Coverage path planning for autonomous underwater vehicles

Abstract

This thesis proposes new methods to find collision-free paths allowing an AUV to cover an area of the ocean floor with its sensors, which is known as coverage path planning. First, we propose a coverage path planning method to plan 2D, safe-altitude surveys which provides a principled way to account for obstacles in AUV survey planning. Its main advantage is that it minimizes redundant coverage when the vehicle navigates at constant depth, leading to shorter paths. Second, we provide a method to account for the uncertainty in the vehicle position estimates when planning 2D surveys. The method minimizes the uncertainty induced by the path and leads to better maps of the ocean floor as a result. Third, we provide a coverage path planning method suitable for inspecting areas of the ocean floor including 3D structures. The resulting coverage paths enable applications requiring close proximity and allow viewpoints for full 3D sensing of the structure. Moreover, by contrast to most existing methods, we provide two techniques to adapt the planned path in realtime using sensor information acquired on-line during the mission, rather than only planning the path off-line and relying on the unrealistic assumption of an idealized path execution by the AUV. The proposed methods are validated in simulation and in experiments with a real-world AUV

Aquesta tesi proposa nous mètodes per generar camins lliures de col·lisions per a vehicles submarins autònoms que permeten cobrir una àrea del fons de l'oceà usant els sensors del vehicle, tasca coneguda com a planificació de camins de cobertura. Primer, proposem un mètode de planificació de camins de cobertura per a planificar missions en un espai 2D a una altitud segura, proporcionant una manera fonamentada de tenir en compte obstacles en la planificació de missions per a vehicles submarins autònoms. L'avantatge principal del mètode proposat és que minimitza la cobertura redundant sorgida quan el vehicle navega a profunditat constant, obtenint camins més curts com a resultat. Segon, presentem un mètode per tenir en compte la incertesa de les estimacions de posició del vehicle durant la planificació de missions 2D. Aquest mètode minimitza la incertesa induïda pel camí i genera mapes més acurats del fons oceànic com a resultat. Tercer, presentem un mètode de planificació de camins de cobertura adequat per inspeccionar àrees del fons oceànic amb estructures 3D. Els camins de cobertura resultants permeten tasques que requereixen proximitat al fons i permeten una completa percepció 3D de les estructures d'interès. A més, a diferència de la majoria dels mètodes existents, proporcionem dues tècniques per adaptar els camins planificats en temps real utilitzant informació sensorial adquirida durant la missió, per contra de planificar només abans de l'execució de la missió i confiar en la poc realista assumpció d'una execució idealitzada del camí per part del vehicle. Els mètodes proposats han estat validats en simulació i en experiments amb un vehicle submarí autònom real