Modeling and control of underwater snake robots for operations in dynamically changing environments

Abstract

In this thesis, a complex three-dimensional (3D) model of underwater snake robots (USR) in closed form has been investigated and implemented. The 3D model includes hydrodynamic effects such as linear and nonlinear drag effects and ocean current effects, in addition to hydrostatic effects and the effect of added effectors such as thruster forces. A C++ implementation of the 3D USR model has been performed for the simulation platform FhSim. The implementation is generalized to n links and it includes all modeled effects from the 3D USR model. Additionally, an implicit integration method has been implemented in C++ for FhSim such that the simulated USR can be executed in real-time, thus making the implemented USR model well-suited for control-design purposes.

Furthermore, in this thesis, well-known control concepts developed for unmanned underwater vehicles (UUV) have been adapted and implemented to demonstrate autonomous guidance and control of USRs in 3D. In particular, an integral line-of-sight (ILOS) guidance law has been added to the implemented 3D USR model to showcase the different gait patterns, properties, and behavior of a USR. This guidance law has been combined with the low-level control system of the USR using a proportional derivative (PD) controller. Extensive simulation case studies, including a use case of USRs in aquaculture, have been conducted to test and verify the implementation of the model equations and the control system of the USR operating in a 3D space. The results show that the USR follows the predefined path of waypoints in 3D and compensates for the ocean current effects. Furthermore, the results show that the behavior of the USR is as expected from the model equations presented in the background theory.

I denne oppgaven har en kompleks tredimensjonal (3D) modell av undervanns-slangeroboter (USR) i lukket form blitt undersøkt og implementert. Modellen inkluderer hydrodynamiske effekter som lineære og ulineære drageffekter og havstrømseffekter, i tillegg til hydrostatiske effekter og tilleggseffektorer som thrusterkrefter. En C++-implementasjon av 3D USR-modellen er utført for simuleringsplattformen FhSim. Implementasjonen er generalisert for n antall ledd, og den inkluderer alle modellerte effekter fra USR-modellen. I tillegg har en implisitt integrasjonsmetode blitt implementert i C++ for FhSim slik at simuleringen av USR-en kan utføres i sanntid, noe som igjen er egnet for kontrolldesign.

Videre i denne oppgaven har velkjente kontrollkonsepter utviklet for ubemannede undervannsfartøy blitt implementert for å demonstrere autonom kontroll av USR-er i 3D. Nærmere bestemt har en integral "line-of-sight" (ILOS) veiledningslov blitt lagt til i den implementerte 3D USR-modellen for å vise de ulike gangmønstrene, egenskapene og oppførselen til en USR. Denne veiledningsloven er kombinert med lavnivå-kontrollsystemet til USR-en gjennom en proporsjonal-derivasjonskontroller (PD). Simuleringseksperimenter, inkludert et bruksområde for USR-er i akvakultur, har blitt gjennomført for å teste og verifisere implementasjonen av modelllikningene og kontrollsystemet til USR-en som opererer i 3D. Resultatene viser at USR-en følger den forhåndsdefinerte stien i 3D og kompenserer for havstrømseffektene. I tillegg viser resultatene at oppførselen til USR-en er som forventet fra modellikningene presentert i bakgrunnsteorien.