Diseño e implementación de algoritmos de evitación de obstáculos para un vehículo autónomo submarino

Abstract

Los comportamientos y estrategias de evitación de obstáculos son una pieza esencial dentro de la arquitectura de control de cualquier robot móvil. Su función es evitar que el robot colisione con elementos de su entorno, a partir de los datos proporcionados por uno o varios sensores. En robótica terrestre o aérea, actualmente los sensores de referencia para evitación de obstáculos son ópticos como cámaras o láseres. En cambio, en el entorno submarino, los sensores más usados son acústicos como los sonares, dada su mayor distancia operativa a pesar de su menor resolución espacial y temporal. En este Trabajo de Fin de Máster se plantea la simulación de un sónar de imagen de barrido mecánico para una posterior implementación de un algoritmo de detección de obstáculos junto un algoritmo de evitación para un vehículo submarino autónomo (AUV). Concretamente, se usará el vehículo AUV Turbot Sparus II junto un sonar Miniking de Tritech. La arquitectura del robot está implementada en ROS (Robot Operating System), por lo que todo el desarrollo se realizará en este entorno. Es importante remarcar que sólo se considerará la evitación de obstáculos en 2D, es decir, el vehículo sólo maniobrará en un plano horizontal, paralelo a la super cie del agua. Las pruebas realizadas permitirán analizar el comportamiento de la plataforma en entornos simulados de complejidad variable y controlada. A partir de los resultados obtenidos, se podrá reutilizar todo lo aprendido en detección y evitación de obstáculos en plataformas reales para así tener un mayor conocimiento del comportamiento en un entorno real como el océano.

Obstacle avoidance behaviors and strategies are an essential part of the control architecture of any mobile robot. Its function is to prevent the robot from colliding with elements of its environment, from the data provided by one or several sensors. In terrestrial or aerial robotics, currently the reference sensors for obstacle avoidance are optical like cameras or lasers. On the other hand, in the underwater environment, the most used sensors are acoustic like sonars, given their greater operational distance despite their lower spatial and temporal resolution. In this Master's Thesis, we propose the simulation of a mechanical scanning image sonar for a later implementation of an obstacle detection algorithm together with an avoidance algorithm for an autonomous underwater vehicle (AUV). Speci cally, the AUV Turbot Sparus II vehicle will be used together with a Tritech Miniking sonar. The architecture of the robot is implemented in ROS (Robot Operating System), so all the development will be done in this environment. It is important to note that only obstacle avoidance in 2D will be considered, that is, the vehicle will only maneuver in a horizontal plane, parallel to the surface of the water. The tests carried out will allow to analyze the behavior of the platform in simulated environments of variable and controlled complexity. From the results obtained, it can be reused everything learned in detection and obstacle avoidance in real platforms in order to have a better knowledge of the behavior in a real environment such as the ocean.

Els comportaments i estratègies d'evitació d'obstacles són una peça essencial dins de l'arquitectura de control de qualsevol robot mòbil. La seva funció és evitar que el robot col·lisioni amb elements del seu entorn, a partir de les dades proporcionades per un o diversos sensors. En robòtica terrestre o aèria, actualment els sensors de referència per evitació d'obstacles són òptics com les càmeres o els làsers. En canvi, en l'entorn submarí, els sensors més utilitzats són acústics com els sonars, donada la seva major distància operativa malgrat la seva menor resolució espacial i temporal. En aquest Treball de Fi de Màster es planteja la simulació d'un sonar d'imatge d'escombrat mecànic per a una posterior implementació d'un algoritme de detecció d'obstacles juntament amb un algoritme d'evitació per a un vehicle submarí autònom (AUV). Concretament, es farà servir el vehicle AUV Turbot Sparus II amb un sonar Miniking de Tritech. L'arquitectura del robot està implementada en ROS (Robot Operating System), de manera que tot el desenvolupament es realitzarà en aquest entorn. És important remarcar que només es considerarà l'evitació d'obstacles en 2D, és a dir, el vehicle només maniobrarà en un pla horitzontal, paral·lel a la superfície de l'aigua. Les proves realitzades permetran analitzar el comportament de la plataforma en entorns simulats de complexitat variable i controlada. A partir dels resultats obtinguts, es podrà reutilitzar tot l'après en detecció i evitació d'obstacles en plataformes reals, per així tenir un major coneixement del comportament en un entorn real com l'oceà.