Cooperative AUV Navigation using a Single Maneuvering Surface Craft

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

Synchronous-Clock, One-Way-Travel-Time Acoustic Navigation for Underwater Vehicles

This paper reports the development and deployment of a synchronous-clock acoustic navigation system suitable for the simultaneous navigation of multiple underwater vehicles. Our navigation system is composed of an acoustic modem–based communication and navigation system that allows for onboard navigational data to be broadcast as a data packet by a source node and for all passively receiving nodes to be able to decode the data packet to obtain a one-way-travel-time (OWTT) pseudo-range measurement and navigational ephemeris data. The navigation method reported herein uses a surface ship acting as a single moving reference beacon to a fleet of passively listening underwater vehicles. All vehicles within acoustic range are able to concurrently measure their slant range to the reference beacon using the OWTT measurement methodology and additionally receive transmission of reference beacon position using the modem data packet. The advantages of this type of navigation system are that it can (i) concurrently navigate multiple underwater vehicles within the vicinity of the surface ship and (ii) provide a bounded-error XY position measure that is commensurate with conventional moored long-baseline (LBL) navigation systems [i.e., ] but unlike LBL is not geographically restricted to a fixed-beacon network. We present results for two different field experiments using a two-node configuration consisting of a global positioning system–equipped surface ship acting as a global navigation aid to a Doppler-aided autonomous underwater vehicle. In each experiment, vehicle position was independently corroborated by other standard navigation means. Results for a maximum likelihood sensor fusion framework are reported.Peer Reviewedhttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/86046/1/reustice-2.pd

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

Underwater vehicle localization using range measurements

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2010.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 79-83).This thesis investigates the problem of cooperative navigation of autonomous marine vehicles using range-only acoustic measurements. We consider the use of a single maneuvering autonomous surface vehicle (ASV) to aid the navigation of one or more submerged autonomous underwater vehicles (AUVs), using acoustic range measurements combined with position measurements for the ASV when data packets are transmitted. The AUV combines the data from the surface vehicle with its proprioceptive sensor measurements to compute its trajectory. We present an experimental demonstration of this approach, using an extended Kalman filter (EKF) for state estimation. We analyze the observability properties of the cooperative ASV/AUV localization problem and present experimental results comparing several different state estimators. Using the weak observability theorem for nonlinear systems, we demonstrate that this cooperative localization problem is best attacked using nonlinear least squares (NLS) optimization. We investigate the convergence of NLS applied to the cooperative ASV/AUV localization problem. Though we show that the localization problem is non-convex, we propose an algorithm that under certain assumptions (the accumulative dead reckoning variance is much bigger than the variance of the range measurements, and that range measurement errors are bounded) achieves convergence by choosing initial conditions that lie in convex areas. We present experimental results for this approach and compare it to alternative state estimators, demonstrating superior performance.by Georgios Papadopoulos.S.M

Cooperative Navigation for Low-bandwidth Mobile Acoustic Networks.

This thesis reports on the design and validation of estimation and planning algorithms for underwater vehicle cooperative localization. While attitude and depth are easily instrumented with bounded-error, autonomous underwater vehicles (AUVs) have no internal sensor that directly observes XY position. The global positioning system (GPS) and other radio-based navigation techniques are not available because of the strong attenuation of electromagnetic signals in seawater. The navigation algorithms presented herein fuse local body-frame rate and attitude measurements with range observations between vehicles within a decentralized architecture. The acoustic communication channel is both unreliable and low bandwidth, precluding many state-of-the-art terrestrial cooperative navigation algorithms. We exploit the underlying structure of a post-process centralized estimator in order to derive two real-time decentralized estimation frameworks. First, the origin state method enables a client vehicle to exactly reproduce the corresponding centralized estimate within a server-to-client vehicle network. Second, a graph-based navigation framework produces an approximate reconstruction of the centralized estimate onboard each vehicle. Finally, we present a method to plan a locally optimal server path to localize a client vehicle along a desired nominal trajectory. The planning algorithm introduces a probabilistic channel model into prior Gaussian belief space planning frameworks. In summary, cooperative localization reduces XY position error growth within underwater vehicle networks. Moreover, these methods remove the reliance on static beacon networks, which do not scale to large vehicle networks and limit the range of operations. Each proposed localization algorithm was validated in full-scale AUV field trials. The planning framework was evaluated through numerical simulation.PhDMechanical EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/113428/1/jmwalls_1.pd

