Augmented state Kalman filtering for AUV navigation

Addresses the problem of estimating the motion of an autonomous underwater vehicle (AUV), while it constructs a visual map ("mosaic" image) of the ocean floor. The vehicle is equipped with a down-looking camera which is used to compute its motion with respect to the seafloor. As the mosaic increases in size, a systematic bias is introduced in the alignment of the images which form the mosaic. Therefore, this accumulative error produces a drift in the estimation of the position of the vehicle. When the arbitrary trajectory of the AUV crosses over itself, it is possible to reduce this propagation of image alignment errors within the mosaic. A Kalman filter with augmented state is proposed to optimally estimate both the visual map and the vehicle position

Probabilistic sonar scan matching for an AUV

This paper proposes MSISpIC, a probabilistic sonar scan matching algorithm for the localization of an autonomous underwater vehicle (AUV). The technique uses range scans gathered with a Mechanical Scanning Imaging Sonar (MSIS), the robot displacement estimated through dead-reckoning using a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method is an extension of the pIC algorithm. An extended Kalman filter (EKF) is used to estimate the robot-path during the scan in order to reference all the range and bearing measurements as well as their uncertainty to a scan fixed frame before registering. The major contribution consists of experimentally proving that probabilistic sonar scan matching techniques have the potential to improve the DVL-based navigation. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within an abandoned marina underwater environment with satisfactory results

Proposal of a parallel architecture for a motion detection algorithm

This paper proposes a parallel architecture for estimation of the motion of an underwater robot. It is well known that image processing requires a huge amount of computation, mainly at low-level processing where the algorithms are dealing with a great number of data. In a motion estimation algorithm, correspondences between two images have to be solved at the low level. In the underwater imaging, normalised correlation can be a solution in the presence of non-uniform illumination. Due to its regular processing scheme, parallel implementation of the correspondence problem can be an adequate approach to reduce the computation time. Taking into consideration the complexity of the normalised correlation criteria, a new approach using parallel organisation of every processor from the architecture is proposed

Dam wall detection and tracking using a Mechanically Scanned Imaging Sonar

In dam inspection tasks, an underwater robot has to grab images while surveying the wall meanwhile maintaining a certain distance and relative orientation. This paper proposes the use of an MSIS (mechanically scanned imaging sonar) for relative positioning of a robot with respect to the wall. An imaging sonar gathers polar image scans from which depth images (range & bearing) are generated. Depth scans are first processed to extract a line corresponding to the wall (with the Hough transform), which is then tracked by means of an EKF (Extended Kalman Filter) using a static motion model and an implicit measurement equation associating the sensed points to the candidate line. The line estimate is referenced to the robot fixed frame and represented in polar coordinates (rho&thetas) which directly corresponds to the actual distance and relative orientation of the robot with respect to the wall. The proposed system has been tested in simulation as well as in water tank conditions

Pose-based SLAM with probabilistic scan matching algorithm using a mechanical scanned imaging sonar

This paper proposes a pose-based algorithm to solve the full SLAM problem for an autonomous underwater vehicle (AUV), navigating in an unknown and possibly unstructured environment. The technique incorporate probabilistic scan matching with range scans gathered from a mechanical scanning imaging sonar (MSIS) and the robot dead-reckoning displacements estimated from a Doppler velocity log (DVL) and a motion reference unit (MRU). The proposed method utilizes two extended Kalman filters (EKF). The first, estimates the local path travelled by the robot while grabbing the scan as well as its uncertainty and provides position estimates for correcting the distortions that the vehicle motion produces in the acoustic images. The second is an augment state EKF that estimates and keeps the registered scans poses. The raw data from the sensors are processed and fused in-line. No priory structural information or initial pose are considered. The algorithm has been tested on an AUV guided along a 600 m path within a marina environment, showing the viability of the proposed approach

Mission control system for dam inspection with an AUV

This paper presents a complete control architecture that has been designed to fulfill predefined missions with an autonomous underwater vehicle (AUV). The control architecture has three levels of control: mission level, task level and vehicle level. The novelty of the work resides in the mission level, which is built with a Petri network that defines the sequence of tasks that are executed depending on the unpredictable situations that may occur. The task control system is composed of a set of active behaviours and a coordinator that selects the most appropriate vehicle action at each moment. The paper focuses on the design of the mission controller and its interaction with the task controller. Simulations, inspired on an industrial underwater inspection of a dam grate, show the effectiveness of the control architecture

