Information Aided Navigation: A Review

The performance of inertial navigation systems is largely dependent on the stable flow of external measurements and information to guarantee continuous filter updates and bind the inertial solution drift. Platforms in different operational environments may be prevented at some point from receiving external measurements, thus exposing their navigation solution to drift. Over the years, a wide variety of works have been proposed to overcome this shortcoming, by exploiting knowledge of the system current conditions and turning it into an applicable source of information to update the navigation filter. This paper aims to provide an extensive survey of information aided navigation, broadly classified into direct, indirect, and model aiding. Each approach is described by the notable works that implemented its concept, use cases, relevant state updates, and their corresponding measurement models. By matching the appropriate constraint to a given scenario, one will be able to improve the navigation solution accuracy, compensate for the lost information, and uncover certain internal states, that would otherwise remain unobservable.Comment: 8 figures, 3 table

Low-cost RPAS navigation and guidance system using Square Root Unscented Kalman Filter

Multi-Sensor Data Fusion (MSDF) techniques involving satellite and inertial-based sensors are widely adopted to improve the navigation solution of a number of mission- and safety-critical tasks. Such integrated Navigation and Guidance Systems (NGS) currently do not meet the required level of performance in all flight phases of small Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS). In this paper an innovative Square Root-Unscented Kalman Filter (SR-UKF) based NGS is presented and compared with a conventional UKF governed design. The presented system architectures adopt state-of-the-art information fusion approach based on a number of low-cost sensors including; Global Navigation Satellite Systems (GNSS), Micro-Electro-Mechanical System (MEMS) based Inertial Measurement Unit (IMU) and Vision Based Navigation (VBN) sensors. Additionally, an Aircraft Dynamics Model (ADM), which is essentially a knowledge based module, is employed to compensate for the MEMS-IMU sensor shortcomings in high-dynamics attitude determination tasks. The ADM acts as a virtual sensor and its measurements are processed with non-linear estimation in order to increase the operational validity time. An improvement in the ADM navigation state vector (i.e., position, velocity and attitude) measurements is obtained, thanks to the accurate modeling of aircraft dynamics and advanced processing techniques. An innovative SR-UKF based VBN-IMU-GNSS-ADM (SR-U-VIGA) architecture design was implemented and compared with a typical UKF design (U-VIGA) in a small RPAS (AEROSONDE) integration arrangement exploring a representative cross-section of the operational flight envelope. The comparison of position and attitude data shows that the SR-U-VIGA and U-VIGA NGS fulfill the relevant RNP criteria, including precision approach tasks

Multi-Sensor Fusion for Underwater Vehicle Localization by Augmentation of RBF Neural Network and Error-State Kalman Filter

The Kalman filter variants extended Kalman filter (EKF) and error-state Kalman filter (ESKF) are widely used in underwater multi-sensor fusion applications for localization and navigation. Since these filters are designed by employing first-order Taylor series approximation in the error covariance matrix, they result in a decrease in estimation accuracy under high nonlinearity. In order to address this problem, we proposed a novel multi-sensor fusion algorithm for underwater vehicle localization that improves state estimation by augmentation of the radial basis function (RBF) neural network with ESKF. In the proposed algorithm, the RBF neural network is utilized to compensate the lack of ESKF performance by improving the innovation error term. The weights and centers of the RBF neural network are designed by minimizing the estimation mean square error (MSE) using the steepest descent optimization approach. To test the performance, the proposed RBF-augmented ESKF multi-sensor fusion was compared with the conventional ESKF under three different realistic scenarios using Monte Carlo simulations. We found that our proposed method provides better navigation and localization results despite high nonlinearity, modeling uncertainty, and external disturbances.This research was partially funded by the Campus de Excelencia Internacional Andalucia Tech, University of Malaga, Malaga, Spain. Partial funding for open access charge: Universidad de Málag

A Comparison of Video and Accelerometer Based Approaches Applied to Performance Monitoring in Swimming.

The aim of this paper is to present a comparison of video- and sensor based studies of swimming performance. The video-based approach is reviewed and contrasted to the newer sensor-based technology, specifically accelerometers based upon Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) technology. Results from previously published swim performance studies using both the video and sensor technologies are summarised and evaluated against the conventional theory that upper arm movements are of primary interest when quantifying free-style technique. The authors conclude that multiple sensor-based measurements of swimmers’ acceleration profiles have the potential to offer significant advances in coaching technique over the traditional video based approach

Design and Estimation of an AUV Portable Intelligent Rescue System Based on Attitude Recognition Algorithm

This research is based on the attitude sensing algorithm to design a portable intelligent rescue system for autonomous underwater vehicles (AUVs). To lower the possibility of losing the underwater vehicle and reduce the difficulty of rescuing, when an AUV intelligent rescue system (AIRS) detects the fault of AUVs and they could not be reclaimed, AIRS can pump carbon dioxide into the airbag immediately to make the vehicle resurface. AIRS consists of attitude sensing module, double-trigger inflator mechanism, and activity recognition algorithm. The sensing module is an eleven-DOF sensor that is made up of a six-axis inertial sensor, a three-axis magnetometer, a barometer, and a thermometer. Furthermore, the signal calibration and extended Kalman filter (SC-EKF) is proposed to be used subsequently to calibrate and fuse the data from the sensing module. Then, the attitude data are classified with the principle of feature extraction (FE) and backpropagation network (BPN) classifier. Finally, the designed double-trigger inflator can be triggered not only by electricity but also by water damage when the waterproof cabin is severely broken. With the AIRS technology, the safety of detecting and investigating the use AUVs can be increased since there is no need to send divers to engage in the rescue mission under water

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

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

DOES: A Deep Learning-based approach to estimate roll and pitch at sea

The use of Attitude and Heading Reference Systems (AHRS) for orientation estimation is now common practice in a wide range of applications, e.g., robotics and human motion tracking, aerial vehicles and aerospace, gaming and virtual reality, indoor pedestrian navigation and maritime navigation. The integration of the high-rate measurements can provide very accurate estimates, but these can suffer from errors accumulation due to the sensors drift over longer time scales. To overcome this issue, inertial sensors are typically combined with additional sensors and techniques. As an example, camera-based solutions have drawn a large attention by the community, thanks to their low-costs and easy hardware setup; moreover, impressive results have been demonstrated in the context of Deep Learning. This work presents the preliminary results obtained by DOES, a supportive Deep Learning method specifically designed for maritime navigation, which aims at improving the roll and pitch estimations obtained by common AHRS. DOES recovers these estimations through the analysis of the frames acquired by a low-cost camera pointing the horizon at sea. The training has been performed on the novel ROPIS dataset, presented in the context of this work, acquired using the FrameWO application developed for the scope. Promising results encourage to test other network backbones and to further expand the dataset, improving the accuracy of the results and the range of applications of the method as a valid support to visual-based odometry techniques