Advanced Motion Control Systems for Underwater Robotic Vehicles

Suárez Fernández, Ramón (2019). Advanced Motion Control Systems for Underwater Robotic Vehicles. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.57711.

Description

Title: Advanced Motion Control Systems for Underwater Robotic Vehicles
Author/s:
  • Suárez Fernández, Ramón
Contributor/s:
  • Domínguez Cabrerizo, Sergio
  • Campoy Cervera, Pascual
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Electrónica e Informática Industrial [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los vehículos submarinos están prosperando en el desempeño de funciones cada vez mas importantes para una serie de esfuerzos científicos y comerciales. Recientemente, el enfoque de varias líneas de investigación se ha dirigido al desarrollo de soluciones para vehículos submarinos, diseñados para operar en entornos complejos, como debajo de placas de hielo, donde el acceso es prácticamente imposible por cualquier otro medio. Las aplicaciones científicas en dichos entornos, tales como arqueología marítima, búsqueda y rescate e inspección de buques, incluyen principalmente tareas de mapeo e inspección. Una aplicación de vanguardia para la robótica submarina es la exploración de minas subterráneas inundadas. En un esfuerzo por localizar un suministro sostenible de materias primas en fuentes europeas, hay interés en determinar la viabilidad de reabrir algunas de las casi 30,000 minas inactivas o abandonadas en toda Europa, que pueden contener una cantidad considerable de reservas de materias primas consideradas críticas. A tal efecto, esta tesis aporta soluciones innovadoras dentro del marco proyecto UNEXMIN. Este proyecto tiene como objetivo desarrollar un novedoso sistema submarino llamado UX-1, para explorar las minas abandonadas e inundadas, y adquirir datos geocientíficos y topológicos. El desarrollo de UX-1 abrirá nuevos escenarios de exploración, de modo que las decisiones estratégicas sobre el desagüe y el reinicio de la explotación de las minas abandonadas de Europa puedan ser respaldadas por datos reales, que no se pueden recopilar de ninguna otra manera. Sin embargo, este entorno de operación requiere el desarrollo de conceptos de diseño innovadores, que crean nuevos desafíos en el diseño de métodos de control. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo, implementation y validación de sistemas de control de movimiento de alto rendimiento para vehículos robotizados submarinos, aplicados particularmente a la novedosa plataforma de exploración de minas submarinas UX-1. En esta disertación se diseña y construye un original prototipo funcional a escala del vehículo submarino, que se utilizará como banco de pruebas y prueba de concepto para el diseño y la validación de algoritmos de control, antes de la integración y el despliegue en el UX-1. Además, el prototipo se utiliza para demostrar la viabilidad de los conceptos de diseño para los componentes de movimiento de la plataforma submarina real. Esta disertación presenta un análisis exhaustivo del novedoso modelo dinámico altamente no lineal del sistema UX-1, incluida la identificación de los parámetros del modelo mediante pruebas experimentales. Usando el modelo dinámico, este trabajo doctoral propone varias soluciones para los sistemas de control de movimiento enfocados a un vehículo submarino con diseño inédito, basados en la teoría de control óptimo cuadrático lineal y un enfoque de linealización de retroalimentación no lineal. Las soluciones propuestas se verifican y validan experimentalmente en escenarios cada vez más complejos, que van desde entornos de laboratorio a entornos operativos, y que demuestran su exitoso rendimiento y funcionalidad. Esta tesis por compendio está compuesta por tres publicaciones de revistas científicas. Dichas publicaciones contribuyen íntegramente a satisfacer los objetivos de esta tesis doctoral, siguiendo una unidad temática clara y progresiva. Mas aún, estas publicaciones se complementan entre si para ampliar el estado del arte en aplicaciones robóticas subacuáticas. Por primera vez, se realizan misiones de exploración con vehículos submarinos en minas anegadas subterráneas reales, para validar la funcionalidad de las soluciones propuestas. Las misiones se llevan a cabo en minas inundadas con condiciones cada vez más desafiantes, estas incluyen: la mina de feldespato/cuarzo Kaatiala (Finlandia), la mina de uranio Urgeiriga (Portugal) y la mina de mercurio Idrija (Eslovenia). ----------ABSTRACT---------- Underwater vehicles are flourishing, performing key roles in a number of scientific and commercial endeavors. Recently, the focus of several research lines has been aimed at developing solutions for advanced underwater vehicles, designed to operate in complex environments, such as under ice shelves, where access is virtually impossible by any other means. Most scientific applications in these challenging environments, such as marine archaeology, search & rescue, and ocean mining exploration include mapping, survey, and inspection tasks. A unique cutting-edge application for underwater robotics is the exploration of flooded underground mines. In an effort to locate a sustainable supply of raw materials from European sources, interest has been directed towards determining the feasibility of reopening some of the nearly 30,000 inactive or abandoned mines across Europe, which may contain a considerable amount of raw material reserves considered critical. To this effect, the work presented in this thesis contributes innovative solutions inside the framework of the UNEXMIN project. This project aims at developing a novel underwater platform system named UX-1, to explore flooded abandoned mines for acquiring geo-scientific and topological data. The development of UX-1 will open new exploration scenarios so that strategic decisions on dewatering and re-starting exploitation of Europe’s abandoned mines can be supported by real data, which cannot be gathered in any other way. Nevertheless, this intended environment of operation requires the development of innovative design concepts, which create new challenges in control design. This doctoral work has the objective of developing, implementing and validating highperformance motion control systems for underwater robotic vehicles, applied particularly to the novel underwater mine explorer platform UX-1. In this thesis, a new functional underwater vehicle scaled prototype is designed and built, to be used as a test-bench for the initial verification and validation of control algorithms, prior to integration and deployment on the UX-1. Additionally, the prototype is used as a proof-of-concept, to demonstrate the feasibility of the design concepts for the motion components of the UX-1. This dissertation presents a thorough analysis of the unique nonlinear dynamic model of the UX-1 system, including identification of the complex model parameters by means of experimental testing. Using the dynamic model of the UX-1 underwater vehicle, this work brings forward several innovative motion control system solutions based on linear-quadratic optimal control theory and a nonlinear feedback linearization control approach. The proposed solutions are experimentally verified and validated in increasingly complex scenarios, ranging from laboratory to operational environments, which demonstrate their successful performance and functionality. This thesis by compendium is composed of three peer-reviewed scientific journal publications. Said publications equally contribute to satisfying the objectives of this doctoral thesis, following a clear and progressive thematic unity. Moreover, these publications extend the state of the art in underwater robotic applications. For the first time, exploration missions are performed with underwater vehicles in real underground flooded mines to validate the functionality of the proposed solutions. Dive missions are carried out at flooded mines with progressively challenging conditions, these include the Kaatiala feldspar/quartz mine (Finland), the Urgeiri¸ca uranium mine (Portugal), and the Idrija mercury mine (Slovenia).

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Horizon 2020690008UNEXMINUnspecifiedAutonomous Underwater Explorer for Flooded Mines
Madrid Regional GovernmentS2013/MIT-2748ROBOCITY2030-IIIUnspecifiedRobótica aplicada a la mejora de la calidad de vida de los ciudadanos.

More information

Item ID: 57711
DC Identifier: http://oa.upm.es/57711/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:57711
DOI: 10.20868/UPM.thesis.57711
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 19 May 2020 08:19
Last Modified: 19 May 2020 08:19
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