ICTINEUAUV wins the First SAUC-E competition

A pioneer team of students of the University of Girona decided to design and develop an autonomous underwater vehicle (AUV) called ICTINEU-AUV to face the Student Autonomous Underwater Challenge-Europe (SAUC-E). The prototype has evolved from the initial computer aided design (CAD) model to become an operative AUV in the short period of seven months. The open frame and modular design principles together with the compatibility with other robots previously developed at the lab have provided the main design philosophy. Hence, at the robot's core, two networked computers give access to a wide set of sensors and actuators. The Gentoo/Linux distribution was chosen as the onboard operating system. A software architecture based on a set of distributed objects with soft real time capabilities was developed and a hybrid control architecture including mission control, a behavioural layer and a robust map-based localization algorithm made ICTINEU-AUV the winning entry

Behaviours implemented using a vision system based on coded light projection

In a search for new sensor systems and new methods for underwater vehicle positioning based on visual observation, this paper presents a computer vision system based on coded light projection. 3D information is taken from an underwater scene. This information is used to test obstacle avoidance behaviour. In addition, the main ideas for achieving stabilisation of the vehicle in front of an object are presented

On AUV control architecture

This paper surveys control architectures proposed in the literature and describes a control architecture that is being developed for a semi-autonomous underwater vehicle for intervention missions (SAUVIM) at the University of Hawaii. Conceived as hybrid, this architecture has been organized in three layers: planning, control and execution. The mission is planned with a sequence of subgoals. Each subgoal has a related task supervisor responsible for arranging a set of pre-programmed task modules in order to achieve the subgoal. Task modules are the key concept of the architecture. They are the main building blocks and can be dynamically re-arranged by the task supervisor. In our architecture, deliberation takes place at the planning layer while reaction is dealt through the parallel execution of the task modules. Hence, the system presents both a hierarchical and an heterarchical decomposition, being able to show a predictable response while keeping rapid reactivity to the dynamic environment

El poder colombiano, los piratas del siglo XXI

El galeón español San José, que se hundió en 1708 en la bahía de Cartagena, Colombia, es la nave más pretendida en la actualidad por los cinco mil millones de dólares que alberga. Cuando el expresidente de Colombia Belisario Betancur se enteró de su valor, en 1982, se inició una fiebre de corrupción entre figuras de poder colombiano y los cazatesoros por rescatar el gran botín. En 2013 el presidente de Colombia Juan Manuel Santos sancionó la Ley 1675 con el objetivo de proteger y regular la protección al patrimonio cultural sumergido. Sin embargo, como varias fuentes lo evidencian, esto es solo la luz verde que esperaron los ambiciosos durante décadas para poder obtener beneficios personales con el patrimonio de la Nación.

Impacto de las cirugías múltiples, en un solo tiempo quirúrgico, sobre el patrón de marcha en niños con parálisis cerebral

Introducción: La Parálisis Cerebral (PC) es la enfermedad neurológica más incapacitante en niños, su historia natural tiende al deterioro motor y funcional. Con este estudio se busca establecer sí las cirugías múltiples de miembros inferiores, en un tiempo quirúrgico, mantienen el nivel motor y funcional. Material y Método: Estudio analítico de cohortes. Se compara un grupo de pacientes sometidos a cirugías múltiples contra un grupo de pacientes no operados, en el Instituto de Ortopedia Infantil Roosevelt. Se evaluaron los pacientes con dos Laboratorios para el Análisis del Movimiento (LAM) y se midieron los desenlaces mediante el cambio en la puntuación del perfil de marcha (GPS) y el nivel funcional motor grueso (GMFCS). Resultados: 109 pacientes cumplieron con los criterios de selección, 67 pacientes fueron sometidos a cirugía y 42 pacientes no. Los pacientes operados mejoraron el GPS promedio (diferencia -1,94; p=0,002) comparado con los pacientes no operados (diferencia 1,74; p=0,001), indicando una mejoría significativa de la cinemática de la marcha. En un modelo de regresión logística predictivo, el paciente que es operado tiene una probabilidad del 78% de mantener su patrón de marcha, mientras que sí no se opera su probabilidad disminuye al 37%. El nivel funcional motor GMFCS no mostró cambios significativos entre los grupos. Discusión: Las cirugías múltiples de miembros inferiores mantienen de manera significativa el patrón de marcha en pacientes con PC. Se destaca el seguimiento de los pacientes mediante el LAM y se sugiere el uso del GPS para valorar resultados en este tipo de pacientes.

