Dissertations / Theses on the topic 'Marine sensing and underwater robotics'

Dans le cadre de la collecte sous-marine d'échantillons biologiques et minéraux pour la recherche scientifique par un robot sous-marin équipé de bras manipulateurs, ce projet de thèse a pour but principal le développement de nouvelles techniques de manipulation des échantillons, plus fiables, permettant d'en assurer l'intégrité physique et leur exploitabilité par les chercheurs. Les nouvelles techniques de manipulation proposées prennent en compte l'actionnement particulier des nouveaux bras électriques sous-marins équipant les engins récents, afin d'augmenter la précision du positionnement des outils embarqués par le manipulateur. Un outil amovible, compliant, et mesurant les efforts d'interaction entre les bras du sous-marin et leur environnement est aussi proposé, et des méthodes permettant de tirer partie des caractéristiques de cet outil sont développées et testées expérimentalement. L'engin sous-marin hybride HROV Ariane, équipé de deux bras électriques hétérogènes, offre la plateforme opérationnelle pour la validation expérimentale des solutions proposées
The research carried out in the scope of this doctorate degree aims to develop innovative techniques to improve the collection of biological and mineral samples underwater using robotic manipulators. The end goal is to enhance the handling by robotic means in order to maximise sample quality provided to marine scientists. The proposed techniques are based on an in-depth analysis of the robotic arm actuators used in most recent underwater intervention vehicles, in order to improve the accuracy of the positionning of the tools held by the manipulator arms. An instrumented tool has also been developed with the aim to measure the reaction forces and adapt the interaction between the arm's end-effector and its environment to improve samples handling. These methods and the other contributions described in this thesis have been experimentally validated using Ifremer's hybrid-ROV Ariane equipped with two electrically actuated heterogeneous robotic arms

For using underwater vehicle-manipulator systems (UVMS) in a challenging envi-ronment, it is important to have a good mathematical description of the systemwhich accounts for disturbances such as ocean currents. The dynamics equation onmatrix form is therefore derived and different properties such as positive definitenessand skew symmetry is obtained. Based on the derived equations, a sliding modecontroller has been designed in order to track trajectories in the configuration spaceof the UVMS. The controller is robust when it comes to uncertainties in dynamicsparameters and uncertainties in ocean current, yielding global asymptotic stabilityas long as the uncertainties are bounded.Furthermore, a kinematic control system has been designed for facilitating humanoperation of a UVMS, by allowing an operator to only control the end effectormotion. The rest of the motion is then resolved through a weighted least-normpseudo inverse solution of the Jacobian matrix, in order to avoid mechanical jointlimits. Moreover, the vehicle’s motion is controlled by an event based algorithm tolimit the motion of the vehicle. This is done by attaching a 3D meshed polygon tothe vehicle frame and check if the end effector is inside or outside this mesh. Themesh then represents the space, relative to the manipulator, were the end effectoris fully dexterous. The vehicle will then be commanded to move only when the endeffector reaches the outside of the meshed polygon.A simulator has been implemented, based on the derived equations. The simula-tions of the UVMS, with the two controllers, yields good tracking results for trackingtrajectories both in the workspace of the end effector and in the configuration spaceof the UVMS.

