In the past decade, the adoption of compact 3D range sensors, such as LiDARs, has driven the developments of robust state-estimation pipelines, making them a standard sensor for aerial, ground, and space autonomy. Unfortunately, poor propagation of electromagnetic waves underwater, has limited the visibility-independent sensing options of underwater state-estimation to acoustic range sensors, which provide 2D information including, at-best, spatially ambiguous information. This paper, to the best of our knowledge, is the first study examining the performance, capacity, and opportunities arising from the recent introduction of the first compact 3D sonar. Towards that purpose, we introduce calibration procedures for extracting the extrinsics between the 3D sonar and a camera and we provide a study on acoustic response in different surfaces and materials. Moreover, we provide novel mapping and SLAM pipelines tested in deployments in underwater cave systems and other geometrically and acoustically challenging underwater environments. Our assessment showcases the unique capacity of 3D sonars to capture consistent spatial information allowing for detailed reconstructions and localization in datasets expanding to hundreds of meters. At the same time it highlights remaining challenges related to acoustic propagation, as found also in other acoustic sensors. Datasets collected for our evaluations would be released and shared with the community to enable further research advancements.


翻译:过去十年间,紧凑型三维测距传感器(如激光雷达)的采用推动了鲁棒状态估计框架的发展,使其成为空中、地面及空间自主系统的标准传感器。然而,电磁波在水下传播能力较差,这限制了水下状态估计中不依赖可见光的传感方案只能采用声学测距传感器,此类传感器仅能提供二维信息,即使在最佳情况下也仅包含空间模糊信息。据我们所知,本文是首篇针对近期问世的首款紧凑型三维声呐的性能、潜力及应用前景进行系统性评估的研究。为此,我们提出了三维声呐与相机间外参标定的校准流程,并对不同表面与材料的声学响应特性进行了实验研究。此外,我们开发了创新的建图与SLAM处理框架,并在水下洞穴系统及其他几何结构与声学特性极具挑战性的水下环境中进行了实地部署验证。实验评估表明,三维声呐具备捕获连续空间信息的独特能力,可在延伸至数百米的数据集中实现精细三维重建与定位。同时,研究也揭示了声波传播方面存在的固有挑战——这也是其他声学传感器的共性问题。为促进后续研究,我们在评估过程中采集的数据集将向学术界公开发布。

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