Cooperative and interaction control for underwater robotic vehicles
Authors: Heshmati-Alamdari Shahabodin 
Published: September 2021

Σε αυτή τη διατριβή αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα του ευρωστου ελέγχου υποβρύχιων ρομποτικών οχημάτων υπό περιορισμούς πόρων, εμπνευσμένα από πρακτικές εφαρμογές στον τομέα της θαλάσσιας ρομποτικής. Με τον όρο «περιορισμούς των πόρων» αναφέρομαστε σε συστήματα με περιορισμούς στην επικοινωνία, την ανίχνευση και τους ενεργειακούς πόρους. Στο πλαίσιο αυτό, ο απώτερος στόχος της παρούσας διατριβής έγκειται στην ανάπτυξη και υλοποίηση αποτελεσματικών στρατηγικών ελέγχου για αυτόνομα ενιαία και πολλαπλά υποβρύχια ρομποτικά συστήματα, λαμβάνοντας υπόψη σημαντικά ζητήματα όπως: εξωτερικές διαταραχές, περιορισμένες πηγές ενέργειας, αυστηρούς περιορισμούς επικοινωνίας μαζί με υποβρύχια ανίχνευση και εντοπισμό θέματα. Συγκεκριμένα, εστιάσαμε στις μεθοδολογίες ελέγχου αλληλεπίδρασης για μονά και πολλαπλά υποβρύχια οχήματα με ρομποτικό βρχίονα (UVMS), εξετάζοντας τα προαναφερθέντα ζητήματα και περιορισμούς, ένα θέμα εξαιρετικά προκλητικής περιοχής της θαλάσσιας ρομποτικής. Πιο συγκεκριμένα, οι συνεισφορές αυτής της διατριβής βρίσκονται στο πεδίο εφαρμογής τριών θεμάτων: i) Ελέγχου κίνησης, ii) οπτική ανατροφοδότηση και iii) Αλληλεπίδραση \& Συνεργατική μεταφορά. Στο πρώτο μέρος, διατυπώσαμε με γενικό τρόπο το πρόβλημα της κίνησης ενος αυτόνομου υποβρυχίου οχήματος (AUV) που λειτουργεί σε περιορισμένο περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένων των εμποδίων. Διάφοροι περιορισμοί όπως: εμπόδια, τα όρια του χώρου εργασίας, ανω όριο κορεσμού του προωθητήρα, το εύρος ανίχνευσης του συστήματος και το προκαθορισμένο ανώτερο όριο της ταχύτητας του οχήματος, λαμβάνονται υπόψη κατά τη διάρκεια του σχεδιασμού ελεγκτή. Επιπλέον, ο ελεγκτής έχει σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε το όχημα να εκμεταλλεύεται τα θαλάσσια ρεύματα, γεγονός που έχει ως αποτέλεσμα τη μειωμένη κατανάλωση ενέργειας από τους προωθητήρες και συνεπώς αυξάνει σημαντικά την αυτονομία του συστήματος. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, διατυπώσαμε μια σειρά από νέες στρατηγικές ελέγχου μέσω οπτικής ανατροφοδοτησής, προκειμένου να σταθεροποιήσουμε το ρομπότ (ή τον τελικό τελεστή του ρομπότ) κοντά στο σημείο ενδιαφέροντος λαμβάνοντας υπόψη σημαντικά θέματα όπως: κάμερα οπτικής απεικόνισης (FoV), αβεβαιότητες βαθμονόμησης κάμερας και ανάλυση αλγορίθμου οπτικής παρακολούθησης. Στο τρίτο μέρος της διατριβής, σχετικά με την αλληλεπίδραση, παρουσιάζουμε ένα έυρωστο σχήμα ελέγχου αλληλεπίδρασης για ένα UVMS σε επαφή με το περιβάλλον, με σπουδαίες εφαρμογές στην υποβρύχια ρομποτική (π.χ. δειγματοληψία των θαλάσσιων οργανισμών, υποβρύχια συγκόλληση, χειρισμός αντικειμένων). Το προτεινόμενο σχήμα ελέγχου δεν απαιτεί εκ των προτέρων γνώση των δυναμικών παραμέτρων του UVMS ή του μοντέλου ακαμψίας. Εξασφαλίζει μια προκαθορισμένη συμπεριφορά όσον αφορά την επιθυμητή υπέρβαση, παροδική και σταθερή αντίδραση και είναι έυρωστη σε σχέση με τις εξωτερικές διαταραχές και τους θορύβους μέτρησης. Επιπλέον, αντιμετωπίσαμε το πρόβλημα της μεταφοράς συνεταιριστικών αντικειμένων για μια ομάδα UVMS σε ένα περιορισμένο χώρο εργασίας που περιλαμβάνει στατικά εμπόδια. Πρώτον, για την περίπτωση που τα ρομπότ είναι εφοδιασμένα με τους κατάλληλους αισθητήρες δύναμης / ροπής στο τελικό στοιχείο δράσης τους, έχουμε προτείνει ένα αποκεντρωμένο σχέδιο ελέγχου σύνθετης αντίστασης με τον συντονισμό να στηρίζεται αποκλειστικά σε σιωπηρή επικοινωνία που προκύπτει από τη φυσική αλληλεπίδραση των ρομπότ με το αντικείμενο που πιάστηκε συνήθως. Δεύτερον, για περιπτώσεις όπου τα ρομπότ δεν είναι εφοδιασμένα με αισθητήρα δύναμης / ροπής στο τελικό στοιχείο δράσης τους, έχουμε προτείνει μια προσέγγιση αποκεντρωμένης πρόβλεπτκού ελέγχου, η οποία λαμβάνει υπόψη τους περιορισμούς που απορρέουν από τον κορεσμό εισόδου ελέγχου καθώς και από τις κινηματικές περιορισμούς και ιδιότητες. Τέλος, πολλαπλές αριθμητικές προσομοιώσεις που διεξάγονται σε περιβάλλοντα MATLAB και ROS, μαζί με εκτεταμένα πειράματα σε πραγματικό χρόνο που διεξάγονται με τον διαθέσιμο ρομποτικό εξοπλισμό του εργαστηριού αυτομάτου έλεγχου (Control Systems Lab, CSL), αποδεικνύουν και επαληθεύουν την αποτελεσματικότητα των ισχυρισθέντων αποτελεσμάτων.