Implementation of a quaternion-based PD controller in ROS2 for a generic underwater vehicle with six degrees of freedom

Abstract

Denne bachelor rapporten omhandler implimentasjonen av en ulineær PD regulator for et generelt undervannsfartøy med 6 frihetsgrader i ROS2. Rapporten vil dekke metodene og løsningen brukt for å utvikle en fungerende regulator node i ROS2.

En forsksningsgruppe ved Intitutt for teknisk kybernetikk, ved NTNU, har hatt et ønske om å få utviklet et fleksibelt system i ROS2 for å tilrettelegge for sensorbruk og data innsamling, og på lengre sikt tilrettelegge for autonom multi agent kontroll. Vår oppgave har derfor vært å utvikle et kontrollsystem som kan gjennomføre slike oppgaver.

I den teoretiske delen forklares nyttig kunnskap om undervannsfartøy, samt ROS2 funksjonaliteter. Det er også en beskrivelse av de ulike undervannsfartøyene brukt for testing, samt spesielle hensyn tatt for hver av dem.

Det har blitt implimentert en dynamisk posisjons kontroller i et ROS2 miljø. Rapporten beskriver hvordan gruppen utvidet kontrolleren til å inkludere spesifikke funksjoner, samtidig som fleksibiliteten til det generelle oppsettet ble ivaretatt. Kontrolleren er utviklet med den hensikt at den skal kunne bli brukt på alle slags undervannsfartøy. Det vil si at den skal kunne fungere på både ROV'er og AUV'er, og både med og uten tilbakekoblet regulering.

For å finne regulator parametere for det virkelige systemet har det også blitt utviklet en simulator. Rapporten inneholder derfor en simulator analyse, med tilhørende matematiske prinsipper som legger grunnlaget for slik simulering.

For å sikre at kontrolleren er generell, har det blitt utført tester på forskjellige BlueROV2 Heavy fartøy, samt på Beluga Mk.2, et undervannsfartøy utviklet av student organisasjonen Vortex NTNU. Disse testene viser at kontrollsystemet fungerer utmerket i kontrollerte omgivelser, og spesielt når det gjelder styring med joystick. Flere resultater er fremhevet i rapporten, inkludert en sammenligning mellom virkelig og simulert system.

This thesis describes the implementation of a non-linear PD controller for a generic underwater vehicle with six degrees of freedom in ROS2. The thesis covers the methods and solutions used to develop a functioning controller node in ROS2.

A research group under the Department of Engineering Cybernetics at NTNU has a desire to develop a flexible system in ROS2, capable of aiding in the collection of sensor data and ultimately, enable automatic multi agent control. Our task was to develop a control system that may perform such operations.

In the theoretical section, we explain useful knowledge regarding underwater vehicles as well as ROS2 functionality. The section also includes a description of the various vehicles used for testing and the specific considerations for each of them.

We have implemented a dynamic positional controller as a module in a ROS2 environment. The thesis explains how the group expanded the controller to include specific features, while keeping the flexibility of a generic setup. The controller is created with the idea that it can be used on any UUV system, hence the controller can be used by ROVs and AUVs alike, with or without feedback control.

The group also created a simulator in order to help with finding control parameters for the real system. The thesis therefore includes a simulation study explaining how mathematical principles were used to facilitate this.

To ensure the controller is generic, tests have been conducted on different BlueROV2 Heavys, as well as on the Beluga Mk.2 AUV, a vehicle developed by the student organisation Vortex NTNU. These tests have proved that the control system handles admirably in controlled environments, especially when it comes to functionality regarding joystick control. Some results are highlighted in the report, including comparisons with the simulated environment.