Active Underwater Optical Scanning System for Precision Seafloor 3D Mapping utilizing Autonomous Underwater Vehicles

Abstract

We developed an active optical underwater scanning system(AOUS) for precision Seafloor 3D Mapping. The proposed system was designed to scan the terrain using multiple cameras and adjust the angle to precisely scan the target. The 3D reconstruction of various objects using the proposed system was performed in simulation to verify the proposed system. Also, cylinder design, calibration methods to minimize distortion, camera bandwidth setting for data transfer and operating software using a robot operating system(ROS) were developed. For precise scanning, we divided the roles of a camera into pre-scan and post-scan, respectively. Pre-scan could identify subsea terrain in advance using a stereo vision. The point cloud identified by pre-scan and subsea topography were separated to extract the parts that require precise scanning. The scan was proceeded by calculating the optimized angle of the camera for precision scanning of interest areas. The factors for optimizing the angle of the camera were sub-pixel accuracy and overlapping area. Because the two factors conflict with each other and each objective function is non-linear, the Pareto optimization was used to solve the multi-objective non-linear optimization problem. As a simulation, the UUV-simulator was used to obtain images and evaluate how precisely the restored 3D data was restored through the interative closest point(ICP) algorithm. The number of the points of the reconstructed result were generated more when the images were taken using the AOUS system. Also, the precision of the simulation results were compared by using iterative closest point(ICP) algorithm. We developed the hardware to implement the AOUS system, and we checked the system through water tank experiments and real sea area experiments. Some of the sea topography was restored through a field experiment, and underwater images were also possible to be monitored in real-time.

본 논문은 자율 무인 수중 로봇(AUV)을 활용한 해저 정밀 3차원 매핑의 하드웨어, 소프트웨어, 그리고 시뮬레이션 개발에 관한 연구 내용을 포함한다. 수중 환경은 사용할 수 있는 센서들이 한정적이다. 따라서 자율 무인 수중 로봇이 물체를 파악하기 위해서 광학 센서의 활용은 정밀한 스캔에 필수적이다. 지상과 다르게 수중 로봇이 정밀한 이미지를 얻기 위해서는 지형지물과 일정한 거리를 유지하며 촬영작업을 해야 한다. 지형이 복잡하거나 촬영범위가 넓어지면 한대의 수중 로봇으로는 한계가 있다. 따라서 제안하는 시스템은 다중 수중 카메라를 이용하여, 정밀도와 스캔 범위를 향상하는 방법에 관해 설명한다. 효율적인 스캔을 위해 제안하는 시스템은 데이터 취득에만 목적을 두지 않고, 스테레오 카메라를 사용하여 지형을 파악하고 최적의 카메라 각도를 계산하여 능동적으로 스캔을 진행할 수 있다. 수중 영상은 지상과 다르게 특징점들이 적게 추출된다. 이는 수중 지형이 비교적 단순하며, 짧은 시계와 탁도에 의해 취득한 영상이 흐릿해지는 현상 때문이다. 능동 수중 광학 스캐닝 시스템(AOUS)은 원하는 특징점들이 더 많은 픽셀에 관측될 수 있도록 카메라 각도를 조절한다. 이와 동시에 카메라에서 동시에 촬영이 될 수 있도록 겹치는 영역을 최대화하여 3차원 복원 시 정밀도를 증가시킬수 있다. ROS를 이용하여 AOUS의 3차원 복원 정밀도 개선에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. AOUS는 여러 대의 카메라를 이용하는 방법, 수중 광학 시스템의 개발에 관한 연구 내용도 포함한다. 여러 대의 광학 시스템을 수중에서 사용하기 위한 카메라 실린더 방수부터 수중환경에서 렌즈와 카메라의 선정 방법, 카메라의 역할에 따른 대역폭 관리, 캘리브레이션 방법을 제안하고 제작하였다. 또한, 다양한 로봇에서 쉽게 사용될 수 있도록 소프트웨어를 구성하였다. 또한 제안한 광학 시스템의 성능 검증을 위해 시뮬레이션과 수조 실험을 수행하였고, 실해역 실험을 진행하였다.