Προσδιορισμός της βέλτιστης θέσης πρόσδεσης και σχεδιασμός κίνησης αυτονόμου υποβρύχιου οχήματος φέροντος ρομποτικό βραχίονα (IAUV) για την εκτέλεση υποθαλάσσιων χειρισμών
Authors: Σωτηρόπουλος Παναγιώτης 
Published: September 2021

Η πρόοδος στη βιομηχανία υδρογονανθράκων ωθεί τα όρια των νέων εγκαταστάσεων εξόρυξης σε ολοένα και μεγαλύτερα βάθη. Νέα πεδία ανακαλύπτονται, ενώ νέες τεχνικές εκμετάλλευσης ιδρυτών θα αρχίσουν να αναπτύσσονται στο προσεχές μέλλον. Οι παραπάνω εξελίξεις έχουν σαν αποτέλεσμα την συνεχή αύξηση του αριθμού των υποθαλάσσιων εγκαταστάσεων οι οποίες απαιτούν τακτική παρακολούθηση και συντήρηση, που είναι και η κύρια αιτία της συνεχούς ανάπτυξης του πεδίου των Μη-επανδρωμένων Υποθαλάσσιων Οχημάτων (Unmanned underwater vehicles, UUV). Σήμερα η πλειοψηφία των UUV που χρησιμοποιούνται για υποθαλάσσιους χειρισμούς είναι Τηλεχειριζόμενα Υποθαλάσσια Οχήματα (Remotely operated vehicles, ROV) που απαιτούν αντίστοιχο όχημα υποστήριξης στην επιφάνεια και πεπειραμένους χειριστές καθώς αυτά επιχειρούν. Για την ελαχιστοποίηση του κόστους των συγκεκριμένων εργασιών και του χρόνου αποστολής αναπτύσσεται μια τάση αυτοματοποίησης των αποστολών ROV αφήνοντας στον χειριστή έναν ρόλο επιβλέποντα. Επιπλέον η ανάπτυξη των Αυτόνομων Υποθαλάσσιων Οχημάτων εξοπλισμένων με ρομποτικό βραχίονα (Intervention autonomous underwater vehicles, IAUV) στηρίζεται πάνω στην εξέλιξη αντίστοιχων μεθόδων για αυτόνομη εκτέλεση εργασιών από υποθαλάσσια οχήματα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την ανάπτυξη μεθόδων για την βέλτιστη εκτέλεση υποθαλάσσιων εργασιών από IAUV με την ανάπτυξη μεθόδων καθορισμού της βέλτιστης θέσης πρόσδεσης και σχεδιασμού κίνησης για το όχημα κοντά στην περιοχή εργασίας. Έπειτα από μία εισαγωγική ενότητα γύρω από τις εφαρμογές και τις εργασίες των υποθαλάσσιων οχημάτων γίνεται μία ανάλυση της αποστολής και ένας αρχικός διαχωρισμός του σχεδιασμού κίνησης μακριά και κοντά στην περιοχή εργασίας. Εστιάζοντας στην περίπτωση που το IAUV βρίσκεται κοντά στην περιοχή εργασίας και πριν εκτελέσει το σύνολο των εργασιών της αποστολής, μπορούν να αναγνωριστούν τρεις διακριτές περιπτώσεις εργασίας που σχετίζονται με τις υπάρχουσες εγκαταστάσεις. Η πρώτη αφορά εργασίες σε εγκαταστάσεις με ήδη υπάρχουσες θέσεις πρόσδεσης ειδικά διαμορφωμένες για λειτουργία ROV. Η δεύτερη αφορά περιπτώσεις όπου στην περιοχή εργασίας δεν έχουν προβλεφθεί θέσεις πρόσδεσης για το όχημα, οπότε αυτό θα πρέπει να προσδέσει αυτόνομα για να εκτελέσει το σύνολο των εργασιών με τον πιο αποδοτικό τρόπο. Τέλος, η τρίτη αφορά περιπτώσεις που η πρόσδεση κοντά στην περιοχή εργασίας δεν είναι εφικτή, συνεπώς το όχημα θα πρέπει να δημιουργήσει ένα σχέδιο κίνησης για την εκτέλεση των απαιτούμενων εργασιών με κινούμενη βάση.Έπειτα από την σχετική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας γύρω από τα υπάρχοντα συστήματα πρόσδεσης, αρχικά γίνεται μία μελέτη τροποποίησης των τυποποιημένων δομών πρόσδεσης για τηλεχειριζόμενα οχήματα, έτσι ώστε να ευνοούν διαδικασίες αυτόνομης πρόσδεσης. Η τροποποίηση αφορά την εισαγωγή ενός συστήματος μηχανικής οδήγησης του IAUV κατά την πρόσδεση και στην ενσωμάτωση ενεργών οπτικών στοιχείων και παθητικών ακουστικών στοιχείων για τον σχετικό προσδιορισμό της θέσης του. Παρουσιάζεται μια κινηματική ανάλυση του συστήματος μηχανικής οδήγησης που προτείνεται με τη χρήση λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων.