El escenario descripto en esta Hipótesis de Trabajo es la conceptualización de una de las aplicaciones más actuales y crecientes en importancia en el campo de la Robótica Subacuática que atañe al seguimiento de ductos con fines de inspección y mantenimiento mediante submarinos no-tripulados [12,47,48].
La creación de los primeros submarinos autónomos (AUVs) comienza hace casi 50 años a un nivel experimental y en un estadío muy primario en comparación a las ca- pacidades encontradas en los desarrollos actuales [32]. Muchos de ellos están protegidos bajo patente y nacen de proyectos disparadores del tipo denominado "spin-offs"para su comercialización inmediata. En muchos casos actuales, y pese a su protección de patente, sólo es posible avizorar sus mecanismos de funcionamiento a través de sus habilidades especificadas en la unidad comercial. Por ello, frente a tal sofisticación y grado de protec- ción, resulta en muchos casos difícil determinar por comparación de resultados inéditos e incluso identificar la metodología para obtenerlos. Un punto de referencia significativo en el análisis del estado del arte lo constituye la sofisticación de habilidades de un AUV para
1.5. Estado del Arte y Originalidad 5 resolver problemas complejos, en los cuales, más allá de los avances tecnológicos, subyace el desarrollo de una teoría sólida en los sistemas de control para sistemas con dinámica incierta y perturbada, sobre todo a través de razonamiento difuso e inteligente.
El problema del seguimiento de ductos y cables submarinos tiene un destacado in- terés actual en el que se manifiestan los grandes desarrollos tecnológicos de unidades prototípicas con intención comercial en serie aunque aún en una etapa experimental de gran sofisticación [44]. Aún cuando la demanda es muy significativa, el mercado es tan estrecho y selecto que se resume a poco más de 10 proveedores mundiales. Así se destacan entre ellos los grandes consorcios entre empresas y universidades con proyectos "spin-offs", que convergen al desarrollo de unidades experimentales. Los elementos indispensables en las aplicaciones están dados fundamentalmente por el uso de sonares y magnetómetros para detección de fondo y línea.
Usualmente la guía y el control de un vehículo AUV provee las trayectorias de refe- rencias y acciones de control respectivamente, las cuales están construidas a partir de un sistema de navegación. La literatura es vasta en innovaciones de diseños de controladores y sistemas de supervisión, véase por ejemplo los adelantos descriptos en [12] y en particular una clase prometedora de control adaptivo en vehículos subacuáticos [17]. Al adoptar sistemas de visión bajo el agua, se debe lidiar con problemas latentes de pobre visibilidad debido a la turbidez por lluvia de partículas biológicas o las perturbaciones de la luz solar infiltrada en aguas relativamente poco profundas sobre el lecho, conocida como ondas cáusticas en concordancia con el movimiento del agua en la superficie [35]. Partiendo de estos escenarios, los controles basados en visión entran en consideración dentro de la aplicación cuando la altitud del submarino al fondo es relativamente moderada (menor a 20mts). Esta especificación impone habilidades particulares al sistema de control para poder evitar posibles obstáculos y a su vez imprimir altas velocidades crucero para un objetivo de seguimiento. En las aplicaciones de seguimiento de línea mediante sonares, el sensor de visión aparece como segunda alternativa [11,36]. Una combinación de técnicas de reconocimiento de patrones y flujo óptico es una manera divulgada en sensores de visión para la estimación de posición y velocidad absolutas [4,42,46]. Otras dificultades que se originan del escenario borroso es el de las estimas inciertas a través de las imágenes que, de no tratarse explícitamente dentro del sistema de control como incertidumbres de
6 Capítulo 1. Introducción
sensor, pueden ocasionar inestabilidad o caída de performance en la navegación [8]. En la literatura existente el sensor de visión queda por ahora rezagado a un segundo plano por ser la presencia del elemento sonar más conveniente para distancias más sig- nificativas entre el submarino el ducto. Estas distancias podrían acortarse dentro de los límites de seguridad anticolisión para muestrear la línea con una cámara aprovechando el flujo mucho más elevado de información. Para ello las exigencias en la performance de control deberían ser más eficientes para sortear obstáculos en forma segura.
Estos planteos preliminares que se juzgan a través de la bibliografía ayudan a consolidar la Hipótesis de Trabajo. A juzgar por los sondeos bibliográficos más actuales que se obtienen de los congresos internacionales más destacados en la actualidad, este enfoque y esta Hipótesis de Trabajo son considerados originales.
1.6. Metodología
La metodología empleada para la investigación en la Tesis consistió en el estudio biblio- gráfico existente, el desarrollo de las ideas propias enmarcadas en la hipótesis de trabajo y en el estado del arte con la justificación formal necesaria en la teoría, la simulación como herramienta primaria de desarrollo, el diseño y la creación de infraestructura para expe- rimentos y finalmente la obtención de resultados experimentales que verifican la Hipótesis de Trabajo.
1.7. Contenido
La descripción de la Tesis está organizada en ocho capítulos. Tras esta introducción, se presenta el modelo dinámico general de un vehículo subacuático, y luego se describe el modelo correspondiente a un vehículo experimental construido durante la Tesis. A continuación se aborda el problema del modelo matemático de cámara para visión y la vinculación métrica de una imagen 2D a espacios tridimensionales de una manera general y luego se particulariza al campo de la Robótica Subacuática.
Posteriormente se describe el escenario de seguimiento de una línea con patrones uni- formes a lo largo de ella, en donde se generan errores de apartamiento y orientación del vehículo respecto a la línea visualizada. En el siguiente capítulo se encara la estimación
1.7. Contenido 7 de la cinemática del vehículo calculada a través del movimiento de imagen. Tanto la esti- mación de posición relativa del vehículo como la de velocidad absoluta son verificadas con numerosos experimentos de campo con un vehículo experimental desarrollado durante y para esta Tesis.
Luego el diseño de sistemas de control por visión es tratado en la sección final, analizan- do tanto controladores basados en modelo de cámara y dinámico del submarino, como un controlador fundado únicamente en visión. Se comparan todas las propiedades del control a través de análisis de performance y estabilidad de los distintos desarrollos. Se verifican tanto por simulación como experimentalmente en ensayos dedicados de seguimiento de línea con submarino prototipo. Las conclusiones y el análisis de trabajos afines a esta investigación finalizan esta Tesis.