Source Seeking Control of Unicycle Robots with 3-D-Printed Flexible Piezoresistive Sensors

We present the design and experimental validation of source seeking control algorithms for a unicycle mobile robot that is equipped with novel 3D-printed flexible graphene-based piezoresistive airflow sensors. Based solely on a local gradient measurement from the airflow sensors, we propose and analyze a projected gradient ascent algorithm to solve the source seeking problem. In the case of partial sensor failure, we propose a combination of Extremum-Seeking Control with our projected gradient ascent algorithm. For both control laws, we prove the asymptotic convergence of the robot to the source. Numerical simulations were performed to validate the algorithms and experimental validations are presented to demonstrate the efficacy of the proposed methods

3-D Velocity Regulation for Nonholonomic Source Seeking Without Position Measurement

We consider a three-dimensional problem of steering a nonholonomic vehicle to seek an unknown source of a spatially distributed signal field without any position measurement. In the literature, there exists an extremum seeking-based strategy under a constant forward velocity and tunable pitch and yaw velocities. Obviously, the vehicle with a constant forward velocity may exhibit certain overshoots in the seeking process and can not slow down even it approaches the source. To resolve this undesired behavior, this paper proposes a regulation strategy for the forward velocity along with the pitch and yaw velocities. Under such a strategy, the vehicle slows down near the source and stays within a small area as if it comes to a full stop, and controllers for angular velocities become succinct. We prove the local exponential convergence via the averaging technique. Finally, the theoretical results are illustrated with simulations.Comment: submitted to IEEE TCST;12 pages, 10 figure

Adaptive Navigation of Three-Dimensional Scalar Fields with Multiple UAVs

Adaptive Navigation (AN) control strategies allow an agent to autonomously alter its trajectory based on realtime measurements of its environment. Compared to conventional navigation methods, AN techniques can potentially reduce the time and energy needed to explore scalar characteristics of unknown and dynamic regions of interest (e.g., temperature, concentration level). Multiple Uncrewed Aerial Vehicle (UAV) approaches to AN can improve performance by exploiting synchronized spatially-dispersed measurements to generate realtime information regarding the structure of the local scalar field for use in navigation decisions. This dissertation presents initial results of a comprehensive program to develop, verify, and experimentally implement mission-level AN capabilities in three-dimensional (3D) space using Santa Clara University’s (SCU) unique multilayer control architecture for groups of vehicles. Using SCU’s flexible formation control system, this work builds upon prior 2D AN research and provides new contributions to 3D scalar field AN by a) demonstrating a wide range of 3D AN capabilities using a unified, multilayer control architecture, b) extending multivehicle 2D AN control primitives to navigation in 3D scalar fields, and c) introducing state-based sequencing of these primitive AN functions to execute 3D mission-level capabilities such as isosurface mapping and plume following. Functionality is verified using high-fidelity simulations of multivehicle drone clusters which account for vehicle dynamics, outdoor wind gust disturbances, position sensor inaccuracy, and scalar field sensor noise. This dissertation presents the multilayer architecture for multivehicle formation control, the 3D AN control primitives, the sequencing approaches for specific mission-level capabilities, and simulation results that demonstrate these functions

Upravljanje autonomnim površinskim plovilima u svrhu lokalizacije podvodnoga vozila korištenjem jednostrukih akustičkih mjerenja udaljenosti

