Новина від 11.08.2022

Автоматичне калібрування офсетів багатопроменевого ехолота

Джуліан Ле Деунф, Мішель Легріс, Джордан Макманус (стаття в Hydro International від 29 вересня 2020 р.

Новий спосіб моніторингу ваших даних

В даний час калібрування багатопроменевих ехолотів (БПЕ) для гідрографічних зйомок засноване на традиційному методі «патч-тесту». Цей суб'єктивний метод, хоч і суворий, має серйозні недоліки, такі як трудомісткість (як збір даних, так і обробка) та припущення, що потенційні кутові зсуви можна розглядати як незв'язані. Нове алгоритмічне рішення, яке забезпечує об'єктивний та відтворюваний перший крок до автоматизації процесу калібрування, пропонується у вирішенні MSPAC.

Гідрографія необхідна для багатьох видів морської діяльності:

• Забезпечення навігаційної безпеки морських карт та днопоглиблювальних робіт.
• Отримання точних відомостей про навколишнє середовище для морських установок та днопоглиблювальних робіт.
• Моделювання морського дна для розвідки морської енергетики.

В останні роки технологія багатопроменевого ехолота швидко розвивалася (багаточастотність, багатосмугова, компенсація в реальному часі і т.д.), що призвело до значного поліпшення просторової розподільної здатності та охоплення дна. Щоб максимізувати вигоди від цих покращень, необхідно провести ретельне калібрування системи зйомки, але після робіт, проведених у 1980-х та 1990-х роках, які призвели до створення добре відомого методу патч-тесту, цьому питанню приділялася обмежена увага. Тому настав час рухатися вперед.

	Мал. 1: Зліва: вид зверху на дві протилежні лінії та праворуч: ефект кута відхилення поперечного крену на дві протилежні лінії на плоскому морському дні

Класичний патч-тест
Патч-тест поділяє три кути відхилення шляхом зйомки характерних областей за певною схемою. Для визначення кута поперечного нахилу плоске дно досліджується у протилежних напрямках. Для визначення поздовжнього крену зйомка ухилу або конкретної особливості морського дна здійснюється у протилежних напрямках. Ефект нишпорення класично визначається шляхом визначення мети над плоским дном і її зйомки з двох паралельних і перекриваються маршрутів, що йдуть в одному напрямку. Як приклад на Мал. 1 показано конфігурацію, необхідну для визначення кутів відхилення поперечного крену.

Хоча цей метод є особливо ефективним, він має ряд недоліків, таких як:

• Потрібне попереднє знання району зйомки.
• Очікується дуже точне горизонтальне позиціонування.
• Оцінка кута відхилення залежить від оператора (ручна обробка даних та коригування морфології).
• Роздільна оцінка точності кутів не проводиться.
• Розділено лише кути; плечі важеля (або лінійні офсети датчиків у системі координат судна) вважаються правильними.
• Затримка між IMU та БПЕ не усунена.

Рішення MSPAC

Щоб усунути деякі з цих недоліків, CIDCO (Центр досліджень та розробок у галузі картографування узбережжя та океану, Канада), SHOM (Гідрографічний офіс Франції) та ENSTA Bretagne (Інженерна школа, Франція) нещодавно розробили нову процедуру калібрування. Метою є нова надійна та об'єктивна методологія, яка забезпечує рішення для кутів відхилення, а також оцінки затримки передачі даних та плечей важеля на основі спеціальної процедури вибору даних для надійної моделі плоского вирівнювання методом найменших квадратів. Це рішення також заощаджує час при зборі та обробці даних. На Мал. 2 показано класичне рівняння просторової прив'язки батиметричних даних, а також величини, які MSPAC (Multibeam System Parameters Automatic Calibration - автоматичне калібрування параметрів багатопроменевої системи) вирішує за допомогою трьох підмодулів: MIBAC ( Multibeam IMU Boresight Automatic Calibration - автоматичне калібрування кутів відхилення між МЛЕ та IMU), LAAC (Lever Arms Automatic Calibration - автоматичне калібрування плечей важелів) та MILAC (Multibeam IMU Latency Automatic - автоматичне калібрування затримки між МЛЕ та IMU).

