Methods for Visual Inspection and Mapping of Subsea Structures and Rough and Steep Underwater Terrain Using Articulated Underwater Robots

Abstract

Med økende interesse i områder som havutforskning, er det nødvendig å kunne utføre inspeksjoner og intervensjon i trange og krevende områder. I dag utføres de fleste operasjoner som omhandler visuell inspeksjon og kartlegging ved hjelp av fjernstyrte undervannsfarkoster. Men, det er vanskelig å få tilgang til områder med krevende terreng ved bruk av disse farkostene. Et konsept med potensialet for å utvide tilgang til krevende områder er undervanns-slangeroboter. Dette er artikulerte robotoer inspirert av biologiske slanger. Roboten sin slanke form, i tillegg til muligheten til å endre konfigurasjon, gjøre at artikulerte undervanns roboter er bedre egnet for utforskning av krevende undervannsterreng enn tradisjonelle undervannsfarkoster.

Denne oppgaven presenterer en simuleringsmodell for kontroll av undervanns-slangeroboter med thrustere i et visuelt miljø, med mulighet til å implementere styringssystemer og simulerte sensormålinger i fremtiden. Den valgte simuleringsplattformen er Plankton-simulatoren, som er en open source simulator for forskning på maritim robotikk, og er bygget ved bruk av Gazebo og UUV Simulator som har blitt gjort kompatibel med ROS 2. Oppgaven beskriver den nødvendige dynamikken til undervanns-slangeroboter for å kunne sette sammen en matematisk modell. Den matematiske modellen består av kinematikk og kinetikk for marine fartøy, kombinert med kinematikk for manipulatorarmer. Enkel hydrodynamikk for sylinderformede legemer er inkludert, mens hydrodynamiske effekter som oppstår på grunn av interaksjon mellom flere legemer er sett bort fra. Metoder for styring av undervanns-slangeroboter med tanke på inspeksjon diskuteres, og en mulig metode er å følge veipunkter mens man utnytter artikulering ved å rotere hodet til roboten slik at kameraet alltid er ideelt posisjonert. En modell for en undervanns-slangerobot basert på Eelmue roboten EELY500 blir implementert i Plankton-simulatoren. Kode for en eksisterende ROV er brukt som referanse, og en allerede eksisterende hastighetskontroller er gjenbrukt og innstilt for å tilpasse seg kontroll av slangeroboten. Leddvinklene til roboten kan defineres av en bruker før simulatoren kjøres, men de kan ikke endres dynamisk under simulering.

Simuleringer utføres der slangeroboten mottar kommandoer ved hjelp av en joystick til å bevege seg i jag, svai og hiv, og de resulterende posisjonene til slangeroboten blir vist. På grunn av vinklene til thrusterene som er plassert på styrbord og babord side av roboten, blir det indusert momenter som må kompenseres for. Dette kan føre til større strømforbruk enn nødvendig, og kan potensielt unngås ved å plassere thrusterene slik at de kun produserer kraft i en retning i forhold til fartøyet. Simuleringsresultatene sammenliknes med resultater fra felteksperimenter hvor liknende tester gjennomføres. Ifølge disse resultatene oppnår den virkelige roboten høyere hastigheter enn den simulerte modellen, og det blir konkludert at dette sannsynligvis er forårsaket av utilstrekkelige kontrollparametere. Det oppsto en feil i en av thrusterene under felteksperimentene, men roboten kunne fortsatt kontrolleres uten problemer, som viser viktigheten av redundans i systemet. Resultatene viser også at det er kopling i frihetsgradene til roboten. som stemmer overens med teorien. Derfor er det nødvendig å implementere et mer avansert kontrollsystem i simulatoren for å oppnå mer optimal kontroll av roboten.

With a growing interest in fields like ocean discovery, there is a need for inspection and intervention in confined and demanding areas. Today, most operations regarding visual inspection and mapping are carried out by remotely operated vehicles. However, it is difficult to access areas with demanding terrain using these vehicles. One concept with the potential to increase accessibility to demanding areas are underwater snake robots. These are articulated underwater robots inspired by biological snakes. The robot's slender shape, in addition to the ability to change body configurations, make the articulated underwater robots better suited to explore challenging underwater terrain than traditional underwater vehicles.

This thesis presents a simulation model for control of underwater snake robots with thrusters in a visual environment, with the possibility of implementing guidance systems and simulated sensor measurements in the future. The simulation platform of choice is the Plankton simulator, which is an open source simulator for maritime robotics researchers, that is built using Gazebo with the plugin UUV Simulator which has been made compatible with ROS 2. The thesis describes the dynamics of underwater snake robots necessary for creating a mathematical model. The mathematical modeling consists of kinematics and kinetics for marine crafts, combined manipulator kinematics. Simple hydrodynamics for cylindrical bodies are included, while the hydrodynamic effects concerning multiple bodies affecting each other are disregarded. Methods for guiding underwater snake robots for inspection operations are discussed, and one potential method is waypoint following while taking advantage of articulation by rotating the head of the robot to make sure the camera position is always ideal. A model of an underwater snake robot based on the Eelume vehicle EELY500 is implemented in the Plankton simulator. Code for a previously existing ROV is used a reference, while a previously existing speed controller is reused and tuned for better control of the snake robot. The joint angles of the robot can be specified before launch, however they can not be changed dynamically during simulations.

Simulations are performed where the snake robot receives input from a joystick to move in surge, sway and heave, and the resulting positions of the snake robot are shown. Because of the angles of the thrusters placed on the starboard and port side of the robot, moments are induced that need to be compensated for. This may cause more power consumption than necessary, and can potentially be avoided by making sure the thrusters only produce forces in a single direction compared to the body of the vehicle. The simulation results are compared to results from a field experiment where similar tests are performed. These results suggest that the real robot achieved higher velocities than the simulated model, and it is concluded that the most likely cause is insufficient controller gains. One thruster malfunctioned during the field experiments, however the robot could still be controlled without issues, which supports the importance of redundancy in the system. Results also show that there is coupling in the degrees of freedom of the robot which coincides with the theory. Therefore it is necessary to implement a more advanced control system in the simulator to achieve more optimal control of the robot.