Park, Yong-Gonjong;Kang, Chulwoo;Lee, Dal Ho;Park, Chan Gook
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.20
no.5
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pp.584-591
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2014
This paper presents a novel aided navigation method for AUV (Autonomous Underwater Vehicles). The navigation system for AUV includes several sensors such as IMU (Inertial Measurement Unit), DVL (Doppler Velocity Log) and depth sensor. In general, the $13^{th}$ order INS error model, which includes depth error, velocity error, attitude error, and the accelerometer and gyroscope biases as state variables is used with measurements from DVL and depth sensors. However, the model may degrade the estimation performance of the heading state. Therefore, the $11^{th}$ INS error model is proposed. Its validity is verified by using a degree of observability and analyzing steady state error. The performance of the proposed model is shown by the computer simulation. The results show that the performance of the reduced $11^{th}$ order error model is better than that of the conventional $13^{th}$ order error model.
This paper compares methods for attitude estimation of a UUV(Unmanned Underwater Vehicle). Attitude estimation plays a key role in underwater navigation using DVL(Doppler Velocity Log). The paper proposes attitude estimation methods using EKF(Extended Kalman Filter), UKF(Unscented Kalman Filter), and CF(Complementary Filter). It derives methods using the measurements from MEMS-AHRS(Microelectromechanical Systems-Attitude Heading Reference System) and DVL. The methods are used for navigation in a test pool and their navigation performance is compared. The results suggest that even if there is no measurement relative to some absolute landmarks, DVL-only navigation can be useful for navigation in a limited time and range.
Because the global positioning system (GPS) is not available in underwater environments, an inertial navigation system (INS)/doppler velocity log (DVL) integrated navigation system is generally implemented. In general, an INS/DVL integrated system adopts a loosely coupled method. However, in this loosely coupled method, although the measurement equation for the filter design is simple, the velocity of the body frame cannot be accurately measured if even one of the DVL transducer signals is not received. In contrast, even if only one or two velocities are measured by the DVL transducers, the tightly coupled method can utilize them as measurements and suppress the error increase of the INS. In this paper, a filter was designed to regenerate the measurements of failed transducers by taking advantage of the tightly coupled method. The regenerated measurements were the normal DVL transducer measurements and the estimated velocity in RPM. In order to effectively estimate the velocity in RPM, a filter was designed considering the effects of the tide. The proposed filter does not switch all of the measurements to RPM if the DVL transducer fails, but only switches information from the failed transducer. In this case, the filter has the advantage of being able to be used as a measurement while continuously estimating the RPM error state. A Monte Carlo simulation was used to determine the performance of the proposed filters, and the scope of the analysis was shown by the standard deviation ($1{\sigma}$, 68%). Finally, the performance of the proposed filter was verified by comparison with the conventional tightly coupled method.
This paper describes a robust algorithm for an integrated underwater navigation system based on VKF (velocity Kalman filter). The proposed approach relies on a VKF, augmented by the altitude from an echo-sounder-based switching architecture to yield robust performance, even when DVL (Doppler velocity log) exceeds the measurement range and the measured value cannot be valid. The proposed approach relies on three parts: 1) PINS (pure inertial navigation system), 2) VKF design, and 3) VKF-aided integrated navigation filter design. To evaluate the proposed method, we compare the results of the VKF-aided navigation system with the simulation result from a PINS and conventional INS-DVL method.
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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v.17
no.9
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pp.2227-2232
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2013
To obtain the system requirement specification in the beginning of the precision guidance system development, the effectiveness and reliability analysis for the system are necessary. The main purpose of this research is to obtain the system requirement specification for the high speed unmanned underwater vehicles by carrying out the effectiveness analysis using the modeling and simulation scheme. The effectiveness is position error for target position. Reaching accuracy is expected to be affected by the navigation sensor parameter. Assume that the navigation sensors that is consist of inertial navigation system(INS) and doppler velocity log(DVL) is the parameter. To analyze the effectiveness of each parameter, Monte-Carlo numerical simulation is performed in this research. The effectiveness analysis is carried out using circular error probability(CEP) and variance analyze scheme. Considering the cost function, the specification of the navigation sensor is provided. The cost function is consist of the INS and DVL specification and the price of those sensors.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2003.05a
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pp.141-148
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2003
This paper presents a rotating ann test for assessment of an underwater hybrid navigation system for a semi-autonomous underwater vehicle. The navigation system consists of an inertial measurement unit (IMU), an ultra-short baseline (USBL) acoustic navigation sensor and a doppler velocity log (DVL) accompanying a magnetic compass. The errors of inertial measurement units increase with time due to the bias errors of gyros and accelerometers. A navigational system model is derived to include the error model of the USBL acoustic navigation sensor and the scale effect and bias errors of the DVL, of which the state equation composed of the navigation states and sensor parameters is 25 in the order. The conventional extended Kalman filter was used to propagate the error covariance, update the measurement errors and correct the state equation when the measurements are available. The rotating ann tests are conducted in the Ocean Engineering Basin of KRISO, KORDI to generate circular motion in laboratory, where the USBL system was absent in the basin. The hybrid underwater navigation system shows good tracking performance against the circular planar motion. Additionally this paper checked the effects of the sampling ratio of the navigation system and the possibility of the dead reckoning with the DVL and the magnetic compass to estimate the position of the vehicle.
