Reconstruction 3D d’environnement sous-marin par sonar

Les réserves hydrologiques de la province du Québec sont énormes et nous avons su en tirer profit en érigeant bon nombre de barrages hydroélectriques le long des cours d’eau présentant un dénivelé ou un débit important. Il ne faut pas oublier cependant que ces ouvrages de génie civil exigent beaucoup d’entretien pour en assurer la pérennité et en maximiser le rendement, sans négliger la sécurité des populations avoisinantes. Malheureusement, cet entretien est complexe et très coûteux. L’inspection de la partie en amont du barrage doit se faire sous l’eau et en présence de forts courants, ou à sec à l’aide d’énormes caissons étanches appelés batardeaux. C’est pourquoi l’IREQ a, au cours des années, mis au point différents capteurs d’inspection et outils de réfection de nature électro-mécanique, afin de simplifier, sécuriser et possiblement automatiser ce travail souvent effectué par des plongeurs dont la dextérité est limitée par des gants.

Un des derniers équipements développés, et un des plus polyvalents, est un mini sous-marin d’inspection   dit «à cadre ouvert». Conçu pour se mouvoir selon quatre degrés de libertés (trois translations et une rotation autour de l’axe vertical), il reste stable en tangage et roulis grâce à sept propulseurs croisés.

Durant sa plongée, le sous-marin est relié par un long ombilic sur dévidoir à une roulotte de contrôle   à partir de laquelle il est télé-opéré par le plongeur resté en surtàce. Il est également équipé d’une caméra avec réticule laser, pour faire des inspections rapprochées et des mesures dimensionnées des imperfections des surfaces du barrages , de même que d’un sonar qui permet au pilote de détecter la présence d’objets et d’obstacles.

Malheureusement, comme on peut le remarquer sur ces images, la caméra est troublée par la turbidité (quantité de particules en suspension) et n’est vraiment utile qu’à courte distance : généralement moins d’un mètre. Même un éclairage d’appoint puissant est inutile, parce que la lumière se trouve interceptée par les particules et crée un halo éblouissant à l’image.

En considérant qu’un barrage peut avoir une hauteur allant de quelques mètres à plus de deux cents mètres (barrage Daniel-Johnson« Manic-5 »), et qu’il est généralement encore beaucoup plus large, une visibilité de seulement une centaine de centimètres est bien peu et, à moins de suivre la parois de près, le pilote ne voit, la majorité du temps, que du noir à l’écran.

Pour pallier à cette importante contrainte de navigation, un système de positionnement 3D a été installé sur le véhicule afin de connaître en tout temps ses déplacements et son orientation. L’information ainsi obtenue permet de synchroniser la position du sous-marin dans un environnement virtuel simultané  suffisamment fidèle au site inspecté pour que le pilote puisse suivre ses déplacements de façon claire.

Cette représentation 3D servant de «caméra virtuelle» dans un monde sans limitation visuelle est une importante innovation dans le domaine des véhicules sous marin télé-opérés et pourrait également servir à la planification de trajectoires et de tâches.

Il ne faut pas oublier, par contre, que pour offrir les pleines capacités de ce guide à la navigation, il est essentiel d’avoir à sa disposition les plans du site afin d’en créer une réplique la plus fidèle possible dans ses dimensions, mais simplifée en quantité de détails. Malheureusement, nous ne possédons pas, à l’heure actuelle, tous ces plans d’ingénierie civile dans un format utilisable, ou complet. Il nous faut donc être capable de nous en passer et de pouvoir reconstruire ces plans sur place, durant les inspections, même de façon grossière.

La motivation première de ce projet de recherche est donc de pouvmr remodeler, «reconstruire en virtuel» , les formes actuelles des parties submergées des barrages à l’aide du sonar pour que cette information puisse être utilisées comme aide à la navigation du véhicule. De plus, si la qualité des mesures et du système dans son ensemble le permettent, ces données pourraient servir à l’établissement de comparatifs entre l’état actuel des lieux et les géométries des plans originaux : mouvement de vase, amoncellement de débris, déformation et érosion des structures, etc.

Pour en arriver à ce résultat final, le processus de reconstruction fait appel à plusieurs étapes de traitement de signaux lD, de projections 2D/3D, de critères géométriques, de mises en graphes 2D/3D, etc. Ce mémoire présente donc la modélisation et le développement de quatre aspects importants du processus de reconstruction 3D:

a. la prise de mesures référencées;
b. le filtrage des données brutes;
c. la structuration de ces profils de points en une représentation 3D virtuelle;
d. l’unification de segments de géométrie afin d’obtenir un environnement plus complet à partir de multiples balayages.

