Managing uncertainty in sound based control for an autonomous helicopter

In this paper we present our ongoing research using a multi-purpose, small and low cost autonomous helicopter platform (Flyper ). We are building on previously achieved stable control using evolutionary tuning. We propose a sound based supervised method to localise the indoor helicopter and extract meaningful information to enable the helicopter to further stabilise its flight and correct its flightpath. Due to the high amount of uncertainty in the data, we propose the use of fuzzy logic in the signal processing of the sound signature. We discuss the benefits and difficulties using type-1 and type-2 fuzzy logic in this real-time systems and give an overview of our proposed system

Novel DEMON Spectra Analysis Techniques and Empirical Knowledge Based Reference Criterion for Acoustic Signal Classification

This paper presents some novel methods to estimate a vessel’s number of shafts, course, speed and classify it using the underwater acoustic noise it generates. A classification framework as well as a set of reference parameters for comparison are put forth. Identifying marine traffic in surroundings is an important task for vessels in an open sea. Vessels in vicinity can be identified using their signatures. One of the typical signatures emitted by a vessel is its acoustic measurements. The raw sonar data consisting of the acoustic signatures is generally observed manually by sonar operators for suggesting class of query vessel. The valuable information that can be extracted from the recorded acoustic signature includes shaft revolutions per minute (SRPM), number of blades (NOB), number of shafts, course and speed etc. Expert sonar operators use their empirical knowledge to estimate a vessel’s SRPM and NOB. Based on this information vessel classification is performed. Empirical knowledge comes with experience, and the manual process is prone to human error. To make the process systematic, calculation of the parameters of the received acoustic samples can be visually analyzed using Detection of Envelope Modulation on Noise (DEMON) spectra. Reported research mostly focuses on SRPM and NOB. Parameters such as number of shafts and vessel course and speed can effectively aid the vessel classification process. This paper makes three novel contributions in this area. Firstly, some novel DEMON spectra analysis techniques are proposed to estimate a water vessel’s number of shafts, speed, and relative course. Secondly, this paper presents a classification framework that uses the features extracted from DEMON spectra and compares them with a reference set. Thirdly, a novel set of reference parameters are provided that aid classification into categories of large merchant ship type 1, large merchant ship type 2, large merchant ship type 3, medium merchant ship, oiler, car carrier, cruise ship, fishing boat and fishing trawler. The proposed analysis and classification techniques were assessed through trials with 877 real acoustic signatures recorded under varying conditions of ship’s speed and sea state. The classification trials revealed a high accuracy of 94.7%

Malay sound arts::Reimagining biophony and geophony materials. Commentary of original composition portfolio 2019-2023

This PhD takes the research theme of Nada Bumi or Voice of the Earth: exploring andaccentuating hidden Malaysia biophonic and geophonic materials, for expressing self-cultural identity and narrative through sound arts practice. The portfolio and accompanying commentary present eleven sound-art works ranging from instrumental electroacoustic music to Web-Audio API based sound installation. The main idea for this portfolio research is to explore the association of folklore, tales, myths, legends and art cultural narrative of the Malay race and the ancestors of Malay (proto-Malay), with the selected hidden and unheard Malaysia natural soundscape, in producing new sound art works. Therefore, I proposed two major compositional themes each comprising several works; Miroirs of Malay Rebab (MiMaR), and Seed of Life (SoL). The works in Miroirs of Malay Rebab reimagine selected unheard biophonic and geophonic materials as mirrors of several Malay performing art-cultural narrative and their stories, such as Makyung theater dance, Malay Gamelan music dance, Ulek Mayang dance and their stories that I have been exposed to during my undergraduate music studies in Malaysia. The works in Seed of Life (SoL) take a similar approach but focused more on local Malay and proto-Malay folklores, tales, legends and myths associated with my childhood experience. Furthermore, as I delved into the conceptual and compositional aspects of creating the Miroirs of Malay Rebab (MiMaR) set and Seed of Life I (SoL) set, I had the privilege to engage in an enriching journey of (self-) exploration through the creation of sound art within the vibrant Bristol soundscape with support from the local sound art community. This experience was part of my involvement in the Hidden Bristol Soundwalks project, which provided a unique platform for my creative endeavors. I have decided to include this project in this portfolio, which has similar compositional approach with Seed of Life (SoL). Both the major cycles, Miroirs of Malay Rebab (MiMaR) and Seed of Life (SoL), include Western classical music instrumentations with electronics; fixed media; and interactive media. This portfolio was composed and developed at the Studio One, Department of Music in the Faculty of Arts, University of Bristol; the Bristol Interaction Group (B.I.G.) Lab in the Faculty of Engineering, University of Bristol; and my home studios in Clevedon, UK, during the period of October 2019 until September 2022. The portfolio consists of scores, studio-audio production recordings, and several live performance recordings. The commentary comprises a set of philosophical considerations about my compositions and intent for creation based on the Nada Bumi theme and sub themes. Further chapters are dedicated to compositional techniques, related traditions and piece-specific documentations. The portfolio is supplied as a set of digital media, containing pdf files of musical scores in notation, associated software or media components of the works, recordings of the studio-based music, and recordings of several live public performances made in mid-2022 after the period of covid-19 lock-downs

