Cooperative localisation in underwater robotic swarms for ocean bottom seismic imaging.

Spatial information must be collected alongside the data modality of interest in wide variety of sub-sea applications, such as deep sea exploration, environmental monitoring, geological and ecological research, and samples collection. Ocean-bottom seismic surveys are vital for oil and gas exploration, and for productivity enhancement of an existing production facility. Ocean-bottom seismic sensors are deployed on the seabed to acquire those surveys. Node deployment methods used in industry today are costly, time-consuming and unusable in deep oceans. This study proposes the autonomous deployment of ocean-bottom seismic nodes, implemented by a swarm of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). In autonomous deployment of ocean-bottom seismic nodes, a swarm of sensor-equipped AUVs are deployed to achieve ocean-bottom seismic imaging through collaboration and communication. However, the severely limited bandwidth of underwater acoustic communications and the high cost of maritime assets limit the number of AUVs that can be deployed for experiments. A holistic fuzzy-based localisation framework for large underwater robotic swarms (i.e. with hundreds of AUVs) to dynamically fuse multiple position estimates of an autonomous underwater vehicle is proposed. Simplicity, exibility and scalability are the main three advantages inherent in the proposed localisation framework, when compared to other traditional and commonly adopted underwater localisation methods, such as the Extended Kalman Filter. The proposed fuzzy-based localisation algorithm improves the entire swarm mean localisation error and standard deviation (by 16.53% and 35.17% respectively) at a swarm size of 150 AUVs when compared to the Extended Kalman Filter based localisation with round-robin scheduling. The proposed fuzzy based localisation method requires fuzzy rules and fuzzy set parameters tuning, if the deployment scenario is changed. Therefore a cooperative localisation scheme that relies on a scalar localisation confidence value is proposed. A swarm subset is navigationally aided by ultra-short baseline and a swarm subset (i.e. navigation beacons) is configured to broadcast navigation aids (i.e. range-only), once their confidence values are higher than a predetermined confidence threshold. The confidence value and navigation beacons subset size are two key parameters for the proposed algorithm, so that they are optimised using the evolutionary multi-objective optimisation algorithm NSGA-II to enhance its localisation performance. Confidence value-based localisation is proposed to control the cooperation dynamics among the swarm agents, in terms of aiding acoustic exteroceptive sensors. Given the error characteristics of a commercially available ultra-short baseline system and the covariance matrix of a trilaterated underwater vehicle position, dead reckoning navigation - aided by Extended Kalman Filter-based acoustic exteroceptive sensors - is performed and controlled by the vehicle's confidence value. The proposed confidence-based localisation algorithm has significantly improved the entire swarm mean localisation error when compared to the fuzzy-based and round-robin Extended Kalman Filter-based localisation methods (by 67.10% and 59.28% respectively, at a swarm size of 150 AUVs). The proposed fuzzy-based and confidence-based localisation algorithms for cooperative underwater robotic swarms are validated on a co-simulation platform. A physics-based co-simulation platform that considers an environment's hydrodynamics, industrial grade inertial measurement unit and underwater acoustic communications characteristics is implemented for validation and optimisation purposes

Internet of Underwater Things and Big Marine Data Analytics -- A Comprehensive Survey

The Internet of Underwater Things (IoUT) is an emerging communication ecosystem developed for connecting underwater objects in maritime and underwater environments. The IoUT technology is intricately linked with intelligent boats and ships, smart shores and oceans, automatic marine transportations, positioning and navigation, underwater exploration, disaster prediction and prevention, as well as with intelligent monitoring and security. The IoUT has an influence at various scales ranging from a small scientific observatory, to a midsized harbor, and to covering global oceanic trade. The network architecture of IoUT is intrinsically heterogeneous and should be sufficiently resilient to operate in harsh environments. This creates major challenges in terms of underwater communications, whilst relying on limited energy resources. Additionally, the volume, velocity, and variety of data produced by sensors, hydrophones, and cameras in IoUT is enormous, giving rise to the concept of Big Marine Data (BMD), which has its own processing challenges. Hence, conventional data processing techniques will falter, and bespoke Machine Learning (ML) solutions have to be employed for automatically learning the specific BMD behavior and features facilitating knowledge extraction and decision support. The motivation of this paper is to comprehensively survey the IoUT, BMD, and their synthesis. It also aims for exploring the nexus of BMD with ML. We set out from underwater data collection and then discuss the family of IoUT data communication techniques with an emphasis on the state-of-the-art research challenges. We then review the suite of ML solutions suitable for BMD handling and analytics. We treat the subject deductively from an educational perspective, critically appraising the material surveyed.Comment: 54 pages, 11 figures, 19 tables, IEEE Communications Surveys & Tutorials, peer-reviewed academic journa

