Doppler Velocity Log

Também chamado: DVL, Doppler log
Categoria: Sensing › Exteroceptive
Tags: underwater-robotics, dead-reckoning, acoustic-sensing, state-estimation, sensor-fusion

Um sensor acústico para veículos subaquáticos que mede a velocidade em relação ao fundo do mar, ou à água, a partir do desvio Doppler de ecos sonoros, e é a principal entrada da navegação estimada subaquática.

Definição

Um odômetro Doppler (Doppler velocity log, DVL) é um sensor acústico que mede a que velocidade um veículo subaquático está se movendo. Ele emite pulsos de som ao longo de vários feixes, geralmente quatro, inclinados para baixo e para fora do veículo, e mede o desvio de frequência Doppler dos ecos que voltam do fundo do mar. Cada feixe dá a componente da velocidade ao longo de sua própria direção; com pelo menos três feixes não coplanares, é possível resolver a velocidade tridimensional do veículo no sistema de coordenadas do sensor, e um quarto feixe acrescenta redundância e uma verificação de erros. A maioria dos DVLs também informa a distância até o fundo ao longo de cada feixe, o que dá a altitude acima do fundo do mar. A palavra log, no nome em inglês, é o termo náutico para um instrumento que mede a velocidade de um navio.

Quando o fundo do mar está dentro do alcance, o DVL está no modo de rastreamento do fundo (bottom-track), ou travamento no fundo, e mede a velocidade em relação ao fundo. Quando o fundo está longe demais, alguns DVLs conseguem fazer rastreamento da água (water-track), medindo a velocidade em relação a uma camada de água, o que inclui o efeito das correntes. O alcance e a precisão dependem da frequência acústica: frequências mais baixas chegam mais longe, e frequências mais altas dão medições mais finas com alcance menor. O travamento no fundo pode ser perdido sobre terreno íngreme ou macio, muito perto do fundo, em água aerada ou quando o veículo arfa fortemente, e o software de navegação precisa LiDAR com essas lacunas.

Como o GPS não funciona debaixo d'água, o DVL é a principal fonte de informação de movimento para a maioria dos veículos subaquáticos autônomos e operados remotamente. Sua velocidade no sistema do corpo é rotacionada para o sistema do mundo usando uma estimativa de atitude e rumo vinda de uma IMU ou de um sistema de navegação inercial e depois integrada para dar a posição. Essa navegação estimada deriva com a distância percorrida, sendo o erro de rumo muitas vezes o maior contribuinte, por isso é corrigida com um sensor de pressão para a profundidade, posicionamento acústico como USBL ou LBL, características do terreno ou visuais, e subidas à superfície para obter fixos de GPS. Resultados precisos dependem de calibrar a rotação e o deslocamento de montagem entre o DVL e a IMU e de usar a velocidade do som correta.

Por que importa

Robôs subaquáticos não podem usar GPS e muitas vezes não enxergam longe, então a velocidade em relação ao fundo do mar é uma das poucas medições diretas de seu movimento. A qualidade de um DVL e de sua fusão com sensores inerciais determina em grande parte quanto um veículo subaquático pode percorrer antes que sua estimativa de posição deixe de ser confiável.

Principais aplicações

Navegação estimada para veículos subaquáticos autônomos
Manutenção de posição e controle em baixa velocidade de veículos operados remotamente
Auxílio a sistemas de navegação inercial em veículos de levantamento
Mapeamento e inspeção do fundo do mar onde a precisão da posição importa
Manutenção da altitude acima do fundo do mar

Na prática

Um veículo subaquático que precisa voltar a pontos de amostragem no fundo do mar funde seu DVL, sua IMU e seu sensor de pressão em um grafo de fatores. Cada leitura de rastreamento do fundo do DVL se torna um fator de velocidade entre estados consecutivos, rotacionado pela orientação estimada e corrigido pelo braço de alavanca entre o DVL e o ponto de referência do veículo. Antes da implantação, a equipe calibra a rotação de montagem do DVL percorrendo linhas retas e comparando com fixos de posição acústicos, já que um pequeno desalinhamento em guinada produz um erro lateral que cresce continuamente. Em operação, as leituras marcadas como inválidas quando o travamento no fundo é perdido são descartadas, e um evento de contato, como o veículo pousar sobre uma estrutura conhecida, é acrescentado como restrição extra que traz de volta ao lugar a estimativa que estava derivando.

Equívocos comuns

Um DVL fornece a posição — ele mede a velocidade, que precisa ser integrada com uma estimativa de orientação e deriva com o tempo
A velocidade do DVL é sempre em relação ao fundo do mar — no modo de rastreamento da água ela é em relação à água, então as correntes entram na medição
Qualquer orientação de IMU é boa o suficiente para a navegação estimada com DVL — erros de rumo se transformam diretamente em erros de posição que crescem com a distância percorrida
O alinhamento de montagem pode ser ignorado — uma pequena rotação entre os sistemas de coordenadas do DVL e da IMU causa deriva sistemática

Quem deve saber

Engenheiros de robótica marinha e subaquática
Engenheiros de navegação e estimação de estado para AUVs e ROVs
Equipes de ciências oceânicas e de levantamento que usam veículos autônomos
Pesquisadores que trabalham com SLAM e localização subaquáticos

Tecnologias relacionadas

Sistema de navegação inercial (Inertial Navigation System)
Perfilador acústico de correntes por efeito Doppler (Acoustic Doppler Current Profiler)
Posicionamento acústico USBL (USBL Acoustic Positioning)
Posicionamento acústico LBL (LBL Acoustic Positioning)
Sensor de profundidade por pressão (Pressure Depth Sensor)
Sistema de referência de atitude e rumo (Attitude and Heading Reference System)

Termos relacionados

Projetos 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