Hardware test device for visual navigation

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKnuuttila, Olli
dc.contributor.authorSorkkila, Ville
dc.contributor.schoolSähkötekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorKallio, Esa
dc.date.accessioned2022-08-28T17:18:25Z
dc.date.available2022-08-28T17:18:25Z
dc.date.issued2022-08-22
dc.description.abstractThe aim of this thesis is to develop a hardware prototype for testing the feasibility of a relative navigation algorithm called visual odometry (VO), which forms part of a navigation algorithm developed at Aalto University and that is designed for satellite proximity operations near solar system small bodies, such as asteroids. Performance of the absolute part of this navigation algorithm is also to be tested locally on the same hardware prototype, by using two predetermined feature extraction methods, named ORB and AKAZE. These methods are used for on-board rendered reference images as well as for real navigation camera images, captured during the pre-landing phase of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko of ESA’s Rosetta mission. These tasks are accomplished by first acquiring affordable commercial off-the-shelf (COTS) products that are integrated with the pre-selected main system, which uses an alternative version of the System on a Chip (SoC) intended to be used in the final satellite implementation. The feasibility of the VO algorithm is tested by executing the algorithm on the produced prototype in outdoors environment while simultaneously analyzing the system behavior on the platform and recording the results. For testing the absolute navigation part of the algorithm, parameters of the comet’s 3D-model, used for reference image rendering, are modified and results analyzed and recorded accordingly. Parameters that are modified includes the number of pixels and number of vertices. This work has been limited to implementing the visual navigation algorithm solely on the processing system (PS) side of the main prototype platform without exercising the field programmable gate array (FPGA) portion of the SoC. Both navigation algorithm parts have been successfully implemented and tested on the developed HW prototype. Biggest issue discovered during the VO tests is related to the rotation of the prototype system. In these moments, the VO algorithm had the tendency to lose its feature tracking capability. This issue can be addressed in the future via software and/or hardware optimization. In turn, the absolute navigation part provided very promising results, being able to process several images within a time frame of one minute by using either of the mentioned feature extraction methods. This thesis work can be used as a basis for the future development of the visual navigation platform.en
dc.description.abstractTämän lopputyön tarkoituksena on kehittää laitteistopohjainen prototyyppi suhteellisen navigointialgoritmin, joka tunnetaan nimellä visuaalinen odometria (VO), toteutettavuustestausta varten. Tämä algoritmi on osa Aalto-yliopistossa kehitettyä visuaalista navigointialgoritmia, joka on suunniteltu aurinkokunnan pienempien kappalaiden kuten asteroidien satelliitilla suoritettavia läheisyysoperaatioita varten. Navigointialgoritmin absoluuttinen osan suorituskyky tullaan myös testaamaan paikallisesti laitteistolla käyttämällä kahta ennalta valikoitua ominaisuuden poimintamenetelmää nimeltä ORB ja AKAZE. Näitä menetelmiä käytetään alustalla renderöityjen viitekuvien ja oikeiden navigointikuvien kanssa. Oikeat navigointikuvat ovat peräisin ESA:n Rosetta-tehtävästä, komeetta 67P/Churyumov-Gerasimenkon laskeutumista edeltäneestä vaiheesta. Prototyypin kehitys tapahtuu hankkimalla edullisia, kaupallisesti saatavilla olevia tuotteita, jotka yhdistetään ennalta valikoidun pääjärjestelmän kanssa, mikä puolestaan käyttää vaihtoehtoista järjestelmä sirulla (Eng. System on a Chip, SoC) -versiota, jota tullaan käyttämään myöhemmässä satelliitin toteutuksessa. VO:n toteutettavuustestit suoritetaan ulkoilmaympäristössä ja samalla analysoidaan algoritmin käyttäytymistä alustalla ja tallennetaan tuloksia. Visuaalisen navigointialgoritmin absoluuttisen osan testaamisessa muokataan viitekuvan renderöinnissä käytetyn komeetan 3D-mallin parametreja. Näihin parametreihin sisältyy pikseleiden- ja kärkienmäärän muokkaukset. Tämä lopputyö on rajoittunut visuaalisen navigointialgoritmin toteuttamiseen prototyyppialustan käsittelyjärjestelmän (Eng. processing system) puolella ilman, että SoC:n ohjelmoitavaa porttimatriisia (Eng. field programmable gate array, FPGA) hyödynnetään. Molemmat navigointialgoritmin osat saatiin onnistuneesti toteutettua ja testattua prototyyppilaitteistolla. VO-testien aikana havaittu merkittävin haaste liittyy prototyyppijärjestelmän kääntämiseen/pyörittämiseen. Kyseisissä tilanteissa VO-algoritmilla oli taipumus menettää ominaisuuksien seurantakykynsä. Tätä haastetta voidaan yrittää ratkaista tulevaisuudessa optimoimalla ohjelmistoa ja/tai laitteistoa. Absoluuttisen navigointialgoritmin osa puolestaan antoi erittäin lupaavia tuloksia, pystyen prosessoimaan yhden minuutin aikana useamman kuvan, kun käytettiin kumpaa tahansa ominaisuuksien poimintamenetelmistä. Tätä työtä voidaan käyttää visuaalisen navigointialustan jatkokehityksen pohjana.fi
dc.format.extent122 + 31
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/116382
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-202208285196
dc.language.isoenen
dc.locationP1fi
dc.programmeMaster’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)fi
dc.programme.majorSpace Science and Technologyfi
dc.programme.mcodeELEC3039fi
dc.subject.keywordvisual navigationen
dc.subject.keywordvisual odometryen
dc.subject.keywordsystem on a chipen
dc.subject.keywordembedded Linuxen
dc.titleHardware test device for visual navigationen
dc.titleLaitteistopohjainen testilaite visuaaliselle navigoinnillefi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
local.aalto.electroniconlyyes
local.aalto.openaccessno
Files