Algorithms for propagation-aware underwater ranging and localization

Mención Internacional en el título de doctorWhile oceans occupy most of our planet, their exploration and conservation are one of the crucial research problems of modern time. Underwater localization stands among the key issues on the way to the proper inspection and monitoring of this significant part of our world. In this thesis, we investigate and tackle different challenges related to underwater ranging and localization. In particular, we focus on algorithms that consider underwater acoustic channel properties. This group of algorithms utilizes additional information about the environment and its impact on acoustic signal propagation, in order to improve the accuracy of location estimates, or to achieve a reduced complexity, or a reduced amount of resources (e.g., anchor nodes) compared to traditional algorithms. First, we tackle the problem of passive range estimation using the differences in the times of arrival of multipath replicas of a transmitted acoustic signal. This is a costand energy- effective algorithm that can be used for the localization of autonomous underwater vehicles (AUVs), and utilizes information about signal propagation. We study the accuracy of this method in the simplified case of constant sound speed profile (SSP) and compare it to a more realistic case with various non-constant SSP. We also propose an auxiliary quantity called effective sound speed. This quantity, when modeling acoustic propagation via ray models, takes into account the difference between rectilinear and non-rectilinear sound ray paths. According to our evaluation, this offers improved range estimation results with respect to standard algorithms that consider the actual value of the speed of sound. We then propose an algorithm suitable for the non-invasive tracking of AUVs or vocalizing marine animals, using only a single receiver. This algorithm evaluates the underwater acoustic channel impulse response differences induced by a diverse sea bottom profile, and proposes a computationally- and energy-efficient solution for passive localization. Finally, we propose another algorithm to solve the issue of 3D acoustic localization and tracking of marine fauna. To reach the expected degree of accuracy, more sensors are often required than are available in typical commercial off-the-shelf (COTS) phased arrays found, e.g., in ultra short baseline (USBL) systems. Direct combination of multiple COTS arrays may be constrained by array body elements, and lead to breaking the optimal array element spacing, or the desired array layout. Thus, the application of state-of-the-art direction of arrival (DoA) estimation algorithms may not be possible. We propose a solution for passive 3D localization and tracking using a wideband acoustic array of arbitrary shape, and validate the algorithm in multiple experiments, involving both active and passive targets.Part of the research in this thesis has been supported by the EU H2020 program under project SYMBIOSIS (G.A. no. 773753).This work has been supported by IMDEA Networks InstitutePrograma de Doctorado en Ingeniería Telemática por la Universidad Carlos III de MadridPresidente: Paul Daniel Mitchell.- Secretario: Antonio Fernández Anta.- Vocal: Santiago Zazo Bell

Acoustic underwater target tracking methods using autonomous vehicles

Marine ecological research related to the increasing importance which the fisheries sector has reached so far, new methods and tools to study the biological components of our oceans are needed. The capacity to measure different population and environmental parameters of marine species allows a greater knowledge of the human impact, improving exploitation strategies of these resources. For example, the displacement capacity and mobility patterns are crucial to obtain the required knowledge for a sustainable management of fisheries. However, underwater localisation is one of the main problems which must be addressed in subsea exploration, where no Global Positioning System (GPS) is available. In addition to the traditional underwater localisation systems, such as Long BaseLine (LBL) or Ultra-Short BaseLine (USBL), new methods have been developed to increase navigation performance, flexibility, and to reduce deployment costs. For example, the Range-Only and Single-Beacon (ROSB) is based on an autonomous vehicle which localises and tracks different underwater targets using slant