Sonar SM 2000 ECHO SOUNDER 

Les méthodes élaborées dans ce projet ne sont pas limitées à l’utilisation d’un modèle spécifique de sonar, ses caractéristiques de fonctionnement étant disponibles à travers un fichier de configuration, mais puisqu’un seul équipement a été employé au cours de ces travaux, il servira d’exemple pour l’explication des caractéristiques typiques.

Le sonar SM2000  de la compagnie Konsberg Simrad Mesothech [ 1] contient 80 capteurs ultrasoniques disposés en arc de cercle de 120° et possédant chacun un cône de réception de 20°. Grâce à ces informations brutes et au procédé mathématique de formation de rayons («bearn forming »), le sonar peut fournir 128 courbes d’amplitudes temporelles individuelles couvrant chacune un secteur de réception indépendant de 20° x 0,94°. Également, grâce à un émetteur auxiliaire (mode« echo sounder »),les secteurs de réception peuvent être réduits à 1,5° x 0,94°  , afin de permettre une meilleure discrimination des obstacles rencontrés.

Ce n’est pas, par contre, toute l’information des courbes d’amplitudes qui est disponible au poste de commande. En effet, l’ordinateur du sonar ne peut offrir ses données à l’extérieur que par port série et, afin de ne pas surcharger la capacité de transmission, il etiectue d’abord le seuillage des amplitudes  . Cela lui permet de fournir, au maximum, les quatre premières valeurs dépassant le seuil fixé par l’usager au préalable. Il est important de réaliser que le choix d’un petit nombre de retours pour chaque rayon minimise les chances d’obtenir parmi ceux-ci le maximum global du signal. Pourtant, celui-ci serait intéressant, car il correspondrait probablement à la distance de la surface réelle.

Quoi qu’il en soit, le sonar SM2000 retourne, pour chaque prise de mesures, 128 (x 1-4) informations de distance qui peuvent être interprétées comme un profil horizontal (ou «scan» dans le reste de ce document) de l’espace en avant de l’appareil.

Par contre, il est possible que le seuil choisi soit plus élevé que l’ amplitude maximale de la courbe. Dans ce cas, plutôt que de réduire le nombre d’informations contenues dans un profil, une donnée de valeur 0 est insérée.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : PROBLÉMATIQUE ET ÉQUIPEMENT SONAR
1.1 Problématique
1.2 Sonar SM 2000 ECHO SOUNDER
1.3 Architecture logicielle de la station de commande et flots d’information
CHAPITRE 2: REVUE DE LITTÉRATURE ET SOMMAIRE THÉORIQUE
2.1 Principe de fonctionnement du sonar
2.1.1 Phénomènes environnementaux
2.1.2 Propagation de l’onde acoustique
2.1.3 Bruits et réverbération
2.1.4 Performance du sonar
2.2 Indice de confiance des données sonar
2.2.1 Précision longitudinale des mesures de distance
2.2.2 Précision latérale des mesures de distance
2.2.3 Précision transversale des mesures de distance
2.2.4 Précision acoustique totale
2.3 Discussion
Principales contributions personnelles
CHAPITRE 3 : SYSTÈME DE POSITIONNEMENT ET DONNÉES SONAR RÉFÉRENCÉES
3.1 Position 3D d’une mesure sonar
3.2 Installation du sonar sur le sous-marin
3.3 Position et orientation du sous-marin
3.3 .1 Équipements utilisés et leur précision respective
3.3.2 Combinaison du système de localisation acoustique et des autres capteurs
3.4 Précision des mesures référencées
3.5 Transformation des coordonnées spatiales
3.6 Discussion
CHAPITRE 4: FILTRAGE DES DONNÉES SONAR BRUTES
Filtrage du bruit impulsionnel
Modifications au médian classique
Filtrage du bruit de surface
Remplissage des données manquantes
Effet de bord
Méthodes investiguées
Segmentation des profils
Détection des discontinuités
Effet de la largeur du cône de réception sur la détection des discontinuités
Comparaison des filtres et présentation globale du processus de filtrage
Filtre gaussien adaptatif
Filtre Wiener
Comparaison de tous les filtres étudiés
Discussion
Principales contributions personnelles
CHAPITRE 5 : SIMULATION SONAR ET V ALIDA TION EXPÉRIMENTALE
5.1 Simulation
5 .1.1 Engin de simulation 3D
5 .1.2 Trajectoires des ondes acoustiques
5.1.3 Bruits
Bruit impulsionnel
Bruit de surface
5.2 Validation des paramètres acoustiques
5.3 Démonstration de l’effet du filtrage sur les données brutes
5.4 Discussion
CONCLUSION

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