Mobile beacon vehicles are used as a navigational aid for autonomous underwater vehicles when performing navigation using single range measurements. They remove the constraints imposed on the underwater vehicle trajectory by executing trajectory that provides informative range measurements. In thesis, a novel control algorithm for the beacon vehicle which ensures observability of the underwater vehicle's navigation filter is presented. The algorithm was tested in real--life environment and the acquired experimental results were validated using a metric proposed in the thesis. In the case when it is not possible to acquire range measurements, time difference of arrival of an acoustic signal can be used for localization. Therefore, control algorithm for an autonomous surface system consisting of two acoustic receivers, capable of measuring the time difference of arrival of an underwater acoustic signal and utilizing this value in order to steer the system towards the acoustic source, is presented. Furthermore, simulation results are shown, where the influence of a constant disturbance caused by sea currents, and a relationship between the time difference of arrival measurement noise and the sensor baseline are investigated. Experimental results in which the algorithm was deployed on two autonomous surface vehicles equipped with acoustic receivers have shown that the algorithm successfully steers the vehicle formation towards the acoustic source, despite the noisy and intermittent measurements. Scientific contributions of the thesis are novel control algorithms for acoustic localization and navigation of the underwater vehicles and validation method for underwater navigation and localization algorithms using single range measurements.Ljudi od davnina teže istraživanju različitih prostora koji ih okružuju. Od kopnenih površina, mora i morskih dubina do neba i svemirskih prostranstva. Istraživanje svakog od tih područja predstavljalo je, i dan danas predstavlja znatne izazove. Posebno se to odnosi na istraživanje morskih dubina. Naime, iako smo okruženi morima i oceanima uz dostupnu tehnologiju još uvijek vrlo malo znamo o najvećim morskim dubinama i tajnama koje skrivaju. Razlozi tomu su višestruki, od velikih hidrostatskih tlakova prisutnih na velikim dubinama, sigurnosti ljudski posada pod morem pa sve do problema koji se javljaju pri navigaciji u dubinama. U posljednje vrijeme sve je veći interes istraživača za korištenjem autonomnih podvodnih vozila koja bi samostalno mogla pokriti velika podmorska prostranstva i omogućiti nove spoznaje. Veliku prepreku uspješnom istraživanju podmorja predstavlja upravo navigacija pod morem. Na kopnu su dostupni razni oblici lokalizacije vozila i tu se ponajprije misli na globalni pozicijski sustav, odnosno GPS. Korištenje GPS signala pod vodom, i općenito komunikaciju pod vodom onemogućavaju fizikalna svojstva vode, naime, pod vodom se elektromagnetski signali jako brzo prigušuju i nije moguće uspostaviti takav oblik komunikacije i lokalizacije. Stoga se autonomna podvodna vozila oslanjaju na koračnu navigaciju, korištenjem mjerenja dobivenih od senzora brzine i inercijalnih senzora, zbog koje imaju neograničnu lokalizacijsku pogrešku koja raste s vremenom, brzinom ovisnom o kvaliteti senzora i navigacijskog algoritma. Mnoga autonomna podvodna vozila zbog toga povremeno izranjaju na površinu kako bi dobili GPS mjerenje i time odredili vlastitu poziciju. Alternativna tehnika lokalizacije i komunikacije, i ona koja se najviše koristi kod podvodnih vozila, jest korištenje akustičkih uređaja za komunikaciju i lokalizaciju. Međutim, postojeća rješenja koja se temelje na akustičkoj navigaciji su nepraktična i često preskupa. Primjerice, postavljanje podvodnih LBL ( engl. Long baseline) sustava, kod kojih se u podmorje spušta veći broj predajnika i potom se iz mjerenja udaljenosti vozila u odnosu na njih i poznavanja njihovoga točnoga položaja može trilateracijom odrediti položaj vozila, vrlo je zahtjevno. Nedostatak USBL-a ( engl. Ultra short baseline), uređaja koji osim mjerenja udaljenosti, daje i mjerenja kuta između vozila i predajnika, predstavlja njegova vrlo visoka cijena. Navedeni problemi u lokalizaciji jesu jedan od glavnih razloga zašto veliki interes pobuđuje istraživanje navigacije korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti koje predstavlja jeftiniju alternativu danas dostupnim tehnikama podvodne navigacije. Doktorski rad rezultat je istraživanja u području podvodne lokalizacije i upravljanje autonomnim plovilima korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti. Istraživanje je usredotočeno na upravljačke algoritme za plovila koji potpomažu lokalizaciju podvodnih objekata kada su dostupna mjerenja udaljenosti. Temeljem upravljačkih algoritama i metodologija za validaciju algoritama razvijenih unutar doktorata izdvojena su tri znanstvena doprinosa: ∙ Algoritam upravljanja autonomnim površinskim plovilom s ciljem povećanja pokazatelja osmotrivosti navigacijskog sustava podvodnog vozila koje koristi jednostruka mjerenja udaljenosti od predajnika na površinskom plovilu ∙ Algoritam kooperativnog upravljanja dvama autonomnim površinskim plovilima koji koristi razliku vremena dolaska akustičkog signala s podvodnog izvora u svrhu njegove lokalizacije ∙ Postupak validacije kvalitete algoritama za podvodnu navigaciju i lokalizaciju korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti, te njegova primjena u analizi rezultata terenskih eksperimenata. Doktorski rad podijeljen je na uvodni dio, matematičko modeliranje plovila, navigaciju i upravljanje plovilima korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti, upravljanje mobilnim predajnikom pri navigaciji jednostrukim mjerenjima udaljenosti, traženje izvora signala korištenjem razlike vremena dolaska signala te zaključni dio. Prvo poglavlje („1. Introduction“) daje kratak pregled tehnika podvodne lokalizacije i poteškoća prilikom iste. Potreba za jednostavnom i dostupnom podvodnom lokalizacijom u prisustvu više vozila opremljenih akustičkim senzorima naglašena je kao motivacija za disertaciju. Nadalje, razrađene su hipoteze i doprinosi doktorskog rada. Poglavlje završava pregledom ostalih poglavlja doktorskog rada i opisom autonomnih vozila i akustičkih senzora korištenih unutar disertacije. Matematičko modeliranje podvodnih plovila obrađuje se u drugom poglavlju („2. Mathematical modelling of underwater vehicles”). Unutar poglavlja, proveden je teoretski pregled i prikazani su osnovni matematički modeli raspodjele potiska, dinamičkih i kinematičkih modela koji su korišteni tijekom istraživanja. Prikazani su isključivo podjednostavljeni modeli koji su korišteni prilikom sinteze sustava upravljanja i simulacijama predstavljenim u drugim poglavljima Također, prikazana je struktura navigacije, vođenja i upravljanja korištena na vozilima za potrebe simulacija i provođenja eksperimenata. Treće poglavlje (“3. Navigation and Control of Marine Vehicles Using Single Range Measurements”) započinje pregledom tehnika akvizicije akustičkih mjerenja udaljenosti. U podvodnom okolišu mjerenja udaljenosti uobičajeno se pribavljaju korištenjem akustičkih modema. Udaljenost se može odrediti korištenjem tehnike mjerenja jednostrukog puta ili dvostrukog puta signala. Kod tehnike jednostrukog puta udaljenost se odreduje iz vremena putovanja akustičkog signala koji se propagira između modema na iv strani predajnika te na strani vozila. Takvo mjerenje zahtijeva vrlo precizne satove kako bi se postigla sinkronizacija. Tehnika mjerenja dvostrukog puta signala najčešće je korištena tehnika mjerenja udaljenosti budući da ne zahtijeva preciznu sinkronizaciju satova, već zahtijeva interakciju između dva modema tako da modem na strani vozila akustički šalje zahtjev modemu na strani predajnika koji odgovara na zahtjev. Modem na strani vozila prima odgovor i na temelju ukupnog vremena propagacije signala estimira se udaljenost između uredaja. Korištenje mjerenja udaljenosti pribavljenih akustičkom komunikacijom predstavlja veliki izazov budući da takva mjerenja nisu dostupna u svakom trenutku. Također ona su pod utjecajem raznih čimbenika koji uvode pogrešku poput promjenjive brzine zvuka u vodi, refleksija od fizičkih prepreka, opadajućem omjeru snage signala i šuma kako se udaljenost između dva objekta povećava. U nastavku poglavlja, prikazana je navigacija korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti u odnosu na statični i mobilni predajnik. Obrađen je problem osmotrivosti pri navigaciji jednostrukim mjerenjima udaljenosti koji predstavlja jednu od glavnih prepreka prilikom navigacije jednostrukim mjerenjima udaljenosti jest pitanje osmotrivosti sustava budući da jedno mjerenje udaljenosti, zajedno s mjerenjem dubine vozila, ograničava moguću poziciju na skup rješenja opisanih kružnicom. Između pojedinih mjerenja udaljenosti relativno gibanje vozila estimira se koristeći mjerenja brzine i orijentacije vozila. Pokazano je da postoji velik broj radova koji se bave ostmotrivošću navigacije jednostrukim mjerenjima udaljenosti korištenjem različitih metodologija i generalni zaključak navedenih radova jest da kako bi se postigla osmotrivost sustava u slučaju nepoznatih struja, vozilo mora izvršavati trajektorije sa odredenom zakrivljenošću, odnosno trajektorije koje dovoljno pobuđuju sustav. Slučaj u kojemu predajnik miruje zanimljiv je za primjene poput pronalaženja neke početne točke ronilice, lociranja objekata poput ‘crnih kutija‘ pri avionskim nesrećama. No kao što je već spomenuto, nedostatak leži u tome što kako bi vozilo estimiralo svoj položaj mora putovati dovoljno informativnom trajektorijom kako bi sustav bio osmotriv i pritom ne može obavljati neke druge zadatake koji zahtjevaju trajektorije koje nisu pogodne za estimaciju položaja. Stoga je zanimljiv pristup gdje je predajnik također vozilo, površinsko ili podvodno, koje se može gibati. U tom slučaju vozilo koje koristi navigaciju jednostrukim mjerenjima udaljenosti može odrađivati svoj zadatak bez obzira koliko je zadana trajektorija informativna, dok se predajnik giba kako bi mjerenja udaljenosti u odnosu na vozilo bila dovoljno informativna, a samim time i sustav navigacije osmotriv. Pri takvoj navigaciji bitno je da predajnik dobro zna svoj položaj što je u slučaju površinskoga predajnika lako ostvarivo korištenjem GPS mjerenja. U poglavlju su predstavljeni i pokazatelji kvalitete korišteni za validaciju trajektorija mobilnoga predajnika pri navigaciji korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti koji u obzir uzimaju v osmotrivost ostvarenih trajektorija mobilnoga predajnika i ukupan ostvaren put za postiznje iste. Osim teme navigacije, obrađena je i tema upravljanja koje koristi jednostruka mjerenja udaljenosti. Ponekad je cilj vozila postići isključivo ekstrem nekoga kriterija, primijerice minimizirati udaljenost vozila i nekoga objekta, i pritom apsolutna pozicija vozila nije bitna informacija. U literaturi koja se dotiče podvodnih vozila postoje pristupi kod kojih se unutar navigacijskog filtra, najčešće proširenog Kalmanovog filtra, estimira položaj izvora koristeći jednostruka mjerenja udaljenosti, a potom se konvencionalni upravljački algoritmi koriste kako bi se dosegnula željena točka. Također, korištenje tehnike traženja ekstrema (engl. Extremum seeking) za navigaciju autonomnih vozila prema nepoznatom izvoru u okolišu bez GPS signala koristeći mjerenja koja daju vrijednost nekoga polja u pojedinoj točki je čest istraživački problem. Tehnika traženja ekstrema uobičajeno se primjenjuje u slučaju kada je model sustava slabo poznat ili u potpunosti nepoznat. Njegova velika prednost leži u tome da konstantni poremećaji koji djeluju na vozilo poput gravitacije, plovnosti te struja se automatski kompenziraju unutar upravljačke petlje. U poglavlju je prikazan kratak pregled tehnike traženja ekstrema , i pokazano je kako se ista može koristiti kao sredstvo navigacije prema podvodnim objektima kad su dostupna isključivo mjerenja udaljenosti. Pokazatelji kvalitete za validaciju takvih algoritama, koji uzimaju u obzir ukupan put i ukupno vrijeme potrebno za pronalaženje signala, su uvedeni i primijenjeni na simulacijskim i eksperimentalnim rezultatima koji su pokazali primjenjivost algoritma u realnim uvjetima. U četvrtom poglavlju (“4. Mobile Beacon Control in Single Range Navigation”) prikazan je algoritam za upravljanje mobilnim predajnikom u svrhu smanjenja lokalizacijske pogreške prilikom navigacije podvodnoga vozila jednostrukim mjerenjima udaljenosti. Prikazani algoritam karakteriziraju vrlo niski računalni i komunikacijski zahtjevi što ga čini izrazito pogodnim za zadatke poput praćenja podvodnih objekata uz istovremeno pružanje dovoljno informativnih mjerenja udaljenosti za potrebe lokalizacije objekta. Glavna ideja algoritma jest vođenje površinskoga mobilnoga predajnika uz trajektorije koje smanjuju lokalizacijsku pogrešku podvodnoga vozila. Površinski predajnik akustički šalje svoju apsolutnu poziciju navigacijskome filtru koji se izvodi na podvodnome vozilu. Informacija generirana u navigacijskome filtru se koristi kako bi se izračunao skalarni pokazatelj lokalizacijske pogreške podvodnoga vozila. Navedeni skalarni pokazatelj, se potom akustički šalje mobilnome predajniku, koji ga koristi u upravljačkoj shemi inspririranoj upravljačkim shemama kakve se koriste pri tehnikama traženja ekstrema, kako bi vodio mobilni predajnik prema trajektorijama kojima se ostvaruje osmotrivost navigacijskog filtra na podvodnom vozilu. U upravljačkoj shemi referenca brzine zaošijanja ima konstantan iznos, dok je referenca unaprijedne brzine porporcionalna iznosu pokazatelja vi lokalizacijske pogreške. Ponovnim slanjem pozicije predajnika prema podvodnom vozilu dobiva se mjerenje udaljenosti između mobilnoga predjanika i podvodnoga vozila te se time i zatvara upravljačka petlja. Predstavljeni algoritam rezultira sprialnim trajektorijama kojima mobilni predajnik prilazi podvodnome vozilu, te u konačnici kružnim trajektorijama predajnika oko podvodnoga vozila za koje je pokazano da osiguravaju osmotrivost lokalizacijskoga sustava, što je potvrđeno simulacijskim rezultatima. Dan je i matematički uvid u stabilnost algoritma. Pokazuje se da prilikom spiralnoga gibanja, u trenucima kada su kut između vektora relativne udaljenosti i vektora relativne brzine približno ortogonalni, vrijednost pokazatelja lokalizacijske pogreške se smanjuje što uzrokuje da mobilni predajnik prilazi vozilu brže nego što se udaljava od njega, odnosno u prosjeku udaljenost između vozila i predajnika se smanjuje, sve dok se ne uspostavi kružna trajektorija predajnika oko podvodnoga vozila. Naposljetku, prikazani su opširni eksperimentalni rezultati, za podaktuirani i nadaktuirani mobilni predajnik te su primijenjeni odgovarajući pokazatelji kvalitete za usporedbu predstavljenoga algoritma s već postojećim. U situacijama kada su mjerenja udaljenosti nedostupna, tehnika mjerenja razlike dolaska akustičkoga signala na fiksne prijemnike se može koristiti za lokalizaciju akustičkih izvora signala. Kako bi se to ostvarilo potrebna su minimalno tri fiksna prijemenika. U petom poglavlju (“5. Time Difference of Arrival Source Seeking”), predstavljen je algoritam namjenjen autonomnom površinskom sustavu opremeljenom s isključivo dva akustička senzora koji omogućuju mjerenja razlike vremena dolaska podvodnog akustičkog signala i korištenje tog signala kako bi se naveo sustav prema izvoru signala. Dva akustička prijemenika su postavljena tako da tvore osnovicu kojom je moguće upravljati u horizontalnoj ravnini. Upravljački algoritam sastoji se od sheme za traženje ekstrema zadužene za upravljanje orijentacijom sustava odnosno okretanje osnovice prema izvoru akustičkoga signala, te regulatora unaprijedne brzine koji je zadužen za gibanje osnovice prema izvoru signala. Stabilnost predloženoga algoritma analizirana je korištenjem aproksimacije Lievim zagradama, gdje je pokazano da sustav konvergira prema izvoru akustičkoga signala u horizontalnoj ravnini. U pratećim simulacijskim rezultatima, posebna pažnja je posvećena vezi između mjernoga šuma i udaljenosti između dva akustička senzora. Izazovi prisutni u praktičnoj implementaciji algoritma, vezani uz činjenicu da je pozicija izvora akustičkoga signala nepoznata, su istraženi. Konačno, prikazani su ekspermentalni rezultati u kojima su korištena dva autonomna površinska plovlila opremljena jednim akustičkim prijemnikom. Navedena konfiguracija omogućava promjenu duljine osnovice ovisno o mjernom šumu senzora. Rezultati pokazuju da je algoritam, usprkos mjernom šumu i isprekidanim mjerenjima, primjenjiv u stvarnim uvjetima. vii Doktorski rad završava elaboracijom hipoteza i doprinosa prezentiranih u sadržaju doktorskoga rada