range measurements conducted by acoustic modems. In a moving target tracking scenario, the ROSB target tracking method can be seen as a Hidden Markov Model (HMM) problem. Using Bayes' rule, the probability distribution function of the HMM states can be solved by using different filtering methods. Accordingly, this thesis presents different strategies to improve the ROSB localisation and tracking methods for static and moving targets. Determining the optimal parameters to minimize acoustic energy use and search time, and to maximize the localisation accuracy and precision, is therefore one of the discussed aspects of ROSB. Thus, we present and compare different methods under different scenarios, both evaluated in simulations and field tests. The main mathematical notation and performance of each algorithm are presented, where the best practice has been derived. From a methodology point of view, this work advances the understanding of accuracy that can be achieved by using ROSB target tracking methods with autonomous vehicles. Moreover, whereas most of the work conducted during the last years has been focused on target tracking using acoustic modems, here we also present a novel method called the Area-Only Target Tracking (AOTT). This method works with commercially available acoustic tags, thereby reducing the costs and complexity over other tracking systems. These tags do not have bidirectional communication capabilities, and therefore, the ROSB techniques are not applicable. However, this method can be used to track small targets such as jellyfish due to the reduced tag's size. The methodology behind the area-only technique is shown, and results from the first field tests conducted in Monterey Bay area, California, are also presented.La biologia marina junt amb la importància que ha adquirit el sector pesquer, fa que es requereixin noves eines per a l’estudi dels nostres oceans. La capacitat de mesurar diferents poblacions i paràmetres ambientals d’espècies marines permet millorar el coneixement de l’impacte que l’ésser humà té sobre elles, millorant-ne els mètodes d’explotació. Per exemple, la capacitat de desplaçament i els patrons de moviment són crucials per obtenir el coneixement necessari per a una explotació sostenible de les pescaries involucrades. No obstant, la localització submarina és un dels principals problemes que s’ha de resoldre en l’explotació dels recursos submarins, on el sistema de posició global (GPS) no es pot utilitzar. A part dels mètodes tradicionals de posicionament submarí, com per exemple el Long Base-Line (LBL) o el Ultra-Short Base-Line (USBL), nous mètodes han estat desenvolupats per tal de millorar la navegació, la flexibilitat, i per reduir els costos de desplegament. Per exemple, el Range-Only and Single-Beacon (ROSB) utilitza un vehicle autònom per a localitzar i seguir diferents objectius submarins mitjançant mesures de rang realitzades a partir de mòdems acústics. En un escenari on l’objectiu a seguir és mòbil, el mètode ROSB de seguiment pot ser vist com a un problema de Hidden Markov Model (HMM). Aleshores, utilitzant la regla de Bayes, la funció de distribució de probabilitat dels estats del HMM pot ser solucionat utilitzant diferents mètodes de filtratge. Per tant, s’estudien diferents estratègies per millorar el sistema de localització i seguiment basat en ROSB, tant per objectius estàtics com mòbils. En aquesta tesis, presentem i comparem diferents mètodes utilitzant diferents escenaris, els quals s’han avaluat tant en simulacions com en proves de camp reals. A més, es presenten les principals notacions matemàtiques de cada algoritme i les millors pràctiques a utilitzar. Per tant, des d’un punt de vista metodològic, aquest treball fa un pas endavant en el coneixement de l’exactitud que es pot assolir utilitzant els mètodes de localització i seguiment d’espècies mitjançant algoritmes ROSB i vehicles autònoms. A més a més, mentre molts dels treballs realitzant durant els últims anys es centren en l’ús de mòdems acústics per al seguiment d’objectius submarins, en aquesta tesis es presenta un innovador mètode anomenat Area-Only Target Tracking (AOTT). Aquest sistema utilitza petites etiquetes acústiques comercials (tag), la qual cosa, redueix el cost i la complexitat en comparació amb els altres mètodes. Addicionalment, gràcies a l’ús d’aquests tags de dimensions reduïdes, aquest sistema permet seguir espècies marines com les meduses. La metodologia utilitzada per el mètode AOTT es mostra en aquesta tesis, on també es presenten els primers experiments realitzats a la badia de Monterey a Califòrnia

