Low cost underwater acoustic localization

Over the course of the last decade, the cost of marine robotic platforms has significantly decreased. In part this has lowered the barriers to entry of exploring and monitoring larger areas of the earth's oceans. However, these advances have been mostly focused on autonomous surface vehicles (ASVs) or shallow water autonomous underwater vehicles (AUVs). One of the main drivers for high cost in the deep water domain is the challenge of localizing such vehicles using acoustics. A low cost one-way travel time underwater ranging system is proposed to assist in localizing deep water submersibles. The system consists of location aware anchor buoys at the surface and underwater nodes. This paper presents a comparison of methods together with details on the physical implementation to allow its integration into a deep sea micro AUV currently in development. Additional simulation results show error reductions by a factor of three.Comment: 73rd Meeting of the Acoustical Society of Americ

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

Distributed protocol for communications among underwater vehicles

Underwater surveying by swarms of autonomous underwater vehicles presents problems in communication among the robots. These problems involve the bandwidth, power consumption, timing, processing power, and other issues. This paper presents a novel approach to communicate and coordinate effectively among underwater vehicles to accomplish this task successfully. The proposed approach solves issues by reducing the number of hops to conserve power, while reducing computation time and bandwidth, effectively utilizing resources to reduce the load on each node. Finally, the simulation results are presented, in order to prove that the proposed approach improves efficiency and effectiveness in communicating among underwater vehicles.<br /

Design considerations for engineering autonomous underwater vehicles

Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science at the Massachusetts Institute of Technology and the Woods Hole Oceanographic Institution June 2007Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) have been established as a viable tool for Oceanographic Sciences. Being untethered and independent, AUVs fill the gap in Ocean Exploration left by the existing manned submersible and remotely operated vehicles (ROV) technology. AUVs are attractive as cheaper and efficient alternatives to the older technologies and are breaking new ground in many applications. Designing an autonomous vehicle to work in the harsh environment of the deep ocean comes with its set of challenges. This paper discusses how the current engineering technologies can be adapted to the design of AUVs. Recently, as the AUV technology has matured, we see AUVs being used in a variety of applications ranging from sub-surface sensing to sea-floor mapping. The design of the AUV, with its tight constraints, is very sensitive to the target application. Keeping this in mind, the goal of this thesis is to understand how some of the major issues affect the design of the AUV. This paper also addresses the mechanical and materials issues, power system design, computer architecture, navigation and communication systems, sensor considerations and long term docking aspects that affect AUV design. With time, as the engineering sciences progress, the AUV design will have to change in order to optimize its performance. Thus, the fundamental issues discussed in this paper can assist in meeting the challenge of maintaining AUV design on par with modern technology.This work was funded by the NSF Center for Subsurface Sensing and Imaging Systems (CenSSIS) Engineering Research Center (ENC) grant no. EEC-99868321

Technical benefits and cultural barriers of networked Autonomous Undersea Vehicles

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Engineering Systems Division, 2013.Cataloged from PDF version of thesis.Includes bibliographical references (p. 44-45).The research presented in this thesis examines the technical benefits to using a collaborative network of Autonomous Undersea Vehicles (AUVs) in place of individual vehicles. Benefits could be achieved in the areas of reduced power consumption, improved positional information and improved acoustic communication bandwidth. However, current culture of AUV development may impede this approach. The thesis uses the Object Process Methodology (OPM) and principles of System Architecture to trace the value of an AUV system from the scientist who benefits from the data to the vehicle itself. Sections 3 and 4 outline the needs for an AUV system as they currently exist and describe the key physics-based limitations of operations. Section 5 takes a broader look at the system goal as data delivery, not just the deployment of a vehicle, and introduces the concept of networked AUV. Section 6 describes a potential evolution of networked AUVs in increasing autonomy and collaboration. Finally, Section 7 examines AUV development cultures that could impede, or foster, networked vehicles.by Patrick L. Wineman.S.M

Intervention AUVs: The Next Challenge

While commercially available AUVs are routinely used in survey missions, a new set of applications exist which clearly demand intervention capabilities. The maintenance of: permanent underwater observatories, submerged oil wells, cabled sensor networks, pipes and the deployment and recovery of benthic stations are a few of them. These tasks are addressed nowadays using manned submersibles or work-class ROVs, equipped with teleoperated arms under human supervision. Although researchers have recently opened the door to future I-AUVs, a long path is still necessary to achieve autonomous underwater interventions. This paper reviews the evolution timeline in autonomous underwater intervention systems. Milestone projects in the state of the art are reviewed, highlighting their principal contributions to the field. To the best of the authors knowledge, only three vehicles have demonstrated some autonomous intervention capabilities so far: ALIVE, SAUVIM and GIRONA 500, being the last one the lightest one. In this paper GIRONA 500 I-AUV is presented and its software architecture discussed. Recent results in different scenarios are reported: 1) Valve turning and connector plugging/unplugging while docked to a subsea panel, 2) Free floating valve turning using learning by demonstration, and 3) Multipurpose free-floating object recovery. The paper ends discussing the lessons learned so far

Real-Time Passive Acoustic Tracking of Underwater Vehicles

Com o crescente interesse na exploração oceânica, sistemas de localização subaquática têm sido largamente usados pela industria e comunidade cientifica. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema de localização acústica passiva em tempo real, com uma topologia idêntica ao do ultra-short baseline. Este sistema calcula a posição a duas dimensões de uma fonte acústica submersa conhecida, com base na integração de medições da direção do som ao longo do tempo. O ângulo de chegada da onda sonora é estimado pelo atraso de fase entre os sinais adquiridos por dois hidrofones colocados perto um do outro. Esta configuração permite atenuar as diferenças nos sinais recebidos devidas a perturbações do canal acústico subaquático. Este algoritmo foi implementado em tempo real numa plataforma SoC reconfigurável (CPU ARM + FPGA), e validado com ensaios de campo realizados no mar