An Optimized, Data Distribution Service-Based Solution for Reliable Data Exchange Among Autonomous Underwater Vehicles

Major challenges are presented when managing a large number of heterogeneous vehicles that have to communicate underwater in order to complete a global mission in a cooperative manner. In this kind of application domain, sending data through the environment presents issues that surpass the ones found in other overwater, distributed, cyber-physical systems (i.e., low bandwidth, unreliable transport medium, data representation and hardware high heterogeneity). This manuscript presents a Publish/Subscribe-based semantic middleware solution for unreliable scenarios and vehicle interoperability across cooperative and heterogeneous autonomous vehicles. The middleware relies on different iterations of the Data Distribution Service (DDS) software standard and their combined work between autonomous maritime vehicles and a control entity. It also uses several components with different functionalities deemed as mandatory for a semantic middleware architecture oriented to maritime operations (device and service registration, context awareness, access to the application layer) where other technologies are also interweaved with middleware (wireless communications, acoustic networks). Implementation details and test results, both in a laboratory and a deployment scenario, have been provided as a way to assess the quality of the system and its satisfactory performanceEuropean Commission H2020. SWARMs European project (Smart and Networking Underwater Robots in Cooperation Meshes), under Grant Agreement No. 662107-SWARMs-ECSEL-2014-1, partially supported by the ECSEL JU, the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Ref: PCIN-2014-022-C02-02)

Distributed protocol for communications among underwater vehicles

Underwater surveying by swarms of autonomous underwater vehicles presents problems in communication among the robots. These problems involve the bandwidth, power consumption, timing, processing power, and other issues. This paper presents a novel approach to communicate and coordinate effectively among underwater vehicles to accomplish this task successfully. The proposed approach solves issues by reducing the number of hops to conserve power, while reducing computation time and bandwidth, effectively utilizing resources to reduce the load on each node. Finally, the simulation results are presented, in order to prove that the proposed approach improves efficiency and effectiveness in communicating among underwater vehicles.<br /

SWARMs Ontology: A Common Information Model for the Cooperation of Underwater Robots

In order to facilitate cooperation between underwater robots, it is a must for robots to exchange information with unambiguous meaning. However, heterogeneity, existing in information pertaining to different robots, is a major obstruction. Therefore, this paper presents a networked ontology, named the Smart and Networking Underwater Robots in Cooperation Meshes (SWARMs) ontology, to address information heterogeneity and enable robots to have the same understanding of exchanged information. The SWARMs ontology uses a core ontology to interrelate a set of domain-specific ontologies, including the mission and planning, the robotic vehicle, the communication and networking, and the environment recognition and sensing ontology. In addition, the SWARMs ontology utilizes ontology constructs defined in the PR-OWL ontology to annotate context uncertainty based on the Multi-Entity Bayesian Network (MEBN) theory. Thus, the SWARMs ontology can provide both a formal specification for information that is necessarily exchanged between robots and a command and control entity, and also support for uncertainty reasoning. A scenario on chemical pollution monitoring is described and used to showcase how the SWARMs ontology can be instantiated, be extended, represent context uncertainty, and support uncertainty reasoning.Eurpean Commission, H2020, 66210

Maritime Data Transfer Protocol (MDTP): A Proposal for a Data Transmission Protocol in Resource-Constrained Underwater Environments Involving Cyber-Physical Systems

The utilization of autonomous maritime vehicles is becoming widespread in operations that are deemed too hazardous for humans to be directly involved in them. One of the ways to increase the productivity of the tools used during missions is the deployment of several vehicles with the same objective regarding data collection and transfer, both for the benefit of human staff and policy makers. However, the interchange of data in such an environment poses major challenges, such as a low bandwidth and the unreliability of the environment where transmissions take place. Furthermore, the relevant information that must be sent, as well as the exact size that will allow understanding it, is usually not clearly established, as standardization works are scarce in this domain. Under these conditions, establishing a way to interchange information at the data level among autonomous maritime vehicles becomes of critical importance since the needed information, along with the size of the transferred data, will have to be defined. This manuscript puts forward the Maritime Data Transfer Protocol, (MDTP) a way to interchange standardized pieces of information at the data level for maritime autonomous maritime vehicles, as well as the procedures that are required for information interchange.SWARMs (Smart and Networking Underwater Robots in Cooperation Meshes) 1034 European research project. It is under Grant Agreement 1035 n.662107-SWARMs-ECSEL-2014-1 and is being partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Ref: PCIN-2014-022-C02-02) and the ECSEL JU

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

Robotic Wireless Sensor Networks

In this chapter, we present a literature survey of an emerging, cutting-edge, and multi-disciplinary field of research at the intersection of Robotics and Wireless Sensor Networks (WSN) which we refer to as Robotic Wireless Sensor Networks (RWSN). We define a RWSN as an autonomous networked multi-robot system that aims to achieve certain sensing goals while meeting and maintaining certain communication performance requirements, through cooperative control, learning and adaptation. While both of the component areas, i.e., Robotics and WSN, are very well-known and well-explored, there exist a whole set of new opportunities and research directions at the intersection of these two fields which are relatively or even completely unexplored. One such example would be the use of a set of robotic routers to set up a temporary communication path between a sender and a receiver that uses the controlled mobility to the advantage of packet routing. We find that there exist only a limited number of articles to be directly categorized as RWSN related works whereas there exist a range of articles in the robotics and the WSN literature that are also relevant to this new field of research. To connect the dots, we first identify the core problems and research trends related to RWSN such as connectivity, localization, routing, and robust flow of information. Next, we classify the existing research on RWSN as well as the relevant state-of-the-arts from robotics and WSN community according to the problems and trends identified in the first step. Lastly, we analyze what is missing in the existing literature, and identify topics that require more research attention in the future