Skip to main content

Lund University Publications

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Smart Technologies for Unmanned Surface Vessels : On the Path Towards Full Automation

Lager, Mårten LU (2019)
Abstract
As for the automotive industry, large efforts are being made by industry and
academia to create autonomous ships. Te solutions for this is very technologyintense, as many building blocks, often relying on AI technology, need to work
together to create a complete system that is safe and reliable to use. Even when
the ships are fully unmanned, humans are still foreseen to guide the ships when
unknown situations arise. Tis will be done through teleoperation systems.
In this thesis, methods are presented to enhance the capability of two building blocks that are important for autonomous ships; a positioning system, and a
system for remote supervision.
Te positioning system has been constructed to not rely on GPS... (More)
As for the automotive industry, large efforts are being made by industry and
academia to create autonomous ships. Te solutions for this is very technologyintense, as many building blocks, often relying on AI technology, need to work
together to create a complete system that is safe and reliable to use. Even when
the ships are fully unmanned, humans are still foreseen to guide the ships when
unknown situations arise. Tis will be done through teleoperation systems.
In this thesis, methods are presented to enhance the capability of two building blocks that are important for autonomous ships; a positioning system, and a
system for remote supervision.
Te positioning system has been constructed to not rely on GPS (Global Positioning System), as this system can be jammed or be spoofed. Instead, it uses
Bayesian calculations to compare the bottom depth and magnetic field measurements with known sea charts and magnetic field maps, in order to estimate the
position. State-of-the-art techniques for this method normally use low-accuracy
navigation sensors and high-resolution maps. Te problem is that there are hardly
any high-resolution maps available in the world, hence we present a method of the
opposite; namely using high-accuracy navigation sensors and low-resolution maps
(normal sea charts). Te results from a 20h test-run gave a mean position error of
10.2m, which would in most cases be accurate enough for navigation purpose.
In the second building block, we investigated, how 3D and VR approaches
could support the remote operation of unmanned ships with a low bandwidth
connection, by comparing respective GUIs with a Baseline GUI following the currently applied interfaces in such contexts. Our findings show, that both the 3D
and VR approaches outperform the traditional approach significantly. We found
the 3D GUI and VR GUI users to be better at reacting to potentially dangerous
situations compared to the Baseline GUI users, and they could keep track of the
surroundings more accurately. (Less)
Abstract (Swedish)
Precis som för bilindustrin, investeras stora belopp på att skapa obemannade fartyg. De huvudsakliga fördelarna är att säkerheten förväntas förbättras, vinsterna
kommer att öka, samt att utsläppen kommer att minska. Helt autonoma fraktfartyg förväntas kunna korsa Atlanten helt obemannat innan år 2030, och fram tills
dess förväntas tekniken gradvis förbättra säkerheten och ersätta arbetsuppgifter
som idag utförs av människor. Även för obemannade fartyg förväntas människor
utföra viktiga arbetsuppgifter, men då genom att färrstyra olika system.
I denna licentiatavhandling presenteras metoder för att förbättra två olika
byggblock som är viktiga för autonoma fartyg; ett positioneringssystem som inte
är GPS-beroende,... (More)
Precis som för bilindustrin, investeras stora belopp på att skapa obemannade fartyg. De huvudsakliga fördelarna är att säkerheten förväntas förbättras, vinsterna
kommer att öka, samt att utsläppen kommer att minska. Helt autonoma fraktfartyg förväntas kunna korsa Atlanten helt obemannat innan år 2030, och fram tills
dess förväntas tekniken gradvis förbättra säkerheten och ersätta arbetsuppgifter
som idag utförs av människor. Även för obemannade fartyg förväntas människor
utföra viktiga arbetsuppgifter, men då genom att färrstyra olika system.
I denna licentiatavhandling presenteras metoder för att förbättra två olika
byggblock som är viktiga för autonoma fartyg; ett positioneringssystem som inte
är GPS-beroende, och ett verktyg för färrövervakning av obemannat fartyg med
begränsad dataöverföringskapacitet.
