Design and Prototyping of a Universal Docking Station for Small Underwater Vehicles

Abstract

Denne avhandlinga presenterer utforminga og utviklinga av ei undervannsdockingstasjon for små undervannskøyretøy. Målet med denne forskinga er å takle avgrensingane til eksisterande dockingystem ved å eliminere behovet for kabelført strøm og gjere det mogleg med utvida operasjonstid utan at køyretøya må kome opp til overflata for å lade batteria sine. Den føreslåtte dockingstasjonen nyttar eit flytebasert dokkekonsept og ein universal designtilnærming for å kunne tilpasse seg ulike små undervannskøyretøy med minimal tilpassing. Forskingsmetoden byggjer på Design Thinking-tankesetta med vekt på rask prototyping og testing.

Den iterative designprosessen utforskjer utviklinga av dockekonseptet og legg spesiell vekt på utviklinga av den spesifikke dockingmekanismen og sekvensen. Gjennom fleire designiterasjonar og omfattande testing oppnår ein eit endeleg design for dockingstasjonen, som viser framragande dockingseffektivitet med 100\% suksessrate i 25 påfølgjande testar med bruk av undervannskøyretøyet Blueye X3. Dockestasjonen inkluderer ei trakt for å rettleie køyretøyet til ladeposisjonen, i tillegg til ein finnemontert sekundær ladepuck som nyttar magneter som gripemekanisme for å sikre køyretøyet under lading.

Den utvikla dockingstasjonen har potensial til å forbetre driftseffektiviteten og utvide oppdragsvarigheita for små undervannskøyretøy. Ved å integrere dockingstasjonen i Trondheimsfjorden kan ein etablere ein testfasilitet for små undervannskøyretøy, som vil bidra til vidare utvikling og framsteg innan autonom undervannsoperasjon. Framtidige arbeid inkluderer dimensjonering og produksjon av dockingstasjonen for å sikre slitestyrke i driftsmiljøet, integrering med instrumentriggen og innføring av visuelle markørar for betre navigasjon og orientering.

Konklusjonen er at denne avhandlinga presenterer ein innovativ utforming av ein undervannsdockingstasjon som utnyttar flyteprinsippet og nyttar ein universal tilnærming for å takle avgrensingane til eksisterande system. Den vellykka utviklinga og testinga av dockingstasjonen viser potensialet for å forbetre ytelsen til små undervannskøyretøy og bidra til vidare utvikling av autonom undervannsoperasjon.

This thesis presents the design and development of a subsea docking station for small underwater vehicles. The goal of this research is to address the limitations of existing docking systems by eliminating the need for a tether and enabling extended operational time without requiring the vehicles to resurface for battery recharge. The proposed docking station utilizes a buoyancy-based docking concept and a universal design approach to accommodate various small underwater vehicles with minimal retrofitting. The research methodology employs Design Thinking mindsets, emphasizing rapid prototyping and testing.

The iterative design process explores the evolution of the docking concept, focusing on the specific docking mechanism and sequence development. Through multiple design iterations and extensive testing, a final docking station design is achieved, demonstrating excellent docking performance with a 100\% success rate across 25 consecutive tests using the Blueye X3 underwater vehicle. The docking station incorporates a funnel to guide the vehicle into the charging position, along with a fin-mounted charging puck, utilizing magnets as a gripping mechanism to secure the vehicle during charging.

The potential impact of the developed docking station lies in its ability to enhance operational efficiency and extend mission durations for small underwater vehicles. Moreover, the integration of this docking station in the Trondheimsfjord provides a testing facility for small underwater vehicles, fostering further development and advancing the field of autonomous underwater operations. Future work includes dimensioning and manufacturing the docking station for durability in the operational environment, integration with the instrument rig, and the incorporation of visual markers for improved navigation and orientation.

In conclusion, this thesis presents an innovative subsea docking station design that leverages buoyancy and a universal approach to address the limitations of current systems. The successful development and testing of the docking station demonstrate its potential for improving the performance of small underwater vehicles and contributing to the evolution of autonomous underwater operations.