Guidance System For Autonomous Underwater Vehicles in Confined Environments

Milošević, Zorana (2020). Guidance System For Autonomous Underwater Vehicles in Confined Environments. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.66335.

Description

Title: Guidance System For Autonomous Underwater Vehicles in Confined Environments
Author/s:
  • Milošević, Zorana
Contributor/s:
  • Dominguez Cabrerizo, Sergio
  • Rossi, Claudio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
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

La innovación y el desarrollo tecnológico siempre han jugado un papel esencial en los avances científicos. El uso de vehículos submarinos no tripulados (UUV por sus siglas en inglés, unmanned underwater vehicle) ha revolucionado la exploración acuática en las últimas décadas. Los UUV permiten su implementación en profundidades y en entornos inaccesibles para las personas, y pueden recopilar datos que no pueden obtenerse mediante ningún otro método. En los últimos años ha habido un creciente interés en la reapertura de minas abandonadas en toda Europa, que podrían contener materias primas una demanda crítica en la actualidad, cuya explotación reduciría la dependencia de fuentes externas de Europa. Una encuesta reciente sobre minas abandonadas en Europa recopiló datos sobre 30000 minas, con más de 8000 ellas inundadas. Esta tesis contribuye a las innovadoras soluciones desarrolladas en el marco del proyecto UNEXMIN, que nace con el objetivo de explorar dichas minas inundadas para el que se ha diseñado un novedoso robot submarino denominado UX-1. El robot UX- 1 debe navegar de una manera completamente autónoma, dada la imposibilidad de las comunicaciones en las desconocidas redes 3D de túneles que componen las minas a explorar, y recopilar diversos datos geocientíficos. El desarrollo del nuevo submarino, destinado a funcionar en estos complicados entornos, requiere de enfoques innovadores para el diseño tanto de su software como de su hardware. El principal objetivo de investigación de esta tesis es el diseño, implementación y validación del sistema de guiado autónomo del robot submarino UX-1. El novedoso diseño mecánico del robot y la distintiva instrumentación científica con la que está equipado representan características específicas de esta plataforma. La coordinación de dicha instrumentación con el movimiento del propio sumergible, cumpliendo los estrictos requisitos posicionales de la recogida de muestras científicas mediante cada tipo de sensor, debe ser lograda gracias al sistema de guiado del robot. Por estas razones, el diseño e implementación del sistema de guiado del UX-1 constituyen un desafío de investigación único. Además, para garantizar la autonomía del robot a largo plazo, es necesario dotarlo de un grado suficiente de resiliencia que le permita mantener y recuperar la funcionalidad operativa del sistema en caso de eventuales interrupciones o disrupciones. A tal efecto, se ha desarrollado una técnica avanzada de autoconciencia del robot denominada metacontrol. El metacontrolador ha sido diseñado para aumentar la autonomía del robot mejorando sus capacidades de tolerancia frente a fallos o eventos. Dicho metacontrolador está compuesto de un módulo de autodiagnóstico que determina el estado del robot y de un módulo de toma de decisiones que elege la mejor reconfiguración de todo el sistema del robot para un funcionamiento óptimo de acuerdo con el diagnóstico anterior. Las soluciones propuestas han sido validadas experimentalmente en escenarios complejos utilizando, como enfoques de experimentación, simulación, software-in-the-loop (SIL) y hardware-in-the-loop (HIL), que reproducen con un grado creciente de fidelidad la navegación en entornos de túneles mineros. Los experimentos HIL, que representan el más alto grado de fidelidad, han requerido la integración de módulos hardware y software del robot real, incluido el sistema de guiado desarrollado en esta tesis, complementados con lecturas ambientales parcialmente simuladas. Los experimentos se han realizado en una piscina, en la que se utilizaron las lecturas reales de los sensores relacionados con el posicionamiento del robot para fines de navegación y control, mientras que la lectura de los sensores de mapeo ha sido omitida para replicar diferentes estructuras de túneles mineros. Los resultados obtenidos en estas pruebas demuestran la efectividad del sistema de guiado y su adecuada integración con el resto de sistemas del robot, y validan la capacidad del robot UX-1 para realizar misiones complejas en minas inundadas. ----------ABSTRACT---------- Innovation and technological developments have always played an essential role in breakthroughs in science. The use of unmanned underwater vehicles (UUV) has revolutionized aquatic exploration in the last decades. UUVs can be deployed at depths and in environments that are inaccessible to humans, and can gather data that cannot be obtained in any other way. In the recent years, there has been a growing interest in re-opening abandoned mine sites across Europe, which may contain raw materials that are currently in critical demand, whose exploitation would reduce Europe’s dependency on external sources. A recent survey on abandoned mines in Europe collected data regarding 30000 mine sites, with more than 8000 sites being flooded. This thesis contributes to the innovative solutions developed within the framework of the UNEXMIN project, born with the aim of exploring those flooded sites and wherein a novel underwater platform system, named UX-1, has been designed. The UX- 1 robot needs to navigate completely autonomously, as no communications are possible, in the 3D networks of unknown mine tunnels and gather various geoscientific data. The development of the novel platform, intended to perform in challenging environments, requires innovative design approaches for its software and hardware modules. The main research goal of this thesis is the design, implementation and validation of the autonomous guidance system of the UX-1 underwater robot. The novel mechanical design of the robot and its distinctive on-board scientific instrumentation represent specific features of this platform. The coordination of such instrumentation with the movement of the submersible itself, fulfilling the strict positional requirements of the scientific sample capturing for each type of sensor, must be ensured by the guidance system of the platform. For these reasons, the design and implementation of the guidance system of the UX-1 constitute a unique research challenge. Furthermore, to ensure long-term autonomy, a sufficient degree of resilience is required in order to keep and recover the operation functionality of the system when disrupted by unexpected events. To this effect, an advanced knowledgebased self-awareness technique, named metacontrol, has been developed. The metacontroller has been designed to increase the autonomy of the robot by enhancing its fault tolerance capabilities. A self-diagnosis module is used to determine the status of the robot, and a decision-making module is used to choose the best reconfiguration of the whole robot system for optimal functioning according to the previous diagnosis. The proposed solutions are experimentally validated in complex scenarios using simulation, software-in-the-loop (SIL), and hardware-in-the-loop (HIL) approaches, designed to reproduce with an increasing degree of fidelity the navigation in mine tunnel environments. HIL experiments, representing the highest degree of fidelity, required the integration of real hardware and software modules, including our guidance system, with partially simulated environmental readings. The experiments were performed in a water pool, wherein the real readings related to its positioning were used for navigation and control purposes, while the mapping sensors reading were bypassed in order to replicate different mine tunnel structures. The results obtained in these tests demonstrate the effectiveness of the guidance system and its proper integration with the rest of the systems of the robot, and validate the abilities of the UX-1 platform to perform complex missions in flooded mine environments.

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Item ID: 66335
DC Identifier: https://oa.upm.es/66335/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66335
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66335
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 09 Mar 2021 17:37
Last Modified: 09 Sep 2021 22:30
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