Upravljanje autonomnim površinskim plovilima u svrhu lokalizacije podvodnoga vozila korištenjem jednostrukih akustičkih mjerenja udaljenosti

Mobile beacon vehicles are used as a navigational aid for autonomous underwater vehicles when performing navigation using single range measurements. They remove the constraints imposed on the underwater vehicle trajectory by executing trajectory that provides informative range measurements. In thesis, a novel control algorithm for the beacon vehicle which ensures observability of the underwater vehicle's navigation filter is presented. The algorithm was tested in real--life environment and the acquired experimental results were validated using a metric proposed in the thesis. In the case when it is not possible to acquire range measurements, time difference of arrival of an acoustic signal can be used for localization. Therefore, control algorithm for an autonomous surface system consisting of two acoustic receivers, capable of measuring the time difference of arrival of an underwater acoustic signal and utilizing this value in order to steer the system towards the acoustic source, is presented. Furthermore, simulation results are shown, where the influence of a constant disturbance caused by sea currents, and a relationship between the time difference of arrival measurement noise and the sensor baseline are investigated. Experimental results in which the algorithm was deployed on two autonomous surface vehicles equipped with acoustic receivers have shown that the algorithm successfully steers the vehicle formation towards the acoustic source, despite the noisy and intermittent measurements. Scientific contributions of the thesis are novel control algorithms for acoustic localization and navigation of the underwater vehicles and validation method for underwater navigation and localization algorithms using single range measurements.Ljudi od davnina teže istraživanju različitih prostora koji ih okružuju. Od kopnenih površina, mora i morskih dubina do neba i svemirskih prostranstva. Istraživanje svakog od tih područja predstavljalo je, i dan danas predstavlja znatne izazove. Posebno se to odnosi na istraživanje morskih dubina. Naime, iako smo okruženi morima i oceanima uz dostupnu tehnologiju još uvijek vrlo malo znamo o najvećim morskim dubinama i tajnama koje skrivaju. Razlozi tomu su višestruki, od velikih hidrostatskih tlakova prisutnih na velikim dubinama, sigurnosti ljudski posada pod morem pa sve do problema koji se javljaju pri navigaciji u dubinama. U posljednje vrijeme sve je veći interes istraživača za korištenjem autonomnih podvodnih vozila koja bi samostalno mogla pokriti velika podmorska prostranstva i omogućiti nove spoznaje. Veliku prepreku uspješnom istraživanju podmorja predstavlja upravo navigacija pod morem. Na kopnu su dostupni razni oblici lokalizacije vozila i tu se ponajprije misli na globalni pozicijski sustav, odnosno GPS. Korištenje GPS signala pod vodom, i općenito komunikaciju pod vodom onemogućavaju fizikalna svojstva vode, naime, pod vodom se elektromagnetski signali jako brzo prigušuju i nije moguće uspostaviti takav oblik komunikacije i lokalizacije. Stoga se autonomna podvodna vozila oslanjaju na koračnu navigaciju, korištenjem mjerenja dobivenih od senzora brzine i inercijalnih senzora, zbog koje imaju neograničnu lokalizacijsku pogrešku koja raste s vremenom, brzinom ovisnom o kvaliteti senzora i navigacijskog algoritma. Mnoga autonomna podvodna vozila zbog toga povremeno izranjaju na površinu kako bi dobili GPS mjerenje i time odredili vlastitu poziciju. Alternativna tehnika lokalizacije i komunikacije, i ona koja se najviše koristi kod podvodnih vozila, jest korištenje akustičkih uređaja za komunikaciju i lokalizaciju. Međutim, postojeća rješenja koja se temelje na akustičkoj navigaciji su nepraktična i često preskupa. Primjerice, postavljanje podvodnih LBL ( engl. Long baseline) sustava, kod kojih se u podmorje spušta veći broj predajnika i potom se iz mjerenja udaljenosti vozila u odnosu na njih i poznavanja njihovoga točnoga položaja može trilateracijom odrediti položaj vozila, vrlo je zahtjevno. Nedostatak USBL-a ( engl. Ultra short baseline), uređaja koji osim mjerenja udaljenosti, daje i mjerenja kuta između vozila i predajnika, predstavlja njegova vrlo visoka cijena. Navedeni problemi u lokalizaciji jesu jedan od glavnih razloga zašto veliki interes pobuđuje istraživanje navigacije korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti koje predstavlja jeftiniju alternativu danas dostupnim tehnikama podvodne navigacije. Doktorski rad rezultat je istraživanja u području podvodne lokalizacije i upravljanje autonomnim plovilima korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti. Istraživanje je usredotočeno na upravljačke algoritme za plovila koji potpomažu lokalizaciju podvodnih objekata kada su dostupna mjerenja udaljenosti. Temeljem upravljačkih algoritama i metodologija za validaciju algoritama razvijenih unutar doktorata izdvojena su tri znanstvena doprinosa: ∙ Algoritam upravljanja autonomnim površinskim plovilom s ciljem povećanja pokazatelja osmotrivosti navigacijskog sustava podvodnog vozila koje koristi jednostruka mjerenja udaljenosti od predajnika na površinskom plovilu ∙ Algoritam kooperativnog upravljanja dvama autonomnim površinskim plovilima koji koristi razliku vremena dolaska akustičkog signala s podvodnog izvora u svrhu njegove lokalizacije ∙ Postupak validacije kvalitete algoritama za podvodnu navigaciju i lokalizaciju korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti, te njegova primjena u analizi rezultata terenskih eksperimenata. Doktorski rad podijeljen je na uvodni dio, matematičko modeliranje plovila, navigaciju i upravljanje plovilima korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti, upravljanje mobilnim predajnikom pri navigaciji jednostrukim mjerenjima udaljenosti, traženje izvora signala korištenjem razlike vremena dolaska signala te zaključni dio. Prvo poglavlje („1. Introduction“) daje kratak pregled tehnika podvodne lokalizacije i poteškoća prilikom iste. Potreba za jednostavnom i dostupnom podvodnom lokalizacijom u prisustvu više vozila opremljenih akustičkim senzorima naglašena je kao motivacija za disertaciju. Nadalje, razrađene su hipoteze i doprinosi doktorskog rada. Poglavlje završava pregledom ostalih poglavlja doktorskog rada i opisom autonomnih vozila i akustičkih senzora korištenih unutar disertacije. Matematičko modeliranje podvodnih plovila obrađuje se u drugom poglavlju („2. Mathematical modelling of underwater vehicles”). Unutar poglavlja, proveden je teoretski pregled i prikazani su osnovni matematički modeli raspodjele potiska, dinamičkih i kinematičkih modela koji su korišteni tijekom istraživanja. Prikazani su isključivo podjednostavljeni modeli koji su korišteni prilikom sinteze sustava upravljanja i simulacijama predstavljenim u drugim poglavljima Također, prikazana je struktura navigacije, vođenja i upravljanja korištena na vozilima za potrebe simulacija i provođenja eksperimenata. Treće poglavlje (“3. Navigation and Control of Marine Vehicles Using Single Range Measurements”) započinje pregledom tehnika akvizicije akustičkih mjerenja udaljenosti. U podvodnom okolišu mjerenja udaljenosti uobičajeno se pribavljaju korištenjem akustičkih modema. Udaljenost se može odrediti korištenjem tehnike mjerenja jednostrukog puta ili dvostrukog puta signala. Kod tehnike jednostrukog puta udaljenost se odreduje iz vremena putovanja akustičkog signala koji se propagira između modema na iv strani predajnika te na strani vozila. Takvo mjerenje zahtijeva vrlo precizne satove kako bi se postigla sinkronizacija. Tehnika mjerenja dvostrukog puta signala najčešće je korištena tehnika mjerenja udaljenosti budući da ne zahtijeva preciznu sinkronizaciju satova, već zahtijeva interakciju između dva modema tako da modem na strani vozila akustički šalje zahtjev modemu na strani predajnika koji odgovara na zahtjev. Modem na strani vozila prima odgovor i na temelju ukupnog vremena propagacije signala estimira se udaljenost između uredaja. Korištenje mjerenja udaljenosti pribavljenih akustičkom komunikacijom predstavlja veliki izazov budući da takva mjerenja nisu dostupna u svakom trenutku. Također ona su pod utjecajem raznih čimbenika koji uvode pogrešku poput promjenjive brzine zvuka u vodi, refleksija od fizičkih prepreka, opadajućem omjeru snage signala i šuma kako se udaljenost između dva