L'utilisation des véhicules sous-marins (ROV, AUV, gliders) s'est considérablement accrue ces dernières décennies, aussi bien dans le domaine de l'offshore ou de l'océanographie, que pour des applications militaires. Dans cette thèse, nous abordons le problème particulier de la commande des véhicules sous-marins à faible inertie et fort rapport puissance/inertie. Ces derniers constituent des systèmes fortement non linéaires, dont la dynamique est susceptible de varier au cours du temps (charge embarquée, caractéristiques des propulseurs, variation de salinité...) et qui sont très sensibles aux perturbations environnementales (chocs, traction sur l'ombilical...). Afin d'assurer des performances de suivi de trajectoire satisfaisantes, il est nécessaire d'avoir recours à une commande adaptative qui compense les incertitudes ou les variations des paramètres du modèle dynamique, mais également qui rejette les perturbations, telles que les chocs. A cette fin, nous proposons dans ce manuscrit, l'étude théorique et la validation expérimentale de plusieurs lois de commande pour véhicules sous-marins. Nous analysons tout d'abord des approches classiques dans ce domaine (commande PID et commande par retour d'état non linéaire), puis nous les comparons avec deux autres architectures de commande. La première est la commande adaptative L1 non linéaire, introduite en 2010 notamment pour la commande des véhicules aériens, et implémentée pour la première fois sur un véhicule sous-marin. Le découplage entre adaptation et robustesse permet l'utilisation de très grands gains d'adaptation (et donc une convergence plus rapide des paramètres estimés, sans aucune connaissance a priori), sans pour autant dégrader la stabilité. La seconde méthode, que nous proposons et qui constitue l'apport principal de cette thèse, est une évolution de la commande L1, permettant d'en améliorer les performances lors du suivi d'une trajectoire variable. Nous présentons une analyse de stabilité de cette commande, ainsi que sa comparaison expérimentale avec les autres lois de commande (commande PID, commande adaptative par retour d'état non linéaire et commande adaptative L1 standard). Ces expérimentations ont été réalisées sur un mini-ROV et plusieurs scenarii ont été étudiés, permettant ainsi d'évaluer, pour chaque loi, sa robustesse et son aptitude à rejeter les perturbations
Underwater vehicles have gained an increased interest in the last decades given the multiple tasks they can accomplish in various fields, ranging from scientific to industrial and military applications. In this thesis, we are particularly interested in the category of vehicles having a high power to weight ratio. Different challenges in autonomous control of such highly unstable systems arise from the inherent nonlinearities and the time varyingbehavior of their dynamics. These challenges can be increased by the low inertia of this class of vehicles combined with their powerful actuation. A self tuning controller is therefore required in order to avoid any performance degradation during a specific mission. The closed-loop system is expected to compensate for different kinds of disturbances or changes in the model parameters. To solve this problem, we propose in this work the design,analysis and experimental validation of different control schemes on an underwater vehicle. Classical methods are initially proposed, namely the PID controller and the nonlinear adaptive state feedback (NASF) one, followed by two more advanced schemes based on the recently developed L1 adaptive controller. This last method stands out among the other developed ones in its particular architecture where robustness and adaptation are decoupled. In this thesis, the original L1 adaptive controller has been designed and successfullyvalidated then an extended version of it is proposed in order to deal with the observed time lags occurring in presence of a varying reference trajectory. The stability of this latter controller is then analysed and real-time experimental results for different operating conditions are presented and discussed for each proposed controller, assessing their performance and robustness

Accurate modeling of acoustic propagation in the ocean waveguide is important to SONAR-performance prediction, and requires, particularly in shallow water environments, characterizing the bottom reflection loss with a precision that databank-based modeling cannot achieve. Recent advances in the technology of autonomous underwater vehicles (AUV) make it possible to envision a survey system for seabed characterization composed of a short array mounted on a small AUV. The bottom power reflection coefficient (and the related reflection loss) can be estimated passively by beamforming the naturally occurring marine ambient-noise acoustic field recorded by a vertical line array of hydrophones. However, the reduced array lengths required by small AUV deployment can hinder the process, due to the inherently poor angular resolution. In this dissertation, original data-processing techniques are presented which, by introducing into the processing chain knowledge derived from physics, can improve the performance of short arrays in this particular task. Particularly, the analysis of a model of the ambient-noise spatial coherence function leads to the development of a new proof of the result at the basis of the bottom reflection-loss estimation technique. The proof highlights some shortcomings inherent in the beamforming operation so far used in this technique. A different algorithm is then proposed, which removes the problem achieving improved performance. Furthermore, another technique is presented that uses data from higher frequencies to estimate the noise spatial coherence function at a lower frequency, for sensor spacing values beyond the physical length of the array. By "synthesizing" a longer array, the angular resolution of the bottom-loss estimate can be improved, often making use of data at frequencies above the array design frequency, otherwise not utilized for beamforming. The proposed algorithms are demonstrated both in simulation and on real data acquired during several experimental campaigns.

