Cooperative Aerial Search and Localization Using Lissajous Patterns

This paper presents a cooperative aerial search-and-localization framework for applications where knowledge about the target of concern is minimal. The proposed framework leverages the sweeping oscillatory properties of Lissajous curves to improve an agent\u27s chances of encountering a target. To accurately estimate the states of cooperative search drones, a discrete-time linear Lissajous motion model approximation is presented in such a way that uncertainty in physical model parameters can be accounted for. These uncertainties are propagated through estimation formulas to improve both agent and target localization relative to a static base station. Numerous experiments conducted in a physics-driven simulation environment show that Lissajous search patterns are a logical and effective substitute for many existing search pattern standards. Furthermore, parametric Monte Carlo simulation studies validate the proposed estimation framework as a more accurate target localizer than other traditional methods which do not account for inaccuracy in the motion model. These techniques hold promise for both static and dynamic target search-and-localization scenarios, allowing for robust estimation by eliminating the need for knowledge of low-level control input to search agents

Cooperative localisation in underwater robotic swarms for ocean bottom seismic imaging.

Spatial information must be collected alongside the data modality of interest in wide variety of sub-sea applications, such as deep sea exploration, environmental monitoring, geological and ecological research, and samples collection. Ocean-bottom seismic surveys are vital for oil and gas exploration, and for productivity enhancement of an existing production facility. Ocean-bottom seismic sensors are deployed on the seabed to acquire those surveys. Node deployment methods used in industry today are costly, time-consuming and unusable in deep oceans. This study proposes the autonomous deployment of ocean-bottom seismic nodes, implemented by a swarm of Autonomous Underwater Vehicles (AUVs). In autonomous deployment of ocean-bottom seismic nodes, a swarm of sensor-equipped AUVs are deployed to achieve ocean-bottom seismic imaging through collaboration and communication. However, the severely limited bandwidth of underwater acoustic communications and the high cost of maritime assets limit the number of AUVs that can be deployed for experiments. A holistic fuzzy-based localisation framework for large underwater robotic swarms (i.e. with hundreds of AUVs) to dynamically fuse multiple position estimates of an autonomous underwater vehicle is proposed. Simplicity, exibility and scalability are the main three advantages inherent in the proposed localisation framework, when compared to other traditional and commonly adopted underwater localisation methods, such as the Extended Kalman Filter. The proposed fuzzy-based localisation algorithm improves the entire swarm mean localisation error and standard deviation (by 16.53% and 35.17% respectively) at a swarm size of 150 AUVs when compared to the Extended Kalman Filter based localisation with round-robin scheduling. The proposed fuzzy based localisation method requires fuzzy rules and fuzzy set parameters tuning, if the deployment scenario is changed. Therefore a cooperative localisation scheme that relies on a scalar localisation confidence value is proposed. A swarm subset is navigationally aided by ultra-short baseline and a swarm subset (i.e. navigation beacons) is configured to broadcast navigation aids (i.e. range-only), once their confidence values are higher than a predetermined confidence threshold. The confidence value and navigation beacons subset size are two key parameters for the proposed algorithm, so that they are optimised using the evolutionary multi-objective optimisation algorithm NSGA-II to enhance its localisation performance. Confidence value-based localisation is proposed to control the cooperation dynamics among the swarm agents, in terms of aiding acoustic exteroceptive sensors. Given the error characteristics of a commercially available ultra-short baseline system and the covariance matrix of a trilaterated underwater vehicle position, dead reckoning navigation - aided by Extended Kalman Filter-based acoustic exteroceptive sensors - is performed and controlled by the vehicle's confidence value. The proposed confidence-based localisation algorithm has significantly improved the entire swarm mean localisation error when compared to the fuzzy-based and round-robin Extended Kalman Filter-based localisation methods (by 67.10% and 59.28% respectively, at a swarm size of 150 AUVs). The proposed fuzzy-based and confidence-based localisation algorithms for cooperative underwater robotic swarms are validated on a co-simulation platform. A physics-based co-simulation platform that considers an environment's hydrodynamics, industrial grade inertial measurement unit and underwater acoustic communications characteristics is implemented for validation and optimisation purposes

