Desenvolvimento e avaliação de um Sistema Estéreo Inercial baseado em ORB-SLAM3

Abstract

O presente trabalho apresenta um sistema de visão estéreo-inercial de grau industrial, projetado para a navegação autônoma de Veículos de Operação Remota (ROVs) em ambientes subaquáticos, e a análise metrológica da incerteza de medição resultante. O sistema utiliza um conjunto de câmeras estéreo e uma Unidade de Medição Inercial (IMU) montados rigidamente e adota o algoritmo ORB-SLAM3 no modo estéreo-inercial, reconhecido por melhorar a fusão de dados e a incerteza de medição dos resultados. A metodologia incluiu uma calibração rigorosa dos parâmetros intrínsecos e extrínsecos, com validação geométrica de alinhamento em relação a um modelo CAD para a transformação Câmera?IMU. A avaliação do sistema foi realizada inteiramente em ambiente terrestre controlado. A avaliação da incerteza de medição da trajetória empregou um ground truth micrométrico baseado em interferometria a laser em uma guia linear, analisando o Erro de Pose Absoluta (APE), o Erro de Pose Relativa (RPE) e a repetibilidade de medição. Adicionalmente, avaliou-se a incerteza de medição geométrica da nuvem de pontos 3D, comparando-a a um modelo de referência improvisado gerado por fotogrametria, o qual possui incerteza de medição conhecida. Os resultados demonstraram que a abordagem de acoplamento rígido e a calibração metrológica conferem ao sistema elevada estabilidade operacional e uma incerteza de medição consistente da trajetória em cenários controlados. A análise estatística confirmou que a parametrização otimizada viabiliza uma incerteza de medição do deslocamento coerente com as exigências de aplicações de navegação em superfície terrestre. Obteve-se também uma reconstrução 3D com incerteza de medição verificável quando comparada ao modelo de referência. O trabalho estabelece uma base validada e confiável para a transposição futura do sistema para aplicações subaquáticas no âmbito do Projeto VORIS.

Abstract: The present work presents an industrial-grade stereo-inertial vision system designed for the autonomous navigation of Remotely Operated Vehicles (ROVs) in subsea environments, and a metrological analysis of the resulting measurement uncertainty. The system uses a set of stereo cameras and an Inertial Measurement Unit (IMU) rigidly mounted and adopts the ORB-SLAM3 algorithm in stereo-inertial mode, recognized for improving data fusion and measurement accuracy. The methodology included rigorous calibration of intrinsic and extrinsic parameters, with geometric alignment validation against a CAD model for the camera?IMU transformation. The system assessment was performed entirely in a controlled terrestrial environment. The evaluation of trajectory measurement uncertainty employed a micrometric ground truth based on laser interferometry on a linear guide, analyzing the Absolute Pose Error (APE), Relative Pose Error (RPE), and measurement repeatability. Additionally, the geometric measurement uncertainty of the 3D point cloud was evaluated by comparison with an improvised reference model generated by photogrammetry with known measurement uncertainty. The results demonstrated that the rigid coupling approach and the metrological calibration confer high operational stability and consistent trajectory measurement uncertainty to the system in controlled scenarios. Statistical analysis confirmed that the optimized parametrization enables a displacement measurement accuracy coherent with the demands of navigation applications on the terrestrial surface. A 3D reconstruction with verifiable measurement uncertainty was also achieved when compared to the reference model. The work establishes a validated and reliable basis for the future transposition of the system to subsea applications within the VORIS Project.