Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Theory, Design, and Implementation of Landmark Promotion Cooperative Simultaneous Localization and Mapping

Simultaneous Localization and Mapping (SLAM) is a challenging problem in practice, the use of multiple robots and inexpensive sensors poses even more demands on the designer. Cooperative SLAM poses specific challenges in the areas of computational efficiency, software/network performance, and robustness to errors. New methods in image processing, recursive filtering, and SLAM have been developed to implement practical algorithms for cooperative SLAM on a set of inexpensive robots. The Consolidated Unscented Mixed Recursive Filter (CUMRF) is designed to handle non-linear systems with non-Gaussian noise. This is accomplished using the Unscented Transform combined with Gaussian Mixture Models. The Robust Kalman Filter is an extension of the Kalman Filter algorithm that improves the ability to remove erroneous observations using Principal Component Analysis (PCA) and the X84 outlier rejection rule. Forgetful SLAM is a local SLAM technique that runs in nearly constant time relative to the number of visible landmarks and improves poor performing sensors through sensor fusion and outlier rejection. Forgetful SLAM correlates all measured observations, but stops the state from growing over time. Hierarchical Active Ripple SLAM (HAR-SLAM) is a new SLAM architecture that breaks the traditional state space of SLAM into a chain of smaller state spaces, allowing multiple robots, multiple sensors, and multiple updates to occur in linear time with linear storage with respect to the number of robots, landmarks, and robots poses. This dissertation presents explicit methods for closing-the-loop, joining multiple robots, and active updates. Landmark Promotion SLAM is a hierarchy of new SLAM methods, using the Robust Kalman Filter, Forgetful SLAM, and HAR-SLAM. Practical aspects of SLAM are a focus of this dissertation. LK-SURF is a new image processing technique that combines Lucas-Kanade feature tracking with Speeded-Up Robust Features to perform spatial and temporal tracking. Typical stereo correspondence techniques fail at providing descriptors for features, or fail at temporal tracking. Several calibration and modeling techniques are also covered, including calibrating stereo cameras, aligning stereo cameras to an inertial system, and making neural net system models. These methods are important to improve the quality of the data and images acquired for the SLAM process

Sulautettu ohjelmistototeutus reaaliaikaiseen paikannusjärjestelmään

Asset tracking often necessitates wireless, radio-frequency identification (RFID). In practice, situations often arise where plain inventory operations are not sufficient, and methods to estimate movement trajectory are needed for making reliable observations, classification and report generation. In this thesis, an embedded software application for an industrial, resource-constrained off-the-shelf RFID reader device in the UHF frequency range is designed and implemented. The software is used to configure the reader and its air-interface operations, accumulate read reports and generate events to be reported over network connections. Integrating location estimation methods to the application facilitates the possibility to make deploying middleware RFID solutions more streamlined and robust while reducing network bandwidth requirements. The result of this thesis is a functional embedded software application running on top of an embedded Linux distribution on an ARM processor. The reader software is used commercially in industrial and logistics applications. Non-linear state estimation features are applied, and their performance is evaluated in empirical experiments.Tavaroiden seuranta edellyttää usein langatonta radiotaajuustunnistustekniikkaa (RFID). Käytännön sovelluksissa tulee monesti tilanteita joissa pelkkä inventointi ei riitä, vaan tarvitaan menetelmiä liikeradan estimointiin luotettavien havaintojen ja luokittelun tekemiseksi sekä raporttien generoimiseksi. Tässä työssä on suunniteltu ja toteutettu sulautettu ohjelmistosovellus teolliseen, resursseiltaan rajoitettuun ja kaupallisesti saatavaan UHF-taajuusalueen RFID-lukijalaitteeseen. Ohjelmistoa käytetään lukijalaitteen ja sen ilmarajapinnan toimintojen konfigurointiin, lukutapahtumien keräämiseen ja raporttien lähettämiseen verkkoyhteyksiä pitkin. Paikkatiedon estimointimenetelmien integroiminen ohjelmistoon mahdollistaa välitason RFID-sovellusten toteuttamisen aiempaa suoraviivaisemin ja luotettavammin, vähentäen samalla vaatimuksia tietoverkon kaistanleveydelle. Työn tuloksena on toimiva sulautettu ohjelmistosovellus, jota ajetaan sulautetussa Linux-käyttöjärjestelmässä ARM-arkkitehtuurilla. Lukijaohjelmistoa käytetään kaupallisesti teollisuuden ja logistiikan sovelluskohteissa. Epälineaarisia estimointiominaisuuksia hyödynnetään, ja niiden toimivuutta arvioidaan empiirisin kokein

Cooperative Navigation for Low-bandwidth Mobile Acoustic Networks.