Positioneringssystemet använder sig av en teknik som kallas Partikelfilter. Partikelfiltret jämför uppmätt djup och magnetism med kända kartor, och kan med
hjälp av sannolikhetsberäkning estimera var fartyget befinner sig. Till sin hjälp
används tusentals positionsuppskattningar (partiklar) som sprids på kartan, vilket
bildar ett partikelmoln. Om fartyget t.ex. mäter ett djup på 10 m, men kartan
säger att det ska vara 20 m djupt där partikeln är placerad, är det osannolikt att
partikeln är placerad på rätt ställe, vilket leder till att partikeln tas bort, till förmån
för partiklar som är bättre placerade. Efter varje iteration, kommer partikelmolnet
att uppdateras, och därmed följa fartygets korrekta position.
Systemet för färrövervakning av obemannat fartyg tar emot position från det
färrövervakade fartyget, samt information om detekterade objekt i omgivningen. Denna information, tillsammans med känd kartinformation, används för
att skapa en 3D-värld och ett användargränssnitt, där man kan övervaka fartyget
i den virtuella världen. Genom att bygga upp redan känd omgivning från kartor,
behöver inte lika mycket data överföras. En användarstudie i en simulerad värld
har visat att användargränssnittet i 3D ger mindre olyckor och bättre överblick
jämfört med ett traditionellt användargränssnitt. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
organization
alternative title
Smart teknologi för obemannade ytfartyg : På vägen mot full automation
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Virtual reality, human interaction, Positioning, Navigation, Unmanned Surface Vessel, Autonomous system, Teleoperation
edition
1
pages
158 pages
ISBN
978-91-7753-960-5
978-91-7753-961-2
project
Digital Cognitive Companion for Marine Vessels
language
English
LU publication?
yes
id
a0b87d25-4f64-4108-ab4b-44d15923a9f4
date added to LUP
2019-02-01 14:31:40
date last changed
2021-05-06 17:55:41
@misc{a0b87d25-4f64-4108-ab4b-44d15923a9f4,
  abstract     = {{As for the automotive industry, large efforts are being made by industry and<br/>academia to create autonomous ships. Te solutions for this is very technologyintense, as many building blocks, often relying on AI technology, need to work<br/>together to create a complete system that is safe and reliable to use. Even when<br/>the ships are fully unmanned, humans are still foreseen to guide the ships when<br/>unknown situations arise. Tis will be done through teleoperation systems.<br/>In this thesis, methods are presented to enhance the capability of two building blocks that are important for autonomous ships; a positioning system, and a<br/>system for remote supervision.<br/>Te positioning system has been constructed to not rely on GPS (Global Positioning System), as this system can be jammed or be spoofed. Instead, it uses<br/>Bayesian calculations to compare the bottom depth and magnetic field measurements with known sea charts and magnetic field maps, in order to estimate the<br/>position. State-of-the-art techniques for this method normally use low-accuracy<br/>navigation sensors and high-resolution maps. Te problem is that there are hardly<br/>any high-resolution maps available in the world, hence we present a method of the<br/>opposite; namely using high-accuracy navigation sensors and low-resolution maps<br/>(normal sea charts). Te results from a 20h test-run gave a mean position error of<br/>10.2m, which would in most cases be accurate enough for navigation purpose.<br/>In the second building block, we investigated, how 3D and VR approaches<br/>could support the remote operation of unmanned ships with a low bandwidth<br/>connection, by comparing respective GUIs with a Baseline GUI following the currently applied interfaces in such contexts. Our findings show, that both the 3D<br/>and VR approaches outperform the traditional approach significantly. We found<br/>the 3D GUI and VR GUI users to be better at reacting to potentially dangerous<br/>situations compared to the Baseline GUI users, and they could keep track of the<br/>surroundings more accurately.}},
  author       = {{Lager, Mårten}},
  isbn         = {{978-91-7753-960-5}},
  keywords     = {{Virtual reality; human interaction; Positioning; Navigation; Unmanned Surface Vessel; Autonomous system; Teleoperation}},
  language     = {{eng}},
  month        = {{02}},
  note         = {{Licentiate Thesis}},
  title        = {{Smart Technologies for Unmanned Surface Vessels : On the Path Towards Full Automation}},
  url          = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/57510323/Lic_Marten_Lund_Final.pdf}},
  year         = {{2019}},
}