estimate altitude, enabling to maintain a desired altitude relative to the seafloor. The main goal of this system is to favorably position a hyperspectral camera, which is attached to the mainframe of the robot, to capture high-quality data of substances on the seafloor. The system was simulated using the Plankton Simulator, an open-source tool that uses the Gazebo Simulator and the UUV Simulator plugin to recreate a realistic underwater environment for testing. The simulation was built using the Robot Operating System 2 (ROS2) framework.

The system was tested in two sets of simulation cases, first with a traditional ROV and then with a Underwater Snake Robot (USR). The first simulation case involved a chosen mountain section with varying inclines, and the second case was used to create a baseline for comparison. Both robots had their movement in surge manually input by an operator, while the position in altitude was controlled by the automatic system. Between the two sets of cases, improvements were made to the controller and observer, and the simulations were run again.

One of the main challenges faced during the development of the system was the elongated body of the USR, which made it difficult to maintain a stable altitude and resulted in increased oscillations when performing rough contouring. To address this issue, a control algorithm was implemented to minimize these oscillations and improve the stability of the USR. Another issue that arose during development was the difficulty of maintaining a constant altitude with the hyperspectral camera while traversing the irregular seafloor. To address this, a doppler velocity log was used to estimate altitude and maintain a desired altitude relative to the seafloor.

While the current altitude control system is limited to a simulated environment, it has the potential to be a viable prototype for handling course contouring of the seafloor. It serves as a promising baseline for future development in this area and can be used as a stepping stone for ocean mapping and exploration using an USR with a hyperspectral camera.