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Umgebungskartenschätzung aus Sidescan-Sonardaten für ein autonomes Unterwasserfahrzeug

Dissertation

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Autor:

Philipp Woock

Quelle:

Dissertation, KIT Scientific Publishing, Karlsruhe, Dezember 2016.

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, og 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 sog. BeamMRF-Faktoren mit den zugehörigen Nachrichten definiert werden.