TASP - Technion Autonomous Systems Program

‫הצעת מחקר לתכנית למערכות אוטונומיות ‪TASP-1023-3‬‬
‫יולי ‪1023‬‬
‫צלילת ברווז אוטונומית לשם יציאה לים מול גלי חוף‬
‫‪Autonomous Duck Dive (ADD) to exit through surf zone‬‬
‫‪ I‬מבא‬
‫הזנקת כלי שייט לים מחוף פתוח כרוכה במעבר אזור הגלים הנשברים (‪ .)Surf Zone‬בדרך כלל‬
‫לכלי שייט אין יכולת הפלגה באזור המשברים (‪ )Surf Zone Capability‬והם יוצאים מנמל מוגן‪ ,‬אשר‬
‫הפתח שלו מחוץ לתחום המשברים‪ ,‬או מורדים מאניית אם בלב ים‪ .‬עם זאת‪ ,‬כבר קיימים כלי שייט‬
‫מיוחדים בעלי יכולת תנועה בתחום המשברים‪ .‬לכלי שייט אלו אטימות‪ ,‬יציבות טובה והספק גבוהה‪,‬‬
‫ולפעמים יכולת להתיישר אחרי התהפכות‪ ,‬כלומר לבצע גלגול שלם (‪ )Roll-Over‬ולהמשיך להפליג‪.‬‬
‫כל התנועה היא על מימית‪.‬‬
‫גולשי גלים מצליחים לעבור גלי חוף גבוהים וחזקים בכוח דחף מאד קטן (חתירה בידיים) בשיטה‬
‫שנקראת צלילת ברווז (‪ .)Duck-Dive‬מתחת לגלים מתרחשת זרימת מים מסלולית‪ .‬טבילה מטה‬
‫בתזמון ובמקום הנכונים מביאה את הגלשן והגולש למסלול בו הזרימה מאפשרת לו לעבור דרך הגל‬
‫הנשבר החוצה מהחוף (ראה תמונת המחשה בדף השער שמציגה צילום של גולשת מבצעת צלילת‬
‫ברווז‪ .‬התמונה מולבשת לשם המחשה על פיתרון נומרי של גלים נשברים שלקוח מ [‪ .)]2‬ניסיון‬
‫לעבור את הגל הנשבר ללא הטבילה או בטבילה לא מספיק עמוקה או לא מתוזמנת היטב יסתכם‬
‫בסחיפת הגולש בחזרה לכיוון החוף‪ .‬הגולש המנוסה מתבונן בגל התלול שלקראת שבירה מולו‬
‫ומחליט על נקודת הטבילה‪.‬‬
‫רעיון המחקר הוא כי ניתן לפתח כלי שייט שיעבור גלי חוף בכוח דחף קטן יחסית אם יצליח לבצע‬
‫טבילה מתוזמנת ומכוונת היטב‪ .‬לשם כך אנו מציעים לבצע ניתוח של שדה הזרימה‪ ,‬פיתוח ראית פני‬
‫מים ושילוב המידע משניהם באלגוריתם החלטה על תזמון ואופן הטבילה‪ .‬סעיפים ‪ II‬ו ‪ III‬מציגים את‬
‫עקרונות הפיתוח והתכנית המפורטת לשנת המחקר הראשונה בתחום ניתוח שדה הזרימה ובתחום‬
‫ראיית פני המים בהתאמה‪ .‬סעיף ‪ IV‬מציג מטרות להמשך המחקר בשנה שנייה ושלישית‪ .‬סעיף ‪V‬‬
‫מציג את צוות המחקר‪.‬‬
‫‪ II‬פיתוח כלים לניתוח שדה הזרימה בתחום הגלים הנשברים‬
‫מטרת שלב זה לפתח כלים נומריים לניתוח שדה הזרימה מתחת לגלים נשברים‪.‬‬
‫פתרון זרימה בגלים בהתקדמותם ממים עמוקים לרדודים עד לשבירה כרוך באנאליזה מספרית‬
‫מורכבת עם אי ליניאריות חזקה‪ .‬מקובל ומעשי לפתור זרימה זאת בשיטת אלמנט גבול (‪)BEM‬‬
