Underwater Autonomous Grasping of Dead Fish Using a UVMS

Abstract

Motivert av forekomsten av døde fisk og økende bruk av roboter innen akvakultur, fokuserte denne masteroppgaven på utvikling og evaluering av kontroll-løsninger for et undervannsfartøy-manipulator-system (UVMS) bestående av BlueROV2 og Reach Alpha 5, med spesifikt mål om å gripe døde fisk. Dette er en utfordrende og delikat operasjon på grunn av hydrodynamiske effekter og fiskens glatte og bløte egenskaper.

Forskningen adresserte hele prosessen med å gripe døde fisk, inkludert deteksjon, posisjons-estimering, konvergens og gripe-mekanismer. En kontroll-metodikk inspirert av oppgave-prioriteringsrammeverket ble utviklet, og adresserte utfordringer med oppgaveovergang ved hjelp av en sigmoidfunksjon. I tillegg ble adaptiv justering lagt til i den kinematiske kontroll-loven for å takle endringer i systemets situasjon, og sikre mer responsiv kontroll i de ulike delene av oppgaven. For å forhindre singularitet under operasjonen, ble en gradientbasert optimeringsmetode med bruk av manipulerbarhetsindeksen implementert.

En 3D visuell simulering ble utviklet ved bruk av Simscape innenfor Simulink-miljøet. I stedet for å bruke de komplekse dynamiske ligningene til et UVMS, ble simuleringen strukturert slik at det autonome undervannsfartøyet (AUV) ble modellert ved hjelp av dynamiske ligninger, med koblingskrefter fra manipulatoren introdusert som forstyrrelser. Dynamikken til manipulatoren ble konstruert ved hjelp av Simscape, og utnyttet dette verktøyet for å nøyaktig modellere robot armen innenfor fysikk-motoren. Simuleringsresultatene viste effektiv konvergens, der UVMS-en unngår uønskede kollisjoner med den døde fisken og utnytter alle tilgjengelige frihetsgrader for å nå et stabilt gripepunkt, og dermed validerer kontroll-metodikken. Studien evaluerte også lovende objekt-deteksjonsmetoder for å oppdage og estimere døde fiskers posisjon. Studien utforsket også gripe-mekanismer som tar sikte på å oppnå et stabilt grep på død fisk.

Motivated by the occurrence of dead fish and the increasing use of robots within aquaculture, this Master’s thesis focused on developing and evaluating control solutions for an underwater vehicle-manipulator system (UVMS) consisting of the BlueROV2 and Reach Alpha 5, specifically targeting the task of grasping dead fish. This is a challenging and delicate operation due to the hydrodynamic effects and the slippery and non-rigid nature of the target.

The research addressed the entire process of grasping dead fish, including detection, pose estimation, convergence, and grasping. A control methodology inspired by the task priority framework was developed, addressing challenges in task transition with a sigmoid function. Additionally, adaptive tuning was incorporated into the kinematic control law to address changes in the system’s situation, ensuring more responsive control in the different parts of the task. A gradient-based optimization approach using the manipulability index was implemented to prevent singularity during the operation.

A 3D visual simulation was developed using Simscape within the Simulink environment. Instead of incorporating the complex dynamic equations of a UVMS, the simulation was structured such that the autonomous underwater vehicle (AUV) was modeled using dynamic equations, with coupling forces from the manipulator introduced as disturbances. The dynamics of the manipulator were constructed using Simscape, leveraging this tool to model the robot arm within the physics engine accurately. The simulation results demonstrated effective convergence, where the UVMS is avoiding undesired collision with the dead fish and utilizing all available DOF to reach a stable grasping point, thus validating the control methodology. The study also evaluated promising object detection methods for detecting and estimating dead fish pose. Additionally, the study explored grasping mechanisms to achieve a stable grasp of the dead fish.