Cette thèse aborde le problème de la localisation et cartographie 3D sous-marine en temps-réel. Dans le domaine de l'archéologie sous-marine, des véhicules téléopérés (ROV – Remotely Operated Vehicle) sont utilisés pour étudier les sites. La localisation et la cartographie précises en temps-réel sont des informations essentielles pour le pilotage manuel ou automatique de ces engins. Bien que plusieurs solutions de localisation existent, la plupart d'entre elles reposent sur l'utilisation de capteurs tels que les lochs Doppler (DVL – Doppler Velocity Log) ou les centrales inertielles à gyroscopes à fibre optique,qui sont très coûteux et peuvent être trop volumineux ou trop lourds pour les ROVs les plus petits. Les systèmes de positionnement acoustique sont également fréquemment utilisés en complément des systèmes précédents, mais leur fréquence d’échantillonnage et leur précision sont limitées.Dans cette thèse, nous étudions l'utilisation de capteurs à faible coût pour la localisation sous-marine.Notre étude porte sur l'utilisation d'une caméra monoculaire, d'un capteur de pression et d'une centrale inertielle MEMS (Micro ElectroMechanical System) à faible coût comme seul moyen de localisation et de cartographie en contexte archéologique sous-marin.Nous avons mené une évaluation de différentes méthodes de suivi de point d'intérêts sur des images affectées par des perturbations typiques rencontrées dans un contexte sous-marin. À partir des résultats obtenus nous avons développé une méthode monoculaire de SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) robuste aux perturbations spécifiques de l’environnement sous-marin. Ensuite, nous proposons une extension de cette méthode pour intégrer étroitement les mesures du capteur de pression etde la centrale inertielle dans l’algorithme de SLAM. La méthode finale fournit une localisation très précise et s'exécute en temps-réel. En outre, un module de reconstruction 3D dense, en ligne, compatible avec une configuration monoculaire, est également proposé. Deux prototypes compacts et légers de ce système nt été conçus et utilisés pour enregistrer des jeux de données qui ont été publiés. En outre, ces prototypes ont été utilisés avec succès pour tester et valider en conditions réelles les algorithmes de localisation et de cartographie proposés
This thesis addresses the problem of real-time 3D localization and mapping in underwater environments.In the underwater archaeology field, Remotely Operated Vehicles (ROVs) are used to conduct deep-seasurveys and excavations. Providing both accurate localization and mapping information in real-time iscrucial for manual or automated piloting of the robots. While many localization solutions already existfor underwater robots, most of them rely on very accurate sensors, such as Doppler velocity logs or fiberoptic gyroscopes, which are very expensive and may be too bulky for small ROVs. Acoustic positioningsystems are also commonly used for underwater positioning, but they provide low frequencymeasurements, with limited accuracy.In this thesis, we study the use of low-cost sensors for accurate underwater localization. Our studyinvestigates the use of a monocular camera, a pressure sensor and a low-cost MEMS-IMU as the onlymeans of performing localization and mapping in the context of underwater archaeology.We have conducted an evaluation of different features tracking methods on images affected by typicaldisturbances met in an underwater context. From the results obtained with this evaluation, we havedeveloped a monocular Visual SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) method, robust to thespecific disturbances of underwater environments. Then, we propose an extension of this method totightly integrate the measurements of a pressure sensor and an IMU in the SLAM algorithm. The finalmethod provides a very accurate localization and runs in real-time. In addition, an online dense 3Dreconstruction module, compliant with a monocular setup, is also proposed. Two lightweight and compactprototypes of this system have been designed and used to record datasets that have been publiclyreleased. Furthermore, these prototypes have been successfully used to test and validate the proposedlocalization and mapping algorithms in real-case scenarios

Les applications sous-marines actuelles exigent la réalisation de travaux de différentes natures dans des zones de plus en plus vastes et toujours plus profondes. La conception et l'utilisation de flottilles d'AUV dans ce contexte est un véritable challenge. Les bénéfices attendus sontmultiples. Premièrement, cela doit permettre de minimiser les coûts grâce à une répartition de ceux-ci sur l'ensemble de la flottille : la perte d'un AUV ou son mauvais fonctionnement ne remettront pas en cause l'intégralité de la mission. Deuxièmement, l'utilisation d'une flottilledoit de fait permettre de réduire le temps d'exécution d'une mission grâce à la parallélisation de certaines tâches. Enfin, la réalisation d'une mission par une flottille permet de conserver le caractère spécialisé des AUV et donc d'envisager plus facilement leur réutilisation dansd'autres contextes. Cependant, les approches de coopération multi-AUV existantes sont limitées par deux principaux verrous : (1) le nombre de communications induit et (2) la gestion de l'hétérogénéité potentielle d'une flottille.L'approche que nous proposons vise à répondre à ces problématiques.L'idée principale est de combiner une approche de coopération réactive avec une approche organisationnelle. L'approche de coopération réactive permet l'échange des signaux de communication très simples. Cependant, elle ne permet de résoudre que des problèmes de coopération de nature assez restreinte qui concernent essentiellement la coordination spatiale de véhicules homogènes. La première contribution de cette thèse est l'extension de l'approche satisfaction-altruisme. Un nouveau mécanisme décisionnel réactif, capable de considérer des actions coopératives de diverses natures, est proposé. La deuxième contribution consiste à spécifier les contextes d'interactions réactives à l'aide d'une approche organisationnelle. Le modèle organisationnel Agent/Groupe/Rôle est utilisé pour avoir une représentation explicite de l'organisation de la flottille. Les concepts de groupe, mais surtout de rôle, sont employés dans l'adressage des signaux de communication et permettent la mise en oeuvre d'interactions hétérogènes avec une grande modularité. L'ensemble est intégré dans une nouvelle architecture logicielle, appelée REMORAS, destinée à équiper des véhicules sous-marins autonomes. Une validation de la faisabilité de notre approche est proposée à l'aide d'une simulation de plusieurs scénarios mettant en jeu des AUV hétérogènes
Underwater marine applications are nowadays branching into various fields covering larger and deeper zones. Performing the required tasks with the aid of AUV flotillas is a real challenge. However, the advantages of using such a new technology are numerous. Firstly, this would highly reduce the cost of the mission thanks to the distribution of this former among the various AUV: the loss of one AUV or its bad functioning will not degrade the performance of the flotilla in general. Secondly, the use of a flotilla reduces the execution time of a mission given the parallelization of certain tasks. Finally, any mission can be accomplished by the flotilla by taking into consideration the specificity of each AUV. In fact, each of these vehicles holds different characteristics rendering the global architecture heterogeneous and therefore applicable in different contexts. However, the methods concerned with multi-AUV cooperation are hindered by two main limitations: (1) the number of communications induced and (2) the management of the heterogeneity in the flotilla.The proposed approach aims at responding to these challenges. The principal idea is to combine this reactive cooperational approach with an organizational one. The reactive cooperational approach allows the exchange of simple communication signals. However, it does not help in solving the problems of cooperation that are very constrained and that mainly concern the spatial coordination of homogeneous vehicles. The first contribution in this thesis is the extension of the satisfaction-altruism approach. A new reactive decisional mechanism capable of considering the cooperative actions of various natures is proposed. The second contribution consists in specifying the context of reactive interactions based on an organizational approach. The organizational model Agent/Group/Role is used in order to have an explicit representation of the flotilla. The concepts of "group" and especially "role" are used in the attribution of the communication signals allowing the accomplishment of heterogeneous interactions with a big modularity. A new concept is therefore born and is integrated in a new software architecture called REMORA intended to equip autonomous underwater vehicles. This proposed new method has been validated through various numerical simulations in different scenarios putting at stake heterogeneous AUV

