Cartografía superficial y submarina (parcialmente) autónoma de ríos y lagos
Jugar la carta adecuada
Los mapas actualizados y precisos de las vías navegables son un requisito previo para una navegación segura y eficiente en Alemania. Las autoridades, como la Agencia Federal Marítima e Hidrográfica, pero también los operadores portuarios privados, están obligados a proporcionarlas actualizadas en todo momento. La razón principal es evitar accidentes causados por una tarjeta incorrecta o anticuada. Incluye la clasificación de las vías navegables federales, sus kilómetros, las esclusas, levadizos y diques existentes, otras aguas circundantes, lugares y fronteras. En la actualidad, la cartografía se realiza en buques convencionales con personal formado, lo que lleva mucho tiempo y es caro. Esto puede provocar largos intervalos entre las mediciones en un lugar determinado.
La vigilancia (semi)automatizada de las vías navegables por plataformas autónomas con evitación de obstáculos y detección del tráfico podría optimizar este proceso y proporcionar mapas en menos tiempo. Con este fin, el Instituto Fraunhofer de Optrónica, Tecnologías de Sistemas y Explotación de Imágenes IOSB ha desarrollado un vehículo autónomo de superficie capaz de medir de forma autónoma masas de agua como parte de un proyecto de investigación interno de tres años de duración. Para ello, se registra tanto el lecho del río mediante sonar como las zonas de las orillas y las estructuras sobre el agua mediante un sistema óptico con dos cámaras industriales integradas de IDS Imaging Development Systems GmbH. La información así obtenida se fusiona y se transfiere a un mapa tridimensional del entorno.
Aplicación
La medición precisa de masas de agua es una tarea exigente. El sistema semiautomático de radiogoniometría para ríos y lagos del Fraunhofer IOSB (abreviado TAPS) lo hace tanto bajo el agua como sobre ella. El vehículo, que mide aproximadamente 2 x 1,5 x 1 metros, se desplaza por la vía navegable correspondiente y evita automáticamente los obstáculos, ya estén parados o en movimiento. A una velocidad de 2 nudos -lo que equivale a unos 3,7 kilómetros por hora-, una misión de este tipo puede durar hasta 20 horas. Para cartografiar visualmente las zonas costeras, el TAPS dispone de dos cámaras fijadas a un mástil, una orientada a estribor y otra a babor, sin que se superpongan los campos de visión. Gracias a su alta resolución, permiten una inspección visual de las infraestructuras pertinentes, como los muros de los muelles, así como una modelización en 3D de la zona costera basada en los datos de las imágenes grabadas.
"Utilizamos un sistema automatizado para la captura inteligente de imágenes. En cuanto una o ambas cámaras enfocan una zona de interés predefinida, se inicia la grabación de imágenes. El propio movimiento del vehículo se utiliza también para almacenar únicamente datos de imagen que se registran desde distintos ángulos y, por tanto, ofrecen un valor añadido en términos de contenido», explica Boitumelo Ruf, experto en fotogrametría del grupo de investigación Sistemas Robóticos Autónomos del Fraunhofer IOSB. Los datos del GNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite, como el GPS) y de la IMU (Unidad de Medición Inercial para la determinación de la posición) sirven de base para determinar la posición y orientación de la plataforma TAPS. "Cuando se capturan las imágenes, se enriquecen con los datos de posición GNSS actuales. Estos últimos serán necesarios más adelante para la asignación de coordenadas precisas», prosigue Ruf.
Tras la adquisición de datos, las imágenes capturadas se transmiten junto con los datos GNSS a una estación de control terrestre, donde se lleva a cabo una reconstrucción fotogramétrica. Boitumelo Ruf describe el procedimiento con más detalle: "Entre otras cosas, utilizamos la caja de herramientas fotogramétricas COLMAP. Utiliza características de imagen excepcionales para comparar primero las imágenes de entrada, calcular sus posiciones relativas y crear un modelo 3D realista del entorno. A continuación, utilizamos la herramienta para emparejar las imágenes píxel a píxel, es decir, buscamos los píxeles correspondientes y los fusionamos exactamente. El resultado es una densa nube de puntos 3D georreferenciada mediante las posiciones GNSS, es decir, provista de las coordenadas actuales correspondientes.» El modelo 3D puede utilizarse después para otras tareas, como inspecciones visuales o vigilancia de orillas.