‫לזרימה פוטנציאלית‪ ,‬בניסוח לגראנג'י עם אי ליניאריות מלאה‪ ]2[ .‬מציג ניסוח מתמטי‪ ,‬ניסוח נומרי‪,‬‬
‫ופתרונות לתהליך זה בשיטה זאת‪ ,‬עם ניסוח נומרי מקורי ויעיל לפרופיל פני המים‪ .‬מוצג גם רעיון‬
‫להמשך פיתוח הפיתרון לתחילת השלב שאחרי שבירת פני המים (‪ ]1[ .)Post-Breaking‬מציג‬
‫מדידות במעבדה של גלים נשברים ושדה הזרימה מתחתם‪.‬‬
‫משימות מתוכננות לשנה ראשונה‬
‫‪ .2‬סקר ספרות‬
‫‪ .1‬פיתוח אלגוריתם להמשך פיתרון התפתחות פני המים בהתקרבות לחוף לפרק זמן (קצר)‬
‫נוסף אחרי השבירה‪ ,‬כפי הנראה לפי הרעיון שמוצג ב [‪ ,]2‬והוספתו לתכנה שפותחה ב [‪.]2‬‬
‫‪ .3‬הוספת ‪ Post Processor‬לתכנה שפותחה ב [‪ ]2‬שיפתור ויציג את קווי הזרם מתחת לגלים‪.‬‬
‫‪ .4‬חקירה פרמטרית והכנת בסיס נתונים לשדה הזרימה מתחת לגל נשבר‪ .‬הפיתרון יהיה דו‬
‫מימדי וייתן את פרופיל הגל הנשבר והזרימה מתחתיו עבור גלים שמתקדמים בניצב לחוף עם‬
‫קרקעית גלילית‪.‬‬
‫‪ III‬פיתוח ראיית פני המים‬
‫מטרת שלב זה לפתח מערכת ראיית מכונה ועיבוד תמונה שתראה ותנתח את תמונת הגל שמול כלי‬
‫השייט‪ .‬מתמונה זו אנו מצפים שניתן יהיה להעריך באופן אוטומטי‪ ,‬היכן נמצא כלי השייט יחסית לגל‬
‫ומהי צורת הגל‪ .‬על סמך שני הפרמטרים האלו ניתן יהיה לקבוע תכנית פעולה לכלי השייט הצולל‪.‬‬
‫הערכת צורה עבור משטח נוזלי היא משימה מאתגרת‪ .‬בצד האופטימי ניתן לזכור שהייתה התקדמות‬
‫משמעות בטכניקות מבוססות תמונה להערכה של צורת משטח לעצמים קשיחים‪ .‬מצד שני‪ ,‬למשטח‬
‫הנוזלי יש א פיונים המקשים על הבעיה באופן משמעותי‪ :‬אין בו מאפיינים מקומיים שאחריהם ניתן‬
‫לעקוב‪ ,‬יש לו תכונות החזרה מסובכות‪ ,‬והדינמיקה שלו מסובכת‪.‬‬
‫מקורות מידע סנסוריים ואחרים‬
‫נראה לנו שניתן לגשת למשימה זו תוך שימוש בכמה מקורות מידע ואנו מתכוונים לבדוק את כולם‬
‫ולשלב ביניהם‬
‫‪ .2‬צורת הגל – כאן הכוונה לאפיון הגל‪ ,‬מצידו הקרוב לחוף‪ ,‬כמשטח תלת ממדי‪ ,‬ומציאה של‬
‫משטח זה על סמך חישה ראייתית‪ .‬ניתן לגשת למשימה זו בכמה טכניקות המקובלות עבור‬
‫גופים קשיחים ואטומים (לא רפרקטיביים)‪ ,‬כמו ראיית סטריאו (תוך שימוש בשתי מצלמות או‬
‫יותר)‪ ,‬שחזור מתוך התמקדות (‪ ,(focus‬ואפילו תוך שימוש בתנועה ושטף אופטי (תוך שימוש‬
‫במספר תמונות עוקבות מאותה מצלמה)‪ .‬בסוג זה של מידע ניתן להכליל גם מידע ויזואלי‬
‫דינמי המושג מתוך צילום סדרת תמונות (ווידאו) של גל מתקרב והערכת מיקום נקודות‬
‫השבירה וזמנה מראש‪.‬‬
‫‪ .1‬קו השבירה ‪ -‬האפיון כמשטח נראה לא מתאים לחלק העליון של הגל בו מתרחשת כבר‬
