Cooperative and interaction control for underwater robotic vehicles

Abstract

In this dissertation we address the problem of robust control for underwater robotic vehicles under resource constraints and inspired by practical applications in the field of marine robotics. By the term ``resource constraints" we refer to systems with constraints on communication, sensing and energy resources. Within this context, the ultimate objective of this dissertation lies in the development and implementation of efficient control strategies for autonomous single and multiple underwater robotic systems considering significant issues such as: external disturbances, limited power resources, strict communication constraints along with underwater sensing and localization issues. Specifically, we focused on cooperative and interaction control methodologies for single and multiple Underwater Vehicle Manipulator Systems (UVMSs) considering the aforementioned issues and limitations, a topic of utmost challenging area of marine robotics. More precisely, the contributions of this thesis lie in the scope of three topics: i) Motion Control, ii) Visual servoing and iii) Interaction\&Cooperative Transportation. In the first part, we formulated in a generic way the problem of Autonomous Underwater Vehicle (AUV) motion operating in a constrained environment including obstacles. Various constraints such as: obstacles, workspace boundaries, thruster saturation, system`s sensing range and predefined upper bound of the vehicle velocity are considered during the control design. Moreover, the controller has been designed in a way that the vehicle exploits the ocean currents, which results in reduced energy consumption by the thrusters and consequently increases significantly the autonomy of the system. In the second part of the thesis, we have formulated a number of novel visual servoing control strategies in order to stabilize the robot (or robot's end-effector) close to the point of interest considering significant issues such as: camera Field of View (FoV), Camera Calibration uncertainties and the resolution of visual tracking algorithm. In the third part of the thesis, regarding the interaction task, we present a robust interaction control scheme for a UVMS in contact with the environment, with great applications in underwater robotics (e.g. sampling of the sea organisms, underwater welding, object handling). The proposed control scheme does not required any a priori knowledge of the UVMS dynamical parameters or the stiffness model. It guarantees a predefined behavior in terms of desired overshoot, transient and steady state response and it is robust with respect to external disturbances and measurement noises. Moreover, we have addressed the problem of cooperative object transportation for a team of UVMSs in a constrained workspace involving static obstacles. First, for case when the robots are equipped with appropriate force/torque sensors at its end effector we have proposed a decentralized impedance control scheme with the coordination relying solely on implicit communication arising from the physical interaction of the robots with the commonly grasped object. Second, for case when the robots are not equipped with force/torque sensor at it end effector, we have proposed a decentralized predictive control approach which takes into account constraints that emanate from control input saturation as well kinematic and representation singularities. Finally, numerical simulations performed in MATLAB and ROS environments, along with extensive real-time experiments conducted with available Control Systems Lab (CSL) robotic equipment, demonstrate and verify the effectiveness of the claimed results.

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.