Underwater snake robots in vortex wakes: Energy harvesting and position control

Abstract

Denne oppgaven utforsker mulighetene for bruk av bølgebevegelser til energisamling. Ved å utnytte virvlene som oppstår bak en sylinder er målet å oppnå energiautonomitet i artikulerte intervensjons-autonome undervannsfarkoster (AIAUV-er). Den relevante litteratur relatert til energisamling, simuleringsmodeller og posisjonskontroll av undervannsslangeroboter (USR-er) er gjennomgått. Deretter blir nødvendig teori vedrørende fluiddynamikk presentert. Videre er bevegelsesligningene for fire nedsenkede objekter beregnet. Den første modellen består av en dobbel pendel med ledd formet som rektangler. Disse er festet til en sylinder med en fjær og demper. Den andre modellen er et kvadrat med avrundede hjørner. Bevegelser blir her begrenset ved å koble kvadratet til en vegg og i tillegg en sylinder ved bruk av horisontale og vertikale fjærer og dempere. Den tredje modellen er en elliptisk pendel med tre ledd. Disse leddene er forbundet med roterende fjærer og dempere. For å begrense horisontal bevegelse er det første leddet gjort ubevegelig. Den siste modellen er også en elliptisk pendel bestående av tre ledd. Leddene er her koblet med fjærer. Det første leddet er i tillegg koblet til en sylinder med en fjær. De tre første modellene blir deretter implementert i COMSOL Multiphysics. For å vurdere om resultatene er troverdige, ble den siste modellen implementert i en simulator som har blitt verifisert i relaterte studier. Resultatene viser at alle modellene med dempere kan samle energi fra omgivelsene. Den horisontale og vertikale bevegelsen er lignende for begge simuleringsmetoder, og disse resultatene er derfor troverdige. Vinkelhastighetene varierer mye for de ulike modellene og impliserer at videre studier kreves for å vurdere troverdigheten av de målte vinkelhastighetene. Til slutt blir det foreslått en type kontroller som kan holde en bestemt posisjon i omgivelsene på tross av konstante forstyrrelser. Dette ved å bruke bølgebevegelser for fremdrift. Kontrollen blir så vurdert gjennom tre simuleringsstudier der posisjonsfeilen går mot null og oscillerer med en neglisjerbar amplitude.

This thesis investigates how energy can be harvested from the wake of a bluff body to achieve energy autonomy for an articulated intervention autonomous underwater vehicle (AIAUV) by using undulatory motions. The relevant literature concerning energy harvesting, simulation models of objects downstream from a cylinder and control methods regarding the motion of underwater snake robots (USR) is reviewed. Then, the necessary fluid mechanics theory is presented. The equations of motion for four submerged bodies are then derived. The first model is a double pendulum, consisting of two rectangular links connected by a rotational spring and damper, where the first link is connected to a cylinder. The second model is a square with smoothed edges constrained by springs and dampers connected to a cylinder and the lower end wall. The third model is an elliptical three link pendulum where the links are connected by rotation springs and dampers, the first link is immovable to constrain the horizontal motion of the system. The final model is an elliptical three link pendulum where the links are connected with linear springs and the first link is connected to a cylinder with a spring. The first three models are then implemented in COMSOL Multiphysics, while the last model is implemented in a simulator that has been computationally verified in related work and is used to assess the reliability of the models developed. The simulations show that all the models are capable of harvesting energy from the dampers, and the horizontal and vertical displacements observed for all models are similar, indicating that the results are reliable. However, the angular velocity varies between the models, implying that assessing the reliability of these results has to be investigated in future work. Finally, a controller for holding a desired position in the presence of constant disturbances, while maintaining an undulatory gait is proposed. The performance of the controller is investigated through three simulation studies, where the position error approaches zero as it oscillates with a negligible amplitude.