Fuzzy Helicopter Rotor Speed Estimation based on Sound

This work focuses on the use of a supervising computer to extract detailed information from an autonomous helicopter’s intrinsic sound signature. This can be used at a later stage to enhance the helicopter’s control without the need to add additional sensors. We propose a system to extract the overall rotor speed from the sound of the helicopter. A fuzzy temporal filter based system is trained on flight data using an Adaptive Network- Based Fuzzy Inference System and tested in three test flights. Test flights confirm the system to be working, capable of closely following the measured rotational speed from a sensor on-board the helicopter

Passive acoustic localization of sperm whales to facilitate ship strike avoidance

Ship strikes are one of the leading causes of premature mortality among whales, accounting for the deaths of approximately 20,000 each year, with untold more being injured. Given the exponential increase in shipping traffic, estimated at 2 - 3% year-over-year, the potential for collisions continues to grow. Due to their large size, preferred habitats and sea surface behavior, the sperm whale is one of the species most vulnerable to ship strikes. In some populations, collisions with maritime vessels are the leading cause of death, premature or otherwise. This is particularly concerning considering that the sperm whale is listed on the IUCN Red List of Threatened Species as “Vulnerable” globally and “Endangered” in the Mediterranean region. Passive Acoustic Monitoring, or PAM, is an environmentally non-intrusive method by which naturally generated underwater sounds, such as the clicks made by sperm whales, are picked up by hydrophones (underwater recording devices) and analyzed to extract a variety of data, including the sound source’s location. In the current research, we use a PAM methodology known as Time Difference of Arrival (TDOA) analysis, whereby different acoustic paths taken by sound waves from their source to a hydrophone are analyzed to extract the differences in time between their arrivals. Extracted TDOAs are compared to a theoretical model (in our case, the Bellhop ray tracing model) to extrapolate the source’s localization, which can then be fed into a live marine traffic system such as MarineTraffic (marinetraffic.com) to alert ships in the area to the presence and locations of the whales, so that they may take preventative action. In this dissertation, I present, inter alia, a working prototype, developed on the Matlab platform, for the detection and localization of sperm whales based on their vocalizations (clicks).As colisões com navios são uma das principais causas de mortalidade prematura entre as baleias, sendo responsáveis pela morte de aproximadamente 20.000 baleias a cada ano, com um número incontável de feridos. Os números exatos são difíceis de determinar porque as baleias feridas frequentemente saem para o mar, onde morrem e depois afundam no fundo do mar, não sendo mais avistadas. Em casos raros, baleias feridas podem encalhar, como aconteceu na costa de Almada, Portugal, em abril de 2022, quando um cachalote com lacerações visíveis – acredita-se ter sido causado por emaranhamento nos rotores de um navio – deu à costa e posteriormente morreu. Se há algum valor redentor para esses encalhes, é que eles fornecem aos cientistas uma pletora de informações inestimáveis sobre as causas e efeitos das colisões com navios. O cachalote é, sem dúvida, a espécie de cetáceo mais afetada por colisões com embarcações marítimas. Num estudo de 2018 de Díaz-Delgado et al., exames patológicos de 224 cetáceos encalhados, compreendendo 21 espécies diferentes, revelaram que o cachalote é, de longe, a espécie mais afetada por colisões de navios, representando quase metade (11 de 24) de todos os animais necropsiados mortos dessa maneira. Em algumas populações de cachalotes, as colisões com embarcações marítimas são tão comuns que são a principal causa de morte, prematura ou não. É o caso da região das Ilhas Canárias, onde se estima que cerca de 60% das mortes de cachalotes sejam atribuídas a golpes de navios. Infelizmente, as colisões de navios com os cachalotes continuam a aumentar a uma taxa exponencial. Existem três razões identificáveis para isso: A primeira é um aumento exponencial correspondente no tráfego marítimo. O número total de navios mercantes em todo o mundo mais que duplicou nos 8 anos entre 2004 e 2012 e mais que triplicou entre 1992 e 2012. Em 2018, mais de 92.000 navios mercantes navegaram pelos mares, transportando cerca de 12 mil milhões de toneladas de carga, um aumento de 35% em apenas uma década. O segundo fator é o comportamento específico de forrageamento do cachalote. Os cachalotes passam até 22 horas por dia caçando presas, incluindo cefalópodes e raias do fundo do mar, em profundidades de, em média, 600 a 1.000 metros, mas foram observados a mais de 2.000 metros. Nessas profundidades, eles devem enfrentar pressões extremas (superiores a 100 atmosferas) e escuridão total durante suas expedições de forrageamento, que podem durar até uma hora de cada vez. Como a visão é inútil nessas condições, acredita-se que os cachalotes usem a ecolocalização para localizar suas presas, produzindo uma série de cliques extremamente potentes que podem atingir