‫שבירה והגל מתפרק לאוסף של "עצמים" לא קשורים‪ .‬מצד שני אזור זה חשוב כדי לדעת את‬
‫המיקום ואת צורת הגל‪ .‬לכן נראה שכדאי לנסות לגלות את מיקום קו השבירה לצורך החלטת‬
‫הצלילה‪.‬‬
‫‪ .3‬מידע מחיישנים אחרים – הן צורת הגל והן מיקום קו השבירה נמדדים באופן ראייתי על ידי‬
‫המצלמה ולכן מיקומם נתון במערכת הקואורדינטות של המצלמה‪ .‬לכן‪ ,‬ככל הנראה יש‬
‫למדוד את המיקום הזה‪ ,‬בעזרת מדידים אינרציאליים‪ ,‬פלס‪ ,‬וכיוב‪ .‬כדי שנוכל להעריך את‬
‫מיקום הגל וצורתו במערכת העולם או לפחות במערכת שאינה מסובבת יחסית אליו‪.‬‬
‫המדידים האלו המעריכים את מיקום כלי השיט וזוויות הנטיה שלו‪ ,‬כמו גם את התאוצות‬
‫הכרוכות בהן‪ ,‬יכולים לשמש כספקי מידע תומך לצורך החלטת הצלילה‪ ,‬ולא רק מידע לצורך‬
‫תיקון מערכת הקואורדינטות‪.‬‬
‫‪ .4‬מידע אפריורי לגבי צורת הגלים – גל מטבע היותו‪ ,‬אינו יכול לקבל צורה כלשהיא )‪,(arbitrary‬‬
‫אלא הוא מוגבל לצורות מסוימות שמקיימות את חוקי הטבע‪ .‬ההסקה של הצורה נעשית‬
‫פשוטה יותר אם הצורה מוגבלת למספר אפשרויות או פרמטרית‪ .‬התפתחות משטח פני‬
‫המים ואופן שבירת הגלים תלויים בפרמטרים של הגלים המגיעים ממים עמוקים ובפרופיל‬
‫הקרקע המקומי‪ .‬לפיכך הערכת משטח פני המים לגל התוקף את כלי השייט תתבסס על‬
‫התאמת הפרמטרים הנמדדים לפתרונות הזרימה לפי סעיף ב' בהצעה‪.‬‬
‫משימות מתוכננות לשנה ראשונה‬
‫‪.2‬‬
‫סקר ספרות – ערכנו סקר ספרות ראשוני ומתברר שיש יחסית מעט פרסומים על הערכת‬
‫הצורה של משטח נוזלי מתוך מדידות ויזואליות‪ .‬חלק גדול מהפרסומים האלו מתייחסים‬
‫לתנאי מעבדה‪ ,‬ולמדידת גלים בתוך מיכל או תעלה‪ .‬הם נעזרים בשיטות מתאימות להקשר‬
‫המצומצם הזה‪ ,‬כמו צביעת קרקעית המיכל בפסים והסקת של הגלים מתוך תמונת הפסים‬
‫המעוותת הנצפית דרך הנוזל [‪ ,]4‬או באופן נפוץ הסתכלות על פרופיל הגל דרך דופן צדדית‬
‫שקופה [‪ .]3‬שיטות אחרות מסתמכות על השקיפות המלאה של הנוזל‪ ,‬או דוקא להפך‪,‬‬
‫צובעות אותו כדי לאפשר את שחזור המשטח [‪ .]5‬ברור שלא ניתן להשתמש בשיטות האלו‬
‫לסביבה טבעית‪ .‬חלק אחר מהפרסומים מתמקד במשימות ספציפיות של גילוי אירוע מסוים‪,‬‬
‫ונעשו כמה עבודות על זיהוי שחיינים [‪ ,]6‬או התראה על טביעה‪ .‬עם זאת נמצאו כמה מקורות‬
‫המשתמשים בטכניקות ראיה ממוחשבת כמו ‪ optical flow‬ואפילו ‪shape from shading‬‬
‫להערכת צורת משטח נוזלי [‪ .]8,7‬בנוסף קיימות עבודות העוסקות בשחזור גופים מחזירים‪,‬‬
