Communication-constrained multi-AUV cooperative SLAM

Multi-robot deployments have the potential for completing tasks more efficiently. For example, in simultaneous localization and mapping (SLAM), robots can better localize themselves and the map if they can share measurements of each other (direct encounters) and of commonly observed parts of the map (indirect encounters). However, performance is contingent on the quality of the communications channel. In the underwater scenario, communicating over any appreciable distance is achieved using acoustics which is low-bandwidth, slow, and unreliable, making cooperative operations very challenging. In this paper, we present a framework for cooperative SLAM (C-SLAM) for multiple autonomous underwater vehicles (AUVs) communicating only through acoustics. We develop a novel graph-based C-SLAM algorithm that is able to (optimally) generate communication packets whose size scales linearly with the number of observed features since the last successful transmission, constantly with the number of vehicles in the collective, and does not grow with time even the case of dropped packets, which are common. As a result, AUVs can bound their localization error without the need for pre-installed beacons or surfacing for GPS fixes during navigation, leading to significant reduction in time required to complete missions. The proposed algorithm is validated through realistic marine vehicle and acoustic communication simulations.United States. Office of Naval Research (Grant N00014-13-1-0588)National Science Foundation (U.S.) (Award IIS-1318392)United States. Office of Naval Research Globa

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

An Overview of AUV Algorithms Research and Testbed at the University of Michigan

This paper provides a general overview of the autonomous underwater vehicle (AUV) research projects being pursued within the Perceptual Robotics Laboratory (PeRL) at the University of Michigan. Founded in 2007, PeRL's research thrust is centered around improving AUV autonomy via algorithmic advancements in sensor-driven perceptual feedback for environmentally-based real-time mapping, navigation, and control. In this paper we discuss our three major research areas of: (1) real-time visual simultaneous localization and mapping (SLAM); (2) cooperative multi-vehicle navigation; and (3) perception-driven control. Pursuant to these research objectives, PeRL has acquired and significantly modified two commercial off-the-shelf (COTS) Ocean-Server Technology, Inc. Iver2 AUV platforms to serve as a real-world engineering testbed for algorithm development and validation. Details of the design modification, and related research enabled by this integration effort, are discussed herein.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/86058/1/reustice-15.pd

Data-Efficient Decentralized Visual SLAM

Decentralized visual simultaneous localization and mapping (SLAM) is a powerful tool for multi-robot applications in environments where absolute positioning systems are not available. Being visual, it relies on cameras, cheap, lightweight and versatile sensors, and being decentralized, it does not rely on communication to a central ground station. In this work, we integrate state-of-the-art decentralized SLAM components into a new, complete decentralized visual SLAM system. To allow for data association and co-optimization, existing decentralized visual SLAM systems regularly exchange the full map data between all robots, incurring large data transfers at a complexity that scales quadratically with the robot count. In contrast, our method performs efficient data association in two stages: in the first stage a compact full-image descriptor is deterministically sent to only one robot. In the second stage, which is only executed if the first stage succeeded, the data required for relative pose estimation is sent, again to only one robot. Thus, data association scales linearly with the robot count and uses highly compact place representations. For optimization, a state-of-the-art decentralized pose-graph optimization method is used. It exchanges a minimum amount of data which is linear with trajectory overlap. We characterize the resulting system and identify bottlenecks in its components. The system is evaluated on publicly available data and we provide open access to the code.Comment: 8 pages, submitted to ICRA 201

Cooperative localization for autonomous underwater vehicles

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 2009Self-localization of an underwater vehicle is particularly challenging due to the absence of Global Positioning System (GPS) reception or features at known positions that could otherwise have been used for position computation. Thus Autonomous Underwater Vehicle (AUV) applications typically require the pre-deployment of a set of beacons. This thesis examines the scenario in which the members of a group of AUVs exchange navigation information with one another so as to improve their individual position estimates. We describe how the underwater environment poses unique challenges to vehicle navigation not encountered in other environments in which robots operate and how cooperation can improve the performance of self-localization. As intra-vehicle communication is crucial to cooperation, we also address the constraints of the communication channel and the effect that these constraints have on the design of cooperation strategies. The classical approaches to underwater self-localization of a single vehicle, as well as more recently developed techniques are presented. We then examine how methods used for cooperating land-vehicles can be transferred to the underwater domain. An algorithm for distributed self-localization, which is designed to take the specific characteristics of the environment into account, is proposed. We also address how correlated position estimates of cooperating vehicles can lead to overconfidence in individual position estimates. Finally, key to any successful cooperative navigation strategy is the incorporation of the relative positioning between vehicles. The performance of localization algorithms with different geometries is analyzed and a distributed algorithm for the dynamic positioning of vehicles, which serve as dedicated navigation beacons for a fleet of AUVs, is proposed.This work was funded by Office of Naval Research grants N00014-97-1-0202, N00014-05-1-0255, N00014-02-C-0210, N00014-07-1-1102 and the ASAP MURI program led by Naomi Leonard of Princeton University

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

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

Localization, Mapping and SLAM in Marine and Underwater Environments

The use of robots in marine and underwater applications is growing rapidly. These applications share the common requirement of modeling the environment and estimating the robots’ pose. Although there are several mapping, SLAM, target detection and localization methods, marine and underwater environments have several challenging characteristics, such as poor visibility, water currents, communication issues, sonar inaccuracies or unstructured environments, that have to be considered. The purpose of this Special Issue is to present the current research trends in the topics of underwater localization, mapping, SLAM, and target detection and localization. To this end, we have collected seven articles from leading researchers in the field, and present the different approaches and methods currently being investigated to improve the performance of underwater robots