Kim, Hyun Ki;Jung, Woo Chae;Kim, Jeong Won;Nam, Chang Woo
Journal of Positioning, Navigation, and Timing
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v.5
no.2
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pp.97-107
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2016
Military Autonomous Underwater Vehicle (AUV) is utilized to search a mine under the sea. This paper presents design and performance verification of real-time hybrid navigation system for AUV. The navigation system uses Doppler Velocity Log (DVL) integration method to correct INS error in underwater. When the AUV is floated on the water, the accumulated error of navigation algorithm is corrected using position/velocity of GPS. The navigation algorithm is verified using 6 Degree Of Freedom (DOF) simulation, Program In the Loop Simulation (PILS). Finally, the experiments are performed in real sea environment to prove the reliability of real-time hybrid navigation algorithm.
LEE PAN-MOOK;JUN BONG-HUAN;HONG SEOK-WON;LIM YONG-KON;YANG SEUNG-IL
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.19
no.5
s.66
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pp.71-77
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2005
This paper presents an integrated underwater navigational algorithm for unmanned underwater vehicles, using additional two-range transducers. This paper proposes a measurement model, using two range measurements, to improve the performance of an IMU-DVL (inertial measurement unit - Doppler velocity log) navigation system for long-time operation of underwater vehicles, excluding DVL measurement. Extended Kalman filter was adopted to propagate the error covariance, to update the measurement errors, and to correct the state equation when the external measurements are available. Simulation was conducted with the 6-d.o.f nonlinear numerical model of an AUV in lawn-mowing survey mode, at current flaw, where the velocity information is unavailable. Simulations illustrate the effectiveness of the integrated navigation system, assisted by the additional range measurements without DVL sensing.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.65
no.11
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pp.1868-1878
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2016
This paper proposes a novel velocity estimator for long-term underwater navigation of autonomous underwater vehicles(AUVs). Provided that an external position fix is not given, a viable goal in designing a underwater navigation algorithm is to reduce the divergence rate of position error only using the sporadic velocity information obtained from Doppler velocity log(DVL). For such case, the performance of underwater navigation eventually depends on accuracy and reliability of external velocity information. This motivates us to devise a velocity estimator which can drastically enhance the navigation performance even when the DVL measurement is unavailable. Incorporating the Gertler-Hagen hydrodynamics model of an AUV with the measurement models of velocity and depth sensors, the velocity estimator design problem is resolved using the extended Kalman filter. Different from the existing methods in which an AUV simulator is regarded as a virtual sensor, our approach is less sensitive to the model uncertainty often encountered in practice. This is because our velocity filter estimates the simulator errors with sensor aids and furthermore compensates these errors based on the indirect feedforward manner. Through the simulations for typical AUV navigation scenarios, the effectiveness of the proposed scheme is demonstrated.
In general, in order to operate an autonomous underwater vehicle (AUV) in an underwater environment, a navigation system such as a Doppler Log (DVL) using a Doppler phenomenon of ultrasonic waves is used for speed and direction estimation. However, most of the ultrasonic sensors in underwater is large for long-distance sensing and the cost is very high. In this study, not only canal neuromast on the fish's lateral lines but also superficial neuromast are studied on the simulation to obtain pressure values for each pressure sensor, and the obtained pressure data is supervised using spherical CNN. To this end, through supervised learning using pressure data obtained from a pressure sensor attached to an underwater vehicle, we can estimate the speed and angle of the underwater vehicle in a quasi-static underwater environment and propose a method for a non-ultrasonic based navigation system.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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