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    Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

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

    ACOUSTIC LOCALIZATION TECHNIQUES FOR APPLICATION IN NEAR-SHORE ARCTIC ENVIRONMENTS

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    The Arctic environment has undergone significant change in recent years. Multi-year ice is no longer prevalent in the Arctic. Instead, Arctic ice melts during summer months and re-freezes each winter. First-year ice, in comparison to multi-year ice, is different in terms of its acoustic properties. Therefore, acoustic propagation models of the Arctic may no longer be valid. The open water in the Arctic for longer time periods during the year invites anthropogenic traffic such as civilian tourism, industrial shipping, natural resource exploration, and military exercises. It is important to understand sound propagation in the first-year ice environment, especially in near-shore and shallow-water regions, where anthropogenic sources may be prevalent. It is also important to understand how to detect, identify, and track the anthropogenic sources in these environments in the absence of large acoustic sensory arrays. The goals of this dissertation are twofold: 1) Provide experimental transmission loss (TL) data for the Arctic environment as it now exists, that it may be used to validate new propagation models, and 2) Develop improved understanding of acoustic vector sensor (AVS) performance in real-world applications such as the first-year Arctic environment. Underwater and atmospheric acoustic TL have been measured in the Arctic environment. Ray tracing and parabolic equation simulations have been used for comparison to the TL data. Generally good agreement is observed between the experimental data and simulations, with some discrepancies. These discrepancies may be eliminated in the future with the development of improved models. Experiments have been conducted with underwater pa and atmospheric pp AVS to track mechanical noise sources in real-world environments with various frequency content and signal to noise ratio (SNR). A moving standard deviation (MSD) processing routine has been developed for use with AVS. The MSD processing routine is shown to be superior to direct integration or averaging of intensity spectra for direction of arrival (DOA) estimation. DOA error has been shown to be dependent on ground-reflected paths for pp AVS with analytical models. Underwater AVS have been shown to be feasible to track on-ice sources and atmospheric AVS have been shown feasible to track ground vehicle sources

    The significance of passive acoustic array-configurations on sperm whale range estimation when using the hyperbolic algorithm

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    In cetacean monitoring for population estimation, behavioural studies or mitigation, traditional visual observations are being augmented by the use of Passive Acoustic Monitoring (PAM) techniques that use the creature’s vocalisations for localisation. The design of hydrophone configurations is evaluated for sperm whale (Physeter macrocephalus) range estimation to meet the requirements of the current mitigation regulations for a safety zone and behaviour research. This thesis uses the Time Difference of Arrival (TDOA) of cetacean vocalisations with a three-dimensional hyperbolic localisation algorithm. A MATLAB simulator has been developed to model array-configurations and to assess their performance in source range estimation for both homogeneous and non-homogeneous sound speed profiles (SSP). The non-homogeneous medium is modelled on a Bellhop ray trace model, using data collected from the Gulf of Mexico. The sperm whale clicks are chosen as an exemplar of a distinctive underwater sound. The simulator is tested with a separate synthetic source generator which produced a set of TDOAs from a known source location. The performance in source range estimation for Square, Trapezium, Triangular, Shifted-pair and Y-shape geometries is tested. The Y-shape geometry, with four elements and aperture-length of 120m, is the most accurate, giving an error of ±10m over slant ranges of 500m in a homogeneous medium, and 300m in a non-homogeneous medium. However, for towed array deployments, the Y-shape array is sensitive to angle-positioning-error when the geometry is seriously distorted. The Shifted-pair geometry overcomes these limits, performing an initial accuracy of ±30m when the vessel either moves in a straight line or turns to port or starboard. It constitutes a recommendable array-configuration for towed array deployments. The thesis demonstrates that the number of receivers, the array-geometry and the arrayaperture are important parameters to consider when designing and deploying a hydrophone array. It is shown that certain array-configurations can significantly improve the accuracy of source range estimation. Recommendations are made concerning preferred array-configurations for use with PAM systems

    Model-Based Adaptive Behavior Framework for Optimal Acoustic Communication and Sensing by Marine Robots

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    In this paper, a hybrid data- and model-based autonomous environmental adaptation framework is presented which allows autonomous underwater vehicles (AUVs) with acoustic sensors to follow a path which optimizes their ability to maintain connectivity with an acoustic contact for optimal sensing or communication. The adaptation framework is implemented within the behavior-based mission-oriented operating suite-interval programming (MOOS-IvP) marine autonomy architecture and uses a new embedded high-fidelity acoustic modeling infrastructure, the generic robotic acoustic model (GRAM), to provide real-time estimates of the acoustic environment under changing environmental and situational scenarios. A set of behaviors that combine adaptation to the current acoustic environment with strategies that extend the decision horizon beyond that of typical behavior-based systems have been developed, implemented, and demonstrated in a series of field experiments and virtual experiments in a MOOS-IvP simulation.United States. Office of Naval Research (Grant N00014-08-1-0011)United States. Office of Naval Research (Grant N00014-08-1-0013)NATO Undersea Research Centre (NURC