‫היכולות להיות רלוונטיות (למשל עבודה קודמת שלנו [‪ .)]9‬אנו מתכוונים לעשות חיפוש‬
‫מעמיק‪ ,‬ולבחון את הישימות של המודלים ושל השיטות הקיימות לבעיה שלפנינו‪.‬‬
‫‪.1‬‬
‫אפיון החיישנים הנדרשים – כיון שהחישה נעשית מפלטפורמה לא יציבה (כלי שיט)‪ ,‬יש‬
‫לאפיין את התנאים כך שנוכל לאסוף מידע תמונתי בתנאים רלוונטיים‪ .‬שאלות שיש לענות‬
‫עליהן הן למשל מה מידת היציבות של כוון המצלמה בכל הצירים ? מה מידת השקיפות של‬
‫חלון הראיה? מה צורת הגל הצפויה ? ומהי התכיפות ומרווח הזמן בהם סביר לעשות את‬
‫המדיה ? סעיף זה הוא מרכזי ובו יתבצע במשותף על ידי החוקרים‪ ,‬והוא ידרוש מן הסתם גם‬
‫ניסויים מתאימים‪.‬‬
‫‪.3‬‬
‫איסוף תמונות וסרטי ווידאו – כדי לתכנן מערכת המגיבה בצורה אוטומטית על סמך‬
‫סנסור ראייתי‪ ,‬יש להבין קודם כל מה ניתן לראות מתוך המצלמה במצבים המיוחדים האלו‪,‬‬
‫עד כמה ניתן להסיק מסקנות מסוג התמונות המתקבל‪ ,‬לאיזה כיוון כדאי להביט‪ ,‬מהי‬
‫ההגדלה הרצויה‪ ,‬וכיו"ב‪ .‬לצורך כך אנו מתכוונים לאסוף תמונות בתנאים שונים‪ ,‬החל‬
‫מתמונות בבריכת גלים וכלה בים עצמו‪ ,‬בתנאים שונים‪.‬‬
‫‪.4‬‬
‫פיתוח אלגוריתם ראשון – כמו שתואר לעיל יש כמה אפשרויות ונרצה לבדוק לפחות כמה‬
‫מהם‪ .‬בראיה ראשונית נראה שאלגוריתם מבוסס תנועה או סטריאו (שהם אלגוריתמים‬
‫דומים) יתאים לשחזור משטח השפה של הגל‪ .‬אנו מתכוונים לבדוק את אחד האלגוריתמים‬
‫בשנה הראשונה‪.‬‬
‫‪.5‬‬
‫תכנון ראשוני של פלטפורמה נושאת מצלמות – לקראת סוף השנה הראשונה אנו‬
‫מתכוונים לבצע תכנון ראשוני של מערכת החישה‪ .‬מערכת זו כוללת סנסורים שונים שיש‬
‫לאפיין ולבחור‪ ,‬והוא תכנון מורכב הכולל תכנון מכני ואלקטרוני של מערכת אטומה עם‬
‫אפשרות לכוונון חיצוני מוגבל‪ ,‬תכנון מיקום המצלמות‪ ,‬כוון ההסתכלות שלהן‪ ,‬אורך המוקד‪,‬‬
‫סוג החלון דרכן הן מסתכלות (כיפה עגולה?)‪ ,‬ואינטגרציה של סנסורים נוספים‪.‬‬
‫‪ IV‬מטרות להמשך המחקר בשנה שנייה ושלישית‬
‫‪ .2‬פיתרון הנדסי לאופן ביצוע הטבילה (שנה ‪ .)1‬שיטות אפשריות‪ :‬הגה עומק (משטח זרימה) אחורי‬
‫או קדמי; מילוי וריקון מהיר של מיכל מי נטל; הנפה מהירה של משקל שהיה טבול במים אל מעל‬
‫המים (זוהי השיטה שמפעיל הגולש)‪.‬‬
‫‪ .1‬המשך אסוף מידע הכולל הפעם מלבד התמונות וסרטי הווידיאו גם מידע בו זמני המסופק‬
‫מסנסורים אחרים וגם חיווי אדם‪ ,‬המספק מידע על האפשרות לבצע צלילת ברווז בכל רגע (שנה ‪.)1‬‬
‫‪ .3‬המשך פיתוח אלגוריתמים לניתוח המידע הוויזואלי‪ ,‬והשוואה תחרותית ביניהם‪ ,‬הן לגבי צורת הגל‬