A Survey of Techniques and Challenges in Underwater Localization

Underwater Wireless Sensor Networks (UWSNs) are expected to support a variety of civilian and military applications. Sensed data can only be interpreted meaningfully when referenced to the location of the sensor, making localization an important problem. While global positioning system (GPS) receivers are commonly used in terrestrial WSNs to achieve this, this is infeasible in UWSNs as GPS signals do not propagate through water. Acoustic communications is the most promising mode of communication underwater. However, underwater acoustic channels are characterized by harsh physical layer conditions with low bandwidth, high propagation delay and high bit error rate. Moreover, the variable speed of sound and the non-negligible node mobility due to water currents pose a unique set of challenges for localization in UWSNs. In this paper, we provide a survey of techniques and challenges in localization specifically for UWSNs. We categorize them into (i) range-based vs. range-free techniques; (ii) techniques that rely on static reference nodes vs. those who also rely on mobile reference nodes, and (iii) single-stage vs. multi-stage schemes. We compare the schemes in terms of localization speed, accuracy, coverage and communication costs. Finally, we provide an outlook on the challenges that should be, but have yet been, addressed. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved

Underwater Resurrection Routing Synergy using Astucious Energy Pods

The accomplishment of sustainable communication among source and destination sink node is a rigors challenge and even establishing bodacious communication link between these nodes is nothing short of a miracle because data routes are governed by the underwater environment. Energy consumption has a significant influence as all active devices rely on the battery. As cost-effective data packet transmission is established as a norm, no charging or replacement can be achieved. Hop link evaluation and shrewd connection discovery by way of a resurrecting linking element were just a genuinely grim task, and only feasible to create the extra powered energy pods (URR-SAEP) that had never been carried out before after detailed study. After packet transfer, the sensor node performs the link inspection process, and when a link is deemed shaky at less than or equivalent to 50 percent of capacity, the target node incorporates its residual capacity status and returns it to the source node that attaches other unoptimizable energy pods to improve only the targeted node link from 50 percent to 90 percent. Performance evaluation using NS2 with Aqua-Sim 2.0 simulator has been obtained comparing with DBR and EEDBR protocols in terms of point-to-point delay, Packet dissemination ratio, Network lifespan and Energy Diminution

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

Adaptable underwater networks: The relation between autonomy and communications

This paper discusses requirements for autonomy and communications in maritime environments through two use cases which are sourced from military scenarios: Mine Counter Measures (MCM) and Anti-Submarine Warfare (ASW). To address these requirements, this work proposes a service-oriented architecture that breaks the typical boundaries between the autonomy and the communications stacks. An initial version of the architecture has been implemented and its deployment during a field trial done in January 2019 is reported. The paper discusses the achieved results in terms of system flexibility and ability to address the MCM and ASW requirements

An energy scaled and expanded vector-based forwarding scheme for industrial underwater acoustic sensor networks with sink mobility

Industrial Underwater Acoustic Sensor Networks (IUASNs) come with intrinsic challenges like long propagation delay, small bandwidth, large energy consumption, three-dimensional deployment, and high deployment and battery replacement cost. Any routing strategy proposed for IUASN must take into account these constraints. The vector based forwarding schemes in literature forward data packets to sink using holding time and location information of the sender, forwarder, and sink nodes. Holding time suppresses data broadcasts; however, it fails to keep energy and delay fairness in the network. To achieve this, we propose an Energy Scaled and Expanded Vector-Based Forwarding (ESEVBF) scheme. ESEVBF uses the residual energy of the node to scale and vector pipeline distance ratio to expand the holding time. Resulting scaled and expanded holding time of all forwarding nodes has a significant difference to avoid multiple forwarding, which reduces energy consumption and energy balancing in the network. If a node has a minimum holding time among its neighbors, it shrinks the holding time and quickly forwards the data packets upstream. The performance of ESEVBF is analyzed through in network scenario with and without node mobility to ensure its effectiveness. Simulation results show that ESEVBF has low energy consumption, reduces forwarded data copies, and less end-to-end delay