Bionic Observation and Survey System – Cognition and Network

Laufzeit: 01.04.2013 - 31.03.2017
Leitung: Prof. Dr.-Ing Horst Hellbrück
Mitarbeiter: Gunther Ardelt, Tim Esemann, Torsten Teubler

Hintergrund

BOSS System

Im Verbundprojekt BOSS (Bionic Observation and Survey System) werden innovative Unterwasserfahrzeuge in Form bionischer Manta-Rochen für Inspektions- und Monitoring-Aufgaben im Meer entwickelt. Hierbei werden die Mantas ferngesteuert aber auch autonom in einem Schwarm agieren. BOSS wird von der Fachhochschule Lübeck in Kooperation mit zwei Industriepartnern, EvoLogics GmbH und Sea & Sun Technology GmbH, durchgeführt. Evologics fungiert als Projektkoordinator und entwickelt  die Mantas als bionische Unterwasserfahrzeuge. Sea & Sun Technology ist für die Unterwasser-Sensorik verantwortlich. Die Fachhochschule Lübeck konzentriert sich im Teilprojekt BOSS COGNET (Cognition and Network) auf die Entwicklung maritimer IKT-Lösungen (Informations- und Kommunikationstechnik).

 

Ziel

Traditionelle Verfahren zur Unterwasserkommunikation sind meist auf hohe Reichweiten optimiert und bieten nur geringe Datenraten. Im Bereich der Schwarmkommunikation ist aber meist das Gegenteil gewünscht: Hohe Datenraten über geringe bis mittlere Distanzen. Für das Übertragen von Daten, die während einer Mission gesammelt worden sind, an eine Basisstation gibt es ähnliche Anforderungen. Aus diesem Grund ist die Implementierung und Evaluierung innovativer Techniken zur Unterwasserkommunikation eines unsere Ziele im Projekt BOSS.

In COGNET wird ein dynamisches mobiles Unterwasser-Intranet geschaffen, basierend auf heterogener flexibler Ad-Hoc-Vernetzung mit Telemetrie-Anbindung. Das UW-Intranet wird dabei in  das Internet integriert. Als Kerninnovation werden die autonomen Mantas mit speziellen Sensormodulen sowie multimedial vernetzbaren Kommunikations- und Navigationsschnittstellen ausgestattet. In einem umfangreichen Experimentalprogramm werden intelligente kognitive und auto-adaptive Eigenschaften der Mantas entwickelt und Techniken der interoperablen Systemvernetzung für die Kommunikation und Navigation erprobt. Sukzessive werden danach Fähigkeiten zu kooperativem Verhalten und der Selbstorganisation im Schwarm ausgebildet. Zum Erreichen dieser Ziele wird mittels Algorithmen-Entwurf und Simulation ein regelbasiertes Expertensystem implementiert und schrittweise erweitert. Für Praxistests und Optimierung werden vorhandene drahtlose Sensortestbeds und bisher gewonnene Erfahrungen im Aufbau von Simulatoren und Testbeds eingesetzt. 

Ergebnisse

Hier präsentieren wir unsere Ergebnisse bezüglich Vernetzung und Kommunikation der autonomen Unterwasserfahrzeuge. 

Vernetzung

Eines der Hauptziele des Projektes ist die Vernetzung der Fahrzeuge und der Fahrzeugkomponenten untereinander. Bezüglich Vernetzung konnten diese Ziele erreicht werden. 

Die Fahrzeuge können im aufgetauchten Zustand mittels WLAN miteinander, als auch mit der Infrastruktur, kommunizieren. Das WLAN Netz ist dabei kein "klassisches" WLAN mit Stationen und Zugangspunkten, sondern ein sogenanntes "Mesh-Netz". Ein Mesh-Netz ermöglicht eine Kommunikation über Zwischenstationen, wenn z.B. Kommunikationspartner nicht in direkter Funkreichweite sind. 

Das Mesh-Netz haben wir auch auf die Unterwasser-Kommunikation über das elektrische Feld ausgedehnt. So können sich Kommunikationspartner unter Wasser befinden und mit Zwischenstationen, die sich über Wasser befinden, kommunizieren.

Die Abbildung unten visualisiert ein Mesh-Netz schematisch. Die Basis Station kann über AUV1 mit AUV4 per WLAN kommunizieren. AUV2 und AUVsind ebenfalls über AUVerreichbar, wobei hier die Kommunikation über das elektrische Feld zum Einsatz kommt. 

