《Ocean Engineering》：Towards a multi-robot architecture for bearing-only tracking of underwater acoustic sources using vector sensors
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水下聲源實(shí)時(shí)定位多無(wú)人潛航器分布式系統(tǒng)研究，基于聲學(xué)校準(zhǔn)傳感器與偽線性方位跟蹤算法，構(gòu)建本地回歸模型處理通信延遲與異步數(shù)據(jù)包，實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證系統(tǒng)在淺水多徑環(huán)境下的可行性及性能參數(shù)敏感性。
Gianluca Antonelli | Alessia Biondi | Andrea Caiti | Stefano Chiaverini | Riccardo Costanzi | Paolo Di Lillo | Alessandro Gentili | Andrea Munafò
卡西諾與南拉齊奧大學(xué)，Via G. Di Biasio 43，卡西諾，03043，F(xiàn)R，意大利
摘要
本文介紹了一種多車輛分布式系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)估計(jì)水下聲源的位置。該系統(tǒng)基于安裝在自主水下航行器（AUV）上的聲學(xué)矢量傳感器（AVS）獲取的到達(dá)方向（DOA）觀測(cè)數(shù)據(jù)。具體而言，本文描述了AVS數(shù)據(jù)的機(jī)載處理過(guò)程以及一種適用于水下環(huán)境的偽線性公式化的僅方位跟蹤（BOT）算法。該算法通過(guò)構(gòu)建局部回歸器有效處理通信延遲和異步數(shù)據(jù)包到達(dá)問(wèn)題。報(bào)告了在受控和簡(jiǎn)化條件下進(jìn)行的海上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證該方法的可行性，并實(shí)驗(yàn)性地確定了一些系統(tǒng)特性，以及系統(tǒng)性能受選定處理參數(shù)和車輛狀態(tài)的影響。最后，進(jìn)行了一項(xiàng)仿真研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定的特性評(píng)估了系統(tǒng)性能與相關(guān)參數(shù)（如AUV之間的距離、聲源距離和運(yùn)動(dòng)）之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果相結(jié)合，證明了所提出的分布式多AUV框架在通信受限條件下的實(shí)際可行性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)了仔細(xì)調(diào)整設(shè)計(jì)權(quán)衡以優(yōu)化實(shí)際海洋應(yīng)用中系統(tǒng)級(jí)性能的必要性。
章節(jié)摘錄
引言和背景
在海洋中檢測(cè)和定位聲源是一個(gè)應(yīng)用廣泛的領(lǐng)域，涉及環(huán)境探索、生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、民用和軍事監(jiān)視、搜救行動(dòng)、海上工業(yè)以及國(guó)防等多個(gè)方面。根據(jù)具體應(yīng)用的不同，方法論方法可能會(huì)有很大差異，包括主動(dòng)（發(fā)射信號(hào)）或被動(dòng)（僅監(jiān)聽(tīng)）系統(tǒng)、頻率范圍、寬帶/窄帶處理等方面。
目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)算法
其中，$\mathbf{p}_t$ 表示目標(biāo)位置，$\mathbf{v}$ 表示目標(biāo)相對(duì)于慣性框架的速度。假設(shè)有一個(gè)安裝在水下航行器上的移動(dòng)傳感器，其位置由向量 $\mathbf{p}_{t-1}$ 表示，速度由向量 $\mathbf{v}$ 表示。假設(shè) $\mathbf{v}_t$ 和 $\mathbf{v}_s$ 是恒定的。盡管這一假設(shè)在僅方位跟蹤文獻(xiàn)中很常見(jiàn)，但值得注意的是……實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果
在本節(jié)中，我們報(bào)告了在意大利拉斯佩齊亞的意大利海軍支援與實(shí)驗(yàn)中心（CSSN）設(shè)施中部署該系統(tǒng)所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)試分別于2024年5月和6月期間進(jìn)行。在兩次測(cè)試中，我們使用了兩艘配備AVS的AUV，并通過(guò)在水域中放置一個(gè)固定的聲學(xué)發(fā)射器來(lái)模擬水下目標(biāo)的存在。
仿真
為了完成所提出的多機(jī)器人水下跟蹤框架的驗(yàn)證和特性分析，我們進(jìn)行了廣泛的仿真實(shí)驗(yàn)。這些仿真旨在補(bǔ)充實(shí)際實(shí)驗(yàn)，探索在海上難以復(fù)制或成本高昂的場(chǎng)景，包括各種算法和環(huán)境參數(shù)。實(shí)際上，決定使用較少數(shù)量的AUV并在一個(gè)封閉且易于訪問(wèn)的水域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是為了……
結(jié)論與未來(lái)發(fā)展方向
本研究開(kāi)發(fā)了一種基于自主水下航行器的分布式多機(jī)器人系統(tǒng)，這些航行器配備了低成本的聲學(xué)矢量傳感器，用于使用僅方位測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)跟蹤水下聲源。在受控的海洋環(huán)境中進(jìn)行的縮比實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠在具有挑戰(zhàn)性的條件下（如淺水、多路徑傳播等）以令人滿意的精度估計(jì)目標(biāo)位置。
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Gianluca Antonelli：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、方法論研究、資金獲取、形式化分析。
Alessia Biondi：撰寫 – 審稿與編輯、初稿撰寫、可視化、驗(yàn)證、軟件開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)管理。
Andrea Caiti：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、研究工作、資金獲取。
Stefano Chiaverini：監(jiān)督、形式化分析、概念化設(shè)計(jì)。
Riccardo Costanzi：撰寫 – 審稿與編輯、監(jiān)督、方法論研究、概念化設(shè)計(jì)。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的可能會(huì)影響本文工作的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系。
致謝
我們感謝意大利大學(xué)與研究部（MUR）在“國(guó)家恢復(fù)與韌性計(jì)劃”（NRRP）下的資助，具體為任務(wù)4、組成部分2、投資1.1，招標(biāo)編號(hào)104（發(fā)布于2022年2月2日），該計(jì)劃由歐盟-NextGenerationEU資助，用于項(xiàng)目“COMET：海洋環(huán)境中的可組合自主性”（CUP: 2022TPSX25）和“PANACEA：使用自主機(jī)器人進(jìn)行自然海岸環(huán)境監(jiān)測(cè)”（CUP: ……）。