    Deep-Sea Model-Aided Navigation Accuracy for Autonomous Underwater Vehicles Using Online Calibrated Dynamic Models

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    In this work, the accuracy of inertial-based navigation systems for autonomous underwater vehicles (AUVs) in typical mapping and exploration missions up to 5000m depth is examined. The benefit of using an additional AUV motion model in the navigation is surveyed. Underwater navigation requires acoustic positioning sensors. In this work, so-called Ultra-Short-Baseline (USBL) devices were used allowing the AUV to localize itself relative to an opposite device attached to a (surface) vehicle. Despite their easy use, the devices\u27 absolute positioning accuracy decreases proportional to range. This makes underwater navigation a sophisticated estimation task requiring integration of multiple sensors for inertial, orientation, velocity and position measurements. First, error models for the necessary sensors are derived. The emphasis is on the USBL devices due to their key role in navigation - besides a velocity sensor based on the Doppler effect. The USBL model is based on theoretical considerations and conclusions from experimental data. The error models and the navigation algorithms are evaluated on real-world data collected during field experiments in shallow sea. The results of this evaluation are used to parametrize an AUV motion model. Usually, such a model is used only for model-based motion control and planning. In this work, however, besides serving as a simulation reference model, it is used as a tool to improve navigation accuracy by providing virtual measurements to the navigation algorithm (model-aided navigation). The benefit of model-aided navigation is evaluated through Monte Carlo simulation in a deep-sea exploration mission. The final and main contributions of this work are twofold. First, the basic expected navigation accuracy for a typical deep-sea mission with USBL and an ensemble of high-quality navigation sensors is evaluated. Secondly, the same setting is examined using model-aided navigation. The model-aiding is activated after the AUV gets close to sea-bottom. This reflects the case where the motion model is identified online which is only feasible if the velocity sensor is close to the ground (e.g. 100m or closer). The results indicate that, ideally, deep-sea navigation via USBL can be achieved with an accuracy in range of 3-15m w.r.t. the expected root-mean-square error. This also depends on the reference vehicle\u27s position at the surface. In case the actual estimation certainty is already below a certain threshold (ca. <4m), the simulations reveal that the model-aided scheme can improve the navigation accuracy w.r.t. position by 3-12%

    Underwater noise propagation models and its application in renewable energy parks: WaveRoller Case Study

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    In the light of global warming, large-scale transition to renewable power sources is a worldwide challenge, playing wind power a significant role. Sea wave energy is being increasingly regarded in many countries as a major and promising resource but, like all forms of energy conversion, it will inevitably have an impact on the marine environment. WaveRoller, a Wave Energy Conversion Device, is installed in front of Almagreira beach, on the west coast of Portugal. The purpose of this thesis is to study and quantify the underwater radiated noise from this device using an underwater acoustic model in order to estimate potential effects it may have in the marine environment. The model used to run the data will be MIKE Zero – Underwater Acoustic Simulator by DHI . In the study site only cetacean species are expected to occur. Results showed that behavioural responses might be expected for low and mid-frequency cetaceans if they swim close to the device. Also, the device shouldn’t be installed in an area in which a population of cetaceans exists in a 28m ray. For these individuals, injury can be assumed if SEL (Sound Exposure Level) is higher than 215 dB re 1μPa2.s, for non-pulse sounds. Results showed the calculated maximum SEL of the Waveroller sound is 150 dB re 1μPa2.s and therefore no injury is expected. MIKE Zero – Underwater Acoustic Simulator is a powerful tool to test any device that produces underwater noise and offers the possibility to create Surface Sound maps of results by using MIKEXYZ Converter tool

    Effects of errorless learning on the acquisition of velopharyngeal movement control

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    Session 1pSC - Speech Communication: Cross-Linguistic Studies of Speech Sound Learning of the Languages of Hong Kong (Poster Session)The implicit motor learning literature suggests a benefit for learning if errors are minimized during practice. This study investigated whether the same principle holds for learning velopharyngeal movement control. Normal speaking participants learned to produce hypernasal speech in either an errorless learning condition (in which the possibility for errors was limited) or an errorful learning condition (in which the possibility for errors was not limited). Nasality level of the participants’ speech was measured by nasometer and reflected by nasalance scores (in %). Errorless learners practiced producing hypernasal speech with a threshold nasalance score of 10% at the beginning, which gradually increased to a threshold of 50% at the end. The same set of threshold targets were presented to errorful learners but in a reversed order. Errors were defined by the proportion of speech with a nasalance score below the threshold. The results showed that, relative to errorful learners, errorless learners displayed fewer errors (50.7% vs. 17.7%) and a higher mean nasalance score (31.3% vs. 46.7%) during the acquisition phase. Furthermore, errorless learners outperformed errorful learners in both retention and novel transfer tests. Acknowledgment: Supported by The University of Hong Kong Strategic Research Theme for Sciences of Learning © 2012 Acoustical Society of Americapublished_or_final_versio
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