Fahrzeugvernetzung mit einem Mesh-Netz im BOSS COGNET Projekt

Um die Vernetzung an sich und die verteillten Algorithmen zu testen, wurde ein sogenanntes Testbed aufgebaut, welches ein Teil der vernetzten elektronischen Komponenten von vier Fahrzeugen enthält. In dem Testbed wird die Integration von Sensoren in die interne Fahrzeuginfrastruktur als auch Langzeittests von Sensoren und Programmen vorgenommen. Die Abbildung unten zeigt das Testbed schematisch, wobei die Komponenten AUV1 detailliert dargestellt sind. AUVbis AUV4 sind rechts oben angedeutet.

Der Testbed-Wartungsrechner (Testbed Maintenance Computer) ermöglicht den Entwicklern (Developer) Zugriff auf die Komponenten über den "Wartungsbus" (Maintenance Bus), wenn diese über das Netz temporär nicht erreichbar sind, weil sich z.B. die Konfiguration geändert hat.

 

Sensorik

Weiterhin befassen wir uns mit Sensorik im Allgemeinen. So wurde im Rahmen einer Studienarbeit eine Markmalsextraktion aus Sonarbildern implementiert. Die Abbildungen unten zeigen die Zwischenstufen der Mekmalsextraktion. 

Aus den Rohdaten des Sonars wird ein Bild erzeugt (erstes Bild von links). Durch Anwendung von Glättungsfiltern und Kantendetektion wird schrittweise eine dominate Kontur extrahiert (zweites und drittes Bild von links). Dann werden auf den Kontur äquidistant Koordinaten verteilt (Blaue Punkte im Bild rechts) und die Kontur an Start- (gründer Punkt im Bild rechts) und Endpunkt (roter Punkt im Bild rechts) geschlossen. Diese Koordinaten dienen als diskrete Eingabe für eine weitere maschinelle Verarbeitung. Anhand der Koordinaten kann beispeilseweise die Größe der erkannten Kontur abgeschätzt werden. 

 

UW-Kommunikation

Zur Implementierung und Evaluierung unserer verschiedenen Unterwasserkommunikationen haben wir ein modulares System entwickelt. Unsere modulare Architektur ermöglicht es verschiedene Kommunikationsmedien zu nutzen und bietet eine hohe Wiederverwendbarkeit von Software-Modulen. Eine Übersicht unserer Architektur ist im folgenden dargestellt.

Modulares System für drahtlose Unterwasserkommunikation 

Zurzeit arbeiten wir an  drei Kommunikationsverfahren: Die optischen Kommunikation für sehr niedrige Reichweiten (< 1 m) mit sehr hohen Datenraten, der elektrischen Feldkommunikation für niedrige Reichweiten (< 15 m) mit hohen Datenraten und einer akustischen Kommunikation für mittlere Reichweiten (< 100 m) mit mittleren Datenraten.

Elektrische Feldkommunikation

Da herkömmliche Funk-Signale, wie zum Beispiel WLAN, unter Wasser sehr stark gedämpft werden, haben wir hier einen neuartigen Ansatz gewählt. Mit diesem Ansatz ist es uns möglich, Daten über mehrere Meter mit hohen Datenraten zu übertragen.

 

Datenrate 250 kbit/s (eine Ehöhung bis zu 2Mbit/s ist in Arbeit)
Reichweite 8 m (eine Erweiterung bis zu 15m ist in Arbeit)

Leistungsaufnahme    

30W (Sendebetrieb)
Formfaktor 310x115x60 mm

 

Tests im Schwimmbad haben gezeigt das es möglich ist mit unserem Ansatz ein Video mit einer Datenrate von 250 kbit/s über eine Distanz von mehr als 8 m zu streamen.

Elektrisches Kommunikationsmodul mit Antennen und Test-Drohne

 

Optische Kommunikation

Für die Kommunikation über kurze Reichweiten, wie zum Beispiel das kontaktlose Übertragen von Daten an eine Basisstation, haben wir eine optische Lösung implementiert. Dieses Frontend überträgt Daten mittels Licht kegelförmig mit einem Abstrahlungswinkel von etwa 110°. Wir konnten bereits Datenraten um die 300 kbit/s erreichen und arbeiten kontinuierlich daran diese zu erhöhen.

