The Development of a Low Cost Inertial Navigation System for a Remotely Operated Vehicle

<p>Modern robotic vehicles use a large and varied set of sensors to navigate and localise their position in the environment and determine where they should be heading to accomplish their tasks. These sensors include GPS, infrared and ultrasonic range finders, laser scanners and sonar. However, the underwater environment presents challengers for modern robotic vehicles because most sensors that are typically used for navigation and localisation have reduced or no functionality underwater. This thesis details the design and construction of a low cost Inertial Navigation System use on the Victoria University of Wellington's (VUW) Mechatronics group Remotely Operated Vehicle (ROV). The major electronic systems, comprising of the onboard computer and microcontroller, of the ROV have been upgraded to allow for the increased computational power that the Inertial Navigation System needs and to allow further upgrading and installation of electrical and electronic systems in the vehicle as they are required. Modifications to the chassis allow quick and simple disassembly of the ROV to repair or replace major components if the need arises.</p>

The Development of a Low Cost Inertial Navigation System for a Remotely Operated Vehicle

<p>Modern robotic vehicles use a large and varied set of sensors to navigate and localise their position in the environment and determine where they should be heading to accomplish their tasks. These sensors include GPS, infrared and ultrasonic range finders, laser scanners and sonar. However, the underwater environment presents challengers for modern robotic vehicles because most sensors that are typically used for navigation and localisation have reduced or no functionality underwater. This thesis details the design and construction of a low cost Inertial Navigation System use on the Victoria University of Wellington's (VUW) Mechatronics group Remotely Operated Vehicle (ROV). The major electronic systems, comprising of the onboard computer and microcontroller, of the ROV have been upgraded to allow for the increased computational power that the Inertial Navigation System needs and to allow further upgrading and installation of electrical and electronic systems in the vehicle as they are required. Modifications to the chassis allow quick and simple disassembly of the ROV to repair or replace major components if the need arises.</p>

Design Considerations for Deep-Ocean Scientific Robotic Vehicles

Oceans cover 72% of the Earth's surface, house immense living and non-living resources, and play a key role in regulating the planet's climate. Robotic vehicles are essential for exploring vast deep-ocean resources, spatiotemporal monitoring of oceans to understand the patterns of climate change, monitoring marine pollution, providing defense, and identifying assets lost in the oceans. The article discusses key design considerations for realizing safe, reliable, and efficient deep-ocean unmanned and manned robotic vehicles capable of operating in challenging environments characterized by high hydrostatic pressure, low temperature, salinity, darkness, dynamic medium, and soft seabed conditions. Strategic technologies to enable cost-effective and increased spatiotemporal monitoring including homing and docking stations, autonomous intervention vehicles, swarm robotic systems, and bio-inspired vehicle designs are discussed.