níveis sonoros de 230 dB re 1 μPa a 1 m, tornando-os o som de maior intensidade gerado por qualquer animal existente. Quando a baleia emerge (o que, como mamífero dotado de pulmões e não de guelras, eventualmente deve fazê-lo), está exausta de caçar, suster a respiração, suportar pressões extremas e gerar cliques intensos, e deve descansar na superfície do mar, geralmente por cerca de 10 minutos, antes de iniciar seu próximo mergulho. É durante esses períodos de descanso que os cachalotes ficam relativamente imóveis e, portanto, particularmente vulneráveis a colisões com navios. Por uma infeliz coincidência, em certas áreas do mundo, como as Ilhas Canárias e ao largo da costa sudoeste da península do Peloponeso e Creta, é diretamente nas rotas marítimas movimentadas que os cachalotes escolhem descansar, porque as características batimétricas que atraem cachalotes por suas excelentes oportunidades de forrageamento, como as beiras das plataformas continentais e desfiladeiros íngremes, se sobrepõem às principais rotas de navegação nessas regiões. Um terceiro fator que causa um aumento no número de choques entre navios e cetáceos é o aumento do ruído submarino antropogénico que, como o volume de transporte, cresceu exponencialmente e que tem um efeito profundo não apenas nos cachalotes, mas na fauna marinha em geral. Estima-se que entre 1950 e 2007, os níveis de ruído ambiente de baixa frequência (25 - 50 Hz) nos oceanos, causados principalmente pelo constante ronco de fundo dos motores dos navios, aumentaram a uma taxa de 3,3 dB por década, chegando a 91 dB re 1 μPa2/Hz em 2007, a mesma intensidade de um assobio de golfinho. Como os decibéis são calculados em escala logarítmica, isso equivale a duplicar a intensidade do ruído a cada 10 anos. Os efeitos do aumento da poluição sonora sobre cachalotes e outros cetáceos são múltiplos, incluindo permanente deficiência auditiva, dessensibilização comportamental aos perigos associados ao ruído do navio e interrupções na disponibilidade e distribuição de suas presas. Embora a questão das colisões entre navios e baleias tenha recebido atenção crescente nos últimos anos, muito mais precisa de ser feito para mitigar esta forma completamente desnecessária e trágica de mortalidade de cetáceos. No caso dos cachalotes, há urgência, uma vez que muitos populações de cachalotes nunca se recuperaram tão rapidamente quanto o esperado após a promulgação da moratória internacional sobre a baleação comercial em 1986. Hoje em dia, a população mundial de cachalotes gira em torno de 200.000, pouco mais do que nos anos imediatamente anteriores à moratória, e muito menos do que os estimados 2 a 3 milhões de cachalotes que percorriam os mares em 1700, pouco antes de a espécie ser alvo de caça intensiva no século 19 por seu espermacete, uma mistura de ésteres de cera e triglicerídeos secretados nos órgãos produtores de som do crânio que era altamente valioso para uso em perfumes e velas. Como resultado, o cachalote permanece na Lista Vermelha de Espécies Ameaçadas da IUCN como "Vulnerável" globalmente e “Em Perigo, com Tendência Populacional: Diminuindo” na região do Mediterrâneo A Monitorização Acústica Passiva, ou PAM, é um método pelo qual sons subaquáticos gerados naturalmente, como cliques de cachalotes, são captados por hidrofones (dispositivos de gravação subaquática) e analisados para extrair uma variedade de dados. A PAM está a tornar-se cada vez mais popular na monitorização de cetáceos em geral, e cachalotes em particular, devido à combinação única de propriedades acústicas do clique “usual” do cachalote – volume, impulsividade e ampla faixa de frequência – o que o torna particularmente adequado para uso em técnicas de PAM. A vantagem da PAM em relação à monitorização da fauna marinha é que ele não é intrusivo: os sistemas PAM não geram som próprio e não envolvem contato direto com os animais. No entanto, a PAM pode ser usada efetivamente em uma variedade de aplicações, incluindo a determinação da presença e da localização de fontes de vocalização. Na investigação atual, usamos um método conhecido como análise de diferença de tempo de chegada (TDOA), em que diferentes caminhos percorridos pelas ondas sonoras à medida que viajam entre a fonte e o hidrofone, como caminhos diretos e os refletidos na superfície, são analisados para extrair a diferença de tempo entre os tempos de chegada. Os TDOAs extraídos são então comparados a um modelo teórico (no nosso caso, o modelo de traçamento de raios Bellhop), para extrapolar informações de localização sobre a fonte, incluindo a sua profundidade, distância horizontal (alcance) do hidrofone e ângulo de azimute. O resultado final pretendido é a localização quase em tempo real de todos os cachalotes nas proximidades de uma série de hidrofones, que podem então ser incluídos num sistema de tráfego marítimo em tempo real, como o MarineTraffic (marinetraffic.com) para alertar os navios na área para a presença e a localização das baleias, para que possam tomar ações preventivas, como reencaminhamento, redução de velocidade e colocação de observadores humanos de mamíferos marinhos no convés. Nesta dissertação, apresento, entre outros, um protótipo de trabalho, desenvolvido na plataforma Matlab, para a deteção e localização de cachalotes com base nas suas vocalizações (cliques)