Veiliger varen met correcte waterkaart

Vision en robotica zorgen voor (gedeeltelijk) autonome boven- en onderwaterkartering van rivieren en meren.

Een voorwaarde voor veilig en efficiënt scheepvaartverkeer in Duitsland zijn actuele en nauwkeurige kaarten van de waterwegen. Overheden zoals het Federaal Maritiem en Hydrografisch Agentschap, maar ook particuliere havenexploitanten, zijn verplicht deze altijd in actuele vorm aan te bieden. De belangrijkste reden hiervoor is het voorkomen van ongelukken veroorzaakt door een onjuiste of verouderde kaart. Het gaat hierbij om de classificatie van federale waterwegen, hun kilometerstand, bestaande sluizen, stuwen en stuwen, andere omliggende wateren, locaties en grenzen.

Het in kaart brengen wordt uitgevoerd door conventionele schepen met opgeleid personeel, wat tijdrovend en duur is. Dit kan leiden tot lange intervallen tussen metingen op een specifieke locatie. (Semi-)geautomatiseerde bewaking van waterwegen via autonome platforms met obstakelvermijding en verkeersdetectie zou dit proces kunnen optimaliseren en in minder tijd kaarten kunnen opleveren.

Autonoom vaartuig

Het Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung (IOSB) met hoofdvestiging in Karlsruhe heeft een autonoom oppervlaktevaartuig ontwikkeld. Het is onderdeel van een drie jaar durend intern onderzoeksproject dat zelfstandig waterlichamen kan meten. Voor dit doel wordt zowel de waterbodem opgenomen met behulp van sonar, als oevergebieden en bovenwaterconstructies. Dit gebeurt met behulp van een optisch systeem met twee geïntegreerde industriële camera's van IDS Imaging Development Systems (met vestiging in Eindhoven). De op deze manier verkregen informatie wordt samengevoegd en omgezet in een 3D-kaart van de omgeving.

Het nauwkeurig meten van waterlichamen is een veeleisende taak. Het semi-automatische richtingzoeksysteem voor rivieren en meren van Fraunhofer-IOSB doet dit zowel onder als boven water. Hiervoor vaart het ongeveer 2 m x 1,5 m x 1 m grote vaartuig over de betreffende waterweg en ontwijkt automatisch obstakels, zowel stilstaand als bewegend. Bij een snelheid van 2 knopen – (ongeveer 3,7 km) kan zo’n missie tot 20 uur duren.

Om de oevergebieden visueel in kaart te brengen, heeft het vaartuig twee camera's bevestigd aan een mast. Ze zijn gericht naar respectievelijk stuurboord en bakboord en de gezichtsvelden overlappen elkaar niet. Door hun hoge resolutie maken de camera's een visuele inspectie van relevante infrastructuur zoals kademuren mogelijk, plus een 3D-modellering van het oevergebied op basis van de vastgelegde beeldgegevens.

Automatische beeldopname

Het onderzoeksinstituut gebruikt een automatisch systeem voor intelligente beeldopname. Zodra één of beide camera’s op een vooraf bepaald interessegebied zijn gericht, begint de beeldopname. De eigen beweging van het vaartuig wordt ook gebruikt om alleen beeldgegevens op te slaan die vanuit verschillende kijkhoeken zijn opgenomen en biedt dus meerwaarde. Als basis voor het bepalen van de positie en oriëntatie van het vaartuig maakt gebruik van GNSS-data (Global Navigation Satellite Systems, zoals GPS) en IMU-data (Inertial Measurement Unit). Wanneer de beelden worden vastgelegd, worden ze verrijkt met de GNSS-positiegegevens. Dit zal later nodig zijn om precieze coördinaten toe te wijzen.

Na de data-acquisitie worden de vastgelegde beelden samen met de GNSS-gegevens naar een grondcontrolestation verzonden waar fotogrammetrische reconstructie wordt uitgevoerd. Fraunhofer IOSB gebruikt onder meer de fotogrammetrische toolbox Colmap. Het maakt gebruik van prominente beeldkenmerken om eerst een vergelijking uit te voeren tussen de invoerbeelden, hun relatieve posities te berekenen en vervolgens een levensecht 3D-model van de omgeving te creëren.

Vervolgens gebruiken de onderzoekers de tool om de afbeeldingen pixel voor pixel te matchen; ze zoeken naar overeenkomstige pixels en voegen deze nauwkeurig samen. Het resultaat is een dichte 3D-puntenwolk die geo-gerefereerd wordt op basis van de GNSS-posities, dus voorzien van de bijbehorende huidige coördinaten. Het 3D-model kan vervolgens voor andere taken worden gebruikt, zoals visuele inspecties of oeverbewaking.

Robuuste camera's

Op het vaartuig zijn twee uEye FA industriële camera's van IDS gemonteerd. Deze robuuste modellen met Power oer Ethernet zijn geschikt voor veeleisende omgevingen. Camerabehuizingen, lensbuizen en schroefconnectoren voldoen aan de eisen van beschermingsklasse IP65/67 en zijn daardoor optimaal beschermd tegen vuil, stof en spatwater.

Het gebruikte model beschikt over de grootformaat 1,1" CMOS-sensor IMX304 van Sony en levert heldere, ruisvrije beelden met een resolutie van 4096 x 3000 pixels. Dankzij het grote dynamische bereik en de hoge gevoeligheid is de sensor geschikt voor toepassingen in onder meer de meettechniek. De sensor moet ook een hoog dynamisch bereik bieden om beelden met een hoog detailniveau vast te leggen, zowel in zonnige als schaduwrijke gebieden. Integratie via de standaard GigE Vision-interface maakt de ontwikkeling en het gebruik van een driver voor meerdere systemen met verschillende camera's mogelijk.

Vooruitzichten

Ook bij het inmeten van waterwegen is het tekort aan geschoold personeel een probleem. Het geautomatiseerd in kaart brengen van waterwegen zou niet alleen de kosten kunnen verlagen, maar ook de tijd en vooral de personeelskosten kunnen verminderen. Het doel van het project was om een prototype voor deze taak te ontwikkelen en het potentieel ervan in relevante scenario's aan te tonen. De volgende stap is nu om samen te werken met industriële partners. Fraunhofer IOSB is op zoek naar partners om samen deze laatste stap van commercialisering te zetten.

Het project toont het grote potentieel van de interactie tussen robotsystemen en digitale beeldverwerking. Gezien de positieve resultaten van de eerste tests en de toenemende vraag naar nauwkeurige, actuele waterwegkaarten, verwacht het instituut de komende jaren een sterke vraag naar zijn technologie. De opgedane kennis kan op verschillende manieren worden ingezet. Autonome vaartuigen kunnen worden ingezet voor personen- en vrachtvervoer op zee of binnenwateren. Ook het uitgraven van waterwegen en het autonoom meten van vaarwegen zijn denkbaar.

Foto: Fraunhofer IOSB