‫והן לגבי ההחלטה המיטבית לגבי הצלילה‪ .‬ניתוח תגובתם של סנסורים לא ראייתיים‪ .‬מיזוג (‪)fusion‬‬
‫בין סנסורים מסוגים שונים (שנה ‪.)1‬‬
‫‪ .4‬בדיקת עמידות וביצועים של האלגוריתמים – אנו מתכוונים לבדוק את האלגוריתמים בצורה‬
‫אינטנסיבית‪ ,‬כיאות לאלגוריתמים המכוונים את פעולתה של מערכת אמינה‪ .‬נרצה לבדוק אותם‬
‫בסביבות שונות‪ ,‬ובתנאי סביבה מגוונים (שנים ‪.)1-3‬‬
‫‪ .5‬תכנון וביצוע מערכת חישה מבוססת מצלמות – המשך התכנון המכאני והאלקטרוני של מערכת‬
‫החישה‪ ,‬מימושה‪ ,‬ובדיקתה בנפרד מכלי השייט וגם יחד איתו (שנים ‪.)1-3‬‬
‫‪ .6‬פיתוח אלגוריתם להחלטה על התזמון והפרמטרים של הטבילה‪ ,‬לפי ניתוח המידע הנראה ולפי‬
‫פיתרון מוערך של הזרימה מתחת לגל (שנה ‪.)1‬‬
‫‪ .8‬פיתוח אלגוריתם ומערכת בקרה לביצוע הטבילה מתחת לגל (שנים ‪.)1-3‬‬
‫‪ .7‬תכן אינטגראלי ופיתוח מודל למדגים טכנולוגי של כלי שייט זרמי ואטום גם בחלק העל מימי‪ ,‬עם‬
‫ציפה שיורית נמוכה ויכולת טבילה תת ימית במסלול מבוקר למספר שניות (שנה ‪.)3‬‬
‫‪ .9‬הדגמה בתעלת גלים (שנה ‪.)3‬‬
‫צוות המחקר‬
‫נתאי דרימר‪ ,‬הפקולטה להנדסת מכונות – יעסוק בפתרון וניתוח שדה הזרימה בגלים‪ ,‬האנאליזה‬
‫המכאנית והאינטגרציה לתכן הקונספט‪.‬‬
‫מיכה לינדנבאום‪ ,‬הפקולטה למדעי המחשב – יעסוק בפיתוח ראיית מכונה ועיבוד תמונות זיהוי פני‬
‫המים ולמידה‪.‬‬
‫תמר אברהם‪ ,‬חוקרת בכירה במעבדה למערכות נבונות בפקולטה למדעי המחשב‪ ,‬בעלת תואר‬
‫שלישי ומומחית בראיה ממוחשבת – תעסוק במחקר בנושא הערכת צורת הגל בשיתוף עם התלמיד‪.‬‬
‫נתיב שחק – מהנדס מכונות בוגר הטכניון‪ ,‬תואר ראשון ושני כפול (הנדסת מכונות ומנהל עסקים)‪,‬‬
‫עם ניסיון תכן ופיתוח הנדסי בחיל הים ענף הנדסה ימית‪ ,‬רפאל (בין השאר מוביל מכאני של פרויקט‬
‫כלי שייט בלתי מאויש פרוטקטור‪ ,‬ראש מחלקה הנדסית)‪ ,‬אלביט (מנהל הנדסה באלביט מערכות‬
‫יבשה)‪ .‬יבצע מחקר לתואר דוקטור בנושא פתרון הזרימה מתחת לגלים נשברים‪ ,‬חקירה פרמטרית‬
‫והכנת בסיס נתונים לשדה הזרימה מתחת לגל נשבר‪ ,‬אלגוריתם לבחירת המסלול והתזמון לטבילה‪.‬‬
‫תלמיד נוסף (‪ ,)TBD‬אחד לפחות‪ ,‬לתואר שני ואולי שלישי‪ ,‬שיעסוק במחקר בנושא הערכת צורת‬
‫הגל מתוך סנסורים ראייתיים‪.‬‬
‫שיתוף פעולה ‪ -‬הצוות כולל מומחיות בתחומים מגוונים הכוללים את כל האספקטים של הפרויקט‬
‫לשנה הראשונה‪ .‬הצוות מהנדסת מכונות הוא בעל מומחיות בתכן כלי שייט ובהידרודינאמיקה של גלי‬