objekta povećava. U nastavku poglavlja, prikazana je navigacija korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti u odnosu na statični i mobilni predajnik. Obrađen je problem osmotrivosti pri navigaciji jednostrukim mjerenjima udaljenosti koji predstavlja jednu od glavnih prepreka prilikom navigacije jednostrukim mjerenjima udaljenosti jest pitanje osmotrivosti sustava budući da jedno mjerenje udaljenosti, zajedno s mjerenjem dubine vozila, ograničava moguću poziciju na skup rješenja opisanih kružnicom. Između pojedinih mjerenja udaljenosti relativno gibanje vozila estimira se koristeći mjerenja brzine i orijentacije vozila. Pokazano je da postoji velik broj radova koji se bave ostmotrivošću navigacije jednostrukim mjerenjima udaljenosti korištenjem različitih metodologija i generalni zaključak navedenih radova jest da kako bi se postigla osmotrivost sustava u slučaju nepoznatih struja, vozilo mora izvršavati trajektorije sa odredenom zakrivljenošću, odnosno trajektorije koje dovoljno pobuđuju sustav. Slučaj u kojemu predajnik miruje zanimljiv je za primjene poput pronalaženja neke početne točke ronilice, lociranja objekata poput ‘crnih kutija‘ pri avionskim nesrećama. No kao što je već spomenuto, nedostatak leži u tome što kako bi vozilo estimiralo svoj položaj mora putovati dovoljno informativnom trajektorijom kako bi sustav bio osmotriv i pritom ne može obavljati neke druge zadatake koji zahtjevaju trajektorije koje nisu pogodne za estimaciju položaja. Stoga je zanimljiv pristup gdje je predajnik također vozilo, površinsko ili podvodno, koje se može gibati. U tom slučaju vozilo koje koristi navigaciju jednostrukim mjerenjima udaljenosti može odrađivati svoj zadatak bez obzira koliko je zadana trajektorija informativna, dok se predajnik giba kako bi mjerenja udaljenosti u odnosu na vozilo bila dovoljno informativna, a samim time i sustav navigacije osmotriv. Pri takvoj navigaciji bitno je da predajnik dobro zna svoj položaj što je u slučaju površinskoga predajnika lako ostvarivo korištenjem GPS mjerenja. U poglavlju su predstavljeni i pokazatelji kvalitete korišteni za validaciju trajektorija mobilnoga predajnika pri navigaciji korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti koji u obzir uzimaju v osmotrivost ostvarenih trajektorija mobilnoga predajnika i ukupan ostvaren put za postiznje iste. Osim teme navigacije, obrađena je i tema upravljanja koje koristi jednostruka mjerenja udaljenosti. Ponekad je cilj vozila postići isključivo ekstrem nekoga kriterija, primijerice minimizirati udaljenost vozila i nekoga objekta, i pritom apsolutna pozicija vozila nije bitna informacija. U literaturi koja se dotiče podvodnih vozila postoje pristupi kod kojih se unutar navigacijskog filtra, najčešće proširenog Kalmanovog filtra, estimira položaj izvora koristeći jednostruka mjerenja udaljenosti, a potom se konvencionalni upravljački algoritmi koriste kako bi se dosegnula željena točka. Također, korištenje tehnike traženja ekstrema (engl. Extremum seeking) za navigaciju autonomnih vozila prema nepoznatom izvoru u okolišu bez GPS signala koristeći mjerenja koja daju vrijednost nekoga polja u pojedinoj točki je čest istraživački problem. Tehnika traženja ekstrema uobičajeno se primjenjuje u slučaju kada je model sustava slabo poznat ili u potpunosti nepoznat. Njegova velika prednost leži u tome da konstantni poremećaji koji djeluju na vozilo poput gravitacije, plovnosti te struja se automatski kompenziraju unutar upravljačke petlje. U poglavlju je prikazan kratak pregled tehnike traženja ekstrema , i pokazano je kako se ista može koristiti kao sredstvo navigacije prema podvodnim objektima kad su dostupna isključivo mjerenja udaljenosti. Pokazatelji kvalitete za validaciju takvih algoritama, koji uzimaju u obzir ukupan put i ukupno vrijeme potrebno za pronalaženje signala, su uvedeni i primijenjeni na simulacijskim i eksperimentalnim rezultatima koji su pokazali primjenjivost algoritma u realnim uvjetima. U četvrtom poglavlju (“4. Mobile Beacon Control in Single Range Navigation”) prikazan je algoritam za upravljanje mobilnim predajnikom u svrhu smanjenja lokalizacijske pogreške prilikom navigacije podvodnoga vozila jednostrukim mjerenjima udaljenosti. Prikazani algoritam karakteriziraju vrlo niski računalni i komunikacijski zahtjevi što ga čini izrazito pogodnim za zadatke poput praćenja podvodnih objekata uz istovremeno pružanje dovoljno informativnih mjerenja udaljenosti za potrebe lokalizacije objekta. Glavna ideja algoritma jest vođenje površinskoga mobilnoga predajnika uz trajektorije koje smanjuju lokalizacijsku pogrešku podvodnoga vozila. Površinski predajnik akustički šalje svoju apsolutnu poziciju navigacijskome filtru koji se izvodi na podvodnome vozilu. Informacija generirana u navigacijskome filtru se koristi kako bi se izračunao skalarni pokazatelj lokalizacijske pogreške podvodnoga vozila. Navedeni skalarni pokazatelj, se potom akustički šalje mobilnome predajniku, koji ga koristi u upravljačkoj shemi inspririranoj upravljačkim shemama kakve se koriste pri tehnikama traženja ekstrema, kako bi vodio mobilni predajnik prema trajektorijama kojima se ostvaruje osmotrivost navigacijskog filtra na podvodnom vozilu. U upravljačkoj shemi referenca brzine zaošijanja ima konstantan iznos, dok je referenca unaprijedne brzine porporcionalna iznosu pokazatelja vi lokalizacijske pogreške. Ponovnim slanjem pozicije predajnika prema podvodnom vozilu dobiva se mjerenje udaljenosti između mobilnoga predjanika i podvodnoga vozila te se time i zatvara upravljačka petlja. Predstavljeni algoritam rezultira sprialnim trajektorijama kojima mobilni predajnik prilazi podvodnome vozilu, te u konačnici kružnim trajektorijama predajnika oko podvodnoga vozila za koje je pokazano da osiguravaju osmotrivost lokalizacijskoga sustava, što je potvrđeno simulacijskim rezultatima. Dan je i matematički uvid u stabilnost algoritma. Pokazuje se da prilikom spiralnoga gibanja, u trenucima kada su kut između vektora relativne udaljenosti i vektora relativne brzine približno ortogonalni, vrijednost pokazatelja lokalizacijske pogreške se smanjuje što uzrokuje da mobilni predajnik prilazi vozilu brže nego što se udaljava od njega, odnosno u prosjeku udaljenost između vozila i predajnika se smanjuje, sve dok se ne uspostavi kružna trajektorija predajnika oko podvodnoga vozila. Naposljetku, prikazani su opširni eksperimentalni rezultati, za podaktuirani i nadaktuirani mobilni predajnik te su primijenjeni odgovarajući pokazatelji kvalitete za usporedbu predstavljenoga algoritma s već postojećim. U situacijama kada su mjerenja udaljenosti nedostupna, tehnika mjerenja razlike dolaska akustičkoga signala na fiksne prijemnike se može koristiti za lokalizaciju akustičkih izvora signala. Kako bi se to ostvarilo potrebna su minimalno tri fiksna prijemenika. U petom poglavlju (“5. Time Difference of Arrival Source Seeking”), predstavljen je algoritam namjenjen autonomnom površinskom sustavu opremeljenom s isključivo dva akustička senzora koji omogućuju mjerenja razlike vremena dolaska podvodnog akustičkog signala i korištenje tog signala kako bi se naveo sustav prema izvoru signala. Dva akustička prijemenika su postavljena tako da tvore osnovicu kojom je moguće upravljati u horizontalnoj ravnini. Upravljački algoritam sastoji se od sheme za traženje ekstrema zadužene za upravljanje orijentacijom sustava odnosno okretanje osnovice prema izvoru akustičkoga signala, te regulatora unaprijedne brzine koji je zadužen za gibanje osnovice prema izvoru signala. Stabilnost predloženoga algoritma analizirana je korištenjem aproksimacije Lievim zagradama, gdje je pokazano da sustav konvergira prema izvoru akustičkoga signala u horizontalnoj ravnini. U pratećim simulacijskim rezultatima, posebna pažnja je posvećena vezi između mjernoga šuma i udaljenosti između dva akustička senzora. Izazovi prisutni u praktičnoj implementaciji algoritma, vezani uz činjenicu da je pozicija izvora akustičkoga signala nepoznata, su istraženi. Konačno, prikazani su ekspermentalni rezultati u kojima su korištena dva autonomna površinska plovlila opremljena jednim akustičkim prijemnikom. Navedena konfiguracija omogućava promjenu duljine osnovice ovisno o mjernom šumu senzora. Rezultati pokazuju da je algoritam, usprkos mjernom šumu i isprekidanim mjerenjima, primjenjiv u stvarnim uvjetima. vii Doktorski rad završava elaboracijom hipoteza i doprinosa prezentiranih u sadržaju doktorskoga rada

