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    Cooperative localization for mobile agents: a recursive decentralized algorithm based on Kalman filter decoupling

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    We consider cooperative localization technique for mobile agents with communication and computation capabilities. We start by provide and overview of different decentralization strategies in the literature, with special focus on how these algorithms maintain an account of intrinsic correlations between state estimate of team members. Then, we present a novel decentralized cooperative localization algorithm that is a decentralized implementation of a centralized Extended Kalman Filter for cooperative localization. In this algorithm, instead of propagating cross-covariance terms, each agent propagates new intermediate local variables that can be used in an update stage to create the required propagated cross-covariance terms. Whenever there is a relative measurement in the network, the algorithm declares the agent making this measurement as the interim master. By acquiring information from the interim landmark, the agent the relative measurement is taken from, the interim master can calculate and broadcast a set of intermediate variables which each robot can then use to update its estimates to match that of a centralized Extended Kalman Filter for cooperative localization. Once an update is done, no further communication is needed until the next relative measurement

    Cooperative AUV Navigation using a Single Maneuvering Surface Craft

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    In this paper we describe the experimental implementation of an online algorithm for cooperative localization of submerged autonomous underwater vehicles (AUVs) supported by an autonomous surface craft. Maintaining accurate localization of an AUV is difficult because electronic signals, such as GPS, are highly attenuated by water. The usual solution to the problem is to utilize expensive navigation sensors to slow the rate of dead-reckoning divergence. We investigate an alternative approach that utilizes the position information of a surface vehicle to bound the error and uncertainty of the on-board position estimates of a low-cost AUV. This approach uses the Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) acoustic modem to exchange vehicle location estimates while simultaneously estimating inter-vehicle range. A study of the system observability is presented so as to motivate both the choice of filtering approach and surface vehicle path planning. The first contribution of this paper is to the presentation of an experiment in which an extended Kalman filter (EKF) implementation of the concept ran online on-board an OceanServer Iver2 AUV while supported by an autonomous surface vehicle moving adaptively. The second contribution of this paper is to provide a quantitative performance comparison of three estimators: particle filtering (PF), non-linear least-squares optimization (NLS), and the EKF for a mission using three autonomous surface craft (two operating in the AUV role). Our results indicate that the PF and NLS estimators outperform the EKF, with NLS providing the best performance.United States. Office of Naval Research (Grant N000140711102)United States. Office of Naval Research. Multidisciplinary University Research InitiativeSingapore. National Research FoundationSingapore-MIT Alliance for Research and Technology. Center for Environmental Sensing and Monitorin

    Cooperative bathymetry-based localization using low-cost autonomous underwater vehicles

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    We present a cooperative bathymetry-based localization approach for a team of low-cost autonomous underwater vehicles (AUVs), each equipped only with a single-beam altimeter, a depth sensor and an acoustic modem. The localization of the individual AUV is achieved via fully decentralized particle filtering, with the local filter’s measurement model driven by the AUV’s altimeter measurements and ranging information obtained through inter-vehicle communication. We perform empirical analysis on the factors that affect the filter performance. Simulation studies using randomly generated trajectories as well as trajectories executed by the AUVs during field experiments successfully demonstrate the feasibility of the technique. The proposed cooperative localization technique has the potential to prolong AUV mission time, and thus open the door for long-term autonomy underwater.Massachusetts Institute of Technology. Department of Mechanical EngineeringSingapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) (Graduate Fellowship

    Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

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    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

    Design and realization of precise indoor localization mechanism for Wi-Fi devices

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    Despite the abundant literature in the field, there is still the need to find a time-efficient, highly accurate, easy to deploy and robust localization algorithm for real use. The algorithm only involves minimal human intervention. We propose an enhanced Received Signal Strength Indicator (RSSI) based positioning algorithm for Wi-Fi capable devices, called the Dynamic Weighted Evolution for Location Tracking (DWELT). Due to the multiple phenomena affecting the propagation of radio signals, RSSI measurements show fluctuations that hinder the utilization of straightforward positioning mechanisms from widely known propagation loss models. Instead, DWELT uses data processing of raw RSSI values and applies a weighted posterior-probabilistic evolution for quick convergence of localization and tracking. In this paper, we present the first implementation of DWELT, intended for 1D location (applicable to tunnels or corridors), and the first step towards a more generic implementation. Simulations and experiments show an accuracy of 1m in more than 81% of the cases, and less than 2m in the 95%.Peer ReviewedPostprint (published version

    Cooperative localization for autonomous underwater vehicles

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    Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy at the Massachusetts Institute of Technology and the Woods Hole Oceanographic Institution February 2009Self-localization of an underwater vehicle is particularly challenging due to the absence of Global Positioning System (GPS) reception or features at known positions that could otherwise have been used for position computation. Thus Autonomous Underwater Vehicle (AUV) applications typically require the pre-deployment of a set of beacons. This thesis examines the scenario in which the members of a group of AUVs exchange navigation information with one another so as to improve their individual position estimates. We describe how the underwater environment poses unique challenges to vehicle navigation not encountered in other environments in which robots operate and how cooperation can improve the performance of self-localization. As intra-vehicle communication is crucial to cooperation, we also address the constraints of the communication channel and the effect that these constraints have on the design of cooperation strategies. The classical approaches to underwater self-localization of a single vehicle, as well as more recently developed techniques are presented. We then examine how methods used for cooperating land-vehicles can be transferred to the underwater domain. An algorithm for distributed self-localization, which is designed to take the specific characteristics of the environment into account, is proposed. We also address how correlated position estimates of cooperating vehicles can lead to overconfidence in individual position estimates. Finally, key to any successful cooperative navigation strategy is the incorporation of the relative positioning between vehicles. The performance of localization algorithms with different geometries is analyzed and a distributed algorithm for the dynamic positioning of vehicles, which serve as dedicated navigation beacons for a fleet of AUVs, is proposed.This work was funded by Office of Naval Research grants N00014-97-1-0202, N00014-05-1-0255, N00014-02-C-0210, N00014-07-1-1102 and the ASAP MURI program led by Naomi Leonard of Princeton University
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