Model-based Cooperative Acoustic Navigation and Parameter Identification for Underactuated Underwater Vehicles

This thesis reports novel theoretical and experimental results addressing two increasingly important problems in underwater robotics: model-based cooperative acoustic navigation for underwater vehicles (UVs) lacking a Doppler velocity log (DVL) and dynamic-model parameter estimation for underactuated UVs, such as the now-ubiquitous class of torpedo-shaped UVs. This thesis reports an extension of a method to identify simultaneously UV dynamical plant model parameters (parameters for critical terms such as mass, added mass, hydrodynamic drag, and buoyancy) and control-actuator parameters (control-surface models and thruster model) in 6 degrees of freedom (DOF) to tolerate simulated sensor measurement noise representative of representative of real-world sensor data, as well as extensive numerical simulations to evaluate the sensitivity of the approach to sensor noise. The current state-of-the-art in one-way travel time (OWTT) combined acoustic communication and navigation (cooperative acoustic navigation) is to utilize purely kinematic, constant-velocity plant process models together with an on-board bottom-lock DVL to provide frequent, high-accuracy velocity corrections. However, DVLs are expensive, power consumers, physically large, and limited to acoustic bottom-lock range, which restricts their use to O(10-100m) above the sea floor or beneath surface ice. Simulation and experimental results reported herein indicate the submerged UV position estimate from cooperative acoustic navigation with a kinematic model is poor and even unstable in the absence of DVL velocity observations. These simulation and experimental results also show that cooperative acoustic navigation with a dynamic plant model performs well without a DVL and outperforms DVL-based dead reckoning, at least in the situation presented herein where the magnitude of the ambient water-current velocity is small. The performance of the UV dynamic model, i.e., its ability to predict the vehicle's state, depends primarily on the accuracy of the model structure and model parameters. Accurate estimates of these parameters are also required for model-based control, fault detection, and simulation of UV. While the general form of dynamical plant models for UVs is well understood, accurate values for dynamic-model parameters are impossible to determine analytically, are not provided by UV manufacturers, and can only be determined experimentally. Moreover, oceanographic UVs are subject to frequent changes in physical configuration, including changes in ballasting and trim, on-board equipment, and instrumentation (both external and internal), which may significantly affect the vehicle dynamics. Plant-model parameter estimation is generally more difficult for underactuated, torpedo-shaped UVs than for fully actuated UVs with thrusters because: 1) the reduced actuation available on underactuated UV limits the plant excitation that can be induced from the control inputs, and 2) torpedo-shaped vehicles are often actuated with control surfaces (e.g., fins, wings, rudders, etc), which are difficult to characterize independently of the plant model parameters. For these reasons, we seek an approach to parameter estimation for underactuated UVs in 6 DOF that simultaneously estimates plant and actuator parameters and can be performed routinely in the field with minimal time and effort by the vehicle operator. The goals of this thesis are to advance the state-of-the-art of (1) model-based state estimation for cooperative acoustic navigation of UVs and (2) dynamic plant-model parameter identification for underactuated UVs. The first goal is addressed with the evaluation of a dynamic UV plant model in cooperative acoustic navigation and a comparative analysis of the dynamic UV model and kinematic UV model without a DVL. The second goal is addressed in a collaborative effort comprising: (1) the development of the nullspace-based least squares (NBLS) algorithm for underactuated UV plant-parameter and actuator-parameter estimation in 6 DOF, and (2) the extension of an AID algorithm, and corresponding stability proof, to estimate simultaneously plant-model and actuator parameters for underactuated UVs with diagonal mass and drag matrices in 6 DOF with realistic sensor measurement noise. These capabilities were verified by in situ vehicle experiments with the JHU Iver3 AUV and by simulation studies