Nebenbedingungsfreies Synthetisches Apertur Sonar
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sonare sind essentielle Sensoren unter Wasser, da sie auch unter schlechten, bzw. nicht vorhandenen Sichtbedingungen und über längere Distanzen arbeiten. Die Erzeugung einer räumlichen Auflösung erfordert allerdings die Kombination mehrerer Schallwandler, so dass durch Interferenzen ein Abtaststrahl (grob) angenähert wird. Eine höhere Anzahl von Schallwandlern über eine größere Fläche ermöglicht eine bessere räumliche Auflösung. Dies ist aber durch z.B. Baugröße, Energieverbrauch und Kosten beschränkt. Ein beliebter Ansatz ist daher die Verwendung einer synthetischen Apertur, d.h. das Sonar wird mit seinen N Schallwandlern an k Orten positioniert, so dass ein virtueller Sensor mit kN Schallwandlern entsteht. Der Stand der Forschung und Technik für dieses Synthetische Apertur Sonar (SAS) ist stark an Nebenbedingungen gekoppelt, z.B. k äquidistante Positionen auf einer Linie senkrecht zur Ausrichtung des Sonars. In diesem Projekt wurden die Grundlagen für ein nebenbedingungsfreies SAS erforscht, d.h. ein SAS, das (a) auf beliebigen Trajektorien berechnet werden kann und (b) ohne Navigationsdaten (GPS, INS, etc.) auskommt. Es wurde u.a. gezeigt, dass die Grundidee der reinen Verwendung von Registrierung auf den Rohdaten als Grundlage für SAS nicht nur ohne Navigationsdaten möglich ist, sondern sogar mit dafür angepassten Methoden zu einer Verbesserung insbesondere im Nahfeld führen kann. Weiterhin wurde mit Synthetic Scan Formation (SSF) ein neues Verfahren entwickelt, das auf einer Ebene über der Signalverarbeitung der klassischen Synthetischen Apertur Verfahren und unterhalb von Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) arbeitet. Insbesondere ist Synthetic Scan Formation direkt mit kommerziellen, off-the-shelf Sonaren verwendbar, ohne dass ein Zugang zu den Rohdaten der Schallwandler erforderlich ist. Es ist zudem sehr effizient berechenbar und führt zu klaren Verbesserungen gegenüber SLAM mit Sonar. Auch wurden Beiträge zu robusten Registrierungsmethoden als Alternative zu Standardnavigationsverfahren u.a. durch die Entwicklung von Fourier-SOFT in 2D (FS2D) geleistet. FS2D nutzt die von Fourier-Mellin bekannte Entkopplung von Rotation und Translation im Frequenzbereich. Der schwierige Teil der Bestimmung des Rotationsparameters wird bei FS2D mit einer Projektion der Fourier-Magnitude auf eine Kugel und der SO(3) Fourier-Transformation (SOFT) gelöst. Neben Validierungen der im Projekt entwickelten Methoden in realitätsnahen Simulationen und in Experimenten in Pools mit Ground Truth Lokalisierung, wurden auch Feldtests durchgeführt, u.a. im Denkort U-Boot Bunker Valentin, die die Relevanz in der Praxis zeigen. Die Projektergebnisse sind zudem für Anwendungen außerhalb von marinen Systemen, bzw. Sonar von Interesse. So wurde z.B. eine Variante spektraler 3D Registrierung mit Fourier-Mellin-SOFT (FMS) für Magnetic Resonance Tomography (MRT) Daten entwickelt, mit der z.B. Handknochen erkannt und lokalisiert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Divide and Conquer Method for 3D Registration of Inhomogeneous, Partially Overlapping Scans with Fourier Mellin SOFT (FMS). 2020 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 8594-8601. IEEE.
Bulow, Heiko; Mueller, Christian A.; Gomez, Chavez Arturo; Buda, Frederike & Birk, Andreas
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Synthetic Aperture Sonar (SAS) without Navigation: Scan Registration as Basis for Near Field Synthetic Imaging in 2D. Sensors, 20(16), 4440.
Bülow, Heiko & Birk, Andreas
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Registration of Magnetic Resonance Tomography (MRT) Data with a Low Frequency Adaption of Fourier-Mellin-SOFT (LF-FMS). Sensors, 21(8), 2581.
Bülow, Heiko & Birk, Andreas
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Seeing through the forest and the trees with drones. Science Robotics, 6(55).
Birk, Andreas
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Synthetic Scan Formation for Underwater Mapping With Low-Cost Mechanical Scanning Sonars (MSS). IEEE Access, 11, 96854-96864.
Hansen, Tim & Birk, Andreas
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Underwater Exploration with Sonar of the Flooded Basement of a WW-II Submarine Bunker in the Context of the Digitization of Cultural Heritage. OCEANS 2023 - Limerick, 1-6. IEEE.
Hansen, Tim; Buda, Frederike & Birk, Andreas
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Using Registration with Fourier-SOFT in 2D (FS2D) for Robust Scan Matching of Sonar Range Data. 2023 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 3080-3087. IEEE.
Hansen, Tim & Birk, Andreas
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An Open-Source Solution for Fast and Accurate Underwater Mapping with a Low-Cost Mechanical Scanning Sonar. 2024 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 9968-9975. IEEE.
Hansen, Tim & Birk, Andreas
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Scanning Sonar Data From an Underwater Robot With Ground Truth Localization. IEEE Access, 12, 129202-129211.
Hansen, Tim; Belenis, Bogdan; Firvida, Miguel Bande; Creutz, Tom & Birk, Andreas