Efficient 3D scene modeling and mosaicing

El modelat d'escenes és clau en un gran ventall d'aplicacions que van des de la generació mapes fins a la realitat augmentada. Aquesta tesis presenta una solució completa per a la creació de models 3D amb textura. En primer lloc es presenta un mètode de Structure from Motion seqüencial, a on el model 3D de l'entorn s'actualitza a mesura que s'adquireix nova informació visual. La proposta és més precisa i robusta que l'estat de l'art. També s'ha desenvolupat un mètode online, basat en visual bag-of-words, per a la detecció eficient de llaços. Essent una tècnica completament seqüencial i automàtica, permet la reducció de deriva, millorant la navegació i construcció de mapes. Per tal de construir mapes en àrees extenses, es proposa un algorisme de simplificació de models 3D, orientat a aplicacions online. L'eficiència de les propostes s'ha comparat amb altres mètodes utilitzant diversos conjunts de dades submarines i terrestres.

Efficient topology estimation for large scale optical mapping

Large scale image mosaicing methods are in great demand among scientists who study different aspects of the seabed, and have been fostered by impressive advances in the capabilities of underwater robots in gathering optical data from the seafloor. Cost and weight constraints mean that lowcost Remotely operated vehicles (ROVs) usually have a very limited number of sensors. When a low-cost robot carries out a seafloor survey using a down-looking camera, it usually follows a predetermined trajectory that provides several non time-consecutive overlapping image pairs. Finding these pairs (a process known as topology estimation) is indispensable to obtaining globally consistent mosaics and accurate trajectory estimates, which are necessary for a global view of the surveyed area, especially when optical sensors are the only data source. This thesis presents a set of consistent methods aimed at creating large area image mosaics from optical data obtained during surveys with low-cost underwater vehicles. First, a global alignment method developed within a Feature-based image mosaicing (FIM) framework, where nonlinear minimisation is substituted by two linear steps, is discussed. Then, a simple four-point mosaic rectifying method is proposed to reduce distortions that might occur due to lens distortions, error accumulation and the difficulties of optical imaging in an underwater medium. The topology estimation problem is addressed by means of an augmented state and extended Kalman filter combined framework, aimed at minimising the total number of matching attempts and simultaneously obtaining the best possible trajectory. Potential image pairs are predicted by taking into account the uncertainty in the trajectory. The contribution of matching an image pair is investigated using information theory principles. Lastly, a different solution to the topology estimation problem is proposed in a bundle adjustment framework. Innovative aspects include the use of fast image similarity criterion combined with a Minimum spanning tree (MST) solution, to obtain a tentative topology. This topology is improved by attempting image matching with the pairs for which there is the most overlap evidence. Unlike previous approaches for large-area mosaicing, our framework is able to deal naturally with cases where time-consecutive images cannot be matched successfully, such as completely unordered sets. Finally, the efficiency of the proposed methods is discussed and a comparison made with other state-of-the-art approaches, using a series of challenging datasets in underwater scenarios

Distribució espacial i ús de l'hàbitat de la comunitat de peixos a l'estany de Banyoles

