Hydrobatik: Effektiva och Smidiga Undervattensroboter
Tid: Må 2020-12-14 kl 14.00
Ämnesområde: Farkostteknik
Licentiand: Sriharsha Bhat , Farkostteknik och Solidmekanik
Granskare: Dr Alexander Phillips, National Oceanography Centre
Huvudhandledare: Ivan Stenius, Farkostteknik och Solidmekanik; Dimos V. Dimarogonas, Reglerteknik, Centrum för autonoma system, CAS, ACCESS Linnaeus Centre
Abstract
Termen hydrobatik avser förmåga att utföra avancerade manövrer med undervattensfarkoster. Syftet är att, med bibehållen fart och räckvidd, utvigda den operationella förmågan i manövrering, vilket möjliggör helt nya användningsområden för maximering av kostnadseffektivitet. I denna avhandling undersöks fördelar och tekniska utmaningar relaterade till hydrobatik som tillämpas på undervattensrobotar, vanligen kallade autonoma undervattensfarkoster (AUV). Avhandlingen bidrar till ny kunskap i simulering, reglering samt tillämpning i experiment av dessa robotar genom en strukturerad metod för att realisera hydrobatisk förmåga i realistiska scenarier.
Tre nyttoområden beaktas - miljöövervakning, havsproduktion och säkerhet. Inom dessa nyttoområden har ett antal scenarios identifierats där en kombination av smidighet i manövrerbarhet samt effektivitet i prestanda är avgörande för robotens förmåga att utföra sin uppgift. För att åstadkomma detta måste två viktiga tekniska utmaningar lösas. För det första har dessa AUVer färre styrytor/trustrar än frihetsgrader, vilket leder till utmaningen med underaktuering. Utmaningen beskrivs i detalj och lösningsstrategier som använder optimal kontroll och modellprediktiv kontroll belyses. För det andra är flödet runt en AUV som genomför hydrobatiska manövrar komplext med övergång från laminär till stark turbulent flöde vid höga anfallsvinklar. Detta gör flygdynamikmodellering svår. En full 0-360 graders flygdynamikmodell härleds därför, vilken kombinerar en multi-tillförlitlighets hydrodynamisk databas med en generaliserad strategi för komponentvis-superpositionering av laster. Detta möjliggör prediktering av hydrobatiska manövrar som t.ex. utförande av looping, roll, spiraler och väldigt snäva svängradier i realtids- eller nära realtids-simuleringar.
I nästa steg presenteras ett cyber-fysikaliskt system (CPS) – där funktionalitet som härrör från simuleringar kan överföras till de verkliga användningsområdena på ett effektivt och säkert sätt. Simulatormiljön är nära integrerad i robot-miljön, vilket möjliggör förvalidering av reglerstrategier och mjukvara innan hårdvaruimplementering. En egenutvecklad hydrobatisk AUV (SAM) används som testplattform. CPS-konceptet valideras med hjälp av SAM i ett realistiskt sceanrio genom att utföra ett sökuppdrag av ett nedsänkt föremål under fältförhållanden.
Resultaten av arbetet i denna licentiatavhandling kommer att användas i den fortsatta forskningen som fokuserar på att ytterligare undersöka och utveckla ny metodik för reglering av underaktuerade AUVer. Detta inkluderar utveckling av realtidskapabla ickelinjära MPC-implementeringar som körs ombord, samt AI-baserade reglerstrategier genom ruttplaneringsåterkoppling, autonom systemidentifiering och förstärkningsinlärning. Sådan utveckling kommer att tillämpas för att visa nya möjligheter inom de tre nyttoområdena.