Data-Driven Meets Navigation: Concepts, Models, and Experimental Validation

The purpose of navigation is to determine the position, velocity, and orientation of manned and autonomous platforms, humans, and animals. Obtaining accurate navigation commonly requires fusion between several sensors, such as inertial sensors and global navigation satellite systems, in a model-based, nonlinear estimation framework. Recently, data-driven approaches applied in various fields show state-of-the-art performance, compared to model-based methods. In this paper we review multidisciplinary, data-driven based navigation algorithms developed and experimentally proven at the Autonomous Navigation and Sensor Fusion Lab (ANSFL) including algorithms suitable for human and animal applications, varied autonomous platforms, and multi-purpose navigation and fusion approachesComment: 22 pages, 13 figure

Towards Autonomous Localization of an Underwater Drone

Autonomous vehicle navigation is a complex and challenging task. Land and aerial vehicles often use highly accurate GPS sensors to localize themselves in their environments. These sensors are ineffective in underwater environments due to signal attenuation. Autonomous underwater vehicles utilize one or more of the following approaches for successful localization and navigation: inertial/dead-reckoning, acoustic signals, and geophysical data. This thesis examines autonomous localization in a simulated environment for an OpenROV Underwater Drone using a Kalman Filter. This filter performs state estimation for a dead reckoning system exhibiting an additive error in location measurements. We evaluate the accuracy of this Kalman Filter by analyzing the effect each parameter has on accuracy, then choosing the best combination of parameter values to assess the overall accuracy of the Kalman Filter. We find that the two parameters with the greatest effects on the system are the constant acceleration and the measurement uncertainty of the system. We find the filter employing the best combination of parameters can greatly reduce measurement error and improve accuracy under typical operating conditions

AN INTELLIGENT NAVIGATION SYSTEM FOR AN AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE

The work in this thesis concerns with the development of a novel multisensor data fusion (MSDF) technique, which combines synergistically Kalman filtering, fuzzy logic and genetic algorithm approaches, aimed to enhance the accuracy of an autonomous underwater vehicle (AUV) navigation system, formed by an integration of global positioning system and inertial navigation system (GPS/INS). The Kalman filter has been a popular method for integrating the data produced by the GPS and INS to provide optimal estimates of AUVs position and attitude. In this thesis, a sequential use of a linear Kalman filter and extended Kalman filter is proposed. The former is used to fuse the data from a variety of INS sensors whose output is used as an input to the later where integration with GPS data takes place. The use of an adaptation scheme based on fuzzy logic approaches to cope with the divergence problem caused by the insufficiently known a priori filter statistics is also explored. The choice of fuzzy membership functions for the adaptation scheme is first carried out using a heuristic approach. Single objective and multiobjective genetic algorithm techniques are then used to optimize the parameters of the membership functions with respect to a certain performance criteria in order to improve the overall accuracy of the integrated navigation system. Results are presented that show that the proposed algorithms can provide a significant improvement in the overall navigation performance of an autonomous underwater vehicle navigation. The proposed technique is known to be the first method used in relation to AUV navigation technology and is thus considered as a major contribution thereof.J&S Marine Ltd., Qinetiq, Subsea 7 and South West Water PL

Cooperative localisation in underwater robotic swarms for ocean bottom seismic imaging.

Spatial information must be collected alongside the data modality of interest in wide variety of sub-sea applications, such as deep sea exploration, environmental monitoring, geological and ecological research, and samples collection. Ocean-bottom seismic surveys are vital for oil and gas exploration, and for productivity enhancement of an existing production facility. Ocean-bottom seismic sensors are deployed on the seabed to acquire those surveys. Node deployment methods used in industry today are costly, time-consuming and unusable in deep oceans. This study proposes the autonomous deployment of ocean-bottom seismic nodes, implemented by a swarm of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). In autonomous deployment of ocean-bottom seismic nodes, a swarm of sensor-equipped AUVs are deployed to achieve ocean-bottom seismic imaging through collaboration and communication. However, the severely limited bandwidth of underwater acoustic communications and the high cost of maritime assets limit the number of AUVs that can be deployed for experiments. A holistic fuzzy-based localisation framework for large underwater robotic swarms (i.e. with hundreds of AUVs) to dynamically fuse multiple position estimates of an autonomous underwater vehicle is proposed. Simplicity, exibility and scalability are the main three advantages inherent in the proposed localisation framework, when compared to other traditional and commonly adopted underwater localisation methods, such as the Extended Kalman Filter. The proposed fuzzy-based localisation algorithm improves the entire swarm mean localisation error and standard deviation (by 16.53% and 35.17% respectively) at a swarm size of 150 AUVs when compared to the Extended Kalman Filter based localisation with round-robin scheduling. The proposed fuzzy based localisation method requires fuzzy rules and fuzzy set parameters tuning, if the deployment scenario is changed. Therefore a cooperative localisation scheme that relies on a scalar localisation confidence value is proposed. A swarm subset is navigationally aided by ultra-short baseline and a swarm subset (i.e. navigation beacons) is configured to broadcast navigation aids (i.e. range-only), once their confidence values are higher than a predetermined confidence threshold. The confidence value and navigation beacons subset size are two key parameters for the proposed algorithm, so that they are optimised using the evolutionary multi-objective optimisation algorithm NSGA-II to enhance its localisation performance. Confidence value-based localisation is proposed to control the cooperation dynamics among the swarm agents, in terms of aiding acoustic exteroceptive sensors. Given the error characteristics of a commercially available ultra-short baseline system and the covariance matrix of a trilaterated underwater vehicle position, dead reckoning navigation - aided by Extended Kalman Filter-based acoustic exteroceptive sensors - is performed and controlled by the vehicle's confidence value. The proposed confidence-based localisation algorithm has significantly improved the entire swarm mean localisation error when compared to the fuzzy-based and round-robin Extended Kalman Filter-based localisation methods (by 67.10% and 59.28% respectively, at a swarm size of 150 AUVs). The proposed fuzzy-based and confidence-based localisation algorithms for cooperative underwater robotic swarms are validated on a co-simulation platform. A physics-based co-simulation platform that considers an environment's hydrodynamics, industrial grade inertial measurement unit and underwater acoustic communications characteristics is implemented for validation and optimisation purposes

Information Aided Navigation: A Review

The performance of inertial navigation systems is largely dependent on the stable flow of external measurements and information to guarantee continuous filter updates and bind the inertial solution drift. Platforms in different operational environments may be prevented at some point from receiving external measurements, thus exposing their navigation solution to drift. Over the years, a wide variety of works have been proposed to overcome this shortcoming, by exploiting knowledge of the system current conditions and turning it into an applicable source of information to update the navigation filter. This paper aims to provide an extensive survey of information aided navigation, broadly classified into direct, indirect, and model aiding. Each approach is described by the notable works that implemented its concept, use cases, relevant state updates, and their corresponding measurement models. By matching the appropriate constraint to a given scenario, one will be able to improve the navigation solution accuracy, compensate for the lost information, and uncover certain internal states, that would otherwise remain unobservable.Comment: 8 figures, 3 table

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