La vérification de la sûreté de fonctionnement des systèmes robotiques est une question fondamentale pour le développement de la robotique. Elle consiste, par exemple, à vérifier qu’une loi de commande d’un robot respectera toujours un ensemble de contraintes. Plus généralement, nous nous intéresserons ici à la vérification des propriétés de systèmes dynamiques, ces derniers permettant de modéliser l’évolution d’un robot. La contribution principale de cette thèse est d’apporter un nouveau moyen d’encadrer les ensembles invariants de systèmes dynamiques. Pour cela, un nouveau domaine abstrait, les mazes, et de nouveaux algorithmes sont présentés. Il est également montré, au travers de nombreux exemples, comment des problèmes classiques de validation peuvent être ramenés à un problème d’encadrement d’ensembles invariants. Enfin, les résultats sont étendus à l’encadrement des noyaux de viabilités.Cette thèse s’appuie également sur une application en robotique sous-marine. L’idée principale est d’utiliser les courants marins pour qu’un robot sous-marin puisse parcourir avec efficience de grandes distances. Un nouveau type de robot autonome bas coûts a été développé pour ce type de mission. Ce nouveau flotteur profileur hybride est capable de se réguler en profondeur grâce à une nouvelle loi de régulation, mais également de corriger sa trajectoire à l’aide de propulseurs auxiliaires. Ils permettent au robot de choisir la bonne veine de courant à emprunter.Les outils de validations précédemment introduits sont utilisés pour valider la sûreté du robot et de la mission. Des expérimentations en conditions réelles ont également permis de valider le prototype
The proof of safety of robotic systems is afundamental issue for the development of robotics. Itconsists, for instance, in verifying that a robot controllaw will always satisfy a set of constraints. More gen-erally, we will be interested here in the verificationof the properties of dynamical systems that allow tomodel the evolution of a robot.The main contribution of this thesis is to providea new way of bracketing invariant sets of dynami-cal systems. To this end, a new abstract domain, themazes, and new algorithms are presented. It is alsoshown, through many examples, how classic valida-tion problems can be translated into a problem ofbracketing invariant sets. Finally, the results are ex-tended to the bracket of viability kernels.This thesis is also based on an application in un-derwater robotics. The main idea is to use oceancurrents so that an underwater robot can efficientlytravel long distances. A new kind of low-cost au-tonomous robot has been developed for this type ofmission. This new hybrid profiling float is able to reg-ulate its depth with a new regulation law, but also tocorrect its trajectory using auxiliary thrusters. Theyallow the robot to choose the right flow of current tobe used. The previously introduced validation toolsare applied to validate the robot and the missionsafety. Experiments in real conditions also enabledthe prototype to be validated

