Digital Cognitive Companions for Marine Vessels : On the Path Towards Autonomous Ships

As for the automotive industry, industry and academia are making extensive efforts to create autonomous ships. The solutions for this are very technology-intense. Many building blocks, often relying on AI technology, need to work together to create a complete system that is safe and reliable to use. Even when the ships are fully unmanned, humans are still foreseen to guide the ships when unknown situations arise. This will be done through teleoperation systems.In this thesis, methods are presented to enhance the capability of two building blocks that are important for autonomous ships; a positioning system, and a system for teleoperation.The positioning system has been constructed to not rely on the Global Positioning System (GPS), as this system can be jammed or spoofed. Instead, it uses Bayesian calculations to compare the bottom depth and magnetic field measurements with known sea charts and magnetic field maps, in order to estimate the position. State-of-the-art techniques for this method typically use high-resolution maps. The problem is that there are hardly any high-resolution terrain maps available in the world. Hence we present a method using standard sea-charts. We compensate for the lower accuracy by using other domains, such as magnetic field intensity and bearings to landmarks. Using data from a field trial, we showed that the fusion method using multiple domains was more robust than using only one domain. In the second building block, we first investigated how 3D and VR approaches could support the remote operation of unmanned ships with a data connection with low throughput, by comparing respective graphical user interfaces (GUI) with a Baseline GUI following the currently applied interfaces in such contexts. Our findings show that both the 3D and VR approaches outperform the traditional approach significantly. We found the 3D GUI and VR GUI users to be better at reacting to potentially dangerous situations than the Baseline GUI users, and they could keep track of the surroundings more accurately. Building from this, we conducted a teleoperation user study using real-world data from a field-trial in the archipelago, where the users should assist the positioning system with bearings to landmarks. The users experienced the tool to give a good overview, and despite the connection with the low throughput, they managed through the GUI to significantly improve the positioning accuracy

Cooperative bathymetry-based localization using low-cost autonomous underwater vehicles

We present a cooperative bathymetry-based localization approach for a team of low-cost autonomous underwater vehicles (AUVs), each equipped only with a single-beam altimeter, a depth sensor and an acoustic modem. The localization of the individual AUV is achieved via fully decentralized particle filtering, with the local filter’s measurement model driven by the AUV’s altimeter measurements and ranging information obtained through inter-vehicle communication. We perform empirical analysis on the factors that affect the filter performance. Simulation studies using randomly generated trajectories as well as trajectories executed by the AUVs during field experiments successfully demonstrate the feasibility of the technique. The proposed cooperative localization technique has the potential to prolong AUV mission time, and thus open the door for long-term autonomy underwater.Massachusetts Institute of Technology. Department of Mechanical EngineeringSingapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) (Graduate Fellowship

The NASA SBIR product catalog

The purpose of this catalog is to assist small business firms in making the community aware of products emerging from their efforts in the Small Business Innovation Research (SBIR) program. It contains descriptions of some products that have advanced into Phase 3 and others that are identified as prospective products. Both lists of products in this catalog are based on information supplied by NASA SBIR contractors in responding to an invitation to be represented in this document. Generally, all products suggested by the small firms were included in order to meet the goals of information exchange for SBIR results. Of the 444 SBIR contractors NASA queried, 137 provided information on 219 products. The catalog presents the product information in the technology areas listed in the table of contents. Within each area, the products are listed in alphabetical order by product name and are given identifying numbers. Also included is an alphabetical listing of the companies that have products described. This listing cross-references the product list and provides information on the business activity of each firm. In addition, there are three indexes: one a list of firms by states, one that lists the products according to NASA Centers that managed the SBIR projects, and one that lists the products by the relevant Technical Topics utilized in NASA's annual program solicitation under which each SBIR project was selected

Design, construction, and operation of an unmanned underwater vehicle

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2009.This electronic version was submitted by the student author. The certified thesis is available in the Institute Archives and Special Collections.Includes bibliographical references (leaf [62]).The practical usage of unmanned underwater vehicles (UUVs) is limited by vehicle and operation cost, difficulty in accurate navigation, and communication between the vehicle and operator. The "Rex 2" UUV employs a system design where a submersible is connected to a float at the water's surface by means of a tether. By maintaining a surface expression, high-bandwidth radio communication to the operator becomes possible, and GPS may be used for accurate navigation. This arrangement allows the freedom of movement characteristic of untethered autonomous underwater vehicles (AUVs), while maintaining the live operator control and communication found with tethered remotely operated vehicles (ROVs). Expanding on the design and field experiences with the MIT AUV Lab's first Reef Explorer UUV, Rex 2 was designed to be inexpensive, easy to deploy, adaptable to various payloads, and simple to use. Rex 2 was designed, built, and operated in a number of ocean field tests, validating the utility of the vehicle and system concept.by Dylan Owens.S.M

