CES-515 Towards Localization and Mapping of Autonomous Underwater Vehicles: A Survey

Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) have been used for a huge number of tasks ranging from commercial, military and research areas etc, while the fundamental function of a successful AUV is its localization and mapping ability. This report aims to review the relevant elements of localization and mapping for AUVs. First, a brief introduction of the concept and the historical development of AUVs is given; then a relatively detailed description of the sensor system used for AUV navigation is provided. As the main part of the report, a comprehensive investigation of the simultaneous localization and mapping (SLAM) for AUVs are conducted, including its application examples. Finally a brief conclusion is summarized

AUV planning and calibration method considering concealment in uncertain environments

IntroductionAutonomous underwater vehicles (AUVs) are required to thoroughly scan designated areas during underwater missions. They typically follow a zig-zag trajectory to achieve full coverage. However, effective coverage can be challenging in complex environments due to the accumulation and drift of navigation errors. Possible solutions include surfacing for satellite positioning or underwater acoustic positioning using transponders on other vehicles. Nevertheless, surfacing or active acoustics can compromise stealth during reconnaissance missions in hostile areas by revealing the vehicle’s location.MethodsWe propose calibration and planning strategies based on error models and acoustic positioning to address this challenge. Acoustic markers are deployed via surface ships to minimize navigation errors while maintaining stealth. And a new path planning method using a traceless Kalman filter and acoustic localization is proposed to achieve full-area coverage of AUVs. By analyzing the statistics of accumulated sensor errors, we optimize the positions of acoustic markers to communicate with AUVs and achieve better coverage. AUV trajectory concealment is achieved during detection by randomizing the USV navigation trajectory and irregularizing the locations of acoustic marker.ResultsThe proposed method enables the cumulative determination of the absolute position of a target with low localization error in a side-scan sonar-based search task. Simulations based on large-scale maps demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed algorithm.DiscussionSolving the problem of accumulating underwater localization errors based on inertial navigation by error modeling and acoustic calibration is a typical way. In this paper, we have implemented a method to solve the localization error in a search scenario where stealth is considered

Towards autonomous localization and mapping of AUVs: a survey

Purpose The main purpose of this paper is to investigate two key elements of localization and mapping of Autonomous Underwater Vehicle (AUV), i.e. to overview various sensors and algorithms used for underwater localization and mapping, and to make suggestions for future research. Design/methodology/approach The authors first review various sensors and algorithms used for AUVs in the terms of basic working principle, characters, their advantages and disadvantages. The statistical analysis is carried out by studying 35 AUV platforms according to the application circumstances of sensors and algorithms. Findings As real-world applications have different requirements and specifications, it is necessary to select the most appropriate one by balancing various factors such as accuracy, cost, size, etc. Although highly accurate localization and mapping in an underwater environment is very difficult, more and more accurate and robust navigation solutions will be achieved with the development of both sensors and algorithms. Research limitations/implications This paper provides an overview of the state of art underwater localisation and mapping algorithms and systems. No experiments are conducted for verification. Practical implications The paper will give readers a clear guideline to find suitable underwater localisation and mapping algorithms and systems for their practical applications in hand. Social implications There is a wide range of audiences who will benefit from reading this comprehensive survey of autonomous localisation and mapping of UAVs. Originality/value The paper will provide useful information and suggestions to research students, engineers and scientists who work in the field of autonomous underwater vehicles

Ad hoc Acoustic Network Aided Localization for micro-AUVs

The navigation of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) is still an open research problem. This is further exacerbated when vehicles can only carry limited sensors as typically the case with micro-AUVs that need to survey large marine areas that can be characterized by high currents and dynamic environments. To address this problem, this work investigates the usage of ad hoc acoustic networks that can be established by a set of cooperating vehicles. Leveraging the network structure makes it possible to greatly improve the navigation of the vehicles and as a result to enlarge the operational envelope of vehicles with limited capabilities. The paper details the design and implementation of the network, and specific details of localization and navigation services made available to the vehicles by the network stack. Results are provided from a sea-trial undertaken in Croatia in October 2019. Results validate the approach, demonstrating the increased flexibility of the system and the navigational performance obtained: the deployed network was able to support long-range navigation of vehicles with no inertial navigation or Doppler Velocity Log (DVL) during a 9.5 km channel crossing, reducing the navigation error from approximately 7% to 0.27% of the distance traveled

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

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

Contributions to automated realtime underwater navigation

Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the Massachusetts Institute of Technology and the Woods Hole Oceanographic Institution February 2012This dissertation presents three separate–but related–contributions to the art of underwater navigation. These methods may be used in postprocessing with a human in the loop, but the overarching goal is to enhance vehicle autonomy, so the emphasis is on automated approaches that can be used in realtime. The three research threads are: i) in situ navigation sensor alignment, ii) dead reckoning through the water column, and iii) model-driven delayed measurement fusion. Contributions to each of these areas have been demonstrated in simulation, with laboratory data, or in the field–some have been demonstrated in all three arenas. The solution to the in situ navigation sensor alignment problem is an asymptotically stable adaptive identifier formulated using rotors in Geometric Algebra. This identifier is applied to precisely estimate the unknown alignment between a gyrocompass and Doppler velocity log, with the goal of improving realtime dead reckoning navigation. Laboratory and field results show the identifier performs comparably to previously reported methods using rotation matrices, providing an alignment estimate that reduces the position residuals between dead reckoning and an external acoustic positioning system. The Geometric Algebra formulation also encourages a straightforward interpretation of the identifier as a proportional feedback regulator on the observable output error. Future applications of the identifier may include alignment between inertial, visual, and acoustic sensors. The ability to link the Global Positioning System at the surface to precision dead reckoning near the seafloor might enable new kinds of missions for autonomous underwater vehicles. This research introduces a method for dead reckoning through the water column using water current profile data collected by an onboard acoustic Doppler current profiler. Overlapping relative current profiles provide information to simultaneously estimate the vehicle velocity and local ocean current–the vehicle velocity is then integrated to estimate position. The method is applied to field data using online bin average, weighted least squares, and recursive least squares implementations. This demonstrates an autonomous navigation link between the surface and the seafloor without any dependence on a ship or external acoustic tracking systems. Finally, in many state estimation applications, delayed measurements present an interesting challenge. Underwater navigation is a particularly compelling case because of the relatively long delays inherent in all available position measurements. This research develops a flexible, model-driven approach to delayed measurement fusion in realtime Kalman filters. Using a priori estimates of delayed measurements as augmented states minimizes the computational cost of the delay treatment. Managing the augmented states with time-varying conditional process and measurement models ensures the approach works within the proven Kalman filter framework–without altering the filter structure or requiring any ad-hoc adjustments. The end result is a mathematically principled treatment of the delay that leads to more consistent estimates with lower error and uncertainty. Field results from dead reckoning aided by acoustic positioning systems demonstrate the applicability of this approach to real-world problems in underwater navigation.I have been financially supported by: the National Defense Science and Engineering Graduate (NDSEG) Fellowship administered by the American Society for Engineering Education, the Edwin A. Link Foundation Ocean Engineering and Instrumentation Fellowship, and WHOI Academic Programs office