 

Datenrate 300 kbit/s (eine Ehöhung bis zu 4 Mbit/s ist in Arbeit)
Reichweite 0,7 m (eine Erweiterung bis zu 2 m ist in Arbeit)

Leistungsaufnahme    

10W (Sendebetrieb)
Formfaktor 150x100x50 (geplant)

  

 

Akustische Kommunikation

Die meisten Verfahren zur akustischen Kommunikation sind auf große Reichweiten im Bereich von Kilometern ausgelegt und erreichen deshalb nur geringe Datenraten. Im Projekt BOSS evaluieren wir akustische Kommunikation für mittlere Distanzen (< 100 m) und optimierter Datenrate. Hierzu haben wir ein Frontend für den Betrieb mit breitbandigen Transducern entwickelt.

 

Datenrate 150 kbit/s (geplant)
Reichweite 100 m

Leistungsaufnahme    

20W (Sendebetrieb)
Formfaktor 150x100x50 (geplant)

  

 

 

Projektpartner

 

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Sea&Sun Technology

 

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Dieses Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. 

Förderkennzeichen:  03SX361C, BOSS - COGNET

 

Veröffentlichungen


Artikel and Buchkapitel
[2017] Memory Efficient Forwarding Information Base for Content-Centric Networking (Torsten Teubler, Dennis Pfisterer, Horst Hellbrück), In International Journal of Computer Networks & Communications (IJCNC), volume 9, 2017. [bib] [pdf] [abstract]
Content-Centric Networking (CCN) is a new paradigm for the future Internet where content is addressed by hierarchically organized names with the goal to replace TCP/IP networks. Unlike IP addresses, names have arbitrary length and are larger than the four bytes of IPv4 addresses. One important data structure in CCN is the Forwarding Information Base (FIB) where prefixes of names are stored together with the forwarding face. Long prefixes create problems for memory constrained Internet of Things (IoT) devices. In this work, we derive requirements for a FIB in the IoT and survey possible solutions. We investigate, design and compare memory-efficient solutions for the FIB based on hashes and Bloom-Filters. For large number of prefixes and an equal distribution of prefixes to faces we recommend a FIB implementation based on Bloom-Filters. In all other cases, we recommend an implementation of the FIB with hashes.
[2016] Receiving more than data - a signal model, theory and implementation of a cognitive IEEE 802.15.4 receiver (Tim Esemann, Horst Hellbrück), In EAI Endorsed Trans. Cognitive Communications, volume 2, 2016. [bib] [pdf] [abstract]
Standard medium access schemes sense the channel immediately prior transmission, but are blind during the transmission. Therefore, standard transceivers have limited cognitive capabilities which are important for operation in heterogeneous radio environments. Specifically, mobile interferers move gradually into the reception range before actually causing collisions. These gradual interferences cannot yet be detected, and upcoming collisions cannot be predicted. We present a theoretical analysis of the received and demodulated signal. This analysis and the derived signal model verifies that the received signal contains more than transmitted data exclusively. Enhanced signal processing extracts signal components of an interference at the receiver and enables advanced interference detection to provide information about approaching mobile interferers. Our theoretical analysis is evaluated by simulations and experiments with an IEEE 802.15.4 transmitter and an extended cognitive receiver.
Konferenz Beiträge
[2017] Optical Underwater Distance Estimation (Mathias Pelka, Martin Mackenberg, Christan Funda, Horst Hellbrück), In Oceans MTS/IEEE, 2017. [bib] [abstract]
Data communication with high data rate and precise underwater positioning with an accuracy of several centimeters is a problem. Precise positioning is important for autonomous operation and helps conserve energy which is important for many tasks. State-of-the-art acoustic communication faces difficulties underwater, e.g. multipath fading or variation of propagation speed. In this work, we propose optical distance estimation, which is the foundation for positioning. We combine the Beer-Lambert law and the inverse-square-law to model the channel of the medium. We investigate different wavelengths and employ curve fitting based on the Levenberg-Marquardt algorithm to determine the unknown coefficients of the model e.g. absorption. Our evaluation shows promising results and distance estimation of up to 25~m is possible. In stream water we determined the mean error for the optical distance estimation of 0.04m.
[2016] A Flexible and Modular Platform for Development of Short-Range Underwater Communication (Gunther Ardelt, Martin Mackenberg, Jan Markmann, Tim Esemann, Horst Hellbrück), In The Eleventh International Conference on Underwater Networks and Systems, 2016. [bib] [abstract]
The development process of short-range underwater communication systems consists of di erent phases. Each phase comprises a multitude of speci c requirements to the development platform. Typically, the utilized hardware and software is custom-built for each phase and wireless technology. Thus, the available platforms are usually not exible and only usable for a single development phase or a single wireless technology. Furthermore, the modi cation and adaption between the phases and technologies are costly and time-consuming. Platforms providing the exibility to switch between phases or even wireless technologies are either expensive or are not suitable to be integrated into underwater equipment. We developed a exible and modular platform consisting of a controller and di erent front ends. The platform is capable of performing complex tasks during all development phases. To achieve high performance with more complex modulation schemes, we combine an embedded Linux processor with a eld programmable gate array (FPGA) for computational demanding tasks. We show that our platform is capable of supporting the development of short-range underwater communication systems using a variety of wireless underwater communication technologies.