Bearing Based Low Cost Underwater Acoustic Positioning System

The Ocean Robotics turned into one of the major fields of research since the exploration of oceans brings many benefits to the human condition. Remotely operated vehicles (ROVs) and Autonomous Surface Vehicles (ASVs) are the common instruments used in this medium, since they prevent human losses and enable more and reliable data for the projects they are inserted in. Most scenarios include support vehicles such as ASVs for monitoring purposes since they are able to use specialized positioning systems such as Global Positioning System (GPS), which are ineffective in underwater environments. This is due to electromagnetic signals used by GPS being attenuated by the medium. As an alternative, acoustic solutions are used. Underwater Acoustic Positioning Systems (UAPSs) have always been an important field of study being used in multiple marine applications. Acoustic fish tracking allows for behavioural and in-situ fish population studies. This process usually involves tagging fishes with acoustic emitters (i.e. tags) and the usage of acoustic receivers. Robotic autonomous vehicles can then be used to carry the acoustic receivers in order to dynamically cover a greater mission area, improving the efficiency of the localization of acoustic sources. An acoustic tag detector was developed to have real-time detection and identification of acoustic signals. A Direction of Arrival (DoA) algorithm was developed from ground up to enable tracking applications. This dissertation presents the improved results of this new system as well as the tests that were made to the DoA algorithm in a simulated environment. Additionally, the position estimation is improved using a Kalman Filter. This work was developed in the context of the MYTAG Portuguese R&D project, addressing the study and characterization of European flounder migrations and to be applied to any target that has a known acoustic signals. One of the objectives of this project is to eventually use an ASV to track a set of flounders, namely with the ROAZ ASV. The use of an unmanned surface vehicle allows for a non-static baseline. In the proposed solution the acoustic signals are tracked with a system composed of three acoustic receivers that are linked to the same computer using a synchronized time source. Not only that but this solution provides two possible methods for the main objective which is to track targets. These methods enable the possibility to estimate the target’s position in the world, while developing a low-cost solution with a newly developed DoA algorithm

Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Die großflächige Erkundung und Überwachung von Tiefseegebieten gewinnt mehr und mehr an Bedeutung für Industrie und Wissenschaft. Diese schwer zugänglichen Areale in der Tiefsee können nur mittels Teams unbemannter Tauchbote effizient erkundet werden. Aufgrund der hohen Kosten, war bisher ein Einsatz von mehreren autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUV) wirtschaftlich undenkbar, wodurch AUV-Teams nur in Simulationen erforscht werden konnten. In den letzten Jahren konnte jedoch eine Entwicklung hin zu günstigeren und robusteren AUVs beobachtet werden. Somit wird der Einsatz von AUV-Teams in Zukunft zu einer realen Option. Die wachsende Nachfrage nach Technologien zur Unterwasseraufklärung und Überwachung konnte diese Entwicklung noch zusätzlich beschleunigen. Eine der größten technischen Hürden für tief tauchende AUVs ist die Unterwasserlokalisierug. Satelitengestützte Navigation ist in der Tiefe nicht möglich, da Radiowellen bereits nach wenigen Metern im Wasser stark an Intensität verlieren. Daher müssen neue Ansätze für die Unterwasserlokalisierung entwickelt werden die sich auch für Fahrzeugenverbände skalieren lassen. Der Einsatz von AUV-Teams ermöglicht nicht nur völlig neue Möglichkeiten der Kooperation, sondern erlaubt auch jedem einzelnen AUV von den Navigationsdaten der anderen Fahrzeuge im Verband zu profitieren, um die eigene Lokalisierung zu verbessern. In dieser Arbeit wird ein kooperativer Lokalisierungsansatz vorgestellt, welcher auf dem Nachrichtenaustausch durch akustische Ultra-Short Base-Line (USBL) Modems basiert. Ein akustisches Modem ermöglicht die Übertragung von Datenpaketen im