Upravljanje autonomnim površinskim plovilima u svrhu lokalizacije podvodnoga vozila korištenjem jednostrukih akustičkih mjerenja udaljenosti

Mobile beacon vehicles are used as a navigational aid for autonomous underwater vehicles when performing navigation using single range measurements. They remove the constraints imposed on the underwater vehicle trajectory by executing trajectory that provides informative range measurements. In thesis, a novel control algorithm for the beacon vehicle which ensures observability of the underwater vehicle's navigation filter is presented. The algorithm was tested in real--life environment and the acquired experimental results were validated using a metric proposed in the thesis. In the case when it is not possible to acquire range measurements, time difference of arrival of an acoustic signal can be used for localization. Therefore, control algorithm for an autonomous surface system consisting of two acoustic receivers, capable of measuring the time difference of arrival of an underwater acoustic signal and utilizing this value in order to steer the system towards the acoustic source, is presented. Furthermore, simulation results are shown, where the influence of a constant disturbance caused by sea currents, and a relationship between the time difference of arrival measurement noise and the sensor baseline are investigated. Experimental results in which the algorithm was deployed on two autonomous surface vehicles equipped with acoustic receivers have shown that the algorithm successfully steers the vehicle formation towards the acoustic source, despite the noisy and intermittent measurements. Scientific contributions of the thesis are novel control algorithms for acoustic localization and navigation of the underwater vehicles and validation method for underwater navigation and localization algorithms using single range measurements.Ljudi od davnina teže istraživanju različitih prostora koji ih okružuju. Od kopnenih površina, mora i morskih dubina do neba i svemirskih prostranstva. Istraživanje svakog od tih područja predstavljalo je, i dan danas predstavlja znatne izazove. Posebno se to odnosi na istraživanje morskih dubina. Naime, iako smo okruženi morima i oceanima uz dostupnu tehnologiju još uvijek vrlo malo znamo o najvećim morskim dubinama i tajnama koje skrivaju. Razlozi tomu su višestruki, od velikih hidrostatskih tlakova prisutnih na velikim dubinama, sigurnosti ljudski posada pod morem pa sve do problema koji se javljaju pri navigaciji u dubinama. U posljednje vrijeme sve je veći interes istraživača za korištenjem autonomnih podvodnih vozila koja bi samostalno mogla pokriti velika podmorska prostranstva i omogućiti nove spoznaje. Veliku prepreku uspješnom istraživanju podmorja predstavlja upravo navigacija pod morem. Na kopnu su dostupni razni oblici lokalizacije vozila i tu se ponajprije misli na globalni pozicijski sustav, odnosno GPS. Korištenje GPS signala pod vodom, i općenito komunikaciju pod vodom onemogućavaju fizikalna svojstva vode, naime, pod vodom se elektromagnetski signali jako brzo prigušuju i nije moguće uspostaviti takav oblik komunikacije i lokalizacije. Stoga se autonomna podvodna vozila oslanjaju na koračnu navigaciju, korištenjem mjerenja dobivenih od senzora brzine i inercijalnih senzora, zbog koje imaju neograničnu lokalizacijsku pogrešku koja raste s vremenom, brzinom ovisnom o kvaliteti senzora i navigacijskog algoritma. Mnoga autonomna podvodna vozila zbog toga povremeno izranjaju na površinu kako bi dobili GPS mjerenje i time odredili vlastitu poziciju. Alternativna tehnika lokalizacije i komunikacije, i ona koja se najviše koristi kod podvodnih vozila, jest korištenje akustičkih uređaja za komunikaciju i lokalizaciju. Međutim, postojeća rješenja koja se temelje na akustičkoj navigaciji su nepraktična i često preskupa. Primjerice, postavljanje podvodnih LBL ( engl. Long baseline) sustava, kod kojih se u podmorje spušta veći broj predajnika i potom se iz mjerenja udaljenosti vozila u odnosu na njih i poznavanja njihovoga točnoga položaja može trilateracijom odrediti položaj vozila, vrlo je zahtjevno. Nedostatak USBL-a ( engl. Ultra short baseline), uređaja koji osim mjerenja udaljenosti, daje i mjerenja kuta između vozila i predajnika, predstavlja njegova vrlo visoka cijena. Navedeni problemi u lokalizaciji jesu jedan od glavnih razloga zašto veliki interes pobuđuje istraživanje navigacije korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti koje predstavlja jeftiniju alternativu danas dostupnim tehnikama podvodne navigacije. Doktorski rad rezultat je istraživanja u području podvodne lokalizacije i upravljanje autonomnim plovilima korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti. Istraživanje je usredotočeno na upravljačke algoritme za plovila koji potpomažu lokalizaciju podvodnih objekata kada su dostupna mjerenja udaljenosti. Temeljem upravljačkih algoritama i metodologija za validaciju algoritama razvijenih unutar doktorata izdvojena su tri znanstvena doprinosa: ∙ Algoritam upravljanja autonomnim površinskim plovilom s ciljem povećanja pokazatelja osmotrivosti navigacijskog sustava podvodnog vozila koje koristi jednostruka mjerenja udaljenosti od predajnika na površinskom plovilu ∙ Algoritam kooperativnog upravljanja dvama autonomnim površinskim plovilima koji koristi razliku vremena dolaska akustičkog signala s podvodnog izvora u svrhu njegove lokalizacije ∙ Postupak validacije kvalitete algoritama za podvodnu navigaciju i lokalizaciju korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti, te njegova primjena u analizi rezultata terenskih eksperimenata. Doktorski rad podijeljen je na uvodni dio, matematičko modeliranje plovila, navigaciju i upravljanje plovilima korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti, upravljanje mobilnim predajnikom pri navigaciji jednostrukim mjerenjima udaljenosti, traženje izvora signala korištenjem razlike vremena dolaska signala te zaključni dio. Prvo poglavlje („1. Introduction“) daje kratak pregled tehnika podvodne lokalizacije i poteškoća prilikom iste. Potreba za jednostavnom i dostupnom podvodnom lokalizacijom u prisustvu više vozila opremljenih akustičkim senzorima naglašena je kao motivacija za disertaciju. Nadalje, razrađene su hipoteze i doprinosi doktorskog rada. Poglavlje završava pregledom ostalih poglavlja doktorskog rada i opisom autonomnih vozila i akustičkih senzora korištenih unutar disertacije. Matematičko modeliranje podvodnih plovila obrađuje se u drugom poglavlju („2. Mathematical modelling of underwater vehicles”). Unutar poglavlja, proveden je teoretski pregled i prikazani su osnovni matematički modeli raspodjele potiska, dinamičkih i kinematičkih modela koji su korišteni tijekom istraživanja. Prikazani su isključivo podjednostavljeni modeli koji su korišteni prilikom sinteze sustava upravljanja i simulacijama predstavljenim u drugim poglavljima Također, prikazana je struktura navigacije, vođenja i upravljanja korištena na vozilima za potrebe simulacija i provođenja eksperimenata. Treće poglavlje (“3. Navigation and Control of Marine Vehicles Using Single Range Measurements”) započinje pregledom tehnika akvizicije akustičkih mjerenja udaljenosti. U podvodnom okolišu mjerenja udaljenosti uobičajeno se pribavljaju korištenjem akustičkih modema. Udaljenost se može odrediti korištenjem tehnike mjerenja jednostrukog puta ili dvostrukog puta signala. Kod tehnike jednostrukog puta udaljenost se odreduje iz vremena putovanja akustičkog signala koji se propagira između modema na iv strani predajnika te na strani vozila. Takvo mjerenje zahtijeva vrlo precizne satove kako bi se postigla sinkronizacija. Tehnika mjerenja dvostrukog puta signala najčešće je korištena tehnika mjerenja udaljenosti budući da ne zahtijeva preciznu sinkronizaciju satova, već zahtijeva interakciju između dva modema tako da modem na strani vozila akustički šalje zahtjev modemu na strani predajnika koji odgovara na zahtjev. Modem na strani vozila prima odgovor i na temelju ukupnog vremena propagacije signala estimira se udaljenost između uredaja. Korištenje mjerenja udaljenosti pribavljenih akustičkom komunikacijom predstavlja veliki izazov budući da takva mjerenja nisu dostupna u svakom trenutku. Također ona su pod utjecajem raznih čimbenika koji uvode pogrešku poput promjenjive brzine zvuka u vodi, refleksija od fizičkih prepreka, opadajućem omjeru snage signala i šuma kako se udaljenost između dva