Robust Task-Priority Control of Underwater Vehicle-Manipulator Systems

Abstract

Autonome undervassfarkostar blir stadig meir komplekse. For å kunne utføre ei større mengd oppgåver under vatn er dei utstyrte med fleire propellar og tidomtil manipulatorar. Dette gjer dei såkalla undervassfarkost-manipulator-systemene (UVMS-ene) til robotar med høg grad av friheit, som kan både sveve og interagere med omgivnadene sine. På grunn av kompleksiteten til desse farkostane er det vanskeleg å fange opp dei hydrodynamiske kreftene som verkar på dei. Dette gjer det vanskeleg å byggje ein nøyaktig matematisk modell. Her kjem motivasjonen for å bruka robuste styringsmetodar som kan utnytta kapasitetane deira samstundes. Denne avhandlinga vurderer redundanseløysing både på kinematisk og dynamisk nivå av UVMS-ar. Kinematisk redundanseløysing blir brukt for å leggja til rette for samarbeidet mellom to vidt forskjellige UVMS-ar. Ein metode for referansegenerering er utforma for å synkronisere manipulatorane deira slik at dei kan utføre oppgåver saman. Vidare blir dynamisk redundanseløysing brukt i tilfellet når ein har dynamiske modelleringsfeil. Den følgjande oppgåvedynamikken blir utleid eksplisitt, og ein original analyse blir gitt. Analysen avslører ei algebraisk løkke på grunn av kopling mellom oppgåvenivåa, som blir tilskrive feil estimert oppgåvetregleik. I begge tilfelle blir ``super-twisting''-styring implementert for å oppnå robust sporing av referanseverdiane. Eit simuleringsstudie blir gjennomført for begge tilfelle, noko som bekreftar dei teoretiske resultata.

Autonomous underwater vehicles are becoming increasingly complex. In order to perform a multitude of subsea tasks, they are equipped with more thrusters and manipulator arms. As a result, underwater vehicle-manipulator systems (UVMSs) are high-degree-of-freedom robots that can hover and interact with their environment. Due to the complexity of these vehicles and hydrodynamics in general, the hydrodynamic forces that act on them are very hard to capture. This prevents the construction of an accurate mathematical model. This motivates the need for robust controllers that can simultaneously leverage their capabilities, and specifically their redundancy. This thesis considers redundancy resolution both at the kinematic and dynamic levels of UVMSs. Kinematic redundancy resolution is used to facilitate the cooperation between two widely different UVMSs. A reference generation scheme is designed to synchronize their end-effectors so that they can execute tasks jointly. Moreover, dynamic redundancy resolution is used in the presence of dynamic modeling errors. The resulting task-level dynamics are derived explicitly and a novel analysis is provided. The analysis reveals an algebraic loop due to coupling between the task levels, which is attributed to erroneous estimation of the task inertias. In both cases, a super-twisting sliding mode controller is implemented to achieve robust trajectory tracking. Simulation studies are conducted for both cases, which demonstrate the theoretical results.