This thesis reports on the design and validation of estimation and planning algorithms for underwater vehicle cooperative localization. While attitude and depth are easily instrumented with bounded-error, autonomous underwater vehicles (AUVs) have no internal sensor that directly observes XY position. The global positioning system (GPS) and other radio-based navigation techniques are not available because of the strong attenuation of electromagnetic signals in seawater. The navigation algorithms presented herein fuse local body-frame rate and attitude measurements with range observations between vehicles within a decentralized architecture. The acoustic communication channel is both unreliable and low bandwidth, precluding many state-of-the-art terrestrial cooperative navigation algorithms. We exploit the underlying structure of a post-process centralized estimator in order to derive two real-time decentralized estimation frameworks. First, the origin state method enables a client vehicle to exactly reproduce the corresponding centralized estimate within a server-to-client vehicle network. Second, a graph-based navigation framework produces an approximate reconstruction of the centralized estimate onboard each vehicle. Finally, we present a method to plan a locally optimal server path to localize a client vehicle along a desired nominal trajectory. The planning algorithm introduces a probabilistic channel model into prior Gaussian belief space planning frameworks. In summary, cooperative localization reduces XY position error growth within underwater vehicle networks. Moreover, these methods remove the reliance on static beacon networks, which do not scale to large vehicle networks and limit the range of operations. Each proposed localization algorithm was validated in full-scale AUV field trials. The planning framework was evaluated through numerical simulation.PhDMechanical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113428/1/jmwalls_1.pd

Opportunistic Multi-sensor Fusion for Robust Navigation in Smart Environments

Proceedings of: Workshop on User-Centric Technologies and Applications (CONTEXTS 2011), Salamanca, April 6-8, 2011This paper presents the design of a navigation system for multiple autonomous robotic platforms. It performs multisensor fusion using a Monte Carlo Bayesian filter, and has been designed to maximize information acquisition. Apart from sensors equipped in the mobile platform, the system can dynamically integrate observations from friendly external sensing entities, increasing robustness and making it suitable for both indoor and outdoor operation. A multi-agent layer manages the information acquisition process, making it transparent for the core filtering solution. As a proof of concept, some preliminary results are presented over a real platform using the part of the system specialized in outdoor navigationThis work was supported in part by Projects CICYT TIN2008-06742-C02-02/TSI, CICYT TEC2008-06732-C02-02/TEC, CAM CONTEXTS (S2009/ TIC-1485) and DPS2008-07029-C02-02.publicad

Robust Multi-sensor Data Fusion for Practical Unmanned Surface Vehicles (USVs) Navigation

The development of practical Unmanned Surface Vehicles (USVs) are attracting increasing attention driven by their assorted military and commercial application potential. However, addressing the uncertainties presented in practical navigational sensor measurements of an USV in maritime environment remain the main challenge of the development. This research aims to develop a multi-sensor data fusion system to autonomously provide an USV reliable navigational information on its own positions and headings as well as to detect dynamic target ships in the surrounding environment in a holistic fashion. A multi-sensor data fusion algorithm based on Unscented Kalman Filter (UKF) has been developed to generate more accurate estimations of USV’s navigational data considering practical environmental disturbances. A novel covariance matching adaptive estimation algorithm has been proposed to deal with the issues caused by unknown and varying sensor noise in practice to improve system robustness. Certain measures have been designed to determine the system reliability numerically, to recover USV trajectory during short term sensor signal loss, and to autonomously detect and discard permanently malfunctioned sensors, and thereby enabling potential sensor faults tolerance. The performance of the algorithms have been assessed by carrying out theoretical simulations as well as using experimental data collected from a real-world USV projected collaborated with Plymouth University. To increase the degree of autonomy of USVs in perceiving surrounding environments, target detection and prediction algorithms using an Automatic Identification System (AIS) in conjunction with a marine radar have been proposed to provide full detections of multiple dynamic targets in a wider coverage range, remedying the narrow detection range and sensor uncertainties of the AIS. The detection algorithms have been validated in simulations using practical environments with water current effects. The performance of developed multi-senor data fusion system in providing reliable navigational data and perceiving surrounding environment for USV navigation have been comprehensively demonstrated