Wasser, wärend ein USBL-Sensor die Richtung einer akustischen Quelle bestimmen kann. Durch die Kombination von Modem und Sensor entsteht ein wichtiges Messinstrument für die Unterwasserlokalisierung. Wenn ein Fahrzeug ein Datenpaket mit seiner eignen Position aussendet, können andere Fahrzeuge mit einem USBL-Modem diese Nachricht empfangen. In Verbindung mit der Richtungsmessung zur Quelle, können diese Daten von einem Empfangenden AUV verwendet werden, um seine eigene Positionsschatzung zu verbessern. Diese Arbeit schlägt einen Ansatz zur Fusionierung der empfangenen Nachricht mit der Richtungsmessung vor, welcher auch die jeweiligen Messungenauigkeiten berücksichtigt. Um die Messungenauigkeit des komplexen USBL-Sensors bestimmen zu können, wurde zudem ein detailliertes Sensormodell entwickelt. Zunächst wurden existierende Ansätze zur kooperativen Lokalisierung (CL) untersucht, um daraus eine Liste von erwünschten Eigenschaften für eine CL abzuleiten. Darauf aufbauend wurde der Deep-Sea Network Lokalisation (DNL) Ansatz entwickelt. Bei DNL handelt es sich um eine CL Methode, bei der die Skalierbarkeit sowie die praktische Anwendbarkeit im Fokus stehen. DNL ist als eine Zwischenschicht konzipiert, welche USBL-Modem und Navigationssystem miteinander verbindet. Es werden dabei Messwerte und Kommunikationsdaten des USBL zu einer Standortbestimmung inklusive Richtungsschätzung fusioniert und an das Navigationssystem weiter geleitet, ähnlich einem GPS-Sensor. Die Funktionalität von USBL-Modell und DNL konnten evaluiert werden anhand von Messdaten aus Seeerprobungen in der Ostsee sowie im Mittelatlantik. Die Qualität einer CL hangt häufig von vielen unterschiedlichen Faktoren ab. Die Netzwerktopologie muss genauso berücksichtig werden wie die Lokalisierungsfähigkeiten jedes einzelnen Teilnehmers. Auch das Kommunikationsverhalten der einzelnen Teilnehmer bestimmt, welche Informationen im Netzwerk vorhanden sind und hat somit einen starken Einfluss auf die CL. Um diese Einflussfaktoren zu untersuchen, wurden eine Reihe von Szenarien simuliert, in denen Kommunikationsverhalten und Netzwerktopologie für eine Gruppe von AUVs variiert wurden. In diesen Experimenten wurden die AUVs durch ein Oberflächenfahrzeug unterstützt, welches seine geo-referenzierte Position über DNL an die getauchten Fahrzeuge weiter leitete. Anhand der untersuchten Topologie können die Experimente eingeteilt werden in Single-Hop und Multi-Hop. Single-Hop bedeutet, dass jedes AUV sich in der Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet und dessen Positionsdaten auf direktem Wege erhält. Wie die Ergebnisse der Single-Hop Experimente zeigen, kann der Lokalisierungsfehler der AUVs eingegrenzt werden, wenn man DNL verwendet. Dabei korreliert der Lokalisierungsfehler mit der kombinierten Ungenauigkeit von USBL-Messung und Oberflächenfahrzeugposition. Bei den Multi-Hop Experimenten wurde die Topologie so geändert, dass sich nur eines der AUVs in direkter Sendereichweite des Oberflächenfahrzeugs befindet. Dieses AUV verbessert seine Position mit den empfangen Daten des Oberflächenfahrzeugs und sendet wiederum seine verbesserte Position an die anderen AUVs. Auch hier konnte gezeigt werden, dass sich der Lokalisierungfehler der Gruppe mit DNL einschränken lässt. Ändert man nun das Schema der Kommunikation so, dass alle AUVs zyklisch ihre Position senden, zeigte sich eine Verschlechterung der Lokalisierungsqualität der Gruppe. Dieses unerwartet Ergebnis konnte auf einen Teil des DNL-Algorithmus zurück geführt werden. Da die verwendete USBL-Klasse nur die Richtung eines Signals misst, nicht jedoch die Entfernung zum Sender, wird in der DNL-Schicht eine Entfernungsschatzung vorgenommen. Wenn die Kommunikation nicht streng unidirektional ist, entsteht eine Ruckkopplungsschleife, was zu fehlerhaften Entfernungsschatzungen führt. Im letzten Experiment wird gezeigt wie sich dieses Problem vermeiden lasst, mithilfe einer relativ neue USBL-Klasse, die sowohl Richtung als auch Entfernung zum Sender misst. Die zwei wesentlichen Beiträge dieser Arbeit sind das USBL-Model zum einen und zum Anderen, der neue kooperative Lokalisierungsansatz DNL. Mithilfe des Sensormodels lassen sich nicht nur Messabweichungen einer USBL-Messung bestimmen, es kann auch dazu genutzt werden, einige Fehlereinflüsse zu korrigieren. Mit DNL wurde eine skalierbare CL-Methode entwickelt, die sich gut für den den Einsatz bei mobilen Unterwassersensornetzwerken eignet. Durch das Konzept als Zwischenschicht, lasst sich DNL einfach in bestehende Navigationslösungen integrieren, um die Langzeitstabilität der Navigation für große Verbände von tiefgetauchten Fahrzeugen zu gewährleisten. Sowohl USBL-Model als auch DNL sind dabei so ressourcenschonend, dass sie auf dem Computer eines Standard USBL laufen können, ohne die ursprüngliche Funktionalität einzuschränken, was den praktischen Einsatz zusätzlich vereinfacht

