Seabed Perception and Following for Autonomous Underwater Vehicules
Perception et Suivi de Fond pour Véhicules Autonomes Sous-Marins
OPEN ACCESS
This paper outlines a method of seabed following designed for underwater vehicles navigating in a priori unknown environment. This method aims to fit with the path defined by the seabed shape but it also respects the manoeuvring constraints of the said vehicle. The construction of such trajectories is achieved by using geometrical functions and interpolating polynomials such as “semi-forced cubic splines” or “Hermite polynomials”. Environment modelling is carried out thanks to the bathymetric acquisitions of two embedded sounders situated in the front part of the vehicle.
Finally, we present the results obtained by hydrodynamic simulation and those obtained during experimentation in the open sea.
Résumé
Cet article expose une méthode de suivi de fond pour véhicule sous-marin naviguant en environnement a priori inconnu. Elle repose sur l’adaptation de la trajectoire planifiée aux contraintes de manœuvrabilité du véhicule étudié. Un algorithme basé sur des fonctions géométriques simples et sur les courbes d’interpolation telles que les « splines cubiques semi-forcées » ou les polynômes de Hermite permet de créer un trajet adapté au véhicule. Les données bathymétriques utilisées lors de ce processus proviennent de deux sondeurs placés à l’avant du véhicule. Des simulations hydrodynamiques ont été réalisées pour valider cette méthode. La validation expérimentale en milieu naturel est également présentée.
Autonomous Underwater Vehicle (A.U.V.), path planning, seabed following.
Mots clés
Véhicule autonome sous-marin (A.U.V.), planification de trajectoire, suivi de fond.
[1] J.H. Ahlberg, E.N. Nilson et J.L. Walsh, The theory of splines and their applications, Vol.38 de Mathematics in science and engineering, Academic Press, 1967.
[2] M. Aucher, Dynamique des Sous-Marins, Sciences et Techniques de l’armement, 55, 4e fasc, Paris, 1981.
[3] D. P. Brutzman, A Virtual World for an Autonomous Underwater Vehicle, dissertation, Naval Postgraduate school, Monterey California, 1994.
[4] P. Coiffet, La robotique, Hermès science publications (traité des nouvelles technologies), ISBN 2866012976, 1992.
[5] L. Cordesses, C. Cariou, P. Martinet et C. Thibaud, “CP-DGPS based combine harvester control without orientation sensor “, Proceedings of the ION-GPS Meeting, ION-GPS’99, pp 2041-2046, Nashville, Tennessee, USA, 14-17 Septembre 1999.
[6] L. Cordesses, P. Martinet, B. Thuilot et M. Berducat, “GPS-based control of a land vehicle“, Proceedings of the 16th IAARC/IFAC/IEEE International Symposium on Automation and Robotics in Construction, ISARC’99, pp 41-46, Madrid, Spain, 22-24 Septembre 1999.
[7] V. Creuze, Navigation référencée terrain pour véhicule autonome sousmarin, Th èse de doctorat, CNRS/Université de Montpellier II, Montpellier, Novembre 2002.
[8] V. Creuze et B. Jouvencel, “Avoidance of Underwater Cliffs for Autonomous Underwater Vehicles”, IROS 2002 IEEE, Lausanne, Octobre 2002.
[9] V. Creuze, B. Jouvencel et P. Baccou, “Seabed following for small autonomous underwater vehicles”, OCEANS2001 MTS/IEEE, Honolulu, p.369-374, Novembre 2001.
[10] L. E. Dubins, “On curves of minimal length with a constraint on average curvature and with prescribed initial and terminal positions and tangents”, Amer. J. Math., p. 497-516, 1957.
[11] B. Espiau, F. Chaumette et P. Rives, “A new approach to visual servoing in robotics”, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 1992
[12] T. I. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles, John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 1994.
[13] B. Granvaux, J.L. Nicolas et M. Semillon, Acoustique sous-marine, Théorie et applications de l’acoustique sous-marine, Tome 1, édité par l’Ecole Nationale Supérieure des Techniques Avancées, 1980.
[14] W. Khalil et E. Dombre, Modélisation, Identification et Command des Robots,2 e édition, Collection Robotique, Hermes Science Publications, Paris, 1999.
[15] R. Kuc et M. Siegel, Physically based simulation model for acoustic sensor robot navigation, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. PAMI-9, No. 6, p. 766-778, Novembre 1987.
[16] J.-C. Latombe, Robot Motion Planning, Kluwer Academic Publishers, Boston, 1991.
[17] S. Lazard, Planification de trajectoires de robots mobiles non-holonomes et de robots à pattes, Thèse de doctorat, Université Paris 6- INRIA Sophia Antipolis, 1996.
[18] P. Martinet, C. Debain, M. Berducat, P. Bonton et J. Gallice, « Asservissement visuel pour le guidage d’engins agricoles », Actes des Journées Automatique, Agriculture et Agro-Alimentaire, Club EEA, MENESR, PRC-GdR Automatique et ISIS, J3A’97, pp 213-223, Clermont-Ferrand, France, 28-29 Octobre 1997.
[19] P. Martinet, D. Khadraoui, C. Thibaud et J.Gallice, “Controller synthesis applied to automatic guided vehicles”, SYROCO’97, Nantes, France, 2 Septembre 1997.
[20] R. M. Murray et S. Sastry, “Steering non holonomic systems using sinusoïds”, Proceedings of the CDC, p. 2097-2101, 1990.
[21] P. Newman et H. Durrant-Whyte, “Using Sonar in Terrain-Aided Underwater Navigation“, Department of Mechatronics, University of Sidney, IEEE, p. 440-445, 1998.
[22] Y. Petillot, J. Teña Ruiz et D.M. Lane, “Underwater vehicle path planning using a multi-beam forward looking sonar”, IEEE, p. 1194, Revue, 1998.
[23] J. A. Reeds et L. A. Shepp, “Optimal paths for a car that goes both forwards and backwards”, Pacific Journal of Mathematics, 145(2), 1990.
[24] C. Samson, M. Le Borgne et B. Espiau, Robot Control. The task function approach, ISBN 0-19-8538057, Oxford, 1991.
[25] J-J. Slotine et W. Li, Applied Nonlinear Control, Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1991.
[26] J. Vaganay, B. Jouvencel, P. Baccou et V. Creuze, The Odyssey of Taipan exploring the Ocean at GOATS 2000, GOATS2000, Saclantcen, La Spezia, 2001.
[27] J. Vaganay, B. Jouvencel, P. Lépinay, et R. Zapata, Taipan, an AUV for very Shallow Water Applications, WAC ’98, Anchorage, 1998.
[28] R. Zapata et P. Lépinay, “Collision avoidance and bottom following of a torpedo-like vehicle”, OCEANS96, Fort Lauderdale, Floride, 23-25 septembre 1996.