objekta povećava. U nastavku poglavlja, prikazana je navigacija korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti u odnosu na statični i mobilni predajnik. Obrađen je problem osmotrivosti pri navigaciji jednostrukim mjerenjima udaljenosti koji predstavlja jednu od glavnih prepreka prilikom navigacije jednostrukim mjerenjima udaljenosti jest pitanje osmotrivosti sustava budući da jedno mjerenje udaljenosti, zajedno s mjerenjem dubine vozila, ograničava moguću poziciju na skup rješenja opisanih kružnicom. Između pojedinih mjerenja udaljenosti relativno gibanje vozila estimira se koristeći mjerenja brzine i orijentacije vozila. Pokazano je da postoji velik broj radova koji se bave ostmotrivošću navigacije jednostrukim mjerenjima udaljenosti korištenjem različitih metodologija i generalni zaključak navedenih radova jest da kako bi se postigla osmotrivost sustava u slučaju nepoznatih struja, vozilo mora izvršavati trajektorije sa odredenom zakrivljenošću, odnosno trajektorije koje dovoljno pobuđuju sustav. Slučaj u kojemu predajnik miruje zanimljiv je za primjene poput pronalaženja neke početne točke ronilice, lociranja objekata poput ‘crnih kutija‘ pri avionskim nesrećama. No kao što je već spomenuto, nedostatak leži u tome što kako bi vozilo estimiralo svoj položaj mora putovati dovoljno informativnom trajektorijom kako bi sustav bio osmotriv i pritom ne može obavljati neke druge zadatake koji zahtjevaju trajektorije koje nisu pogodne za estimaciju položaja. Stoga je zanimljiv pristup gdje je predajnik također vozilo, površinsko ili podvodno, koje se može gibati. U tom slučaju vozilo koje koristi navigaciju jednostrukim mjerenjima udaljenosti može odrađivati svoj zadatak bez obzira koliko je zadana trajektorija informativna, dok se predajnik giba kako bi mjerenja udaljenosti u odnosu na vozilo bila dovoljno informativna, a samim time i sustav navigacije osmotriv. Pri takvoj navigaciji bitno je da predajnik dobro zna svoj položaj što je u slučaju površinskoga predajnika lako ostvarivo korištenjem GPS mjerenja. U poglavlju su predstavljeni i pokazatelji kvalitete korišteni za validaciju trajektorija mobilnoga predajnika pri navigaciji korištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti koji u obzir uzimaju v osmotrivost ostvarenih trajektorija mobilnoga predajnika i ukupan ostvaren put za postiznje iste. Osim teme navigacije, obrađena je i tema upravljanja koje koristi jednostruka mjerenja udaljenosti. Ponekad je cilj vozila postići isključivo ekstrem nekoga kriterija, primijerice minimizirati udaljenost vozila i nekoga objekta, i pritom apsolutna pozicija vozila nije bitna informacija. U literaturi koja se dotiče podvodnih vozila postoje pristupi kod kojih se unutar navigacijskog filtra, najčešće proširenog Kalmanovog filtra, estimira položaj izvora koristeći jednostruka mjerenja udaljenosti, a potom se konvencionalni upravljački algoritmi koriste kako bi se dosegnula željena točka. Također, korištenje tehnike traženja ekstrema (engl. Extremum seeking) za navigaciju autonomnih vozila prema nepoznatom izvoru u okolišu bez GPS signala koristeći mjerenja koja daju vrijednost nekoga polja u pojedinoj točki je čest istraživački problem. Tehnika traženja ekstrema uobičajeno se primjenjuje u slučaju kada je model sustava slabo poznat ili u potpunosti nepoznat. Njegova velika prednost leži u tome da konstantni poremećaji koji djeluju na vozilo poput gravitacije, plovnosti te struja se automatski kompenziraju unutar upravljačke petlje. U poglavlju je prikazan kratak pregled tehnike traženja ekstrema , i pokazano je kako se ista može koristiti kao sredstvo navigacije prema podvodnim objektima kad su dostupna isključivo mjerenja udaljenosti. Pokazatelji kvalitete za validaciju takvih algoritama, koji uzimaju u obzir ukupan put i ukupno vrijeme potrebno za pronalaženje signala, su uvedeni i primijenjeni na simulacijskim i eksperimentalnim rezultatima koji su pokazali primjenjivost algoritma u realnim uvjetima. U četvrtom poglavlju (“4. Mobile Beacon Control in Single Range Navigation”) prikazan je algoritam za upravljanje mobilnim predajnikom u svrhu smanjenja lokalizacijske pogreške prilikom navigacije podvodnoga vozila jednostrukim mjerenjima udaljenosti. Prikazani algoritam karakteriziraju vrlo niski računalni i komunikacijski zahtjevi što ga čini izrazito pogodnim za zadatke poput praćenja podvodnih objekata uz istovremeno pružanje dovoljno informativnih mjerenja udaljenosti za potrebe lokalizacije objekta. Glavna ideja algoritma jest vođenje površinskoga mobilnoga predajnika uz trajektorije koje smanjuju lokalizacijsku pogrešku podvodnoga vozila. Površinski predajnik akustički šalje svoju apsolutnu poziciju navigacijskome filtru koji se izvodi na podvodnome vozilu. Informacija generirana u navigacijskome filtru se koristi kako bi se izračunao skalarni pokazatelj lokalizacijske pogreške podvodnoga vozila. Navedeni skalarni pokazatelj, se potom akustički šalje mobilnome predajniku, koji ga koristi u upravljačkoj shemi inspririranoj upravljačkim shemama kakve se koriste pri tehnikama traženja ekstrema, kako bi vodio mobilni predajnik prema trajektorijama kojima se ostvaruje osmotrivost navigacijskog filtra na podvodnom vozilu. U upravljačkoj shemi referenca brzine zaošijanja ima konstantan iznos, dok je referenca unaprijedne brzine porporcionalna iznosu pokazatelja vi lokalizacijske pogreške. Ponovnim slanjem pozicije predajnika prema podvodnom vozilu dobiva se mjerenje udaljenosti između mobilnoga predjanika i podvodnoga vozila te se time i zatvara upravljačka petlja. Predstavljeni algoritam rezultira sprialnim trajektorijama kojima mobilni predajnik prilazi podvodnome vozilu, te u konačnici kružnim trajektorijama predajnika oko podvodnoga vozila za koje je pokazano da osiguravaju osmotrivost lokalizacijskoga sustava, što je potvrđeno simulacijskim rezultatima. Dan je i matematički uvid u stabilnost algoritma. Pokazuje se da prilikom spiralnoga gibanja, u trenucima kada su kut između vektora relativne udaljenosti i vektora relativne brzine približno ortogonalni, vrijednost pokazatelja lokalizacijske pogreške se smanjuje što uzrokuje da mobilni predajnik prilazi vozilu brže nego što se udaljava od njega, odnosno u prosjeku udaljenost između vozila i predajnika se smanjuje, sve dok se ne uspostavi kružna trajektorija predajnika oko podvodnoga vozila. Naposljetku, prikazani su opširni eksperimentalni rezultati, za podaktuirani i nadaktuirani mobilni predajnik te su primijenjeni odgovarajući pokazatelji kvalitete za usporedbu predstavljenoga algoritma s već postojećim. U situacijama kada su mjerenja udaljenosti nedostupna, tehnika mjerenja razlike dolaska akustičkoga signala na fiksne prijemnike se može koristiti za lokalizaciju akustičkih izvora signala. Kako bi se to ostvarilo potrebna su minimalno tri fiksna prijemenika. U petom poglavlju (“5. Time Difference of Arrival Source Seeking”), predstavljen je algoritam namjenjen autonomnom površinskom sustavu opremeljenom s isključivo dva akustička senzora koji omogućuju mjerenja razlike vremena dolaska podvodnog akustičkog signala i korištenje tog signala kako bi se naveo sustav prema izvoru signala. Dva akustička prijemenika su postavljena tako da tvore osnovicu kojom je moguće upravljati u horizontalnoj ravnini. Upravljački algoritam sastoji se od sheme za traženje ekstrema zadužene za upravljanje orijentacijom sustava odnosno okretanje osnovice prema izvoru akustičkoga signala, te regulatora unaprijedne brzine koji je zadužen za gibanje osnovice prema izvoru signala. Stabilnost predloženoga algoritma analizirana je korištenjem aproksimacije Lievim zagradama, gdje je pokazano da sustav konvergira prema izvoru akustičkoga signala u horizontalnoj ravnini. U pratećim simulacijskim rezultatima, posebna pažnja je posvećena vezi između mjernoga šuma i udaljenosti između dva akustička senzora. Izazovi prisutni u praktičnoj implementaciji algoritma, vezani uz činjenicu da je pozicija izvora akustičkoga signala nepoznata, su istraženi. Konačno, prikazani su ekspermentalni rezultati u kojima su korištena dva autonomna površinska plovlila opremljena jednim akustičkim prijemnikom. Navedena konfiguracija omogućava promjenu duljine osnovice ovisno o mjernom šumu senzora. Rezultati pokazuju da je algoritam, usprkos mjernom šumu i isprekidanim mjerenjima, primjenjiv u stvarnim uvjetima. vii Doktorski rad završava elaboracijom hipoteza i doprinosa prezentiranih u sadržaju doktorskoga rada