NASA SBIR abstracts of 1990 phase 1 projects

The research objectives of the 280 projects placed under contract in the National Aeronautics and Space Administration (NASA) 1990 Small Business Innovation Research (SBIR) Phase 1 program are described. The basic document consists of edited, non-proprietary abstracts of the winning proposals submitted by small businesses in response to NASA's 1990 SBIR Phase 1 Program Solicitation. The abstracts are presented under the 15 technical topics within which Phase 1 proposals were solicited. Each project was assigned a sequential identifying number from 001 to 280, in order of its appearance in the body of the report. The document also includes Appendixes to provide additional information about the SBIR program and permit cross-reference in the 1990 Phase 1 projects by company name, location by state, principal investigator, NASA field center responsible for management of each project, and NASA contract number

Adaptive sampling in autonomous marine sensor networks

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 June 2006In this thesis, an innovative architecture for real-time adaptive and cooperative control of autonomous sensor platforms in a marine sensor network is described in the context of the autonomous oceanographic network scenario. This architecture has three major components, an intelligent, logical sensor that provides high-level environmental state information to a behavior-based autonomous vehicle control system, a new approach to behavior-based control of autonomous vehicles using multiple objective functions that allows reactive control in complex environments with multiple constraints, and an approach to cooperative robotics that is a hybrid between the swarm cooperation and intentional cooperation approaches. The mobility of the sensor platforms is a key advantage of this strategy, allowing dynamic optimization of the sensor locations with respect to the classification or localization of a process of interest including processes which can be time varying, not spatially isotropic and for which action is required in real-time. Experimental results are presented for a 2-D target tracking application in which fully autonomous surface craft using simulated bearing sensors acquire and track a moving target in open water. In the first example, a single sensor vehicle adaptively tracks a target while simultaneously relaying the estimated track to a second vehicle acting as a classification platform. In the second example, two spatially distributed sensor vehicles adaptively track a moving target by fusing their sensor information to form a single target track estimate. In both cases the goal is to adapt the platform motion to minimize the uncertainty of the target track parameter estimates. The link between the sensor platform motion and the target track estimate uncertainty is fully derived and this information is used to develop the behaviors for the sensor platform control system. The experimental results clearly illustrate the significant processing gain that spatially distributed sensors can achieve over a single sensor when observing a dynamic phenomenon as well as the viability of behavior-based control for dealing with uncertainty in complex situations in marine sensor networks.Supported by the Office of Naval Research, with a 3-year National Defense Science and Engineering Grant Fellowship and research assistantships through the Generic Ocean Array Technology Sonar (GOATS) project, contract N00014-97-1-0202 and contract N00014-05-G-0106 Delivery Order 008, PLUSNET: Persistent Littoral Undersea Surveillance Network

Design, Testing and Evaluation of Robotic Mechanisms and Systems for Environmental Monitoring and Interaction

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have significantly lowered the cost of remote aerial data collection. The next generation of UAVs, however, will transform the way that scientists and practitioners interact with the environment. In this thesis, we address the challenges of flying low over water to collect water samples and temperature data. We also develop a system that allows UAVs to ignite prescribed fires. Specifically, this thesis contributes a new peristaltic pump designed for use on a UAV for collecting water samples from up to 3m depth and capable of pumping over 6m above the water. Next, temperature sensors and their deployment on UAVs, which have successfully created a 3D thermal structure map of a lake, contributes to mobile sensors. A sub-surface sampler, the “Waterbug” which can sample from 10m deep and vary buoyancy for longer in-situ analysis contributes to robotics and mobile sensors. Finally, we designed and built an Unmanned Aerial System for Fire Fighting (UAS-FF), which successfully ignited over 150 acres of prescribed fire during two field tests and is the first autonomous robot system for this application. Advisers: Carrick Detweiler and Carl Nelso

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