Control of autonomous surface marine vessels for underwater vehicle localization using single range acoustic measurements : doctoral thesis - Mandić, Filip; Mišković, Nikola (Zagreb : F. Mandić ; Fakultet elektrotehnike i računarstva, 2019)
Mobile beacon vehicles are used as a navigational aid for autonomous underwater vehicles when performing navigation using single range measurements. They remove the constraints imposed on the underwater vehicle trajectory by executing trajectory that provides informative range measurements. In thesis, a novel control algorithm for the beacon vehicle which ensures observability of the underwater vehicle's navigation filter is presented. The algorithm was tested in real--life environment and the acquired experimental results were validated using a metric proposed in the thesis. In the case when it is not possible to acquire range measurements, time difference of arrival of an acoustic signal can be used for localization. Therefore, control algorithm for an autonomous surface system consisting of two acoustic receivers, capable of measuring the time difference of arrival of an underwater acoustic signal and utilizing this value in order to steer the system towards the acoustic source, is presented. Furthermore, simulation results are shown, where the influence of a constant disturbance caused by sea currents, and a relationship between the time difference of arrival measurement noise and the sensor baseline are investigated. Experimental results in which the algorithm was deployed on two autonomous surface vehicles equipped with acoustic receivers have shown that the algorithm successfully steers the vehicle formation towards the acoustic source, despite the noisy and intermittent measurements.

Scientific contributions of the thesis are novel control algorithms for acoustic localization and navigation of the underwater vehicles and validation method for underwater navigation and localization algorithms using single range measurements.
Mobilni predajnici potpomažu navigaciju autonomnih podvodnih vozila prilikom navigacije jednostrukim mjerenjima udaljenosti. Omogućuju slobodne trajektorije podvodnih vozila, budući da oni izvršavaju trajektorije koje pružaju informativna mjerenja udaljenosti potrebna za navigaciju. U disertaciji, predstavljen je nov algoritam za upravljanje mobilnim predajnikom koji osigurava osmotrivost navigacijskoga sustava na podvodnome vozilu. Algoritam je testiran u stvarnim uvjetima i prikupljeni eksperimentalni rezultati su validirani korištenjem metrike predložene u disertaciji. U slučaju kada nije moguće pribaviti mjerenja udaljenosi, razlika dolaska akustičkoga signala se može koristiti za lokalizaciju. Stoga je u radu predstavljen upravljački algoritam za autonomni površinski sustav, koji se sastoji od dva akustička prijemenika, sposoban mjeriti razliku vremena dolaska podvodnoga signala i koristiti navedenu vrijednost kako bi se sustav naveo prema izvoru signala. Nadalje, prikazani su simulacijski rezulati u kojima je istražen utjecaj konstanih poremećaja uzrokovanih morskim strujama na rad algoritma te veza između mjernoga šuma u mjerenju razlike vremena dolaska signala i duljine osnovice koju čine dva akustička prijemnika. Ekspreimentalni rezultati u kojima je algoritam izveden na dva autonomna površinska vozila opremljena akustičkim prijemnicima su pokazali da algoritam uspješno vodi formaciju vozila prema izvoru akustičkoga signala usporkos zašumljenim i isprekidanima mjerenjima.

Znanstveni doprinos disertacije su upravljački algoritmi za akustičku lokalizaciju i navigaciju podvodnih vozila te metode validacije alogritama za podvodnu lokalizaciju i navigaciju kroištenjem jednostrukih mjerenja udaljenosti.
Bibliografija str. 125-131.