Communication and Control in Collaborative UAVs: Recent Advances and Future Trends

The recent progress in unmanned aerial vehicles (UAV) technology has significantly advanced UAV-based applications for military, civil, and commercial domains. Nevertheless, the challenges of establishing high-speed communication links, flexible control strategies, and developing efficient collaborative decision-making algorithms for a swarm of UAVs limit their autonomy, robustness, and reliability. Thus, a growing focus has been witnessed on collaborative communication to allow a swarm of UAVs to coordinate and communicate autonomously for the cooperative completion of tasks in a short time with improved efficiency and reliability. This work presents a comprehensive review of collaborative communication in a multi-UAV system. We thoroughly discuss the characteristics of intelligent UAVs and their communication and control requirements for autonomous collaboration and coordination. Moreover, we review various UAV collaboration tasks, summarize the applications of UAV swarm networks for dense urban environments and present the use case scenarios to highlight the current developments of UAV-based applications in various domains. Finally, we identify several exciting future research direction that needs attention for advancing the research in collaborative UAVs

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

Filtering based multi-sensor data fusion algorithm for a reliable unmanned surface vehicle navigation

When considering the working conditions under which an unmanned surface vehicle (USV) operates, the navigational sensors, which already have inherent uncertainties, are subjected to environment influences that can affect the accuracy, security and reliability of USV navigation. To combat this, multi-sensor data fusion algorithms will be developed in this paper to deal with the raw sensor measurements from three kinds of commonly used sensors and calculate improved navigational data for USV operation in a practical environment. Unscented Kalman Filter, as an advanced filtering technology dedicated to dealing with non-linear systems, has been adopted as the underlying algorithm with the performance validated within various computer-based simulations where practical, dynamic navigational influences, such as ocean currents, provide force against the vessel’s structure, are to be considered

Research Brief

Approved for public release; distribution is unlimited

Radio direction finding for maritime search and rescue

Melbourne, VI

Robust Multi-sensor Data Fusion for Practical Unmanned Surface Vehicles (USVs) Navigation

The development of practical Unmanned Surface Vehicles (USVs) are attracting increasing attention driven by their assorted military and commercial application potential. However, addressing the uncertainties presented in practical navigational sensor measurements of an USV in maritime environment remain the main challenge of the development. This research aims to develop a multi-sensor data fusion system to autonomously provide an USV reliable navigational information on its own positions and headings as well as to detect dynamic target ships in the surrounding environment in a holistic fashion. A multi-sensor data fusion algorithm based on Unscented Kalman Filter (UKF) has been developed to generate more accurate estimations of USV’s navigational data considering practical environmental disturbances. A novel covariance matching adaptive estimation algorithm has been proposed to deal with the issues caused by unknown and varying sensor noise in practice to improve system robustness. Certain measures have been designed to determine the system reliability numerically, to recover USV trajectory during short term sensor signal loss, and to autonomously detect and discard permanently malfunctioned sensors, and thereby enabling potential sensor faults tolerance. The performance of the algorithms have been assessed by carrying out theoretical simulations as well as using experimental data collected from a real-world USV projected collaborated with Plymouth University. To increase the degree of autonomy of USVs in perceiving surrounding environments, target detection and prediction algorithms using an Automatic Identification System (AIS) in conjunction with a marine radar have been proposed to provide full detections of multiple dynamic targets in a wider coverage range, remedying the narrow detection range and sensor uncertainties of the AIS. The detection algorithms have been validated in simulations using practical environments with water current effects. The performance of developed multi-senor data fusion system in providing reliable navigational data and perceiving surrounding environment for USV navigation have been comprehensively demonstrated