Cooperative and Interaction Control for Underwater Robotic Vehicles

Heshmati-alamdari, Shahab

dc.contributor.author	Heshmati-alamdari, Shahab	en
dc.date.accessioned	2019-03-19T11:31:35Z
dc.date.available	2019-03-19T11:31:35Z
dc.date.issued	2019-03-19
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48477
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.3077
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Υποβρύχια ρομποτικής	el
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Μη γραμμικός έλεγχος	el
dc.subject	Προβλεπτικός έλεγχος	el
dc.subject	Έλεγχος Συνεργασίας των ρομπότ	el
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	Cooperative Control	en
dc.subject	Marine robotics	en
dc.subject	Underwater Vehicle Manipulator Systems	en
dc.subject	Interaction Control	en
dc.subject	Cooperative manipulations	en
dc.subject	Visual servoing	en
dc.subject	Multiagent systems	en
dc.subject	Decentralized Control	en
dc.subject	Nonlinear Model Predictive Control	en
dc.subject	Autonomous Underwater Vehivles	en
dc.title	Cooperative and Interaction Control for Underwater Robotic Vehicles	en
dc.contributor.department	Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Μεθοδολογίες Ελέγχου Συνεργασίας και Αλληλεπίδρασης για Υποβρύχια Ρομποτικά Οχήματα	el
heal.classification	Marine robotics	en
heal.classification	Underwater Vehicle Manipulator Systems	en
heal.classification	Robotics	en
heal.classification	Autonomous Underwater Vehivles	en
heal.classification	Cooperative control	en
heal.classification	Interaction Control	en
heal.classification	Cooperative manipulations	en
heal.classification	Visual servoing	en
heal.classification	Nonlinear Model Predictive Control	en
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-12-21
heal.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.	en
heal.abstract	Σε αυτή τη διατριβή αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα του ευρωστου ελέγχου υποβρύ- χιων 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 ανί- χνευση και τους ενεργειακούς πόρους. Στο πλαίσιο αυτό, ο απώτερος στόχος της παρούσας διατριβής έγκειται στην ανάπτυξη και υλοποίηση αποτελεσματικών στρα- τηγικών ελέγχου για αυτόνομα ενιαία και πολλαπλά υποβρύχια ρομποτικά συστή- ματα, λαμβάνοντας υπόψη σημαντικά ζητήματα όπως: εξωτερικές διαταραχές, πε- ριορισμένες πηγές ενέργειας, αυστηρούς περιορισμούς επικοινωνίας μαζί με υποβρύ- χια 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 συγκεκρι- μένα, 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 πρό- βλημα της κίνησης ενος αυτόνομου υποβρυχίου οχήματος (AUV) που λειτουργεί σε περιορισμένο περιβάλλον, συμπεριλαμβανομένων των εμποδίων. Διάϕοροι περιορι- σμοί όπως: εμπόδια, τα όρια του χώρου εργασίας, ανω όριο κορεσμού του προω- θητήρα, 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 μειω- μένη 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 ση- μείο 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 αλληλεπί- δραση, 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 ερ- γασίας 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 αντι- κείμενο 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 ελέγ- χου 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 δια- θέσιμο ρομποτικό εξοπλισμό του εργαστηριού αυτομάτου έλεγχου (Control Systems Lab, CSL), αποδεικνύουν και επαληθεύουν την αποτελεσματικότητα των ισχυρισθέ- ντων αποτελεσμάτων.	el
heal.advisorName	Kyriakopoulos, Kostas J.	en
heal.committeeMemberName	Kyriakopoulos, Kostas J.	en
heal.committeeMemberName	Papadopoulos, Evangelos	en
heal.committeeMemberName	Antoniadis, Ioannis	en
heal.committeeMemberName	Dimarogonas, Dimos	en
heal.committeeMemberName	Sarimveis, Haralambos	en
heal.committeeMemberName	Papalambrou, George	en
heal.committeeMemberName	Tzafestas, Costas	en
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	283
heal.fullTextAvailability	true