Control of networked autonomous robotic vehicles

Η διατριβή αυτή έχει ως αντικείμενο τον έλεγχο δικτυωμένων αυτόνομων ρομποτικών οχημάτων, καθώς και την αξιολόγησή του σε πειραματικό επίπεδο. Τα ρομποτικά οχήματα επιστρατεύονται είτε αυτόνομα είτε συνεργατικά σε μία κυρτή περιοχή ή σε μία μη­κυρτή περιοχή με εμπόδια. Τα ερευνητικά αντικείμενα που εξετάζονται είναι ο σχεδιασμός τροχιάς (trajectory planning), ο έλεγχος κίνησης (motion control), η αποφυγή εμποδίων (obstacle avoidance), η καλυψιμότητα χώρου (area coverage), καθώς και η επιστροφή σε γνωστές θέσεις (homing). Η βασική συνεισφορά της διατριβής έχει ως εξής. Πρώτον, σχεδιάστηκε μία αυτοματοποιημένη μέθοδος για τη δημιουργία μίας κατά τμήματα ελάχιστου χρόνου τροχιάς για ρομποτικά οχήματα. Δεύτερον, υλοποιήθηκε ένας ελεγκτής κίνησης για ρομποτικά οχήματα ο οποίος λαμβάνει υπόψη του τα εμπόδια. Τρίτον, προτείνεται μία νέα μέθοδος για την ανάθεση περιοχών αρμοδιότητας στα ρομπότ, η οποία και χρησιμοποιείται για την εξαγωγή βέλτιστων κατανεμημένων νόμων ελέγχου για τις διεργασίες της καλυψιμότητας χώρου και της επιστροφής σε γνωστές θέσεις, εντός μη­κυρτής περιοχής με εμπόδια. Τέλος, κάθε διεργασία αξιολογείται μέσα από πειράματα χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο πραγματικών ρομποτικών οχημάτων, τα οποία με τη σειρά τους ελέγχονται σε πραγματικό χρόνο με τη βοήθεια εργαλείων υπολογιστικής γεωμετρίας. Τα πειράματα διεξάγονται χρησιμοποιώντας ρομποτικά οχήματα με διαφορική κίνηση, με την υποστήριξη ενός συστήματος εντοπισμού θέσης που υλοποιήθηκε για αυτό το σκοπό. Αυτό το σύστημα εντοπισμού θέσης, το οποίο στηρίζεται σε κάμερες και στη χρήση λογισμικού επαυξημένης πραγματικότητας, αποτελεί το βασικό μέσο για την εκτίμηση της θέσης των ρομπότ εντός της περιοχής ενδιαφέροντος. Η προκύπτουσα θέση και ο προσανατολισμός κάθε ρομπότ συνδυάζεται με τις μετρήσεις από τους τροχούς του, έτσι ώστε να εκτιμηθεί η πλήρης του κατάσταση. Επιπλέον, για τον αποτελεσματικό έλεγχο των ρομπότ, λαμβάνονται υπόψη στο σύνολο της διατριβής, τόσο το κινοδυναμικό μοντέλο του ρομποτικού οχήματος με διαφορική κίνηση, όσο και οι κινηματικοί του περιορισμοί. Η απλούστερη μέθοδος για τον έλεγχο ενός ρομπότ είναι μέσω του σχεδιασμού τροχιάς. Αφότου ορίσουμε την συνάρτηση τροχιάς και τις ιδιότητές της, προτείνουμε μία αυτοματοποιημένη μέθοδο δημιουργίας τροχιάς βέλτιστου χρόνου, δεδομένου ενός συνόλου σημείων που πρέπει να διασχίσει το ρομπότ. Με βάση την αρχική θέση και ταχύτητα του ρομπότ, η μέθοδος αυτή συνδέει τα σημεία με τη σειρά, ανά δύο, αξιοποιώντας τις καμπύλες Bezier τρίτης τάξης. Χρησιμοποιώντας μεθόδους βελτιστοποίησης υπό μη­γραμμικούς περιορισμούς, τα εκάστοτε τμήματα Bezier βελτιστοποιούνται ως προς τη χρονική διάρκεια υπό τους περιορισμούς στις ταχύτητες και στις επιταχύνσεις του ρομπότ. Το πρόβλημα βελτιστοποίησης απλοποιείται μέσω της εύρεσης ριζών πολυωνύμων και οδηγεί σε μία εφικτή, ομαλή τροχιά, που εκμεταλλεύεται όσο το δυνατόν περισσότερο τη δυναμική του ρομπότ. Παρόλο που οι τροχιές μπορούν εύκολα να ενσωματώσουν τη δυναμική του ρομπότ, δεν αποτελούν αποτελεσματικό τρόπο ελέγχου των ρομπότ ενός σμήνους, όπου η κίνησή τους καθορίζεται από τις αλληλεπιδράσεις τους. Στις περισσότερες διεργασίες με ρομποτικά σμήνη, ο ελεγκτής υψηλού επιπέδου του κάθε ρομπότ παρέχει μία επιθυμητή διεύθυνση κίνησης, επομένως απαιτείται ένας ελεγκτής κίνησης για να μετατρέψει αυτήν την διεύθυνση στην είσοδο ελέγχου του ρομπότ. Ως πρώτο βήμα, σχεδιάσαμε έναν ελεγκτή κίνησης ο οποίος δεν λαμβάνει υπόψη του την περιοχή, αλλά οδηγεί το ρομπότ όσο το δυνατόν γρηγορότερα προς μία επιθυμητή κατεύθυνση, λαμβάνοντας υπόψη τους δυναμικούς περιορισμούς, την περίοδο δειγματοληψίας και τη μέγιστη απόσταση κίνησης. Αυτός ο ελεγκτής γενικεύεται έτσι ώστε εκτός από τη δυναμική και τους περιορισμούς, να λαμβάνει υπόψη του την περιοχή και τις διαστάσεις του ρομπότ, προκειμένου να αποφευχθούν τα εμπόδια στο πεδίο ορατότητας του ρομπότ. Η απόδοση αυτών των ελεγκτών αξιολογείται μέσω πειραμάτων στον έλεγχο θέσης, εντός κυρτής, αλλά και μη-κυρτής περιοχής, όπου η διεύθυνση κίνησης καθορίζεται από το συντομότερο μονοπάτι από το ρομπότ στον στόχο του. Τέλος, βασιζόμενοι στους παραπάνω ελεγκτές κίνησης, εξετάσαμε τον κατανεμημένο έλεγχο σε ομάδα πολλαπλών ρομπότ. Ύστερα από την πειραματική αξιολόγηση ορισμένων γνωστών στρατηγικών καλυψιμότητας χώρου για κυρτές περιοχές, στραφήκαμε στον κατανεμημένο έλεγχο εντός μη-κυρτών περιοχών με εμπόδια. Αρχικά, αναπτύχθηκε μία μέθοδος ανάθεσης τμημάτων της μη-κυρτής περιοχής στα ρομπότ, όπου τα μέρη που ανατίθενται στο κάθε ρομπότ καθορίζονται σύμφωνα με την έννοια του ορατού πεδίου. Με βάση την παραπάνω μέθοδο, εξήχθησαν βέλτιστοι χωρικά κατανεμημένοι αλγόριθμοι για το πρόβλημα της επιστροφής σε γνωστές θέσεις, καθώς και για το πρόβλημα της καλυψιμότητας χώρου, εκφράζοντας το κάθε πρόβλημα μέσω μίας κατάλληλα επιλεγμένης συγκεντρωτικής συνάρτησης σκοπού.

Stealthy Attacks against Robotic Vehicles Protected by Control-based Intrusion Detection Techniques

Robotic vehicles (RV) are increasing in adoption in many industrial sectors. RVs use auto-pilot software for perception and navigation and rely on sensors and actuators for operating autonomously in the physical world. Control algorithms have been used in RVs to minimize the effects of noisy sensors, prevent faulty actuator output, and, recently, to detect attacks against RVs. In this article, we demonstrate the vulnerabilities in control-based intrusion detection techniques and propose three kinds of stealthy attacks that evade detection and disrupt RV missions. We also propose automated algorithms for performing the attacks without requiring the attacker to expend significant effort or to know specific details of the RV, thus making the attacks applicable to a wide range of RVs. We demonstrate the attacks on eight RV systems including three real vehicles in the presence of an Intrusion Detection System using control-based techniques to monitor RV’s runtime behavior and detect attacks. We find that the control-based techniques are incapable of detecting our stealthy attacks and that the attacks can have significant adverse impact on the RV’s mission (e.g., deviate it significantly from its target, or cause it to crash).