Dans ce travail, l’optimisation de la propulsion et de la commande des AUV (Autonomous Underwater Vehicles en anglais) est développée. Le modèle hydrodynamique de l’AUV est examiné. Egalement, son système de propulsion est étudié et des modèles pour des solutions de propulsion différentes (fixe et vectorielle) sont développés dans le cadre de la mobilité autonome.Le modèle et l’identification de la technologie de propulsion dite fixe sont basés sur un propulseur disponible commercialement. Le système de propulsion vectoriel est basé sur un prototype de propulseur magneto-couplé reconfigurable (PMCR) développé à l’IRDL-ENIB.Une méthode de commande non linéaire utilisant le modèle hydrodynamique de l’AUV est développée et son adaptation à deux systèmes de propulsion est présentée. Des analyses portant sur la commandabilité du robot et l’application de cette commande à différents systèmes sont proposées. L’optimisation globale est utilisée pour trouver des topologies propulsives et des paramètres de commande adaptés à la réalisation de tâches robotiques spécifiques. L’optimisation réalisée permet de trouver des solutions capables d’assurer le suivi de trajectoire et de minimiser la consommation énergétique du robot. L’optimisation utilise un algorithme génétique (algorithme évolutionnaire), une méthode d’optimisation stochastique appliquée ici à la conception orientée tâche de l’AUV. Les résultats de cette optimisation peuvent être utilisés comme une étape préliminaire dans la conception des AUVs, afin de donner des pistes pour améliorer les capacités de la propulsion.La technique d’optimisation est également appliquée au robot RSM (fabriqué au sein de l’IRDL-ENIB) en modifiant seulement quelques paramètres de sa topologie propulsive. Cela afin d’obtenir des configurations de propulsion adaptées au cours d’une seule et même mission aux spécificités locomotrices des tâches rencontrées : reconfiguration dynamique de la propulsion de l’AUV
In this PhD thesis, the optimization of the propulsion and control of AUVs is developed. The hydrodynamic model of the AUVs is examined. Additionally, AUV propulsion topologies are studied and models for fixed and vectorial technology are developed. The fixed technology model is based on an off the shelf device, while the modeled vectorial propulsive system is based on a magnetic coupling thruster prototype developed in IRDL (Institut de Recherche Dupuy de Lôme) at ENI Brest. A control method using the hydrodynamic model is studied, its adaptation to two AUV topologies is presented and considerations about its applicability will be discussed. The optimization is used to find suitable propulsive topologies and control parameters in order to execute given robotic tasks, speeding up the convergence and minimizing the energy consumption. This is done using a genetic algorithm, which is a stochastic optimization method used for task-based design.The results of the optimization can be used as a preliminary stage in the design process of an AUV, giving ideas for enhanced propulsive configurations. The optimization technique is also applied to an IRDL existing robot, modifying only some of the propulsive topology parameters in order to readily adapt it to different tasks, making the AUV dynamically reconfigurable

Les robots sous-marins peuvent aujourd'hui évoluer dans des environnements complexes difficilement accessibles à l'Homme pour des raisons de coût ou de sécurité. Ils peuvent donc intervenir dans une grande variété de missions en environnement aquatique. Or, la complexité de ces milieux impose de doter le vecteur robotique d'une autonomie opérationnelle suffisante afin qu'il puisse mener sa mission à bien tout en préservant son intégrité. Cela nécessite de développer des lois de commande répondant aux spécificités de l'application. Ces lois de commande se basent sur des connaissances provenant de différentes disciplines scientifiques ce qui souligne l'interdisciplinarité inhérente à la robotique. Une fois la loi de commande développée, il faut implémenter le contrôleur sur le robot sous forme de logiciel de contrôle basé sur une architecture logicielle temps-réel.Or la conception actuelle des lois de commande, sous forme de blocs "monolithiques", rend difficile l'évolution d'une loi de commande d'une application à l'autre, l'intégration de connaissances provenant d'autres disciplines scientifiques que ne maitrisent pas forcément les automaticiens et pénalisent son implémentation sur des architectures logicielles qui nécessitent la modularité. Pour résoudre ces problèmes nous cherchons à proprement séparer les différentes connaissances afin que chacune soit aisément manipulable, son rôle clair et que les relations établies entre les différentes connaissances soient explicites. Cela permettra en outre une projection plus efficace sur l'architecture logicielle. Nous proposons donc un nouveau formalisme de description des lois de commande selon une composition modulaire d'entités de base appelées Atomes et qui encapsulent les différents éléments de connaissance. Nous nous intéressons également à l'établissement d'une meilleure synergie entre les aspects automatique et génie logiciel qui se construit autour de préoccupations communes telles que les contraintes temporelles et la stabilité. Pour cela, nous enrichissons nos Atomes de contraintes chargées de véhiculer les informations relatives à ces aspects temporels. Nous proposons également une méthodologie basée sur notre formalisme afin de guider l'implémentation de nos stratégies de commande sur un Middleware temps-réel, dans notre cas le Middleware ContrACT développé au LIRMM.Nous illustrons notre approche par diverses fonctionnalités devant être mises en oeuvre lors de missions d'exploration de l'environnement aquatique et notamment pour l'évitement de parois lors de l'exploration d'un aquifère karstique
Underwater robots can nowadays operate in complex environments in a broad scope of missions where the use of human divers is difficult for cost or safety reasons. However the complexity of aquatic environments requires to give the robotic vector an autonomy sufficient to perform its mission while preserving its integrity. This requires to design control laws according to application requirements. They are built on knowledge from several scientific fields, underlining the interdisciplinarity inherent to robotics. Once the control law designed, it must be implemented as a control Software working on a real-time Software architecture.Nonetheless the current conception of control laws, as "monolithic" blocks, makes difficult the adaptation of a control from an application to another and the integration of knowledge from various scientific fields which are often not fully understood by control engineers. It also penalizes the implementation of control on Software architectures, at least its modularity and evolution. To solve those problems we seek a proper separation of knowledge so that each knowledge item can be easily used, its role precisely defined and we want to reify the interactions between them. Moreover this will allow us a more efficient projection on the Software architecture. We thus propose a new formalism for control laws description as a modular composition of basic entities named Atoms used to encapsulate the knowledge items.We also aim at building a better synergy between control and software engineering based on shared concerns such as temporal constraints and stability. Hence we extend the definition of our Atoms with constraints carrying information related to their temporal behaviour. We propose as well a methodology relying on our formalism to guide the implementation of control on a real-time Middleware. We will focus on the ContrACT Middleware developed at LIRMM.Finally we illustrate our approach on several robotic functionalities that can be used during aquatic environments exploration and especially for wall avoidance during the exploration of a karst aquifer

