Cooperative Localization in Mobile Underwater Acoustic Sensor Networks

Neumann, Sergej

Abstract:

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. ... mehrDie 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.

Abstract (englisch):

The exploration and monitoring of large deep-sea environments become an increasingly interesting endeavour for science and industry. These vast, inaccessible and remote spaces can only be probed efficiently by unmanned submersibles. For a long time, teams of Autonomous Underwater Vehicles (AUV) were economically prohibitive and could only be investigated through simulations. With the emergence of cheaper and more reliant AUV, the simultaneous deployment of several unmanned crafts becomes a viable option. This trend is likely to accelerate with the growing demand on underwater exploration and monitoring.
... mehr
With the absence of satellite navigation, underwater localization still poses a major technical difficulty for deep diving vehicles. As a consequence thereof, new strategies for underwater localization need to be developed that allow the efficient deployment of multiple submersibles in a scalable manner. The simultaneous deployment of multiple vehicles will not only allow for completely new types of cooperation, but will also enable each individual vehicle to benefit from navigation information obtained by other members of the group.
In order to navigate, every AUV needs the ability of self-localization. In this work a cooperative localization approach is proposed, which enhances the self-localization capabilities of a group of AUVs by sharing navigation data. The proposed method is based on message exchange via acoustic ultra-short base-line (USBL) modems. A USBL modem allows the transmission of data packages as well as the measurement of the relative direction of a transmitting device. When a vehicle transmits a data package with its own location, others can use this information, in conjunction with a relative measurement to the sender, for self-referencing. This work proposes an approach to merge the measurement with the transmitted position, while also accounting for their respective inaccuracies. In order to quantify the measurement uncertainty of the complex USBL modem, a sensor model has been elaborated.
Existing cooperative localization schemes have been analysed to identify desirable properties. Based on this analysis and with a focus on scalability and practical applicability the Deep-Sea Network Localization (DNL) approach was developed. DNL is designed as an intermediate layer between the USBL and the navigation system of a vehicle. It merges communication data and measurements from USBL to provide a position fix and heading estimation to the navigation system, similar to a GPS sensor. The practical functionality of USBL model and DNL has been evaluated with data from sea trials in the Baltic Sea and the Middle Atlantic Ocean. A cooperative localization approach usually depends on many factors. Network topology needs to be considered as well as the navigation capability of each individual member of the network. Also the communication scheme, that is, which vehicle shares its information in which intervals, plays an important role. Therefore, the performance of DNL was investigated during several multi-vehicle experiments in simulation with varying communication schemes and network topologies. In these experiments an unmanned surface vehicle provided geo-reference for multiple underwater vehicle by forwarding its global position via DNL.
The multi-vehicle experiments can be categorized in two groups, single-hop and multi-hop. In the single-hop case all submersibles have direct access to the transmissions of the surface vehicle, while in the multi-hop case only one underwater vehicle receives the updates from the surface vehicle and relays its own updated position believe to the other members of the group. Results from the single-hop experiments confirm that, with DNL, the localization error can be bound for a group of submersibles. Here the localization accuracy correlates with the combined uncertainty of surface vehicle position and USBL measurement.
In the multi-hop case, a similar observation was made. When the communication is strictly unidirectional from the underwater relay to the other submersibles, the localization error of the group is bound at a margin that approximates the combined uncertainty of relay position and USBL measurement. However, the cooperative localization performance declines if all members of the group share their position with one another. This counter intuitive behaviour can be traced back to the range estimation as one part of the DNL approach. For the given set-up, the range estimation is necessary because the considered USBL class can only measure the direction but not the distance to a sending counterpart. The last experiment demonstrates how this drawback can be overcome by using a relatively new USBL sensor class that is able to measure the range as well as the relative direction.
The two major contributions of this work are an elaborate USBL sensor model and the novel cooperative localization DNL. With the sensor model it is possible to predict measurement deviations and even correct some error sources while DNL provides a scalable cooperative localization approach for mobile underwater networks. Because of its design as intermediate layer it can be easily integrated into existing navigation solutions to provide long-term navigation stability for large fleets of deep diving submersibles. Both, USBL model and DNL are resourceful enough that they can run on the computer of a standard USBL device without disturbing its original driver, which makes their integration effectively free of charge.

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DOI: 10.5445/IR/1000139686

Veröffentlicht am 16.11.2021

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Zugehörige Institution(en) am KIT	Fakultät für Informatik – Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik (IPR)
Publikationstyp	Hochschulschrift
Publikationsdatum	16.11.2021
Sprache	Englisch
Identifikator	KITopen-ID: 1000139686
Verlag	Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Umfang	ix, 134 S.
Art der Arbeit	Dissertation
Fakultät	Fakultät für Informatik (INFORMATIK)
Institut	Fakultät für Informatik – Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik (IPR)
Prüfungsdatum	18.12.2020
Projektinformation	TIMM-SMIS (BMWK, 03SX348D)
Schlagwörter	cooperative localization, underwater localization, underwater sensor network, multi agent systems, underwater communication
Referent/Betreuer	Wörn, H.