[2016] Testbed for Development of Networked Autonomous Underwater Vehicles (Torsten Teubler, Martin Anschütz, Horst Hellbrück), In Oceans'16 MTS/IEEE Shanghai, 2016. [bib] [abstract]
Development of underwater vehicles is a complex and challenging task. Especially the integration of components like sensors and actuators in a control loop is difficult and costly and requires many experiments. One of the difficulties is the lack of debugging facilities underwater. In this paper, we suggest a distributed system architecture and a testbed concept for the development of networked autonomous underwater vehicles. Our approach is based on standard Ethernet and TCP/IP enabling use of industrial hardware like single board computers and switches. Furthermore, we suggest a mesh network with a layer 2 ad-hoc routing for wireless interconnection of underwater vehicles and infrastructure like base stations. The suggested mesh network integrates WiFi for communication on the surface and under- water electrical field communication. To support the integration process of sensors and actuators we suggest external components for our testbed. We implement an external component including a remotely operated underwater vehicle. This remotely operated underwater vehicle serves as a carrier for sensors and allows the implementation of a control loop in underwater environments. We set up a testbed and present an evaluation of the ad-hoc routing and a dedicated control application with the remotely operated vehicle in a water tub.
[2016] Design of Expert Systems for Autonomous Underwater Vehicle Control (Torsten Teubler, Horst Hellbrück), In Oceans'16 MTS/IEEE Monterey, CA, USA, 2016. [bib] [abstract]
The development process of an intelligent autonomous underwater vehicle (AUV) is based on experiential knowledge leading to uncertainty in the software development for the intelligent AUV control. In this work we suggest an expert system to implement the AUV control software because expert systems handle uncertainty during the development process better than conventional, procedural programming languages. Furthermore, we provide design principles for the system architecture and the expert system. Finally, we present preliminary evaluation results on our designated computer hardware for the AUV we develop in a joint research project.
[2016] Architecture and Message Processing for Name-Centric Services in Wireless Sensor Networks (Torsten Teubler, Horst Hellbrück), In 2016 Advances in Wireless and Optical Communications (RTUWO) (RTUWO2016), 2016. [bib] [abstract]
Name-centric approaches provide maximum flexibility for applications, as a result, the future of Internet services is heading towards the increased importance of name-centric approaches. However, for the Internet of Things to become more name-centric, implementations of resource-constrained devices are required. Although there have been advances in the Internet of Things, such as CoAP and DPWS (Devices Profile for Web Services), these are not considered name-centric. A key to successful name-centric solutions for wireless sensor networks, is efficient handling and processing of names. In this paper we address architectural level communication and implementation for resource constraint devices. Finally, we evaluate the processing times and memory consumption of our implementation.
[2016] Embedded Multibeam Sonar Feature Extraction for Online AUV Control (Matthieu Sion, Torsten Teubler, Horst Hellbrück), In Oceans'16 MTS/IEEE Shanghai, 2016. [bib] [abstract]
For development of an intelligent unmanned au- tonomous underwater vehicle (AUV), sensor data needs to be processed online for navigation and mission planning. In this work, we suggest a complete workflow and a processing chain to retrieve multibeam sonar data for AUV control. Our approach is based on the well-known image processing library OpenCV which provides sophisticated image recognition algorithms. We implement a processing chain for feature extraction on multibeam sonar acoustic image which retrieves contours of objects and coordinate points of the contours. Coordinate points are discrete data which can be easily processed further with additional algorithms. E.g. size of objects can be determined with the coordinate points or an expert system can classify objects with help of the coordinate points. Our solution will be embedded in an online control of an AUV. We evaluate the performance of our feature extraction approach using pre-recorded sonar data.
[2015] Integrating Expert System CLIPS into DUNE for AUV Control (Torsten Teubler, Liang Shuang, Horst Hellbrück), In Oceans'15 MTS/IEEE Genova, 2015. [bib] [abstract]