Le but de cette thèse est de contribuer à la perception sous-marine pour des applications de robotique grâce à un champ électrique. Nous proposons de nouvelles méthodes pour l’inspection, la localisation et l’estimation de forme d’un objet ellipsoïdal en utilisant un capteur inspiré des poissons faiblement électriques. Premièrement, nous montrons que l’objet peut être détecté et que son matériau et sa position par rapport à l’axe du capteur peuvent être discriminés en utilisant de simples détections de seuils sur les courants mesurés. Ensuite, nous proposons l’implémentation successive de trois lois de contrôle réactives permettant au capteur de se diriger vers l’objet et d’effectuer une révolution autour de celui-ci en suivant ses frontières. Puis, nous utilisons l’algorithme MUSIC afin de localiser le centre de l’objet. Enfin, les paramètres géométriques de l’objet et son orientation sont estimés grâce à une méthode d’optimisation basée sur les moindres carrés et sur l’inversion du modèle analytique du tenseur de polarisation d’un objet ellipsoïdal. Nous montrons que ces algorithmes fonctionnent en conditions expérimentales. Pour les algorithmes de localisation et d’estimation de forme, des techniques impliquant des déplacements du capteur sont proposées, afin de réduire significativement les imprécisions dues aux écarts entre le modèle et les mesures de courant
The aim of this thesis is to contribute to the underwater perception for robotics applications using an electric field. We propose new methods for the inspection, the localization and the shape estimation of an ellipsoidal object using a sensor inspired by the weakly electric fish. Firstly, we show that the object can be detected and its material and position relative to the sensor axis discriminated, using simple threshold detections on the measured currents. Then, we propose the successive implementations of three reactive control laws allowing the sensor to head for the object and revolve around it by following its boundaries. After that, we use the MUSIC algorithm in order to localize the object’s center. Finally, the geometrical parameters of the object and its orientation are estimated thanks to an optimization algorithm based on the least squares method and the inversion of the analytical model of the polarization tensor of an ellipsoidal object. We show that these algorithms can be experimentally implemented. For the localization and the shape estimation algorithms, some additional techniques involving sensor movements are proposed in order to significantly reduce the imprecisions due to the gap between the model and the actual currents’ measurements

Originally developed in the 1970s for the optimal control of systems governed by partial differential equations, the adjoint method has found several successful applications, e.g. in meteorology with large-scale 3D or 4D atmospheric data assimilation schemes, for carbon cycle data assimilation in biogeochemistry and climate research, or in oceanographic modelling with efficient adjoint codes of ocean general circulation models.

Despite the variety of applications in these research fields, adjoint methods have only very recently drawn attention from the ocean acoustics community. In ocean acoustic tomography and geoacoustic inversion, where the inverse problem is to recover unknown acoustic properties of the water column and the seabed from acoustic transmission data, the solution approaches are typically based on travel time inversion or standard matched-field processing in combination with metaheuristics for global optimization.

In order to complement the adjoint schemes already in use in meteorology and oceanography with an ocean acoustic component, this thesis is concerned with the development of the adjoint of a full-field acoustic propagation model for shallow water environments.

In view of the increasing importance of global ocean observing systems such as the European Seas Observatory Network, the Arctic Ocean Observing System and Maritime Rapid Environmental Assessment (MREA) systems for defence and security applications, the adjoint of an ocean acoustic propagation model can become an integral part of a coupled oceanographic and acoustic data assimilation scheme in the future.

Given the acoustic pressure field measured on a vertical hydrophone array and a modelled replica field that is calculated for a specific parametrization of the environment, the developed adjoint model backpropagates the mismatch (residual) between the measured and predicted field from the receiver array towards the source.

The backpropagated error field is then converted into an estimate of the exact gradient of the objective function with respect to any of the relevant physical parameters of the environment including the sound speed structure in the water column and densities, compressional/shear sound speeds, and attenuations of the sediment layers and the sub-bottom halfspace. The resulting environmental gradients can be used in combination with gradient descent methods such as conjugate gradient, or Newton-type optimization methods tolocate the error surface minimum via a series of iterations. This is particularly attractive for monitoring slowly varying environments, where the gradient information can be used to track the environmental parameters continuously over time and space.

