Vision-Aided Inertial Navigation for Underwater Vehicles Using ArUco Markers

Skiftet fra tradisjonell olje- og gassproduksjon mot produksjonsenheter på havbunnen har skapt et økt behov for undervannsoperasjoner. Dette har motivert bruken av autonomi for å effektivisere operasjoner og redusere miljøavtrykk. Navigasjon er en av utfordringene som står uløst i overgangen mot autonome undervannsoperasjoner. Dette har motivert arbeidet bak denne hovedoppgaven. Avhandlingen presenterer en metode for å fusjonere maskinsyn med dagens treghetsnavigasjonssystem, hvor hovedfokuset ligger i forbedring av posisjon og orienteringsestimering i nærheten av operasjonelle og vedlikeholdsområder. Oppgaven starter med å presentere de nødvendige sensorene i Kapittel 3, etterfulgt av motivasjon for bruk av lettgjenkjennelige ArUco markører for estimering av posisjon og orientering i Kapittel 4. Før oppgaven går videre til designet av navigasjonssystemet er det utført en simulasjonsstudie for å avgjøre nøyaktigheten til maskinsynestimatet for videre anvendelse. Kapittel 5 utleder det fusjonerte navigasjonssystemet basert på lignende implementasjoner i litteraturen, hvor orienteringsestimatet er forkastet til fordel for et magnetometer. Til slutt er metoden testet og validert gjennom simulering og eksperiment ved det marinkybernetiske laboratoriet som tilhører Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, beskrevet i Kapittel 6. Hovedbidraget til denne avhandlingen er en utvidelse av en eksisterende åpen kildekode for simulering av metoder i maskinsyn fusjonert med navigasjon og kontroll, med videre potensial for simulering av autonome undervannsoperasjoner. Videre har oppgaven bidratt med et design av et navigasjonssystem for forbedret posisjon- og orienteringsestimat ved bruk av lettgjenkjennelige markører. Designet oppnådde høy ytelse gjennom både simulering og eksperiment, hvor posisjonsstandardavviket kom på 5.61 cm med en gjennomsnittsfeil på 10 cm. Sammenlignet med eksisterende navigeringssystem har denne løsningen en stort potensial for bruk som lokal navigasjon i nærheten av operasjonelle soner som krever høy posisjons- og orienteringsnøyaktighet.