This thesis deals with a localization method for autonomous intervention systems that autonomously perform underwater intervention tasks. This method uses image information from optical and acoustic camera to provide high-precision localization information necessary for the intervention systems to maneuver near the intervention environment and perform the precision manipulation on target structures.
The thesis proposes three localization techniques according to the configuration of the mounted sensors of the intervention systems. First of all, a localization method using optical images for the intervention system is introduced. This method estimates relative pose of six degree of freedom through visual referencing of the object of interest in a single optical image. The method considered edge features for robust visual referencing in underwater images, which use three-dimensional wire-frame model for the intervention environment. In addition, a localization method using acoustic images for the intervention system is proposed. For a single acoustic image, the thesis sets the localization problem as an optimization problem to find a six-degree of freedom pose hypothesis that produces the most similar acoustic image in the acoustic camera simulator. To determine initial inputs for the optimization problem, the thesis proposes an image nearest neighbor search that determines a pose hypothesis as an initial localization from image-pose hypothesis group generated in advance using the acoustic camera simulator for a space of interest. In this regard, this thesis describes a method of constructing the acoustic camera simulator that efficiently generates simulated acoustic images. This thesis proposes a strategy for effectively estimating relative poses using optical and acoustic images in consideration of the operating and measurement characteristics of the optical and acoustic camera. This strategy combines two localization methods, which estimates the relative pose using acoustic images as the main information and selectively uses the optical images according to the quality of the underwater image.
This thesis describes how to build an efficient localization system using a filter algorithm by fusing underwater navigation sensor information and the localization information from each localization technique. Finally, the thesis looks at the performance and usefulness of the proposed techniques through simulation and experimental verification and discuss the results.
본 학위논문은 수중 작업 시스템을 위한 위치 추정 방법을 제안한다. 이 위치추정 기법은 광학 및 음파 카메라의 영상 정보를 이용하여 수중 작업 시스템이 수중 작업 공간에서 유영하고 정밀한 기구 조작을 수행하는데 필요한 높은 정밀도의 위치정보를 제공한다.
본 학위논문은 수중 작업 시스템의 탑재 센서 구성에 따라 세 가지 위치추정 기법을 제안한다. 먼저, 수중 작업 시스템을 위한 광학 영상을 이용한 위치추정 전략이 소개된다. 이 위치추정은 한 광학 영상에서 참조 대상 물체의 시각 참조를 통해 6자유도 상대위치 정보를 추정한다. 이 기법은 수중 광학 영상에서 강인한 시각 참조를 위해 가장자리 특징점을 고려하였고, 이를 위해 수중 작업 공간에 대한 3차원 도면 정보를 이용한다. 그리고 수중 작업 시스템을 위한 음파 영상을 이용한 위치추정 방법이 제안된다. 본 학위논문은 한 입력 음파 영상에 대한 위치추정 문제를 음파 카메라 시뮬레이터에서 가장 비슷한 음파 영상을 생성하는 위치 가설을 찾는 최적화 문제로 설정한다. 이 최적화 문제는 초기 위치정보를 요구하는데, 본 학위논문은 관심 공간에 대하여 음파 카메라 시뮬레이터를 이용해 미리 생성한 영상 및 위치 가설에서 영상 기반 최근접 이웃 검색을 이용해 찾은 한 위치 가설을 초기 위치정보로 결정하는 방법을 제안한다. 이와 관련하여, 본 학위논문은 효율적으로 음파 영상을 생성하는 음파 카메라 시뮬레이터 구축 방법을 설명한다. 그리고 본 학위논문은 광학 카메라와 음파 카메라의 운용 특성과 계측 특성을 감안해 광학 및 음파 영상을 이용해 효과적으로 위치 정보를 추정하는 전략을 제안한다. 이 위치추정은 광학 영상을 이용한 위치추정 그리고 음파 영상을 이용한 위치추정 기법을 통합한 것으로 음파 영상을 주 정보로 이용해 위치정보를 추정하고 수중 광학 영상의 품질에 따라 광학 영상을 선택적으로 이용한다.
본 학위논문은 필터 알고리즘을 이용해 각 위치추정 기법에서 추정된 위치정보와 수중 항법센서 정보를 융합하여 효율적인 위치추정시스템을 구축하는 방법을 설명한다. 마지막으로 본 학위논문은 제안된 기법들의 성능과 유용성을 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 보이고 그 의미를 고찰한다.