In shallow water environments, where an accurate treatment of the acoustic interaction with the bottom is of outmost importance for a correct prediction of the sound field, and field data are often recorded on non-fully populated arrays, there is an inherent need for observation over a broad range of frequencies. For this purpose, the adjoint-based approach is generalized for a joint optimization across multiple frequencies and special attention is devoted to regularization methods that incorporate additional information about the desired solution in order to stabilize the optimization process.

Starting with an analytical formulation of the multiple-frequency adjoint approach for parabolic-type approximations, the adjoint method is progressively tailored in the course of the thesis towards a realistic wide-angle parabolic equation propagation model and the treatment of fully nonlocal impedance boundary conditions. A semi-automatic adjoint generation via modular graph approach enables the direct inversion of both the geoacoustic parameters embedded in the discrete nonlocal boundary condition and the acoustic properties of the water column. Several case studies based on environmental data obtained in Mediterranean shallow waters are used in the thesis to assess the capabilities of adjoint-based acoustic inversion for different experimental configurations, particularly taking into account sparse array geometries and partial depth coverage of the water column. The numerical implementation of the approach is found to be robust, provided that the initial guesses are not too far from the desired solution, and accurate, and converges in a small number of iterations. During the multi-frequency optimization process, the evolution of the control parameters displays a parameter hierarchy which clearly relates to the relative sensitivity of the acoustic pressure field to the physical parameters.

The actual validation of the adjoint-generated environmental gradients for acoustic monitoring of a shallow water environment is based on acoustic and oceanographic data from the Yellow Shark '94 and the MREA '07 sea trials, conducted in the Tyrrhenian Sea, south of the island of Elba.

Starting from an initial guess of the environmental control parameters, either obtained through acoustic inversion with global search or supported by archival in-situ data, the adjoint method provides an efficient means to adjust local changes with a couple of iterations and monitor the environmental properties over a series of inversions.

In this thesis the adjoint-based approach is used, e.g. to fine-tune up to eight bottom geoacoustic parameters of a shallow-water environment and to track the time-varying sound speed profile in the water column.

In the same way the approach can be extended to track the spatial water column and bottom structure using a mobile network of sparse arrays.

Work is currently being focused on the inclusion of the adjoint approach into hybrid optimization schemes or ensemble predictions, as an essential building block in a combined ocean acoustic data assimilation framework and the subsequent validation of the acoustic monitoring capabilities with long-term experimental data in shallow water environments.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished

abstract: The need for incorporating game engines into robotics tools becomes increasingly crucial as their graphics continue to become more photorealistic. This thesis presents a simulation framework, referred to as OpenUAV, that addresses cloud simulation and photorealism challenges in academic and research goals. In this work, OpenUAV is used to create a simulation of an autonomous underwater vehicle (AUV) closely following a moving autonomous surface vehicle (ASV) in an underwater coral reef environment. It incorporates the Unity3D game engine and the robotics software Gazebo to take advantage of Unity3D's perception and Gazebo's physics simulation. The software is developed as a containerized solution that is deployable on cloud and on-premise systems. This method of utilizing Gazebo's physics and Unity3D perception is evaluated for a team of marine vehicles (an AUV and an ASV) in a coral reef environment. A coordinated navigation and localization module is presented that allows the AUV to follow the path of the ASV. A fiducial marker underneath the ASV facilitates pose estimation of the AUV, and the pose estimates are filtered using the known dynamical system model of both vehicles for better localization. This thesis also investigates different fiducial markers and their detection rates in this Unity3D underwater environment. The limitations and capabilities of this Unity3D perception and Gazebo physics approach are examined.
Dissertation/Thesis
Masters Thesis Computer Science 2020

This thesis explores a game-theoretical approach for underwater environmental monitoring applications. We first apply game-theoretical algorithm to multi-agent resource coverage problem in drifting environments. Furthermore, existing utility design and learning process of the algorithm are modified to fit specific constraints of underwater exploration/monitoring tasks. The revised approach can take the real scenario of underwater monitoring applications such as the effect of sea current, previous knowledge of the resource and occasional communications between agents into account, and adapt to them to reach better performance. As the motivation of this thesis is from real applications, in this work we emphasize highly on implementation phase. A ROS-Gazebo simulation environment was created for preparation of actual tests. The algorithms are implemented in simulating both the dynamics of vehicles and the environment. After that, a multi-agent underwater autonomous robotic system was developed for hardware test in real settings with local controllers to make their own decisions. These systems are used for testing above mentioned algorithms and future development of other underwater projects. After that, other works related to robotics during this thesis will be briefly mentioned, including contributions in MBZIRC robotics competition and distributed control of UAVs in an adversarial environment.