Mission-Oriented Multirobot Adaptive Navigation of Scalar Fields

Scalar fields are spatial regions where each point has an associated physical value. These fields often contain features of interest, such as local extrema and contours with a value of significance. Traditional navigation techniques require robots to exhaustively search these regions to find the areas of significance, while adaptive navigation allows them to move directly to the points of interest based on measurements of the field taken during the navigation process. This work expands existing adaptive navigation techniques by adding a finite state machine layer to the control architecture, and using it as a discrete mode controller; the state machine allows for the sequencing of individual adaptive navigation control primitives for the purpose of enhancing performance and achieving new mission-level capabilities. For example, it has enabled improvements to existing ridge, trench, and saddle point navigators and the creation of a novel technique for navigating along scalar fronts. In both cases, experimental results demonstrated excellent tracking of the features of interest. Furthermore, mission-level capabilities were developed for low-exposure waypoint navigation and mapping contours round an extremum. These missions were evaluated through the use of 10,000 simulations with success rates of 96:95% for low exposure waypoint navigation and 87:36% for contour mapping

Mobile robotic network deployment for intruder detection and tracking

This thesis investigates the problem of intruder detection and tracking using mobile robotic networks. In the first part of the thesis, we consider the problem of seeking an electromagnetic source using a team of robots that measure the local intensity of the emitted signal. We propose a planner for a team of robots based on Particle Swarm Optimization (PSO) which is a population based stochastic optimization technique. An equivalence is established between particles generated in the traditional PSO technique, and the mobile agents in the swarm. Since the positions of the robots are updated using the PSO algorithm, modifications are required to implement the PSO algorithm on real robots to incorporate collision avoidance strategies. The modifications necessary to implement PSO on mobile robots, and strategies to adapt to real environments are presented in this thesis. Our results are also validated on an experimental testbed. In the second part, we present a game theoretic framework for visibility-based target tracking in multi-robot teams. A team of observers (pursuers) and a team of targets (evaders) are present in an environment with obstacles. The objective of the team of observers is to track the team of targets for the maximum possible time. While the objective of the team of targets is to escape (break line-of-sight) in the minimum time. We decompose the problem into two layers. At the upper level, each pursuer is allocated to an evader through a minimum cost allocation strategy based on the risk of each evader, thereby, decomposing the agents into multiple single pursuer-single evader pairs. Two decentralized allocation strategies are proposed and implemented in this thesis. At the lower level, each pursuer computes its strategy based on the results of the single pursuer-single evader target-tracking problem. We initially address this problem in an environment containing a semi-infinite obstacle with one corner. The pursuer\u27s optimal tracking strategy is obtained regardless of the evader\u27s strategy using techniques from optimal control theory and differential games. Next, we extend the result to an environment containing multiple polygonal obstacles. We construct a pursuit field to provide a guiding vector for the pursuer which is a weighted sum of several component vectors. The performance of different combinations of component vectors is investigated. Finally, we extend our work to address the case when the obstacles are not polygonal, and the observers have constraints in motion