Hierarchical tracking control of an articulated intervention-AUV

Abstract

Autonome undervannsroboter har allerede revolusjonert den maritime næringen, og muliggjort operasjoner som ellers ville vært umulige. Økt autonomi er ønskelig av flere grunner, inkludert kostnadseffektivitet og sikkerhet. Med dette i tankene har det ved NTNU blitt utviklet en slangelignende, flerleddet robot, designet for autonom undervannsintervensjon (eng.: articulated intervention autonomous underwater vehicle (AIAUV)). I tillegg til flere aktuerte ledd er roboten utstyrt med thrustere, noe som gjør den i stand til å utføre et bredt spekter av oppgaver, både inspeksjonsoppgaver som vanligvis utføres med AUV-er og intervensjonsoppgaver som vanligvis utføres med fjernstyrte farkoster (eng.: remotely operated vehicle (ROV)). Denne masteroppgaven tar for seg problemet med intervensjonskontroll for en AIAUV. Vi tilpasser en hierarkisk styringsregulator opprinnelig utviklet for en standard, fastmontert manipulatorarm til en undervannsrobot med fritt bevegelig base, slik som AIAUV-en. Artikkelen som presenterte regulatoren tok ikke hensyn til interaksjonskrefter, så regulatoren ble testet i et eksperiment med kontakt på en robotarm med fast base. Kjernen i arbeidet vårt er imidlertid utvidelsen av regulatoren til undervannsfartøymanipulatorsystemer (eng.: underwater vehicle-manipulator system (UVMS)), som legger til kompensasjon for hydrodynamisk demping, samt et glideflateledd (eng.: sliding mode term) for å oppnå robusthet mot forstyrrelser og modellfeil. Den asymptotiske stabiliteten til systemet under påvirkning av avgrensede forstyrrelser er bevist. En regulator som bruker en kontinuerlig tilnærming av glideflateleddet er også utviklet, og endelig begrensning (eng.: ultimate boundedness (UB)) av feilen er bevist. De foreslåtte kontrollmetodene er validert gjennom en simuleringsstudie for en AIAUV, som for det meste bekrefter de teoretiske resultatene.

Autonomous underwater robots have already revolutionized the marine fields, enabling operations that would otherwise be impossible. Increased autonomy is desirable for several reasons, including cost-efficiency and safety. The articulated intervention autonomous underwater vehicle (AIAUV) was developed by researchers at NTNU with this in mind. It is a highly redundant, snake-like robot equipped with thrusters, capable of performing a wide range of tasks, both inspection tasks typically done with AUVs and intervention tasks conventionally done with remotely operated vehicles (ROVs). This thesis considers the problem of intervention control for an AIAUV. We adapt a hierarchical tracking controller originally developed for a standard manipulator arm to the case of a floating-base articulated robot like the AIAUV. The paper that presented the controller did not consider interaction forces, so the controller is tested in an experiment with contact on a redundant, fixed-base robot arm. The core of our work, however, is the extension of the controller to underwater vehicle-manipulator systems (UVMSs), adding compensation for hydrodynamic damping, as well as a sliding mode term to obtain robustness to disturbances and model errors. The asymptotic stability of the system in the presence of bounded disturbances is proven. A controller using a continuous approximation of the sliding mode term is also developed, and ultimate boundedness is proven. The proposed control methods are validated through a simulation study for an AIAUV, mostly confirming the theoretical results.