Способы и технические средства позиционирования и навигации роботов в водной среде

В. Н. Ле, А. Л. Ронжин

---

Аннотация. Обсуждаются проблемы позиционирования и навигации роботов в водной среде с применением традиционных инерциальных систем, гидроакустических подходов, поверхностных GPS-буев, систем технического зрения, позволяющих получить относительные координаты положения робота в водоеме и спланировать маршрут к цели. Сложная и изменчивая окружающая среда накладывает дополнительные ограничения, требующие применения альтернативных методов SLAM, взаимодействия нескольких роботов. Комплексирование информации с нескольких датчиков различного типа или роботов повышает точность и надежность их позиционирования, позволяет избежать столкновений и коллизий на маршрутах. Рассмотренные подходы, применяемые технические средства, методы обработки информации представлены в виде оригинальных классификаций.

Ключевые слова: робототехника, навигация, позиционирование, SLAM, техническое зрение, гидроакустика, групповое управление роботами

Для цитирования. Ле В. Н., Ронжин А. Л. Способы и технические средства позиционирования и навигации роботов в водной среде // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2023. № 6(116). С. 167–178. DOI: 10.35330/1991-6639-2023-6-116-167-178

Информация об авторах

Ле Ван Нгиа, специалитет, Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота «Военно-морская академия»;
197045, Россия, Санкт-Петербург, Ушаковская набережная, 17/1;
lenghia18071999@gmail.com
Ронжин Андрей Леонидович, д-р техн. наук, профессор, директор, Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук;
199178, Россия, Санкт-Петербург, 14-я линия Васильевского острова, 39;
ronzhin@iias.spb.su, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8903-3508

