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Type: Dissertação
Title: Underwater simulation and mapping using imaging sonar through ray theory and Hilbert maps
Author(s)/Inventor(s): Soares, Eduardo Elael de Melo
Advisor: Costa, Ramon Romankevicius
Abstract: O mapeamento, às vezes como parte de um sistema SLAM, é um tema de pesquisa ativo e tem soluções notáveis usando scanners a laser, mas a maioria do mapeamento subaquático é focada em mapas 2D, que tratam o ambiente como uma planta, ou mapas 2.5D do fundo do mar. A razão para a dificuldade do mapeamento subaquático origina-se no seu sensor, i.e. sonares. Em contraste com lasers (LIDARs), os sonares são sensores imprecisos e com alto nível de ruído. Além do seu ruído, os sonares do tipo imaging têm um feixe sonoro muito amplo e, com isso, efetuam uma medição volumétrica, ou seja, sobre todo um volume. Na primeira parte dessa dissertação se desenvolve um simulador para sonares do tipo imaging de feixo único de alta frequência capaz de replicar os efeitos típicos de multicaminho, ganho direcional e ruído de fundo em ambientes arbitrários. O simulador implementa um método baseado na teoria geométrica de raios, com todo seu desenvolvimento partindo da acústica subaquática. Na segunda parte dessa dissertação, o simulador é incorporado em um algoritmo de reconstrução de mapas contínuos baseado em Hilbert Maps. Hilbert Maps surge como uma técnica de aprendizado de máquina sobre espaços de Hilbert, usando mapas de características, aplicadas ao contexto de mapeamento. A incorporação de uma resposta de sonar em um tal mapa é uma contribuição desse trabalho. Uma comparação qualitativa entre o ambiente de referência fornecido ao simulador e o mapa reconstruído pela técnica proposta, revela Hilbert Maps como uma técnica promissora para mapeamento atráves de sensores ruidosos e, também, aponta para algumas características do ambiente difíceis de se distinguir, e.g. cantos e regiões não suaves.
Abstract: Mapping, sometimes as part of a SLAM system, is an active topic of research and has remarkable solutions using laser scanners, but most of the underwater mapping is focused on 2D maps, treating the environment as a floor plant, or on 2.5D maps of the seafloor. The reason for the problematic of underwater mapping originates in its sensor, i.e. sonars. In contrast to lasers (LIDARs), sonars are unprecise high-noise sensors. Besides its noise, imaging sonars have a wide sound beam effectuating a volumetric measurement. The first part of this dissertation develops an underwater simulator for highfrequency single-beam imaging sonars capable of replicating multipath, directional gain and typical noise effects on arbitrary environments. The simulation relies on a ray theory based method and explanations of how this theory follows from first principles under short-wavelegnth assumption are provided. In the second part of this dissertation, the simulator is combined to a continous map algorithm based on Hilbert Maps. Hilbert maps arise as a machine learning technique over Hilbert spaces, using features maps, applied to the mapping context. The embedding of a sonar response in such a map is a contribution. A qualitative comparison between the simulator ground truth and the reconstucted map reveal Hilbert maps as a promising technique to noisy sensor mapping and, also, indicates some hard to distinguish characteristics of the surroundings, e.g. corners and non smooth features.
Keywords: Engenharia elétrica
Mapeamento 3D
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Mar-2017
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Appears in Collections:Engenharia Elétrica

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