Doppler Velocity Log

También llamado: DVL, Doppler log
Categoría: Sensing › Exteroceptive
Etiquetas: underwater-robotics, dead-reckoning, acoustic-sensing, state-estimation, sensor-fusion

Un sensor acústico para vehículos submarinos que mide la velocidad respecto al fondo marino, o respecto al agua, a partir del desplazamiento Doppler de los ecos de sonido, y que es la principal entrada de la navegación submarina por estima.

Definición

Una corredera Doppler (Doppler velocity log, DVL) es un sensor acústico que mide a qué velocidad se mueve un vehículo submarino. Emite pulsos de sonido a lo largo de varios haces, normalmente cuatro, inclinados hacia abajo y hacia fuera del vehículo, y mide el desplazamiento de frecuencia Doppler de los ecos que devuelve el fondo marino. Cada haz da la componente de la velocidad a lo largo de su propia dirección; con al menos tres haces no coplanarios se puede despejar la velocidad tridimensional del vehículo en el sistema de coordenadas del sensor, y un cuarto haz añade redundancia y una comprobación de errores. La mayoría de las DVL también informan de la distancia al fondo a lo largo de cada haz, lo que da la altitud sobre el fondo marino. La palabra log del nombre inglés es el término náutico para un instrumento que mide la velocidad de un barco, la corredera.

Cuando el fondo marino está dentro del alcance, la DVL está en modo de seguimiento del fondo (bottom-track), o de enganche al fondo, y mide la velocidad respecto al fondo. Cuando el fondo está demasiado lejos, algunas DVL pueden hacer seguimiento del agua (water-track), midiendo la velocidad respecto a una capa de agua, lo que incluye el efecto de las corrientes. El alcance y la precisión dependen de la frecuencia acústica: las frecuencias más bajas llegan más lejos, y las más altas dan medidas más finas a menor alcance. El enganche al fondo puede perderse sobre terreno escarpado o blando, muy cerca del fondo, en agua aireada o cuando el vehículo cabecea mucho, y el software de navegación debe gestionar estas lagunas.

Como el GPS no funciona bajo el agua, la DVL es la principal fuente de información de movimiento para la mayoría de los vehículos submarinos autónomos y operados a distancia. Su velocidad en el sistema del cuerpo se rota al sistema del mundo usando una estimación de actitud y rumbo procedente de una IMU o de un sistema de navegación inercial, y después se integra para obtener la posición. Esta navegación por estima deriva con la distancia recorrida, y el error de rumbo suele ser el mayor contribuyente, por lo que se corrige con un sensor de presión para la profundidad, posicionamiento acústico como USBL o LBL, rasgos del terreno o visuales, y salidas a superficie para obtener fijos de GPS. Unos resultados precisos dependen de calibrar la rotación y el desplazamiento de montaje entre la DVL y la IMU y de usar la velocidad del sonido correcta.

Por qué importa

Los robots submarinos no pueden usar GPS y a menudo no ven lejos, así que la velocidad respecto al fondo marino es una de las pocas medidas directas de su movimiento. La calidad de una DVL y de su fusión con los sensores inerciales determina en gran medida cuánto puede recorrer un vehículo submarino antes de que su estimación de posición deje de ser fiable.

Aplicaciones clave

Navegación por estima para vehículos submarinos autónomos
Mantenimiento de posición y control a baja velocidad de vehículos operados a distancia
Apoyo a los sistemas de navegación inercial en vehículos de levantamiento
Cartografía e inspección del fondo marino donde importa la precisión de la posición
Mantenimiento de la altitud sobre el fondo marino

En la práctica

Un vehículo submarino que debe volver a puntos de muestreo en el fondo marino fusiona su DVL, su IMU y su sensor de presión en un grafo de factores. Cada lectura de seguimiento del fondo de la DVL se convierte en un factor de velocidad entre estados consecutivos, rotado según la orientación estimada y corregido por el brazo de palanca entre la DVL y el punto de referencia del vehículo. Antes del despliegue, el equipo calibra la rotación de montaje de la DVL recorriendo líneas rectas y comparando con fijos de posición acústicos, ya que un pequeño desalineamiento en guiñada produce un error lateral que crece de forma constante. En operación, las lecturas marcadas como no válidas cuando se pierde el enganche al fondo se descartan, y un evento de contacto, como que el vehículo se pose sobre una estructura conocida, se añade como restricción adicional que devuelve a su sitio la estimación que deriva.

Ideas erróneas comunes

Una DVL da la posición — mide la velocidad, que debe integrarse con una estimación de orientación y deriva con el tiempo
La velocidad de la DVL siempre es respecto al fondo marino — en modo de seguimiento del agua es respecto al agua, así que las corrientes entran en la medida
Cualquier orientación de una IMU basta para la navegación por estima con DVL — los errores de rumbo se convierten directamente en errores de posición que crecen con la distancia recorrida
La alineación de montaje puede ignorarse — una pequeña rotación entre los sistemas de coordenadas de la DVL y de la IMU causa una deriva sistemática

Quién debería saberlo

Ingenieros de robótica marina y submarina
Ingenieros de navegación y estimación de estado para AUV y ROV
Equipos de ciencias del mar y de levantamientos que usan vehículos autónomos
Investigadores que trabajan en SLAM y localización submarinos

Tecnologías relacionadas

Sistema de navegación inercial (Inertial Navigation System)
Perfilador acústico de corrientes por efecto Doppler (Acoustic Doppler Current Profiler)
Posicionamiento acústico USBL (USBL Acoustic Positioning)
Posicionamiento acústico LBL (LBL Acoustic Positioning)
Sensor de profundidad por presión (Pressure Depth Sensor)
Sistema de referencia de actitud y rumbo (Attitude and Heading Reference System)

Términos relacionados

Proyectos relacionados

FAST-LIVO2: Fast, direct LiDAR-inertial-visual odometry from HKU-MARS, published in IEEE T-RO
GTSAM: Factor-graph optimization library powering many modern SLAM backends
OpenVINS: The reference open platform for visual-inertial state estimation research
manif: Header-only C++ Lie theory library for robotics state estimation