Cámaras industriales resistentes al viento y a la intemperie
En cuanto a la cámara, el Instituto Fraunhofer utiliza dos cámaras industriales uEye FA de IDS. Los modelos robustos y resistentes con PoE son ideales para entornos exigentes. La carcasa de la cámara, los tubos del objetivo y los conectores roscados cumplen los requisitos de el grado de protección IP65/67, por lo que están protegidos de forma óptima contra la suciedad, el polvo y las salpicaduras de agua.
El modelo utilizado cuenta con el sensor CMOS de gran formato de 1,1" IMX304 de Sony y ofrece imágenes muy nítidas y sin ruido con una resolución de 4096 x 3000 píxeles. Gracias a su notable rango dinámico y a su altísima sensibilidad, el sensor de obturación global de la segunda generación de píxeles de la serie Pregius es especialmente adecuado para aplicaciones de metrología, entre otras.
Precisamente estas características fueron decisivas para la elección de la cámara por parte del Fraunhofer IOSB. Además de robustez y protección contra la intemperie, las cámaras debían tener un formato compacto y una alta resolución de imagen para permitir inspecciones visuales detalladas. El sensor también debía ofrecer un alto rango dinámico para captar imágenes con un alto nivel de detalle tanto en zonas soleadas como en zonas de sombra. La integración a través de la interfaz estándar GigE Vision permite desarrollar y utilizar un controlador para varios sistemas con diferentes cámaras.
«La cámara utilizada ofrece imágenes muy nítidas y sin ruido. El sensor tiene un rango dinámico notable y una sensibilidad muy alta. Precisamente estas características fueron decisivas para nuestra elección de la cámara.»
Perspectiva
La escasez de mano de obra cualificada también es un problema importante en la topografía de las vías navegables. La cartografía automatizada de las vías navegables no sólo podría reducir los costes, sino también el tiempo y, sobre todo, la mano de obra necesarios. El objetivo del proyecto TAPS era desarrollar un prototipo para esta tarea y demostrar su potencial en escenarios relevantes. Como organización de investigación, Fraunhofer suele desarrollar tecnologías hasta un nivel en el que la funcionalidad e idoneidad del sistema han quedado demostradas. El siguiente paso es ahora la cooperación con socios industriales. Dr. ingeniero Janko Petereit, jefe del grupo de investigación de sistemas robóticos autónomos de Fraunhofer IOSB, explica: "Estamos buscando activamente socios para dar juntos este último paso hacia la comercialización. En vista de los resultados positivos de nuestras pruebas iniciales y de la creciente demanda de mapas precisos y actualizados de las vías navegables, esperamos una fuerte demanda de nuestra tecnología en los próximos años. Los conocimientos adquiridos pueden utilizarse de diversas maneras. Las embarcaciones autónomas pueden utilizarse para transportar personas y mercancías por mar o por vías navegables interiores. También son concebibles la excavación de vías navegables y la topografía autónoma de canales «.
El proyecto demuestra el gran potencial de la interacción entre los sistemas robóticos y el procesamiento digital de imágenes. Las cartas podrían barajarse de nuevo en el futuro, sobre todo en lo que respecta a la detección del entorno visual y la interpretación de escenas.
Fraunhofer-Institut
El Instituto Fraunhofer de Optrónica, Tecnologías de Sistemas y Explotación de Imágenes IOSB tiene como objetivo ayudar eficazmente a las personas a tomar decisiones informadas, optimizar procesos y controlar de forma inteligente sistemas autónomos con su trabajo en las tres competencias básicas que dan nombre al instituto. Esto implica el desarrollo de nuevos tipos de sistemas de visión, incluidas las fuentes de luz láser necesarias, el uso óptimo y la conexión en red de sensores y el procesamiento de los flujos de datos resultantes.
uEye FA
Modelo utilizado: GV-5200FA