Optical Communication for Underwater Snake Robot

Abstract

Optisk trådløs undervannskommunikasjon er et interessant fagfelt med mange bruksområder. Det åpner muligheten for kommunikasjon med høy datahastighet over korte distanser, noe som er nyttig for blant annet kommunikasjon mellom autonome undervannsfarkoster som ønsker å utveksle store mengder data.

Denne masteroppgaven ble foreslått av Eelume, et selskap som utvikler en slangerobot for inspeksjon og vedlikehold av undervannsinstallasjoner. Målet for oppgaven var å undersøke muligheten for transmisjon av video mellom en slangerobot og en basestasjon under vann ved bruk av optisk kommunikasjon med lavkostkomponenter.

En litteraturstudie av feltet ble gjort, hvor modulering basert på on-off-keying ble valgt på bakgrunn av robusthet og vanskelighetsgrad for implementasjon. Det vises, dog, at man kan oppnå høyere båndbreddeutnyttelse og datahastigheter ved bruk av mer komplekse moduleringsteknikker.

Et kommunikasjonssystem for optisk trådløs kommunikasjon ble laget i henhold til en spesifikasjon. Eksperimentell testing av det utviklede kommunikasjonssystemet ble gjort i friluft og i vann med tre hovedmål; evaluere avstander signalet kan detekteres på, oppnåelig UART baud-hastighet og bestemme båndbredden til systemet. Det ble funnet at signalet detektere lett opptil ti meter, hvor vann fører til klart mer tap av lysstyrke enn luft. Overføringen av informasjon via UART fungerer godt ved lave baud-hastigheter på 9600 og 38400 både i friluft og i vann for avstander i området 6-7,5m. For høyere baudhastigheter på 115200 og 230400 blir avstanden redusert til 2,5-3m.

For den nåværende tilstanden til det utviklede systemet, ser det usannsynlig ut å strømme video på grunn av begrensninger i båndbredde og strenge pekningskrav. Dynamikken i elektronikken er sett på som hovedbegrensningen til oppnåelig båndbredde og UART baud-hastighet. Denne oppgaven har vært sterkt fokusert på å lage en løsning med lavpriskomponenter. Det er imidlertid sannsynlig å oppnå datahastigheter som er egnet for strømming av video med videre forbedringer som elektronikk med høyere båndbredde, mer avanserte moduleringsteknikker og fungerende vanntett innkapsling.

Underwater optical wireless communication (UOWC) is an interesting field with many applications. It allows for high data rate communication over short distances, which is useful for communication between autonomous underwater vehicles that wish to exchange large amounts of data.

The thesis was proposed by Eelume, a company developing a snake robot for inspection and maintenance of underwater installation. The goal was to investigate the feasibility of transmitting video between a snake robot and a base station under water using optical communication with low cost components.

A literary study on the field of UOWC was done, where modulation based on on-off-keying (OOK) was chosen for robustness and ease of implementation. However, complex modulation techniques show high bandwidth utilization and achievable data rates.

A system for underwater optical wireless communication was made according to a specification. Experimental testing of the developed communication system was done in open air and in water with three main objectives; evaluating the distance for detecting the signal, the achievable UART baud rate and determining the bandwidth of the system. It was found that the signal is easily detectable up to ten meters, however, the light got clearly more attenuated in water than in open air. The transmission of information via UART works well with low baud rates of 9600 and 38400 both in open air and in water for distances in the range of 6-7.5m. For higher baud rates of 115200 and 230400 the distance is reduced to 2.5-3m.

For the current state of the developed system it is not seen as feasible to stream video due to limitations in bandwidth and strict pointing requirements. The dynamics of the electronics are seen as the main limitation to the achievable bandwidth and UART baud rate. The thesis has been heavily focused on making the solution with low cost components. It is, however, likely to achieve data rates suitable for streaming video with further improvements such as higher bandwidth electronics, more advanced modulation techniques and proper watertight enclosures.