正しいカード選び
河川・湖沼の（半）自律型水面・水中マッピング
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水路の最新かつ正確な地図は、ドイツにおける安全で効率的な船舶輸送の必須条件です。連邦海事・水路庁のような当局だけでなく、民間の港湾事業者も、常に最新の形でこれらを提供する義務があります。その主な理由は、誤った情報や 古い情報による事故を避けるためです。連邦水路や走行距離、既存の水門、昇降機、防波堤、その他の周辺水域、場所、国境などの分類を取り扱います。現在、マッピングは訓練を受けた人員による従来の船舶によって行われており、時間と費用がかかります。このため、特定の場所での測定間隔が長くなることもあります。
障害物回避と交通検知を備えた自律型プラットフォームによる水路の（半）自動モニタリングは、このプロセスを最適化し、より短時間で地図を提供することができます。Fraunhofer IOSBオプトロニクス・システム技術・画像処理研究所は、3年間の社内研究プロジェクトの一環として、水域を自律的に調査できる自律型サーフェスビークルを開発しました。そのため、ソナーを使って河床を記録します。さらに、IDS Imaging Development Systems GmbHの産業用カメラ2台を統合した光学システムにより、岸辺エリアと表面構造をモニタリングしています。こうして得られた情報は統合され、周囲の3Dマップに転送されます。
アプリケーション
水域の正確な測量は難しい作業です。Fraunhofer IOSBが開発した河川や湖沼の半自動方向探知システムTAPSは、水中でも水上でもこれを行うことができます。約2×1.5×1メートルの車両は、該当する水路に沿って走行し、静止しているか移動しているかにかかわらず、障害物を自動的に回避します。2ノット（時速約3.7キロメートル）のスピードで、このようなミッションは20時間にも及びます。TAPSは沿岸のビジュアル・マッピングのため、マストに2台のカメラを取り付け、それぞれ右舷と左舷を向き、視野が重ならないようにしています。高解像度であるため、岸壁などの関連インフラの目視検査や、記録された画像データに基づく沿岸地域の3Dモデリングが可能です。
表面構造の3Dモデル
「インテリジェントな画像キャプチャには自動化システムを使用しています。1台または2台のカメラが事前に定義された関心領域に焦点を合わせると、すぐに画像記録が開始されます。車両自身の動きも利用して、異なる角度から記録された画像データのみを保存するため、内容の面でも付加価値があります。」と、Fraunhofer IOSBの自律ロボットシステム研究グループの写真測量専門家、Boitumelo Rufは説明します。GNSS（GPSなどの全地球航法衛星システム）とIMU（位置決定のための慣性計測ユニット）のデータは、TAPSプラットフォームの位置と方向を決定するための基礎となります。「画像がキャプチャされると、現在のGNSS位置データが付加されます。後者は後で正確な座標を割り当てるために必要になります」とRufは続けます。
インフレータブルボートを自律的に周回する水上機
データ取得後、記録された画像はGNSSデータとともに地上管制局に送信され、そこで写真測量による再構成が行われます。Boitumelo Ruf がその手順を詳しく説明しています：「COLMAPフォトグラメトリツールボックスを使用しています。このツールは優れた画像特徴を使って、まず入力画像を比較し、相対的な位置を計算し、環境に忠実な3Dモデルを作成します。次に、このツールを使って画像をピクセル単位でマッチングさせます。つまり、対応するピクセルを検索し、正確にマージします。その結果、GNSS位置を使用してジオリファレンスされた、つまり対応する現在の座標が提供された高密度の3D点群が得られます。」3Dモデルは、目視検査や堤防モニタリングなど、他の作業にも使用できます。
風雨に耐える堅牢な産業用カメラ
カメラ側では、Fraunhofer 研究所は 2 台の IDS 製 uEye FA 産業用カメラを使用しています。PoEを搭載した堅牢で高耐久性のモデルは、要求の厳しい環境に最適です。カメラハウジング、
レンズチューブ、ねじ込み式コネクターは、保護等級IP65/67の要件を満たしているため、汚れ、ほこり、水しぶきに対して最適に保護されています。
使用されているモデルはSony製の大判1.1インチCMOSセンサーIMX304を搭載し、解像度4096×3000ピクセルの非常にクリアでノイズの少ない画像を提供します。Pregiusシリーズ第2世代のグローバルシャッターセンサーは、その優れたダイナミックレンジと非常に高い感度により、特に計測分野での用途に適しています。
Fraunhofer IOSBがカメラを選択する決め手となったのは、まさにこの特長でした。カメラの重要な要件には、堅牢性と耐候性に加えて、コンパクトなフォームファクターと詳細な目視検査を可能にする高い画像解像度が含まれていました。また、日向でも日陰でもディテールの高い画像を撮影するために、センサーは高いダイナミックレンジを提供する必要があります。標準的なGigE Visionインターフェースを介した統合により、1つのドライバで異なるカメラを搭載した複数のシステムに対応できます。
TAPSはIDSのuEye FA産業用カメラ2台をマストに取り付け、海岸線エリアを視覚的にマッピングしています
今後の展望
熟練労働者の不足も、水路測量における大きな問題です。水路のマッピングを自動化すれることで、コストだけでなく、必要な時間や人員も削減できます。 TAPSプロジェクトの目的は、このタスクのプロトタイプを開発し、関連するシナリオでその可能性を実証することです。研究機関であるFraunhoferは通常、システムの機能性と適合性が証明されるレベルまで技術開発を行います。次のステップは、産業界のパートナーとの協力です。Fraunhofer IOSBの自律ロボットシステム研究グループ長、Janko Petereit博士はこう説明します：「私たちは、商業化に向けた最後の一歩を共に踏み出すパートナーを積極的に探しています。初期テストの良好な結果と、正確で最新の水路図に対する需要の高まりから、今後数年間は私たちの技術に対する強い需要が見込まれます。得られた知識は、さまざまな方法で活用することができます。自律型水上バイクは、海路や内陸水路による人や物資の輸送に利用できます。水路の掘削やフェアウェイの自律測量も考えられます。」
このプロジェクトは、ロボットシステムとデジタル画像処理の相互作用の高い可能性を示しています。特に視覚環境のキャプチャとシーンの解釈に関しては、将来的にカードが入れ替わる可能性があります。
カメラ
uEye FA - PoE 搭載の強度と耐久性に優れた産業用カメラ
使用されたモデル：GV-5200FA
カメラファミリー：uEye FA
クライアント
Fraunhofer IOSBオプトロニクス・システム技術・画像処理研究所は、研究所の名前にもなっている3つのコアコンピテンシー（中核能力）の取り組みにより、情報に基づいた意思決定、プロセスの最適化、自律システムのインテリジェントな制御を効率的にサポートすることを目指しています。これには、必要なレーザー光源、センサーの最適な使用とネットワーク化、結果のデータストリームの処理など、新しいタイプのビジョンシステムの開発が含まれます。 TAPS の詳細情報
著者
Sabine Terrasi
IDS Imaging Development Systems GmbH
Dimbacher Str. 10
74182 Obersulm
Germany
T: +49 7134 96196-0
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