Design and Implementation of a Dual Uncrewed Surface Vessel Platform for Bathymetry Research under High-flow Conditions

要約

海底地形の研究である水深測量は、水中構造物のソナーによるマッピングに依存している。インフラの健全性監視に不可欠なこれらの測定には、高価な計測器が必要になることが多い。センサーの損傷や船舶の喪失に伴う金銭的リスクが高いため、水深測量のために乗組員なしの水上船舶（USV）を配備することには消極的である。しかし、乗組員付きのボートによる水深測定作業は、コストが高く、人員に危険をもたらし、特に高潮流下では、水深測定データ収集に必要な安定した条件を達成できないことが多い。特に水深測量に焦点を当てた自律制御、ナビゲーション、データ処理技術を進歩させるためには、さらなる研究が不可欠である。水深測深に焦点を当てた自律制御とナビゲーション、およびデータ評価と処理の両方を統合的に研究できる、アクセス可能なハードウェア・プラットフォームが著しく不足している。本論文では、非乗組員の水深調査用に調整された2つの補完的なUSVシステムの設計と実装を通じて、このギャップに対処する。これには、ナビゲーションと制御研究用の低コストUSV（NAC-USV）と、水深データの品質評価と後処理研究用の高解像度マルチビームソナーと関連ハードウェアを装備した2番目のハイエンドUSV（BEP-USV）が含まれる。NAC-USVは、機器へのリスクを最小限に抑えつつ、高品質の水深データ収集に必要な安定性を重視し、自律的でフェイルセーフな航行と制御の調査を容易にする。NAC-USVのハードウェアを反映したBEP-USVは、さらに制御の検証や、水深測定データの評価と後処理の方法論の詳細な調査に使用されます。両システムの設計と実装を詳述し、設計をオープンソース化する。さらに、さまざまな運用シナリオにおけるシステムの有効性を実証する。

要約(オリジナル)

Bathymetry, the study of underwater topography, relies on sonar mapping of submerged structures. These measurements, critical for infrastructure health monitoring, often require expensive instrumentation. The high financial risk associated with sensor damage or vessel loss creates a reluctance to deploy uncrewed surface vessels (USVs) for bathymetry. However, the crewed-boat bathymetry operations, are costly, pose hazards to personnel, and frequently fail to achieve the stable conditions necessary for bathymetry data collection, especially under high currents. Further research is essential to advance autonomous control, navigation, and data processing technologies, with a particular focus on bathymetry. There is a notable lack of accessible hardware platforms that allow for integrated research in both bathymetry-focused autonomous control and navigation, as well as data evaluation and processing. This paper addresses this gap through the design and implementation of two complementary USV systems tailored for uncrewed bathymetry research. This includes a low-cost USV for Navigation And Control research (NAC-USV) and a second, high-end USV equipped with a high-resolution multi-beam sonar and the associated hardware for Bathymetry data quality Evaluation and Post-processing research (BEP-USV). The NAC-USV facilitates the investigation of autonomous, fail-safe navigation and control, emphasizing the stability requirements for high-quality bathymetry data collection while minimizing the risk to equipment. The BEP-USV, which mirrors the NAC-USV hardware, is then used for additional control validation and in-depth exploration of bathymetry data evaluation and post-processing methodologies. We detail the design and implementation of both systems, and open source the design. Furthermore, we demonstrate the system’s effectiveness in a range of operational scenarios.

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