Η σύγχρονη υφαλοκρηπίδα διατηρεί πολύτιμα αρχεία καταγραφής της ανθρώπινης ιστορίας, ως συνέπεια της επίκλυσης της θάλασσας σε μεγάλο τμήμα της χέρσου μετά το τέλος της τελευταίας παγετωνικής περιόδου. Επιπλέον, ο θαλάσσιος πυθμένας βρίθει ενδείξεων για τις ναυτικές δραστηριότητες του παρελθόντος, συχνά σε βάθη που ξεπερνούν το ανώτατο όριο αυτόνομης κατάδυσης. Οι θαλάσσιες γεωφυσικές μέθοδοι εφαρμόζονται με επιτυχία στην ενάλια αρχαιολογία, καταργώντας τους περιορισμούς και απλοποιώντας σημαντικά τις συμβατικές μεθόδους υποβρύχιας έρευνας. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται στον ακριβή εντοπισμό σε οποιοδήποτε βάθος και στη λεπτομερή χαρτογράφηση σε σύντομο χρονικό διάστημα (α) αρχαίων ναυαγίων και (β) καταβυθισμένων ανθρωπογενών κατασκευών και παλαιοακτών στην επιφάνεια του πυθμένα ή θαμμένων κάτω από χαλαρά ιζήματα. Μέσω αυτών επιτυγχάνεται η παλαιογεωγραφική ανάπλαση παράκτιων περιοχών. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα προκαταρκτικά αποτελέσματα της θαλάσσιας γεωφυσικής έρευνας που πραγματοποίησε το 2012 το Ε.ΘΑ.ΓΕ.Φ.Ω. του Πανεπιστημίου Πατρών στον κόλπο Caska της νήσου Pag στην Κροατία, με τη χρήση τομογράφου υποδομής πυθμένα 3.5kHz υψηλής διακριτικής ικανότητας και ηχοβολιστή πλευρικής σάρωσης E.G&G 272TD διπλής συχνότητας (100 & 500 kHz), στο πλαίσιο του γεω-αρχαιολογικού ερευνητικού προγράμματος “Cissa Antiqua” που διεξάγει το Πανεπιστήμιο του Zadar σε συνεργασία με το Centre Camille Jullian (CNRS). Στις σεισμικές τομογραφίες αναγνωρίστηκαν τρεις σεισμικές ενότητες πρόσφατων ιζημάτων πάχους 12μ. που επικάθονται στο ήπια πτυχωμένο γεωλογικό υπόβαθρο. Σύμφωνα με τη σεισμική στρωματογραφία και τη σύγχρονη παράκτια γεωμορφολογία της περιοχής, προτείνεται η ύπαρξη συνθηκών απόθεσης γλυκού και υφάλμυρου νερού πριν από τη σταδιακή επίκλυση της θάλασσας στον κόλπο της Caska κατά το Ολόκαινο. Επιπλέον, τα τελευταία 2.000 χρόνια διαπιστώνεται στην περιοχή μια επεισοδιακή συν-σεισμική καταβύθιση. Τέλος, η ταξινόμηση με το λογισμικό TargAn και η στατιστική ανάλυση των στόχων που αναγνωρίστηκαν στην επιφάνεια του πυθμένα, ανέδειξε έξι στόχους πιθανού αρχαιολογικού ενδιαφέροντος που προτείνονται για οπτική επαλήθευση.
Marine geophysical techniques can be successfully applied to underwater archaeology, speeding up survey and making it possible to detect features of archaeological interest lying on the seafloor or embedded in sediments even beyond conventional diving limits. There are two general approaches regarding the application of these techniques in underwater archaeology: they are being used to identify, locate and map (a) ancient shipwrecks and (b) submerged sites of archaeological interest (ancient settlements, ports, man-made structures and palaeo-shorelines), thus enabling the palaeogeographic reconstruction of coastal areas. The applicability of marine remote sensing techniques in underwater archaeology is high-lighted through the current study case. In the framework of the geo-archaeological research project “Cissa Antiqua”, directed by the University of Zadar and Centre Camille Jullian (CNRS) a detailed marine remote sensing survey was carried out by the Laboratory of Marine Geology and Physical Oceanography of the University of Patras in Caska bay, Pag island, Croatia. The data collected by high resolution 3.5kHz subbottom profiling and towed E.G&G dual frequency (100 & 500kHz) side-scan sonar system have been analysed for the objectives of this study. According to the 3.5kHz profiles, the upper 12m of sediments consist of three distinct seismic sequences overlapping the gentle folded acoustic basement. The results of the seismic data in correlation to the present coastal geomorphology of the area suggest that these sequences correspond to phases of inundation by brackish water, before sea-water flooded the gulf, as consequence of the rapid sea-level rise of the Holocene. Furthermore, archaeological and geological data of the area suggest an episodical co-seismic submergence during the last 2 kyrs. The side-scan sonar survey revealed a large number of targets lying on the seafloor. Six of them have been selected by TargaAn software as targets of potential archaeological interest.