Acoustic channel management for increased autonomy in underwater multi-agent patrol forces

Abstract

Selvgående undervannskjøretøy (“Autonomous Underwater Vehicles”, AUVer) er tilganger som har mange anvendelser. Disse kjøretøyene er viktige for å kunne overvåke utilgjengelige og strategisk viktige områder, særlig i tider med pågående militære konflikter. Denne avhandlingen undersøker distribuerte løsninger og kommunikasjonsprotokoll for å gjøre flåter av AUVer mer selvgående til sammen. Spesifikt presenterer avhandlingen alminnelige løsninger og fremgangsmåter for AUVer, som vil danne en patruljetropp for å overvåke undervannsmiljøet, men også for fikse noder som trenger å kommunisere. Løsningene som foreslås hviler på fire pilarer. Første pilaren er en konsensusprotokoll, med hensikt å la agenter bli enige om tilstanden til den akustiske kanalen. Demonstrasjoner i simulering viser at strikt enighet er oppnåelig, med en feilsannsynlighet på mindre enn 10 % og en tidsadgang avhengig av nettverkets topologi og protokollens tidsparametere. Feltforsøk bekrefter en tilsvarende prestanda i et virkelig miljø og i nettverk på opp til seks noder. Andre pilaren er en metode som bygger på distribuert optimalisering for å bestemme de optimale parameterene for modulasjon og koding. Metoden benytter robust asynkron Newton-Raphson-optimalisering til dette formålet. Simulering viser at metoden hever forventet kommunikasjonshastighet i ett nettverk om fem noder, trass at optimaliseringsproblemet har et ikke-konvekst tvangsvilkår. Tredje pilaren er en distribuert modelle-prediktiv reguleringsalgoritm med gjennomførbar akustisk kommunikasjon. Mer spesifikt tilpasses algoritmen det akustiske undervannsmiljøet ved kringkastingbasert kommunikasjon, asynkron oppdatering og mekanismer for å håndtere forsinkete eller tapte pakker. Disse tilpasningene fører til at antakelsene som forgjengeren hviler på mykes opp. Numerisk simulering viser at tilpasningene muliggjør store besparinger i kommunikasjonshastighet samtidig som reguleringsprestandaen forblir tilfredsstillende. Fjerde pilaren er en akustisk undervannskommunikasjonskanal med mange innganger, som går kun én vei. Denne kanalen bruker teknologien “distribuert akustisk sansing” og kan benyttes for å formidle korte meldinger på en diskré måte. Anvendelsen demonstreres praktisk, i sanntid og ved lave frekvenser, ved hjelp av feltforsøk. I tillegg estimeres følsomheten til kabelen uttrykt i relativ deformasjon per trykkenhet. Avhandlingen diskuterer så disse fire bidragene, fordelene og ulempene deres, og sammenligner dem med relatert forskningsarbeid. Videre foreslår avhandlingen nye retninger for fremtidig arbeid, siden nye spørsmål vekkes med de inkluderte bidragene.

Abstract Autonomous underwater vehicles (AUVs) are assets with a wide range of applications. In times of global insecurity, with several ongoing military conflicts, such vehicles are instrumental to monitoring inaccessible but strategically important areas. This thesis investigates communication protocols and distributed solutions that enable and facilitate autonomy for fleets of AUVs. More specifically, the thesis proposes solutions and approaches in general applicable to AUVs wanting to form a patrol squad for underwater surveillance, but also potentially fixed nodes that need to communicate. The proposed solutions stand on four pillars. First is a consensus protocol that lets agents agree on the conditions of the acoustic channel. This protocol is demonstrated to converge to consensus under a consensus error rate of less than 10% in simulation, requiring a variable amount of time depending on network topology and timing parameters. The algorithm has also been demonstrated experimentally to attain similar performance in field-deployed networks of up to six nodes. Second is a distributed-optimisation-based approach to optimally determine the modulation and coding parameters using robust asynchronous Newton-Raphson optimisation. The algorithm is shown by simulation to improve the expected data rate in a five-node network, even though the optimization problem at its core has non-convex constraints. Third is a distributed model-predictive control algorithm with acoustically feasible communication requirements. Specifically, the algorithm is adapted to operate asynchronously, on a broadcast basis, and with mechanisms for handling delayed and lost packets, hence relaxing the assumptions of the predecessor. Numerical simulations show that the adaptations admit large savings in data rate while at the same time maintaining adequate tracking performance. Fourth is a one-way multiple-input underwater acoustic communications channel that can be used to covertly relay short messages to shore, based on the principles of distributed acoustic sensing. This channel is demonstrated with field trials to admit low-frequency communication from sea to shore in real time. In addition, the sensitivity of the cable is estimated in terms of strain units per pressure unit. This thesis discusses thus these four contributions, their advantages and disadvantages, and sets them in relation to relevant work. The thesis lists also possible directions for future work, as new questions arise with the aforementioned contributions.