En el marc d'un projecte més ampli sobre la comunitat de peixos de la conca lacustre de Banyoles, s'ha estudiat la distribució espacial de les diferents espècies així com l'ús que aquestes fan de l'hàbitat. El poblament piscícola de l'estany de Banyoles és el resultat d'un llarg historial d'introducció d'espècies exòtiques i extinció de les poblacions autòctones locals. S'ha revisat la seva composició actual detectant un total de 18 espècies (4 autòctones i 14 introduïdes) de les quals només 13 presenten una població estable. L'estudi de l'hàbitat s'ha centrat a l'Estany, l'element principal del sistema lacustre, analitzant per separat la zona litoral i la zona limnètica. En el primer cas s'han realitzat les captures d'individus mitjançant pesca elèctrica des d'una embarcació adaptada per aquesta pràctica. La totalitat del litoral ha estat dividida en trams de característiques homogènies on s'han obtingut les captures per unitat d'esforç per cada espècie. El mostreig s'ha desenvolupat entre l'estiu de 1997 i la primavera del 2000 realitzant un total de 10 campanyes de pesca. Les espècies més abundants al litoral són la perca americana (Micropterus salmoides) i el peix sol (Lepomis gibbosus), essent també presents la perca (Perca fluviatilis), carpa (Cyprinus carpio) i el gardí (Scardinius erythrophthalmus). S'han capturat altres espècies com ara anguila (Anguilla anguilla), bagra (Squalius cephalus), sandra (Sander lucioperca), carpí (Carassius auratus) i madrilleta vera (Rutilus rutilus), però són molt menys abundants en nombre. S'ha examinat, per cadascuna de les espècies, si existeix selecció de l'hàbitat i en cas afirmatiu, quin és el preferent en base a la classificació del litoral en sis tipus de vegetació predominant. Les espècies més abundants, perca americana i peix sol, ocupen tots els hàbitats disponibles però amb una densitat diferent. La perca mostra també una clara selecció de l'hàbitat a favor de les zones molt estructurades amb abundant presència de jonca litoral. Carpa i gardí seleccionen els ambients més fondos amb major presència de matèria orgànica d'origen vegetal procedent del bogar. En general els individus ocupen les zones amb una densitat de vegetació intermèdia, majoritàriament zones de jonca a l'estiu i zones amb mansega a l'hivern, on troben refugi i els recursos tròfics necessaris. La perca americana, a més, presenta una elevada fidelitat a un mateix punt del litoral al llarg de la seva vida. La zona limnètica ha estat prospectada mensualment mitjançant ecosondació, realitzant transectes perpendiculars a l'eix principal de l'Estany, cobrint la seva totalitat. La composició d'espècies s'ha obtingut a partir de les captures fetes amb xarxes (tresmalls) amb periodicitat estacional. L'anàlisi geoestadística de la densitat de peixos ha permès descriure l'estructura espacial d'aquesta a partir dels variogrames, així com la seva variabilitat tant espacial com temporal, i obtenir els mapes de densitat. A l'hivern, la densitat de peixos a la zona limnètica assoleix els seus valors mínims i els individus es troben formant agregats dispersos, pels diferents estrats de fondària. A partir de la primavera la densitat augmenta, pel reclutament i la major freqüència d'individus que abandonen el litoral; la densitat esdevé més homogènia a les primer capes de fondària. A l'estiu la densitat és màxima i l'estrat més homogeni coincideix amb la posició de la termoclina. Aquest estructura varia en disminuir la temperatura i barrejar-se la columna d'aigua, tornant a la situació hivernal. La perca i la madrilleta vera són les espècies predominants en aquest ambient, juntament amb la carpa. La seva distribució no és homogènia i respon a les característiques limnològiques de les diferents cubetes de l'Estany. Una particularitat d'aquest, relacionada amb el seu origen càrstic, es la formació d'una ploma hidrotermal que afecta la distribució dels peixos, probablement en augmentar la terbolesa. S'ha integrat l'ús de l'hàbitat de les espècies que ocupen tant la zona limnètica com la litoral a partir del seguiment d'individus, concretament de perca i bagra. S'ha utilitzat un sistema automàtic de posicionament que estima la localització dels individus marcats amb transmissor de telemetria acústica. L'anàlisi dels desplaçaments mostra un rang superior per la bagra en comparació amb la perca. Ambdues espècies mostren una orientació en els seus desplaçaments. La perca ocupa el litoral a la nit i es desplaça a la zona limnètica de dia, amb un ritme d'activitat marcat per dos màxims coincidint amb la sortida i posta de sol; en canvi la bagra mostra una major activitat nocturna amb zones de repòs properes al litoral. S'ha estimat igualment els dominis vital de cada individu marcat.

Selective submap joining SLAM for autonomous vehicles

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) do not result in consistent maps of large areas because of gradual increase of the uncertainty for long term missions. In addition, as the size of the map grows the computational cost increases, making SLAM solutions unsuitable for on-line applications. This thesis surveys SLAM approaches paying special attention to those approaches aimed to work on large scenarios. Special focus is given to existing underwater SLAM applications. A technique based on using independent local maps together with a global stochastic map is presented. This technique is called Selective Submap Joining SLAM (SSJS). A global map contains relative transformations between local maps, which are updated once a new loop is detected. Maps sharing several features are fused, maintaining the correlation between landmarks and vehicle's pose. The use of local maps reduces computational costs and improves map consistency as compared to state of the art techniques.