Στην συνέχεια και εξετάζοντας την περίπτωση όπου απουσιάζουν δομές πρόσδεσης στην περιοχή εργασία αναπτύσσεται μια μέθοδος για τον υπολογισμό της βέλτιστης θέσης του οχήματος δεδομένης της τρέχουσας θέσης του και της θέσης του σημείου εργασίας έτσι ώστε να μπορεί να εκτελέσει τις εργασίες της αποστολής με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η επιδεξιότητα του βραχίονα λαμβάνεται υπόψη σαν κύριο κριτήριο βελτιστοποίησης ενώ εξετάζονται οι περιπτώσεις ενός και πολλαπλών σημείων εργασίας. Για την περίπτωση πολλαπλών σημείων εργασίας λαμβάνεται υπόψη μια περιοχή ελέγχου (που ορίζεται από έναν αριθμό σημείων ελέγχου) και εισάγεται ένας ειδικά τροποποιημένος δείκτης επιδεξιότητας. Ο υπολογισμός της τιμής του δείκτη επιδεξιότητας για τις διαμορφώσεις του βραχίονα του οχήματος γίνεται με αναλυτικό τρόπο για έναν μικρό αριθμό σημείων ελέγχου μέσα στην επιφάνεια. Με την αύξηση των σημείων ελέγχου για την καλύτερη προσέγγιση του δείκτη προτείνεται η χρήση ενός τεχνητού νευρωνικού δικτύου για τον ταχύτερο υπολογισμό της τιμής του δείκτη επιδεξιότητας.Αναγνωρίζοντας τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η χρήση νευρωνικών δικτύων για την προσέγγιση συναρτήσεων αναπτύσσονται δύο τύποι νευρωνικών δικτύων, για την προσέγγιση δυο γνωστών δεικτών επιδεξιότητας, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους βαθμούς ελευθερίας του συστήματος IAUV. Με την χρήση των νευρωνικών δικτύων η διαδικασία υπολογισμού επιταχύνεται σε μεγάλο βαθμό και μπορούν έτσι να χρησιμοποιηθούν σε αλγορίθμους σχεδιασμού κίνησης που εκτελούνται σε πραγματικό χρόνο. Οι δείκτες επιδεξιότητας αντιστοιχούνται με κάποιες από τις συνηθέστερες υποθαλάσσιες εργασιών που εκτελούνται από ROV. Η συσχέτιση αυτή προσφέρει μια μετρική σχετικά με την καταλληλότητα των διαμορφώσεων ενός IAUV κατά την κατάρτιση του σχεδίου κίνησης.Τέλος για την τρίτη περιοχή εργασιών χωρίς πρόσδεση, αναπτύσσονται δύο μέθοδοι ολικού και τοπικού σχεδιασμού κίνησης για την εκτέλεση υποθαλάσσιων εργασιών από IAUV. Ο υπολογισμός του ολικού και του τοπικού σχεδιασμού κίνησης στηρίζεται πάνω στη χρήση εξελικτικών αλγορίθμων. Χρησιμοποιείται η έννοια των Bump-surfaces για την αναπαράσταση του χώρου εργασίας και την αποφυγή των εμποδίων καθώς και επιπλέον κριτήρια βελτιστοποίησης για να επιτευχθεί το αποδοτικότερο σχέδιο κίνησης για το όχημα. Ο αλγόριθμος τοπικού σχεδιασμού κίνησης μπορεί να υλοποιήσει το σχέδιο κίνησης που προκύπτει από τον αλγόριθμο ολικού σχεδιασμού κίνησης ή να δημιουργήσει ένα νέο σχέδιο κίνησης με βάση της τελευταίες πληροφορίες για το περιβάλλον. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τα συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική εργασία στηριζόμενες στις παρατηρήσεις που έγιναν κατά την εκπόνηση της διατριβής.