Acoustic System Development for Neutrino Underwater Detectors

The main objective of this research is the design and development of two different underwater acoustic emitters aimed to the deep-sea KM3NeT neutrino telescope, more specifically for the Acoustic Positioning System (APS) and for the calibration of the acoustic neutrino detection technique. The KM3NeT project is a new optical-based deep-sea neutrino telescope, currently under construction. The main objectives of the KM3NeT telescope are the discovery and observation of high-energy neutrino sources in the Universe and the determination of the mass hierarchy of neutrinos. The KM3NeT detectors consist of three-dimensional arrays of light sensor modules distributed over large volumes of the transparent water in the deep Mediterranean Sea. The sensor modules register the time of arrival of the light and the brightness of the light to reconstruct the direction and energy of the neutrino. In order to achieve an accurate deployment of the mechanical structures and a precise reconstruction of neutrino induced events, the telescope includes an APS as mandatory sub-system that provides an accurate position of the mechanical structures in real time. Additionally, the APS could also be an excellent tool to study the feasibility of an acoustic neutrino detector and a possible correlation between acoustic and optical signals. The new detector KM3NeT is an excellent opportunity to continue with the study of the acoustic neutrino detection. The acoustic detection would allow the combination of the two neutrino detection techniques for a hybrid underwater neutrino telescope, especially considering that the optical based telescope needs acoustic sensors to monitor the position of the sensors. An Acoustic Beacon (AB) as part of the APS of KM3NeT has been developed in this thesis. Previously, the first emitter prototype was developed and it was installed in previous neutrino telescopes, such as ANTARES and NEMO, in order to be tested in situ. The analyses of the in situ test with the prototypes were performed as part of this thesis. The results obtained from the tests showed that the requirements for the positioning system are accomplished, just needing few improvements for the final version. The final version of the AB is composed by a piezo-ceramic transducer and an electronic board integrated in a single piece in a cylindrical hard-anodized aluminium vessel. The design and the work done for a precise laboratory test was performed achieving optimal results in all aspects As second main work performed in this thesis, a parametric transducer array able to mimic the acoustic signal generated by Ultra-High Energy (UHE) neutrino interaction in water was designed and developed. The first part was designing a single transducer able to emit parametrically the acoustic neutrino signal. Afterwards, the design of the complete array system composed of few units was performed in order to achieve a more energetic and directional bipolar pulse.El objetivo principal de esta investigación es el diseño y desarrollo de dos tipos de emisores acústicos diferentes para ser utilizados en el telescopio submarino de neutrinos KM3NeT, en concreto, uno como emisor en el sistema de posicionamiento acústico (APS) y otro para la calibración de la detección acústica de neutrinos. El proyecto KM3NeT es un telescopio óptico de neutrinos, que actualmente está en fase de construcción, y está ubicado en las profundidades del mar. Los objetivos principales del telescopio son el descubrimiento y la observación de las fuentes que originan los neutrinos de alta energía en el universo y la determinación de la jerarquía de masas de los neutrinos. Los detectores de KM3NeT consisten en conjuntos tridimensionales de módulos de sensores de luz distribuidos en grandes volúmenes de agua en las profundidades del mar Mediterráneo. Los módulos de sensores ópticos registran el tiempo de llegada de la luz y el brillo de la luz para reconstruir la dirección y la energía del