	Мал. 2: Рівняння географічної прив'язки для батиметричних даних та програмного пакету MSPAC

Результати та розподіл

Результати цих алгоритмів детально представлені у статтях [2] та [3]. Приклад вибору даних, зробленого MIBAC, показано на Рис. 3. На цьому малюнку морське дно моделюється як сітка елементів поверхні. До кожного елемента розраховується критерій чутливості, щоб вказати області, де кути відхилення викликають найбільше спотворення морського дна.

	Мал. 3: Вибір даних MIBAC у реальному наборі даних

На Мал. 4 показані результати порівняння традиційного патч-тесту та MIBAC. Ці результати були вільно поширені, тому кожен може поекспериментувати з цими алгоритмами і протестувати їх. Звіти про дослідження (під ліцензією ouverte - французька відкрита ліцензія) та вихідні коди (під ліцензією CeCILL, сумісною з ліцензією GPL) можна знайти за адресою gitlab.com/GitShom/mspac/shom-mibac. SHOM не несе жодної відповідальності за операційну передачу та обслуговування цього програмного забезпечення. Зацікавленим сторонам, звичайно ж, пропонується використовувати, покращувати та впроваджувати ці вихідні коди у промислове виробництво.

Промислове освоєння

Програмне забезпечення постійно вдосконалюється спільнотою відкритого вихідного коду, щоб забезпечити можливість налаштування різних аспектів, таких як:

• Загальне поширення невизначеності.
• Виявлення елементів плоскої поверхні.
• Оцінка методом найменших квадратів.

Це дозволить, наприклад, використовувати різні методи ідентифікації плоских елементів поверхні, такі як [4]. Деякі внутрішні параметри недоступні для користувача, наприклад:

• Ітераційні пороги.
• Статистичні параметри випробувань.
• Моделювання елементів плоскої поверхні.

Як і у всіх проектах з відкритим вихідним кодом, код може бути параметризований відповідно до конкретних потреб клієнта або CIDCO, або сторонніх розробників.

Поточний стан MSPAC доступний лише з інтерфейсу командного рядка, а графічний інтерфейс користувача значно покращує роботу користувача. Ми вітаємо цю ініціативу з публікації кодів MSPAC за ліцензіями з відкритим вихідним кодом та сподіваємося на співпрацю із заінтересованими сторонами та членами спільноти відкритого вихідного коду над подальшими розробками калібрувального набору MSPAC.

	Мал. 4. Вгорі: знімальні смуги гавані Брест МЛЕ EM2040c для порівняння методів (DTM виділяє кутові зміщення в області перекриття); внизу: різниця між значеннями патч-тесту та зміщення MIBAC на цих знімальних смугах

Висновок

Автоматизація робочого процесу калібрування є важливим кроком для безпілотних зйомок у морі. Навіть якщо результати здаються дуже цікавими, для отримання найкращих результатів також необхідно мати джерело хорошої якості позиціонування (RTK або PPP) і морфологію дна, що відповідає пологому схилу. Крім того, запропоноване рішення дозволяє забезпечити оцінку статистичної похибки виміру, а також об'єктивність, яку важко досягти за допомогою класичного патч-тесту. Це також уможливлює автоматизацію процедур калібрування, особливо для дронів. Контактна особа з індустріалізації рішення MSPAC: jordan.mcmanus@cidco.ca.

Подяки

Це рішення було розроблено в рамках дослідницького проекту NOCALIT/CALIB-1 між ENSTA Bretagne та SHOM за фінансової підтримки DGA (Міністерство оборони Франції). Дякую DGA за підтримку цього проекту та можливість розповсюдження цих результатів