‫ים‪ .‬הצוות ממדעי המחשב הוא בעל מומחיות בראיה ממוחשבת ובעיבוד תמונה ומתמצא גם בשילוב‬
‫של חיישנים שונים להחלטות אופטימאליות‪ .‬בשנה השנייה נשקול הוספת חבר סגל בתחום בקרה‪.‬‬
‫לשיתוף הפעולה יש הזדמנויות רבות‪ .‬למשל האלגוריתמים הספציפיים בעיבוד תמונה לגילוי צורת‬
‫מים נשענים על ידע הידרודינמי ‪ ,‬אפיון מערכת הצילום נשען על פרמטרים של תנודת המצלמה‪,‬‬
‫הטווח לגל וגודלו וכיו"ב‪ .‬הדורשים ידע על גלים כלי שיט‪ ,‬ההחלטה הסופית על צלילה דורשת את‬
‫אפיון הוודאות של תוצר האלגוריתם‪ ,‬ועוד‪.‬‬
‫ כאשר נגיע לבניית כלי שייט‬.‫תקציב המחקר – התקציב לשנה הראשונה מפורט בטופס מנל"מ‬
‫ אנו מתכוונים לפנות לגורמים חיצוניים (למשל מפא"ת או גופים מסחריים) ולמסד שיתוף‬,‫מדגים‬
.‫פעולה‬
‫מקורות‬
[1] N. Drimer and Y. Agnon. An improved low-order boundary element method for
breaking surface waves. Wave Motion 43 (2006) 241–258, Elsevier.
[2] O. Kimmoun, H. Branger, A particle image velocimetry investigation on laboratory
surf-zone breaking waves over a sloping beach. Journal of Fluid Mechanics (2007),
Volume: 588 Pages: 353-397
[3] G. Iglesias, O.Ibanez, A.Castro, J.R.Rabunal, J.Dorado, Computer vision applied
to wave flume measurements, Ocean Engineering 36 (2009) 1073–1079
[4] N.J.W. Morris, K.N. Kutulakos, Dynamic Refraction Stereo, IEEE Transaction on
Pattern Anal. Mach. Intell. 33(8), 1518-1531, 2011.
[5] H. M.Wang, M. Liao, Q. Zhang, R. G. Yang, and G. Turk., Physically guided liquid
surface modeling from videos, In Proceedings of ACM SIGGRAPH, pages 1–11,
2009.
[6] A. Adam, I. Shimshoni and E. Rivlin, Aggregated Dynamic Background
Modeling . IEEE International Conference on Image Processing (ICIP), 2006.
[7] P. Tsai and M. Shah. Shape from shading using linear approximation. Image and
Vision Computing, 12:487–498, 1994.
[8] H. Sakaino. Motion estimation method based on physical properties of waves. In
Proceedings of the IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and
Pattern Recognition, pages 1–8, 2008.
[9] Rozenfeld, S., Shimshoni, I., and Lindenbaum, M.. Dense Mirroring Surface
Recovery from 1D Homographies and Sparse Correspondences. IEEE Trans.
Pattern Anal. Mach. Intell., 33(2):325–337, 2011.