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MOVING - Unterwassernavigation durch Echtzeit-Bildverarbeitung

18.04.2008 - (idw) Universität Bremen

Technologie-Zentrum Informatik der Universität Bremen stellt auf der Hannover Messe einen autonomen Unterwasserroboter vor. Die Arbeitsgruppe AG-KI von Professor Otthein Herzog des Technologie-Zentrum Informatik der Universität Bremen stellt das Kooperationsprojekt MOVING auf der Hannover Messe vom 21.-25 April 2008 aus - gefördert durch die EU und das Land Bremen mit den beteiligten Institutionen: OPTIMARE Sensorsysteme AG, Marum - Zentrum für marine Umweltwissenschaften und Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung.

Im Rahmen des Projektes MOVING wurde ein Verfahren zur Erfassung der Verfahrstrecke bodengestützter oder bodennah operierender autonomer Unterwasserroboter basierend auf Echtzeit-Bildverarbeitungsmethoden als Komponente zum Einsatz in der Unterwassernavigation entwickelt. Ergebnis ist ein kompaktes, unterwassertaugliches System zur Verbesserung der Navigationsgenauigkeit autonom operierender Unterwasserfahrzeuge. Gleichzeitig stellt es im Bereich bodengebundener oder bodennah operierender Unterwasserfahrzeuge eine deutlich kostengünstigere Alternative zu DVL-basierter Navigation (DVL: Dopplerlog-System) und insbesondere der in Anschaffung und Wartung sehr kostenintensiven Inertialnavigation dar. Dadurch werden auch neue Anwendungsfelder erschlossen, etwa beim Einsatz von Klein- und Kleinstrobotern im küstennahen Bereich zu Zwecken des Umweltmonitoring oder der Gefahrenabwehr im Falle von Umweltunfällen.

Verbreitet sind bisher vor allem zwei Methoden zur Ortsbestimmung von Fahrzeugen im Unterwasserbereich: entweder findet eine akustische Lokalisierung mit Hilfe von räumlich getrennten Schallwandlern statt, deren Position genau bekannt ist, oder es wird mit Koppelverfahren gearbeitet, bei denen aus den Parametern Fahrgeschwindigkeit, Richtung und ggf. weiteren Lagedaten die Position berechnet wird. Aus technischer Sicht ist die Bestimmung des Ortes in der horizontalen Ebene das größte Problem im Bereich der Unterwassernavigation. Tiefenangaben oder der Abstand zum Meeresboden kann mit hinreichender Genauigkeit erfasst werden. Akustische Verfahren wie das so genannte "Long-Baseline-Verfahren" (LBL), das mit festen Wandlern arbeitet, liefern eine hohe Genauigkeit, haben aber vom Einsatzablauf her gesehen erhebliche Nachteile. So ist der Einsatzbereich beschränkt durch die Reichweite der Schallwandler, die als Referenzpunkte dienen und von Schiffen ausgebracht und eingemessen werden müssen. Deshalb sind Koppelverfahren klar zu bevorzugen. Sie erlauben auch einen komplett autonomen Einsatz (ohne zusätzlichen Eingriff von außen) von Unterwasserfahrzeugen in unbekanntem Terrain.

Das derzeit am weitesten entwickelte System für diesen Anwendungsfall stellt das Dopplerlog-System (DVL) der Firma RD-Instruments dar. In Kombination mit Inertialnavigationssystemen (INS) zur Erfassung der Fahrzeuglage im Raum können Genauigkeiten erzielt werden, die annähernd die von LBL- Systemen erreichen. Bei langsam bewegten Fahrzeugen (<2 km/h) wird die Genauigkeit deutlich schlechter, da sowohl die Fehler des DVL als auch des INS stärker ins Gewicht fallen. Dieser Anwendungsfall tritt aber häufig im Bereich wissenschaftlicher Untersuchungen auf, bei denen die Bodentopographie begrenzter Areale mit hoher Genauigkeit erfasst werden muss. Dies ist ein Anwendungsszenario für den Einsatz des entwickelten Systems. Ähnliche Einsatzbedingungen treten auch im Offshore-Bereich auf, wie z.B. im Zusammenhang mit Windenergieanlagen. Hier müssen der Gründungskörper und die Versorgungstrassen in regelmäßigen Abständen einer Inspektion unterzogen werden. Dies ist ein weiteres Anwendungsszenario, das in Kooperation mit der Forschungs- und Koordinierungsstelle Windenergie der Hochschule Bremerhaven verfolgt wird. Als Testplattform dient das Unterwasserfahrzeug MOVE des MARUM an der Universität Bremen.

Dieses Fahrzeug bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 5 cm/s und dient zur Untersuchung von Prozessen am Meeresboden. Eine wissenschaftliche Anwendung dieses Fahrzeugs liegt in der Erfassung von Flüssigkeitsausströmung aus dem Meeresboden, speziell auch im küstennahen Bereich. Durch das entwickelte System ist nun eine Positionierung anhand optischer Sensoren möglich. Dabei werden Bildverarbeitungs-Methoden zur Erfassung der Verfahrstrecke in Echtzeit eingesetzt. Ähnliche Techniken werden in der Bildverarbeitung bereits im Bereich der Bildregistrierung allgemein und speziell des Mosaicing (der Erstellung von zusammengesetzten Bildern aus Bildfolgen) verwendet. Durch Tracking von Bildmerkmalen lässt sich der Versatz zwischen überlappenden Einzelframes in einem Videodatenstrom bestimmen. Das Ergebnis ist eine robuste Schätzung der Bewegungsrichtung und des Abstandes (in Pixeln). Kennt man zusätzlich die Kameraparameter und die Aufnahmesituation, so lässt sich auf absolute Entfernungs- bzw. Geschwindigkeitswerte in der Bewegungsrichtung schließen.


Weitere Informationen:

Universität Bremen
Technologie-Zentrum Informatik
Prof. Dr. Otthein Herzog
Iris Bockermann
Tel. 0421 218 8746
E-Mail: bockermann@tzi.de
http://www.tzi.de

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