neutrino. Con objeto de lograr una implementación correcta de las estructuras mecánicas y una reconstrucción precisa de los eventos del neutrino, el telescopio incluye el APS como subsistema necesario para proporcionar la posición exacta de las estructuras mecánicas en tiempo real. Además, el APS puede ser una herramienta excelente para estudiar la viabilidad de un detector de neutrinos acústico y de una posible correlación entre la señal acústica y óptica. El nuevo detector KM3NeT es una oportunidad para continuar con el estudio de detección acústica de neutrinos. La detección acústica permitiría la combinación de las dos técnicas de detección de neutrinos para un telescopio submarino de neutrinos híbrido, y más aún, teniendo en cuenta que el telescopio óptico necesita de sensores acústicos para monitorizar la posición de los sensores. En esta tesis, por un lado, se ha desarrollado un emisor acústico (AB) como parte del APS de KM3NeT. Previamente, se desarrolló el primer prototipo del emisor acústico, el cual se instaló en anteriores telescopios de neutrinos, concretamente en ANTARES y NEMO, con el fin de comprobar su funcionamiento in situ. Como parte de la tesis, se realizaron los análisis de las pruebas in situ y los resultados obtenidos mostraron que cumplía los requisitos del sistema de posicionamiento, únicamente se necesitaron algunas mejoras para la versión final. La versión final del AB está compuesta por un transductor piezo-cerámico y una placa electrónica integrado en una sola pieza en un recipiente cilíndrico de aluminio anodizado. El diseño y el trabajo realizado para una calibración precisa de laboratorio se llevó a cabo, logrando resultados óptimos en todos los aspectos requeridos. El segundo trabajo principal desarrollado en esta tesis consistió en el diseño de un array paramétrico de transductores capaz de imitar la señal acústica generada por la interacción del neutrino de ultra-alta energía (UHE) en el agua. La primera parte de su diseño se centró en el desarrollo de un transductor individual capaz de emitir paramétricamente la señal acústica del neutrino. Posteriormente, se realizó el diseño del array completo compuesto por varias unidades del transductor diseñado, con el objeto de lograr un pulso bipolar más enérgico y directivo.L'objectiu principal d'esta investigació és el disseny i desenvolupament de dos tipus d'emissors acústics diferents per a ser utilitzats en el telescopi submarí de neutrins KM3NET, en concret, ú com emissor en el sistema de posicionament acústic (APS) i altre per a la calibració de la detecció acústica de neutrins. El projecte KM3NET és un telescopi òptic de neutrins, que actualment està en fase de construcció, i està ubicat en les profunditats del mar. Els objectius principals del telescopi són el descobriment i l'observació de les fonts que originen els neutrins d'alta energia en l'univers i la determinació de la jerarquia de masses dels neutrins. Els detectors de KM3NET consisteixen en conjunts tridimensionals de mòduls de sensors de llum distribuïts en gran volums d'aigua en el Mediterrani. Els mòduls de sensors òptics registren el temps d'aplegada de la llum i la intensitat de la llum per a reconstruir la direcció i l'energia del neutrí. Com objectiu d'aconseguir una implementació correcta de les estructures mecàniques i una reconstrucció precisa dels events del neutrí, el telescopi inclou l'APS com subsistema necessari per a proporcionar la posició exacta de les estructures mecàniques en temps real. A mes, l'APS pot ser una ferramenta excel¿lent per a estudiar la viabilitat d'un detector de neutrins acústic i d'una possible correlació entre el senyal acústic i òptic. El nou detector KM3NET és una oportunitat per a continuar en l'estudi de detecció acústica del neutrí. La detecció acústica permetria la combinació de les dos tècniques de detecció de neutrins per a un telescopi submarí de neutrins híbrid, i més encara, tenint en compte que el telescopi òptic necessita de sensors acústics per a monitoritzar la posició dels sensors. En aquesta tesis, per un costat, s'ha dissenyat un emissor acústic (AB) com part de l'APS de KM3NET. Prèviament, se desenvolupà el primer prototip de l'emissor acústic, el qual s'instal¿là en anteriors telescopis de neutrins, concretament en ANTARES i NEMO, amb el fi de comprovar-se el seu funcionament in situ. Com part de la tesis, es realitzaren els anàlisis de les proves in situ i els resultats obtinguts mostraren