In this paper, we motivate the need for a flexible and robust system architecture for autonomous underwater vehicles. We present a novel concept for integrating the expert system CLIPS into an AUV navigation environment DUNE. Our approach provides complete tool support for automatic source code generation and therefore allows fast and target-oriented development of control software for AUVs. We present the design of the architecture comprised of DUNE and CLIPS. In an application example we describe each step of the software development with implementation details. We show the benefits of such an expert system for a flexible AUV control. For evaluation we measure the execution time of the system and the number of fired rules of our expert system. By that we demonstrate that the approach is suited for embedded hardware of an AUV.
[2014] Underwater Electric Field Communication (Tim Esemann, Gunther Ardelt, Horst Hellbrück), In Proceedings of the 9th ACM International Conference on Underwater Networks & Systems (WUWNET), 2014. [bib] [abstract]
The number of mobile devices with radio transceivers is increasing. However, standard wireless sensor nodes have limited spectrum awareness in order to avoid col- lisions with other concurrent transmissions in dense spectrum. E.g. IEEE 802.15.4 standard performs carrier sensing before start of the transmission. Spectrum sensing or awareness during the transmission is not provided. These low power devices have only limited capabilities in order to detect and forecast upcoming collisions. In this work, wireless sensor nodes are equipped with additional piggybacked hardware and supplementary signal processing capabilities. An additional RF-frontend and small-size SDR hardware enable sensor nodes to perform cognitive radio functionality. Although the sensor nodes transmit data fully com- pliant to IEEE 802.15.4 the supplementary hardware enhances spectrum awareness significantly even during transmission. A previously published cognitive radio scheme was implemented to demonstrate the signal processing capabilities of the SDR hardware. Additionally, power consumption and battery lifetime were evaluate and calculated.
[2014] A Solution for the Naming Problem for Name-Centric Services (Torsten Teubler, Mohamed Ahmed M. Hail, Horst Hellbrück), In 12th International Conference on Wired & Wireless Internet Communications (WWIC 2014), 2014. [bib] [abstract]
In recent past name-centric or content-centric networking (CCN) has gained substantial attention in the networking community. In a further development step name-centric service architecture enables the flexible placement and distribution of services in the network especially in a heterogeneous environment of wired and wireless (sensor) networks. However, the problem of structuring and creating hierarchies for names in name-centric networks is not solved yet. E.g. there is no configuration of service names in name-centric service WSN, no concept of unsolicited names or link-local names in CCN. In IP networks, DHCP or IPv6 auto- configuration is available, but no equivalent technique exists for CCN. We analyze the naming problem in the software development life cycle for name-centric services in WSN and propose a structure, hierarchy, and configuration mechanism for names. The paper introduces the overall concept and preliminary steps of implementation.
Workshop Beiträge
[2014] Integrated Low-Power SDR enabling Cognitive IEEE 802.15.4 Sensor Nodes (Tim Esemann, Horst Hellbrück), In Proceedings of the 8th Karlsruhe Workshop on Software Radios, 2014. [bib] [abstract]
The number of mobile devices with radio transceivers is increasing. However, standard wireless sensor nodes have limited spectrum awareness in order to avoid col- lisions with other concurrent transmissions in dense spectrum. E.g. IEEE 802.15.4 standard performs carrier sensing before start of the transmission. Spectrum sensing or awareness during the transmission is not provided. These low power devices have only limited capabilities in order to detect and forecast upcoming collisions. In this work, wireless sensor nodes are equipped with additional piggybacked hardware and supplementary signal processing capabilities. An additional RF-frontend and small-size SDR hardware enable sensor nodes to perform cognitive radio functionality. Although the sensor nodes transmit data fully com- pliant to IEEE 802.15.4 the supplementary hardware enhances spectrum awareness significantly even during transmission. A previously published cognitive radio scheme was implemented to demonstrate the signal processing capabilities of the SDR hardware. Additionally, power consumption and battery lifetime were evaluate and calculated.
[2014] Software Defined Transceiver for Underwater Communication (Martin Mackenberg, Christian Janicke, Tim Esemann, Horst Hellbrück), In Proceedings of the European Workshop on Testbed based Wireless Research, 2014. [bib] [abstract]
New applications for autonomous underwater vehicles require underwater wireless communication with data rates up to several megabit per second and a transmission range up to several meter. Regular radio transceivers achieve a poor performance in seawater. Therefore, our project evaluates and implements new approaches for optical, acoustic and electric underwater communication. The goal is to implement a flexible software defined transceiver consisting of a FPGA with exchangeable communication modules.
Sonstige Veröffentlichungen
[2017] A syntactic approach to wreck pattern recognition in sonar images (M. Constapel, T. Teubler, H. Hellbrück), GRIN (T. M. Buzug et. al., ed.), 2017. [bib]
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