Secure indoor navigation and operation of mobile robots

In future work environments, robots will navigate and work side by side to humans. This raises big challenges related to the safety of these robots. In this Dissertation, three tasks have been realized: 1) implementing a localization and navigation system based on StarGazer sensor and Kalman filter; 2) realizing a human-robot interaction system using Kinect sensor and BPNN and SVM models to define the gestures and 3) a new collision avoidance system is realized. The system works on generating the collision-free paths based on the interaction between the human and the robot.In zukünftigen Arbeitsumgebungen werden Roboter navigieren nebeneinander an Menschen. Das wirft Herausforderungen im Zusammenhang mit der Sicherheit dieser Roboter auf. In dieser Dissertation drei Aufgaben realisiert: 1. Implementierung eines Lokalisierungs und Navigationssystem basierend auf Kalman Filter: 2. Realisierung eines Mensch-Roboter-Interaktionssystem mit Kinect und AI zur Definition der Gesten und 3. ein neues Kollisionsvermeidungssystem wird realisiert. Das System arbeitet an der Erzeugung der kollisionsfreien Pfade, die auf der Wechselwirkung zwischen dem Menschen und dem Roboter basieren

Entwicklung und Implementierung eines Peer-to-Peer Kalman Filters für Fußgänger- und Indoor-Navigation

Smartphones are an integral part of our society by now. They are used for messaging, searching the Internet, working on documents, and of course for navigation. Although smartphones are also used for car navigation their main area of application is pedestrian navigation. Almost all smartphones sold today comprise a GPS L1 receiver which provides position computation with accuracy between 1 and 10 m as long as the environment in beneficial, i.e. the line-of-sight to satellites is not obstructed by trees or high buildings. But this is often the case in areas where smartphones are used primarily for navigation. Users walk in narrow streets with high density, in city centers, enter, and leave buildings and the smartphone is not able to follow their movement because it loses satellite signals. The approach presented in this thesis addresses the problem to enable seamless navigation for the user independently of the current environment and based on cooperative positioning and inertial navigation. It is intended to realize location-based services in areas and buildings with limited or no access to satellite data and a large amount of users like e.g. shopping malls, city centers, airports, railway stations and similar environments. The idea of this concept was for a start based on cooperative positioning between users’ devices denoted here as peers moving within an area with only limited access to satellite signals at certain places (windows, doors) or no access at all. The devices are therefore not able to provide a position by means of satellite signals. Instead of deploying solutions based on infrastructure, surveying, and centralized computations like range measurements, individual signal strength, and similar approaches a decentralized concept was developed. This concept suggests that the smartphone automatically detects if no satellite signals are available and uses its already integrated inertial sensors like magnetic field sensor, accelerometer, and gyroscope for seamless navigation. Since the quality of those sensors is very low the accuracy of the position estimation decreases with each step of the user. To avoid a continuously growing bias between real position and estimated position an update has to be performed to stabilize the position estimate. This update is either provided by the computation of a position based on satellite signals or if signals are not available by the exchange of position data with another peer in the near vicinity using peer-to-peer ad-hoc networks. The received and the own position are processed in a Kalman Filter algorithm and the result is then used as new position estimate and new start position for further navigation based on inertial sensors. The here presented concept is therefore denoted as Peer-to-Peer Kalman Filter (P2PKF)

From data acquisition to data fusion : a comprehensive review and a roadmap for the identification of activities of daily living using mobile devices

This paper focuses on the research on the state of the art for sensor fusion techniques, applied to the sensors embedded in mobile devices, as a means to help identify the mobile device user’s daily activities. Sensor data fusion techniques are used to consolidate the data collected from several sensors, increasing the reliability of the algorithms for the identification of the different activities. However, mobile devices have several constraints, e.g., low memory, low battery life and low processing power, and some data fusion techniques are not suited to this scenario. The main purpose of this paper is to present an overview of the state of the art to identify examples of sensor data fusion techniques that can be applied to the sensors available in mobile devices aiming to identify activities of daily living (ADLs)