Development and testing of a dual accelerometer vector sensor for AUV acoustic surveys

This paper presents the design, manufacturing and testing of a Dual Accelerometer Vector Sensor (DAVS). The device was built within the activities of theWiMUST project, supported under the Horizon 2020 Framework Programme, which aims to improve the efficiency of the methodologies used to perform geophysical acoustic surveys at sea by the use of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). The DAVS has the potential to contribute to this aim in various ways, for example, owing to its spatial filtering capability, it may reduce the amount of post processing by discriminating the bottom from the surface reflections. Additionally, its compact size allows easier integration with AUVs and hence facilitates the vehicle manoeuvrability compared to the classical towed arrays. The present paper is focused on results related to acoustic wave azimuth estimation as an example of its spatial filtering capabilities. The DAVS device consists of two tri-axial accelerometers and one hydrophone moulded in one unit. Sensitivity and directionality of these three sensors were measured in a tank, whilst the direction estimation capabilities of the accelerometers paired with the hydrophone, forming a vector sensor, were evaluated on a Medusa Class AUV, which was sailing around a deployed sound source. Results of these measurements are presented in this paper.European Union [645141]info:eu-repo/semantics/publishedVersio

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

Characterization and modeling of CMOS-compatible acoustical particle velocity sensors for applications requiring low supply voltages

Acoustic particle velocity sensors have been obtained applying simple low resolution micromachining steps to chips fabricated using a standard microelectronic process. Each sensor consists of four silicided polysilicon wires, suspended over cavities etched into the substrate, and connected to form a heatstone bridge. Full compatibility of the micromachining procedure with the original process is demonstrated by integrating a simple pre-amplifier on the same chip as the sensors and showing that both blocks are functional. Proper design of the sensing structures allows them to operate with a single 3.3 V power supply. Sensitivity and noise measurements, performed to estimate the sensor detection limit, are described. Excess noise with a flicker-like behavior, not ascribable to the amplifier, is found when the bridges are biased in working conditions. In addition, the dependence of the sensitivity on the dc bias voltage of the bridges is investigated, comparing the experimental data with the results of a simple analytical model and finite element method simulations

Recording, Analysis and Playback of Spatial Sound Field using Novel Design Methods of Transducer Arrays

Nowadays, a growing interest in the recording and reproduction of spatial audio has been observed. With virtual and augmented reality technologies spreading fast thanks to entertainment and video game industries, also the professional opportunities in the field of engineering are evolving. However, despite many microphone arrays are reaching the market, most of them is not optimized for engineering or diagnostic use and remains mainly confined to voice and music recordings. In this thesis, the design of two new systems for recording and analysing the spatial distribution of sound energy, employing arrays of transducers and cameras, is discussed. Both acoustic and visual spatial information is recorded and combined together to produce static and dynamic colour maps, with a specially designed software and employing Ambisonics and Spatial PCM Sampling (SPS), two common spatial audio formats, for signals processing. The first solution consists in a microphone array made of 32 capsules and a circular array of eight cameras, optimized for low frequencies. The size of the array is designed accordingly to the frequency range of interest for automotive Noise, Vibration & Harshness (NVH) applications. The second system is an underwater probe with four hydrophones and a panoramic camera, with which it is possible to monitor the effects of underwater noise produced by human activities on marine species. Finite Elements Method (FEM) simulations have been used to calculate the array response, thus deriving the filtering matrix and performing theoretical evaluation of the spatial performance. Field tests of the proposed solutions are presented in comparison with the current state-of-the-art equipment. The faithful reproduction of the spatial sound field arouses equally interest. Hence, a method to playback panoramic video with spatial audio is presented, making use of Virtual Reality (VR) technology, spatial audio, individualized Head Related Transfer Functions (HRTFs) and personalized headphones equalization. The work in its entirety presents a complete methodology for recording, analysing and reproducing the spatial information of soundscapes

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

Modelling, Simulation and Data Analysis in Acoustical Problems

Modelling and simulation in acoustics is currently gaining importance. In fact, with the development and improvement of innovative computational techniques and with the growing need for predictive models, an impressive boost has been observed in several research and application areas, such as noise control, indoor acoustics, and industrial applications. This led us to the proposal of a special issue about “Modelling, Simulation and Data Analysis in Acoustical Problems”, as we believe in the importance of these topics in modern acoustics’ studies. In total, 81 papers were submitted and 33 of them were published, with an acceptance rate of 37.5%. According to the number of papers submitted, it can be affirmed that this is a trending topic in the scientific and academic community and this special issue will try to provide a future reference for the research that will be developed in coming years

Performance Comparison Between Music And Esprit Algorithms For Direction Estimation Of Arrival Signals

This thesis examines and compares the performance of Multiple Signal Classification (MUSIC) and Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT) for the estimation of Direction of Arrival (DOA) of incoming signals to the smart antenna. The comparison of these two algorithms was done on the basis of parameters like number of array elements, number of incoming signals, angle difference between the incoming signals, number of the samples taken of signal, processing time and SNR ratio. These two algorithms were implemented with MATLAB and SIMULINK for the experimental purpose. After all the experiments performed, it was analyzed that results obtained from both of the software were almost same. Comparing MUSIC\u27s results with ESPRIT, it was found that MUSIC is less prone to error than ESPRIT for almost all parametric tests. This superiority of MUSIC made it desirable to recommend it for DOA estimation in smart antenna system

Synchronous-clock range-angle relative acoustic navigation: a unified approach to multi-AUV localization, command, control, and coordination

© The Author(s), 2022. This article is distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License. The definitive version was published in Rypkema, N., Schmidt, H., & Fischell, E. Synchronous-clock range-angle relative acoustic navigation: a unified approach to multi-AUV localization, command, control, and coordination. Journal of Field Robotics, 2(1), (2022): 774–806, https://doi.org/10.55417/fr.2022026.This paper presents a scalable acoustic navigation approach for the unified command, control, and coordination of multiple autonomous underwater vehicles (AUVs). Existing multi-AUV operations typically achieve coordination manually by programming individual vehicles on the surface via radio communications, which becomes impractical with large vehicle numbers; or they require bi-directional intervehicle acoustic communications to achieve limited coordination when submerged, with limited scalability due to the physical properties of the acoustic channel. Our approach utilizes a single, periodically broadcasting beacon acting as a navigation reference for the group of AUVs, each of which carries a chip-scale atomic clock and fixed ultrashort baseline array of acoustic receivers. One-way travel-time from synchronized clocks and time-delays between signals received by each array element allow any number of vehicles within receive distance to determine range, angle, and thus determine their relative position to the beacon. The operator can command different vehicle behaviors by selecting between broadcast signals from a predetermined set, while coordination between AUVs is achieved without intervehicle communication by defining individual vehicle behaviors within the context of the group. Vehicle behaviors are designed within a beacon-centric moving frame of reference, allowing the operator to control the absolute position of the AUV group by repositioning the navigation beacon to survey the area of interest. Multiple deployments with a fleet of three miniature, low-cost SandShark AUVs performing closed-loop acoustic navigation in real-time provide experimental results validated against a secondary long-baseline positioning system, demonstrating the capabilities and robustness of our approach with real-world data.This work was partially supported by the Office of Naval Research, the Defense Advanced Research Projects Agency, Lincoln Laboratory, and the Reuben F. and Elizabeth B. Richards Endowed Funds at WHOI