que complia els requisits del sistema de posicionament, únicament necessitant-se d'algunes millores per a la versió final. La versió final de l'AB està composta per un transductor piezo-ceràmic i una placa electrònica integrats en una sola peça en un recipient cilíndric d'alumini anoditzat. El disseny i el treball realitzat per a una calibració precisa de laboratori es va dur a terme, aconseguint resultats òptims en tots els aspectes requerits. Com segon treball principal desenvolupat en esta tesis, s'ha dissenyat un array paramètric de transductors capaç d'imitar el senyal acústic generat per l'interacció del neutrí d'ultra-alta energia (UHE) en l'aigua. La primera part de disseny es centrà en el desenvolupament d'un transductor individual capaç d'emetre paramètricament el senyal acústic del neutrí. Posteriorment, es va realitzar el disseny de l'array complet compost per varies unitats del transductor dissenyat, amb l'objectiu d'aconseguir un pols bipolar més energètic i directiu.Saldaña Coscollar, M. (2017). Acoustic System Development for Neutrino Underwater Detectors [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/85981TESI

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 & out of sight: towards ubiquity in underwater robotics

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 September 2019.The Earth's oceans holds a wealth of information currently hidden from us. Effective measurement of its properties could provide a better understanding of our changing climate and insights into the creatures that inhabit its waters. Autonomous underwater vehicles (AUVs) hold the promise of penetrating the ocean environment and uncovering its mysteries; and progress in underwater robotics research over the past three decades has resulted in vehicles that can navigate reliably and operate consistently, providing oceanographers with an additional tool for studying the ocean. Unfortunately, the high cost of these vehicles has stifled the democratization of this technology. We believe that this is a consequence of two factors. Firstly, reliable navigation on conventional AUVs has been achieved through the use of a sophisticated sensor system, namely the Doppler velocity log (DVL)-aided inertial navigation system (INS), which drives up vehicle cost, power use and size. Secondly, deployment of these vehicles is expensive and unwieldy due to their complexity, size and cost, resulting in the need for specialized personnel for vehicle operation and maintenance. The recent development of simpler, low-cost, miniature underwater robots provides a solution that mitigates both these factors; however, removing the expensive DVL-aided INS means that they perform poorly in terms of navigation accuracy. We address this by introducing a novel acoustic system that enables AUV self-localization without requiring a DVL-aided INS or on-board active acoustic transmitters. We term this approach Passive Inverted Ultra-Short Baseline (piUSBL) positioning. The system uses a single acoustic beacon and a time-synchronized, vehicle-mounted, passive receiver array to localize the vehicle relative to this beacon. Our approach has two unique advantages: first, a single beacon lowers cost and enables easy deployment; second, a passive receiver allows the vehicle to be low-power, low-cost and small, and enables multi-vehicle scalability. Providing this new generation of small and inexpensive vehicles with accurate navigation can potentially lower the cost of entry into underwater robotics research and further its widespread use for ocean science. We hope that these contributions in low-cost underwater navigation will enable the ubiquitous and coordinated use of robots to explore and understand the underwater domain.This research was funded and supported by a number of sponsors; we gratefully acknowledge them below. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) and SSC Pacific via Applied Physical Sciences Corp. (APS) under contract number N66001-11-C-4115. SSC Pacific via Applied Physical Sciences Corp. (APS) under award number N66001-14-C-4031. Air Force via Lincoln Laboratory under award number FA8721-05-C-0002. Office of Naval Research (ONR) via University of California-San Diego under award number N00014-13-1-0632. Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) via Applied Physical Sciences Corp. (APS) under award number HR0011-18-C-0008. Office of Naval Research (ONR) under award number N00014-17-1-2474