Guidance and maneuvering principles for autonomous ROV missions in an aquaculture context

Abstract

Bidraget fra denne masteroppgaven er et nytt guidningssystem for navigering av fjernstyrte kjøretøy (ROVer) basert på en konstant referansemodell kombinert med veipunktfølging. Dette bidraget er et resultat av ønsket om å implementere mer autonomi i akvakulturdrift med tanke på fiskevelferd og mer uavhengighet av menneskelige operatører. Før det nye systemet skulle etableres ble det gjennomført en litteraturstudie som skulle gi en oversikt over forskjellige teknikker brukt i baneplanlegging av ROV og ROV drift ved oppdrettsanlegg. Den samlede avsluttende bemerkningen fra denne litteraturgjennomgangen er at en konstant rykkreferansemodell er godt egnet for baneplanlegging både når det gjelder ønsket oppførsel og beregningskompleksitet i fiskemerder. Det er også lite forskning og litteratur på hvordan oppdrettfisken blir påvirket av roboter i merden.

ROVer er i dag mye brukt i havbruksnæringen i forskjellige bruksområder som nettinspeksjoner, fiskeobservasjoner og andre inngrep. For å redusere avhengigheten av overflateskip og fjernoperatører, kan det være verdt å øke de autonome mulighetene til ROV. Den overordnede motivasjonen bak denne oppgaven er å øke graden av autonomi i ROV-operasjoner for å gjøre ROV til et mer effektivt verktøy for akvakulturdrift. Dette er på bakgrunn av at høyere grad av autonomi vil kunne føre til lavere kostnader, økt nøyaktighet og effektivitet, samt opprettholde sikkerheten i slike operasjoner. En avansert kontrollarkitektur, som inkluderer en baneplanlegger, vil føre til økt effektivitet og nøyaktighet. Og ikke minst, tilfredsstillende ytelse av det integrete systemet vil ivareta sikkerheten. Mange deler av guidningssystemer for ROVer er likt som på overflatefartøy. Men det er også en del forskjeller, som krever tilpassede løsninger. Spesielt navigasjonssystemet er forskjellig på ROVer, siden de er under vannoverflaten, der et vanlig GPS system ikke er mulig å ha.

Guidning av ROVer er nødvendig for å utføre automatiske oppgaver som banesporing og nettovervåking, og guidningsmodusene krever forskjellige nivåer av operatørinteraksjon. Denne oppgaven foreslår en konstant rykkreferansemodell, en enkel og intuitiv referansemodell for A til B-bevegelser og banesporing. Ideen er å generere ønskelige hastigheter ved å integrere en konstant rykk (tidsderivert akselerasjon) som vil være på eller av. Noen fordeler er at maksimal hastighet er lav, og akselerasjons- og retardasjonstrinn er korte. Dette minimerer bevegelsen og vibrasjonene ROV kan forårsake miljøet rundt og gir en forutsigbar oppførsel av ROVen. Dette er positivt for både fisk og eventuelle operatører.

Referansemodellen og styresystemet er utviklet og implementert inn i Argus Mini ROV-styringssystemet, og utgjør et system som gjør det mulig for Argus Mini å utføre veipunktfølging av en bane mellom punkter som er sammenkoblet av et rett linjesegment. For å teste kvaliteten på banene som ble generert, ble ROVen simulert til å følge et sett med ønskede veipunktene. ROVen ble simulert ved hjelp av kontrollsystemet og simulatoren opprettet av SINTEF Ocean i FhSim og Aqueous.

De oppnådde simuleringsresultatene viser at planlegging av baner under vann for ROVer er lovende. Veipunktfølge-modusen med en sikker hjemkomstfunksjon, viser tilfredsstillende ytelse i simuleringer. Simuleringene viste også at metoden var robust mot endringer i ønsket dybde og når den ble utsatt for miljøforstyrrelser.

The contribution from this master's thesis is a new guidance and maneuvering system for navigating ROVs based on a constant jerk reference model combined with waypoint following. This contribution results from the desire to implement more autonomy in aquaculture operations to decrease the dependency of human operators, all while concerning fish welfare. Beforehand to establish the new system, a literature review is carried out to overview different techniques applied in trajectory planning of ROVs and ROV operations at fish farms. The general concluding remark from this literature review is that a constant jerk reference model is well suited for trajectory planning both in terms of the desired behaviour and computational complexity inside net pens. There is also little research and literature on how farmed fish are affected by robots inside the cage.

ROVs are today widely used in the aquaculture industry in different applications such as net inspections, fish observations and interventions. To reduce the reliance on surface ships and remote operators, there could be value in increasing the autonomous capabilities of ROVs. The overall motivation behind the work is to increase the level of autonomy in ROV tasks to make the ROV a more efficient tool for aquaculture operations. This is due to the fact that a higher degree of autonomy could lead to lower costs, increased accuracy and efficiency, as well as maintaining safety in such operations. An advanced control architecture, which includes an autonomous path planner, will lead to increased efficiency and accuracy. And not least, satisfactory performance of the integrated system will ensure safety. Many parts of a guidance system for an ROV is similar to that of surface vessels and ships. However, there are some differences as well, which require special solutions. Especially the navigation system is different for ROVs, as they are below the surface, and a normal GPS system is not possible to have.

Guidance of the ROV is needed to perform automatic tasks such as waypoint tracking and net following, and the guidance modes require different levels of operator interaction. This thesis proposes a constant jerk reference model, a simple and intuitive reference model for A to B moves and trajectory tracking. The idea is to generate feasible desired velocities and positions by integrating a constant jerk that will be on or off. This is specially an advantage in aquaculture, as well as it could benefit other general usages. Some benefits are that the maximum velocity is low, and acceleration and deceleration stages are short. This minimizes the motion and vibrations of the ROV, and cause less disturbance to the environment around; the farmed fish and cleaner fish. It also gives a predictable behaviour of the ROV, which is of benefit for the operator.

The reference model and guidance system are developed and implemented into the Argus Mini ROV control system, constituting a system enabling the Argus Mini to perform waypoint following by trajectory of paths consisting of waypoints interconnected by a straight line segment. To test the feasibility of the trajectories generated, the ROV following the desired waypoints was simulated using the control system and simulator created by SINTEF Ocean in FhSim and Aqueous. Last, the results were presented.

The simulation results obtained show that the concept of underwater trajectory planning using ROVs is promising. The waypoint following mode with safe return home capability shows satisfactory performance in simulations. The simulations also show that the method is robust to changes in desired depth and when exposed to environmental disturbances.