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

Real-Time Passive Acoustic Tracking of Underwater Vehicles

Com o crescente interesse na exploração oceânica, sistemas de localização subaquática têm sido largamente usados pela industria e comunidade cientifica. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema de localização acústica passiva em tempo real, com uma topologia idêntica ao do ultra-short baseline. Este sistema calcula a posição a duas dimensões de uma fonte acústica submersa conhecida, com base na integração de medições da direção do som ao longo do tempo. O ângulo de chegada da onda sonora é estimado pelo atraso de fase entre os sinais adquiridos por dois hidrofones colocados perto um do outro. Esta configuração permite atenuar as diferenças nos sinais recebidos devidas a perturbações do canal acústico subaquático. Este algoritmo foi implementado em tempo real numa plataforma SoC reconfigurável (CPU ARM + FPGA), e validado com ensaios de campo realizados no mar

Cooperative Acoustic Navigation Scheme for Heterogenous Autonomous Underwater Vehicles

International audienceCooperative Acoustic Navigation Scheme for Heterogenous Autonomous Underwater Vehicle

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

Multi-Robot Exploration of Underwater Structures

This paper discusses a novel approach for the exploration of an underwater structure. A team of robots splits into two roles: certain robots approach the structure collecting detailed information (proximal observers) while the rest (distal observers) keep a distance providing an overview of the mission and assist in the localization of the proximal observers via a Cooperative Localization framework. Proximal observers utilize a novel robust switching model-based/visual-inertial odometry to overcome vision-based localization failures. Exploration strategies for the proximal and the distal observer are discussed.publishedVersio

Cooperative algorithms for a team of autonomous underwater vehicles

Ph.DDOCTOR OF PHILOSOPH

State-of-the-Art System Solutions for Unmanned Underwater Vehicles

Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) have gained popularity for the last decades, especially for the purpose of not risking human life in dangerous operations. On the other hand, underwater environment introduces numerous challenges in navigation, control and communication of such vehicles. Certainly, this fact makes the development of these vehicles more interesting and engineering-wise more attractive. In this paper, we first revisit the existing technology and methodology for the solution of aforementioned problems, then we try to come up with a system solution of a generic unmanned underwater vehicles

Distributed Source Seeking without Global Position Information

International audienceWe present a distributed control law to steer a group of autonomous communicating sensors towards the source of a diffusion process. The graph describing the communication links between sensors has a time-invariant topology, and each sensor is able to measure (in addition to the quantity of interest) only the relative bearing angle with respect to its neighbour, but has no absolute position information and does not know any relative distance. Using multiple sensors is useful in wide environments (e.g., under the sea), or when the function describing the diffusion process is slowly changing in space, so that a single sensor may have to travel long distances before having a good gradient estimation. Our approach is based on a twofold control law, which is able to bring and keep the set of sensors on a circular equispaced formation, and to steer the circular formation towards the source via a gradient-ascent technique. The effectiveness of the proposed algorithm is both theoretically proven and supported by simulation results