Список литературы

1. Морозов Р. О., Горелый А. Е., Рыжов В. А. Интеллектуальные системы навигации и планирования МРТК // Морские информационно-управляющие системы. 2021. С. 34–43.
2. Nicosevici T., Garcia R., Carreras M., Villanueva M. A review of sensor fusion techniques for underwater vehicle navigation. Oceans’-04. MTS/IEEE Techno-Ocean ’04 (IEEE Cat. No. 04CH37600). 2004. Vol. 3. Pp. 1600–1605. DOI: 10.1109/OCEANS.2004.1406361.
3. Borkowski P. The ship movement trajectory prediction algorithm using navigational data fusion. Sensors. 2017. 17(6). P. 1432. DOI: https://doi.org/10.3390/s17061432.
4. Yuan K., Wang H., Zhang H. Robot position realization based on multi-sensor information fusion algorithm. Fourth International Symposium on Computational Intelligence and Design. Pp. 294–297. DOI: 10.1109/ISCID.2011.81.
5. Yang Q., Sun J. An underwater autonomous robot based on multi-sensor data fusion. In 2006 6th World Congress on Intelligent Control and Automation. Vol. 2. Pp. 9139–9143. DOI: 10.1109/WCICA.2006.1713768
6. Kamil F., Hong T. S., Khaksar W. et al. New robot navigation algorithm for arbitrary unknown dynamic environments based on future prediction and priority behavior. Expert Systems with Applications. 2017. Vol. 86. Pp. 274–291. DOI: https://doi.org/10.1016/j.eswa.2017.05.059S
7. Gravina R., Afinia P., Ghasemzadeh H., Fortino G. Multi-sensor fusion in body sensor networks: state-of-the-art and research challenges. Information Fusion. 2017. Vol. 35. Pp. 68–80. DOI: https://doi.org/10.1016/j.inffus.2016.09.005
8. Majumder S., Scheding S., Durrant-Whyte H. F. Multisensor data fusion for underwater navigation. Robotics and Autonomous Systems. 2001. Vol. 35. Pp. 97–108. DOI: https://doi.org/ 10.1016/S0921-8890(00)00126-3
9. Alcocer A., Oliveira P., Pascoal A. Study and implementation of an EKF GIB-based underwater positioning system. Control Engineering Practice. 2007. Vol. 15. Pp. 689–701. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conengprac.2006.04.001
10. McManus S.J. A method of Navigation using a Modified Ultra Short BaseLine Directional Acoustic Transponder. Oceans 2007 – Europe. 2007. DOI: 10.1109/OCEANSE.2007.4302343
11. Thomson D., Elson S. New generation acoustic positioning systems. Oceans ’02 MTS/IEEE. 2002. Vol. 3. Pp. 1312–1318. DOI: 10.1109/OCEANS.2002.1191828
12. Крестовников К. Д., Ершов А. А., Савельев А. И. Подход к беспроводному заряду аккумуляторной батареи автономных необитаемых подводных аппаратов // Морские интеллектуальные технологии. 2022. № 4–1(58). С. 144–155. DOI: https://doi.org/10.37220/MIT.2022.58.4.036
13. Саватеев Н. Н. Использование спутниковых навигационных систем для определения местоположения объекта под водой // Информационные технологии в образовании. С. 214–219.
14. Spiess F.N., Chadwell C.D., Hildebrand J.A. et al. Precise GPS/Acoustic positioning of seafloor reference points for tectonic studies. Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1998. Vol. 108. Pp. 101–112. DOI: https://doi.org/ 10.1016/S0031-9201(98)00089-2
15. Thomas H.G. New advanced underwater navigation techniques based on surface relay buoys. Proceedings of Oceans’94. 1994. Vol. 3. Pp. 111–395. DOI: 10.1109/ OCEANS.1994.364231
16. Aider O.A., Hoppenot P., Colle E. A model-based method for indoor mobile robot localization using monocular vision and straight-line correspondences. Robotics and Autonomous Systems. 2005. Vol. 52. Pp. 229–246. DOI: https://doi.org/10.1016/j.robot.2005.03.002
17. Carreras M., Ridao P., Garcia R., Nicosevici T. Vision-based localization of an underwater robot in a structured environment. 2003 IEEE International Conference on Robotics and Automation (Cat. No.03CH37422). 2003. Vol. 1. Pp. 971–976. DOI: 10.1109/ROBOT.2003.1241718
18. Liu T., Wan L., Liang X.W. A monocular vision measurement algorithm based on the underwater robot. Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 532. Pp. 165–169. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.532.165
19. Mingjun Z., Shupeng L., Xuan L. Research on technologies of underwater feature extraction and target location based on binocular vision. The 27th Chinese Control and Decision Conference (2015 CCDC). IEEE. 2015. Pp. 5778–5784. DOI: 10.1109/CCDC.2015.7161837
20. Jian X., Xiaoyuan C., Xiaoping S., Hang L. Target recognition and location based on binocular vision system of UUV. 2015 34th Chinese Control Conference (CCC). IEEE. 2015. Pp. 3959–3963. DOI: 10.1109/ChiCC.2015.7260249
21. Вялков И. К., Тимош П. С. Использование SLAM метода для внутренней навигации с применением AR технологий // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке. 2023. С. 331–333.
22. Луговской В. В. SLAM как передовой метод навигации и его виды // Инновационная наука. 2023. № 4–2. С. 46–49.
23. Zhao W., He T., Sani A. Y. M., Yao T. Review of SLAM Techniques For Autonomous Underwater Vehicles. Proceedings of the 2019 International Conference on Robotics. Intelligent Control and Artificial Intelligence. 2019. Pp. 384–389. DOI: https://doi.org/10.1145/3366194.3366262
24. Hess W., Kohler D., Rapp H., Andor D. Real-time loop closure in 2D LIDAR SLAM. 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA). 2016. Pp. 1271–1278. DOI: 10.1109/ICRA.2016.7487258
25. Dubé R., Gawel A., Sommer H. et al. An online multi-robot SLAM system for 3D LiDARs. 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2017. Pp. 1004–1011. DOI: 10.1109/IROS.2017.8202268
26. De Freitas C.M. Autonomous navigation with simultaneous localization and mapping in/outdoor. CMS de Freitas. 2020.
27. Paul L., Sot M., Leonard J.J. Decentralized cooperative trajectory estimation for autonomous underwater vehicles. 2014 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. IEEE, 2014. Pp. 184–191. DOI:10.1109/IROS.2014.6942559
28. Li Z., Jiang C., Gu X. et al. Collaborative positioning for swarms: A brief survey of vision, LiDAR and wireless sensors based methods. Defence Technology. 2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j.dt.2023.05.013
29. Pan X., Kang F., Wang Y. Cooperative navigation for multi-UUV using relative observations. 2010 3rd International Congress on Image and Signal Processing. 2010. Vol. 7. Pp. 3191–3194. DOI:10.1109/CISP.2010.5647971
30. Watson S., Duecker D. A., Groves K. Localization of Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) in Complex and Confused Environments: A Review. Sensors, 2020. DOI: https://doi.org/10.3390/s20216203
31. Barsha B., Durant-Whyte H.F. Inertial navigation system for mobile robots. IEEE transactions on robotics and automation. 1995. Vol. 11. Pp. 328–342. DOI: 10.1109/70.388775
32. Tan H.P., Diamant R., Seah W.K., Waldmeyer M. A survey of techniques and challenges in underwater localization. Ocean Engineering. 2011. Vol. 38. Pp. 1663–1676. DOI:
    https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2011.07.017
33. Wu Y., Ta X., Xiao R. et al. Survey of underwater robot positioning navigation. Applied Ocean Research. 2019. Vol. 90. DOI: https://doi.org/10.1016/ j.apor.2019.06.002