Contribution to the model and navigation control of an autonomous underwater vehicle
Authors:   , González Agudelo Julián 
Published: August 2023

This thesis deals with the further development of an existing underwater vehicle for autonomous navigation. The vehicle was conceived to navigate over the sea surface and, at certain fixed points, to dive vertically in order to obtain a profile of a water column. The main objectives of the thesis are the improvement of the hardware and software of the vehicle in order to make it fully operational, and the design and implementation of control techniques for autonomous navigation.
The problem of autonomous navigation is addressed first with the calculation of an hydrodynamic model in 3DoF. An extensive study about the selection of the coefficients is performed, using a linearized model. The calculation of the coefficients is done using two approaches: a geometric one and another one based on least squares techniques applied to experimental data obtained during sea trials. The least squares method gives satisfactory results and the simulations fits the experimental data.
The resulting hydrodynamic model is completed with the physical constraints of the actuators of the vehicle. Solving the autonomous navigation problem requires the design of controllers for both the inner loop (dynamic) and the outer loop (kinematic). Several solutions based on type-1 TSK fuzzy control are presented for velocity control, yaw control, pure pursuit navigation, and path following. The fuzzy controller is used to manage different linear controllers designed for specific conditions.
The hydrodynamic model plays an important role in the design of the controller for the inner loop. In addition, a gain scheduled controller is designed to validate a particular case of the fuzzy controller in the inner loop.
Regarding the finishing of the vehicle to be fully operational, the improvements begin with a new driver for the lateral thrusters because they lacked backwards movement capability. Additionally, upgrades in the handling of the vehicle had to devised. In this respect, a wireless on/off system is presented to power the vehicle, and a WiFi connection is adapted to manipulate the software of the vehicle remotely. Furthermore, a study of the currents and power of the immersion system in order to reduce the power consumption is performed, and the hardware is improved with the inclusion of some commercial devices, like an IMU, CTD, and acoustic localization system.
The software is improved in several aspects. First, some problems derived from previous works are debugged. The system is then restructured with a multithread development, which provides robustness and modularity. As the system needed an extension of the protocol communication for easy handling, a robust protocol communication is implemented with the possibility to execute scripts. Finally, the existing graphical user interface is simplified in order to provide only the information required by the operator.
In order to improve the buoyancy of the vehicle, several foams are designed, adjusted to the geometry of the vehicle, and a ballast system is also included for fine adjustment.
Finally, several tests in the laboratory, a swimming pool, a channel, and at sea are performed in order to check the performance of the vehicle. Results show a correct behavior of hardware and software, and also validate the performance of the controllers designed for autonomous navigation.
Esta tesis aborda el desarrollo de un vehículo submarino existente para la navegación autónoma. El vehículo fue concebido para navegar sobre la superficie del mar siguiendo ciertos puntos preestablecidos, y hacer inmersiones verticales con el fin de obtener un perfil de una columna de agua. Los objetivos principales de la tesis son la mejora del hardware y el software del vehículo con el fin de que sea plenamente operativo, y el diseño e implementación de técnicas de control para la navegación autónoma. El problema de la navegación autónoma se aborda primero con el cálculo de un modelo hidrodinámico en 3 grados de libertad. Un extenso estudio sobre la selección de los coeficientes se realizó usando un modelo linealizado. El cálculo de los coeficientes se obtuvo utilizando dos enfoques: primero un enfoque geométrico, y luego un enfoque basado en técnicas de mínimos cuadrados aplicados a los datos experimentales obtenidos durante las pruebas de mar. El método de mínimos cuadrados da resultados satisfactorios y las simulaciones se ajustan a los datos experimentales. El modelo hidrodinámico resultante se completa con las limitaciones físicas de los actuadores del vehículo. Resolver el problema de navegación autónoma requiere el diseño de controladores tanto para el lazo interno (dinámico) como el lazo exterior (cinemático). En este sentido se presentan varias soluciones basadas en controladores difusos TSK tipo 1 para el control de velocidad, control de guiñada, navegación "pure pursuit", y "path following". El controlador difuso se utiliza para gestionar diferentes controladores lineales diseñados para condiciones específicas, y el modelo hidrodinámico juega un papel importante en el diseño del controlador del lazo interno. Además, se diseñó un controlador tipo "gain scheduling" para validar un caso particular del controlador difuso. En cuanto a poner el vehículo completamente operativo, las mejoras comienzan con un nuevo controlador para los propulsores laterales pues éstos carecían del movimiento en reversa. Adicionalmente se realizaron varias mejoras respecto a la fácil manipulación del vehículo. En este sentido se implementó un sistema inalámbrico para el encendido y apagado del vehículo, y se adaptó una conexión WiFi para poder manipular el software remotamente. Luego, se realizó estudio de las corrientes y voltajes implicados en el sistema de inmersión con el fin de reducir el consumo de energía, y finalmente el hardware se mejora con la inclusión de algunos dispositivos comerciales como un IMU, CTD, y sistema de localización acústica. El software se mejora en varios aspectos. En primer lugar, algunos de los problemas derivados de desarrollos anteriores se depuran. A continuación, el sistema se reestructura con un desarrollo multi-hilo que proporciona robustez y modularidad. Debido a que el sistema necesitaba la extensión del protocolo de comunicación para un fácil manejo, se implementó un protocolo de comunicación robusto con la posibilidad de ejecutar scripts. Por último, se simplifica la interfaz gráfica de usuario existente con el fin de proporcionar solamente la información necesaria para el operador. Con el fin de mejorar la flotabilidad del vehículo, se diseñan varias espumas ajustadas a la geometría del vehículo, y también se incluye un sistema de lastre para un ajuste fino. Por último, se hicieron varias pruebas en laboratorio, piscina, un canal, y en el mar con el fin de comprobar el rendimiento del vehículo. Los resultados muestran un comportamiento correcto de hardware y software, y también validan el funcionamiento de los controladores diseñados para la navegación autónoma.