Designing a Computer Vision System for Underwater Robotic Interventions

This thesis deals with the challenging problem of designing systems able to perceive objects in underwater environments. In the last few decades research activities in robotics have advanced the state of art regarding intervention capabilities of autonomous systems. State of art in fields such as localization and navigation, real time perception and cognition, safe action and manipulation capabilities, applied to ground environments (both indoor and outdoor) has now reached such a readiness level that it allows high level autonomous operations. On the opposite side, the underwater environment remains a very difficult one for autonomous robots. Water influences the mechanical and electrical design of systems, interferes with sensors by limiting their capabilities, heavily impacts on data transmissions, and generally requires systems with low power consumption in order to enable reasonable mission duration. Interest in underwater applications is driven by needs of exploring and intervening in environments in which human capabilities are very limited. Nowadays, most underwater field operations are carried out by manned or remotely operated vehicles, deployed for explorations and limited intervention missions. Manned vehicles, directly on-board controlled, expose human operators to risks related to the stay in field of the mission, within a hostile environment. Remotely Operated Vehicles (ROV) currently represent the most advanced technology for underwater intervention services available on the market. These vehicles can be remotely operated for long time but they need support from an oceanographic vessel with multiple teams of highly specialized pilots. Vehicles equipped with multiple state-of-art sensors and capable to autonomously plan missions have been deployed in the last ten years and exploited as observers for underwater fauna, seabed, ship wrecks, and so on. On the other hand, underwater operations like object recovery and equipment maintenance are still challenging tasks to be conducted without human supervision since they require object perception and localization with much higher accuracy and robustness, to a degree seldom available in Autonomous Underwater Vehicles (AUV). This thesis reports the study, from design to deployment and evaluation, of a general purpose and configurable platform dedicated to stereo-vision perception in underwater environments. Several aspects related to the peculiar environment characteristics have been taken into account during all stages of system design and evaluation: depth of operation and light conditions, together with water turbidity and external weather, heavily impact on perception capabilities. The vision platform proposed in this work is a modular system comprising off-the-shelf components for both the imaging sensors and the computational unit, linked by a high performance ethernet network bus. The adopted design philosophy aims at achieving high flexibility in terms of feasible perception applications, that should not be as limited as in case of a special-purpose and dedicated hardware. Flexibility is required by the variability of underwater environments, with water conditions ranging from clear to turbid, light backscattering varying with daylight and depth, strong color distortion, and other environmental factors. Furthermore, the proposed modular design ensures an easier maintenance and update of the system over time. Performance of the proposed system, in terms of perception capabilities, has been evaluated in several underwater contexts taking advantage of the opportunity offered by the MARIS national project. Design issues like energy power consumption, heat dissipation and network capabilities have been evaluated in different scenarios. Finally, real-world experiments, conducted in multiple and variable underwater contexts, including open sea waters, have led to the collection of several datasets that have been publicly released to the scientific community. The vision system has been integrated in a state of the art AUV equipped with a robotic arm and gripper, and has been exploited in the robot control loop to successfully perform underwater grasping operations.

Modellazione strutturale di edifici storici in muratura e misti: valutazioni comparate e criteri operativi

L’obiettivo della presente tesi è evidenziare l’importanza dell’approccio critico alla valutazione della vulnerabilità sismica di edifici in muratura e misti Il contributo della tesi sottolinea i diversi risultati ottenuti nella modellazione di tre edifici esistenti ed uno ipotetico usando due diversi programmi basati sul modello del telaio equivalente. La modellazione delle diverse ipotesi di vincolamento ed estensione delle zone rigide ha richiesto la formulazione di quattro modelli di calcolo in Aedes PCM ed un modello in 3muri. I dati ottenuti sono stati confrontati, inoltre, con l’analisi semplificata speditiva per la valutazione della vulnerabilità a scala territoriale prevista nelle “Linee Guida per la valutazione e riduzione del rischio sismico del Patrimonio Culturale”. Si può notare che i valori ottenuti sono piuttosto diversi e che la variabilità aumenta nel caso di edifici non regolari, inoltre le evidenze legate ai danni realmente rilevati sugli edifici mostrano un profondo iato tra la previsione di danno ottenuta tramite calcolatore e le lesioni rilevate; questo costituisce un campanello d’allarme nei confronti di un approccio acritico nei confronti del mero dato numerico ed un richiamo all’importanza del processo conoscitivo. I casi di studio analizzati sono stati scelti in funzione delle caratteristiche seguenti: il primo è una struttura semplice e simmetrica nelle due direzioni che ha avuto la funzione di permettere di testare in modo controllato le ipotesi di base. Gli altri sono edifici reali: il Padiglione Morselli è un edificio in muratura a pianta a forma di C, regolare in pianta ed in elevazione solamente per quanto concerne la direzione y: questo ha permesso di raffrontare il diverso comportamento dei modelli di calcolo nelle sue direzioni; il liceo Marconi è un edificio misto in cui elementi in conglomerato cementizio armato affiancano le pareti portanti in muratura, che presenta un piano di copertura piuttosto irregolare; il Corpo 4 dell’Ospedale di Castelfranco Emilia è un edificio in muratura, a pianta regolare che presenta le medesime irregolarità nel piano sommitale del precedente. I dati ottenuti hanno dimostrato un buon accordo per la quantificazione dell’indice di sicurezza per i modelli regolari e semplici con uno scarto di circa il 30% mentre il delta si incrementa per le strutture irregolari, in particolare quando le pareti portanti in muratura vengono sostituite da elementi puntuali nei piani di copertura arrivando a valori massimi del 60%. I confronti sono stati estesi per le tre strutture anche alla modellazione proposta dalle Linee Guida per la valutazione dell’indice di sicurezza sismica a scala territoriale LV1 mostrando differenze nell’ordine del 30% per il Padiglione Morselli e del 50% per il Liceo Marconi; il metodo semplificato risulta correttamente cautelativo. È, quindi, possibile affermare che tanto più gli edifici si mostrano regolari in riferimento a masse e rigidezze, tanto più la modellazione a telaio equivalente restituisce valori in accordo tra i programmi e di più immediata comprensione. Questa evidenza può essere estesa ad altri casi reali divenendo un vero e proprio criterio operativo che consiglia la suddivisione degli edifici esistenti in muratura, solitamente molto complessi poiché frutto di successive stratificazioni, in parti più semplici, ricorrendo alle informazioni acquisite attraverso il percorso della conoscenza che diviene in questo modo uno strumento utile e vitale. La complessità dell’edificato storico deve necessariamente essere approcciata in una maniera più semplice identificando sub unità regolari per percorso dei carichi, epoca e tecnologia costruttiva e comportamento strutturale dimostrato nel corso del tempo che siano più semplici da studiare. Una chiara comprensione del comportamento delle strutture permette di agire mediante interventi puntuali e meno invasivi, rispettosi dell’esistente riconducendo, ancora una volta, l’intervento di consolidamento ai principi propri del restauro che includono i principi di minimo intervento, di riconoscibilità dello stesso, di rispetto dei materiali esistenti e l’uso di nuovi compatibili con i precedenti. Il percorso della conoscenza diviene in questo modo la chiave per liberare la complessità degli edifici storici esistenti trasformando un mero tecnicismo in una concreta operazione culturale . Il presente percorso di dottorato è stato svolto in collaborazione tra l’Università di Parma, DICATeA e lo Studio di Ingegneria Melegari mediante un percorso di Apprendistato in Alta Formazione e Ricerca.