A Multi-Stage Heading Control Approach for Autonomous Usv Navigation in Gnss-Denied Environments with Uav Cooperation

航向(导航) 全球导航卫星系统应用 阶段(地层学) 计算机科学 实时计算 工程类 电信 航空航天工程 全球定位系统 地质学 古生物学
作者
Muhayy Ud Din,Xiaoyu He,Hailiang Kuang,Siyuan Yang,Waseem Akram,Defu Lin,Lakmal Seneviratne,Dong Yihao,Shaoming He,Irfan Hussain
标识
DOI:10.2139/ssrn.4845706
摘要

Unmanned Surface Vessels (USVs) require robust navigation strategies for tasks like reaching specific targets autonomously in adverse weather conditions. Typically, the target position is well-defined, and USV localization is performed using Global Navigation Satellite Systems (GNSS) sensors. However, GNSS-denied environments, uncertain target locations, and harsh weather conditions make it difficult for traditional navigation approaches to work properly. This paper presents a novel control-based framework for robust autonomous navigation of a USV in GNSS-denied maritime environments with uncertain target locations. The framework employs a heterogeneous robotic system consisting of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and a USV. It uses a multi-stage heading control approach with autonomous mode switching based on target proximity. Initially, UAV provides localization and guidance for the USV. As the target enters the USV's camera field-of-view, navigation modes switch to visual servoing. Finally, upon target acquisition within the LiDARs range, the LiDAR-based navigation stage recalculates the precise position of the target vessel to minimize the uncertainty of the target pose for precise maneuvering.The framework's effectiveness was validated in real-world sea conditions during the Muhammad Bin Zayed International Robotic Competition. The results demonstrate the proposed framework's potential for robust USV navigation in extreme weather conditions.
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