A Collision Avoidance Method for an Underwater Vehicle Manipulator-System

Πολύζος, Ιωάννης; Polyzos, Ioannis

dc.contributor.author	Πολύζος, Ιωάννης
dc.contributor.author	Polyzos, Ioannis
dc.date.accessioned	2025-10-02T08:36:55Z
dc.date.available	2025-10-02T08:36:55Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62586
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30282
dc.rights	Default License
dc.subject	Συνδυασμένο Σύστημα Υποβρυχίου-Βραχίονα	el
dc.subject	Προγνωστικός Έλεγχος	el
dc.subject	Αποφυγή Συγκρούσεων	el
dc.subject	Διαχείρηση Συγκρούσεων	el
dc.subject	Αυτόνομο Υποβρύχιο Όχημα	el
dc.subject	Underwater Vehicle Manipulator System	en
dc.subject	Nonlinear Model Predictive Control	en
dc.subject	Collision Avoidance	el
dc.subject	Collision Handling	el
dc.subject	Autonomous Underwater Vehicle	el
dc.title	A Collision Avoidance Method for an Underwater Vehicle Manipulator-System	en
dc.title	Μεθοδολογία αποφυγής σύγκρουσης υποβρυχίου συνδυασμένου συστήματος ρομποτικού βραχίονα και οχήματος	el
dc.contributor.department	Control Systems Laboratory	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ρομποτική	el
heal.classification	Θεωρία Αυτομάτου Ελέγχου	el
heal.classification	Robotics	el
heal.classification	Control Theory	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-06
heal.abstract	In recent years, in an effort to achieve further economic and technological growth, humanity has extended its presence in the depths of the oceans. Operations in these harsh environments are carried out primarily by robots. While for survey missions the use of autonomous vehicles is standard practice, for tasks where robot intervention is required, the use of autonomous vehicles is just now emerging as an active area of research. This thesis is centered around an Autonomous Underwater Vehicle (AUV) fitted with a robotic manipulator system, jointly forming an Underwater Vehicle-Manipulator System (UVMS) capable of performing intervention missions. The UVMS is kinematically modeled as a mobile manipulator. Emphasis is given on the development of an accurate model for the highly nonlinear dynamics that govern the system. The dynamic model extracted using Kane’s method, features inertial, gravitational, hydrodynamic (added mass, buoyancy, fluid acceleration and profile drag) control and contact forces. During operation, for various reasons, the robot might find itself on a collision course with an obstacle in its environment. A switching Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) strategy consisting of three modes is proposed to safely handle collisions. When avoiding the collision is impossible, the control algorithm takes advantage of the manipulator, using it to push against the obstacle, and deflect away from the collision. Mode I is used for nominal robot operation including standard collision avoidance, Mode II is used to initiate contact between the manipulator’s End-Effector and the obstacle, and Mode III takes advantage of the contact force applied to the End-Effector to handle the collision. The UVMS dynamics as well as the control algorithm are implemented in MATLAB, and virtual experiments are performed to demonstrate the algorithm’s capability to successfully detect collisions, avoid them, or use the manipulator to handle them appropriately without damaging sensitive areas of the vehicle. A wide range of scenarios, from straightforward to highly challenging, are tested, including different initial conditions and manipulator configurations, thruster failure, and strong ocean currents. The results demonstrate a successful and promising control strategy that can be explored further in the future.	en
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια, στα πλαίσια της προσπάθειας για περαιτέρω οικονομική και τεχνολογική ανάπτυξη, η ανθρωπότητα έχει επεκτείνει την παρουσία της στα βάθη των ωκεανών. Οι αποστολές σε αυτά τα ιδιαίτερα απαιτητικά περιβάλλοντα εκτελούνται κυρίως από ρομπότ. ΄Οσον αφορά τις αποστολές χαρτογράφησης, η χρήση αυτόνομων οχημάτων αποτελεί καθιερωμένη πρακτική, όμως για εργασίες που απαιτούν την παρέμβαση του ρομπότ, η χρήση αυτόνομων οχημάτων αποτελεί ένα νέο ερευνητικό πεδίο που αναπτύσσεται τα τελευταία χρόνια. Η παρούσα διπλωματική εργασία επικεντρώνεται σε ένα Αυτόνομο Υποβρύχιο ΄Οχημα εξοπλισμένο με ρομποτικό βραχίονα (UVMS), ικανό να εκτελεί αποστολές παρέμβασης. Το UVMS προσεγγίζεται κινηματικά ως ένας κινητός βραχίονας (mobile manipulator). Παράλληλα, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην ανάπτυξη ενός ακριβούς μοντέλου για την έντονα μη γραμμική δυναμική που διέπει το σύστημα. Το δυναμικό μοντέλο που εξάγεται μέσω της μεθόδου του Kane περιλαμβάνει δυνάμεις αδράνειας, βαρύτητας, υδροδυναμικές δυνάμεις (προστιθέμενη μάζα, άνωση, επιτάχυνση του ρευστού και οπισθέλκουσα), καθώς και δυνάμεις ελέγχου και επαφής. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας, για διάφορους λόγους, το ρομπότ ενδέχεται να βρεθεί σε τροχιά σύγκρουσης με κάποιο εμπόδιο στο περιβάλλον του. Προτείνεται μια στρατηγική εναλλασσόμενου μη-γραμμικού προγνωστικού ελέγχου (Switching Nonlinear Model Predictive Control) αποτελούμενη από 3 καταστάσεις λειτουργίας, με σκοπό την ασφαλή διαχείριση τέτοιων συγκρούσεων. ΄Οταν η αποφυγή της σύγκρουσης καθίσταται αδύνατη, ο αλγόριθμος ελέγχου αξιοποιεί τον βραχίονα ώστε να απωθηθεί από το εμπόδιο και να εκτρέψει το ρομπότ από την πορεία σύγκρουσης. Η Κατάσταση Ι χρησιμοποιείται κατά τη φυσιολογική λειτουργία του ρομπότ, συμπεριλαμβανομένης της τυπικής αποφυγής συγκρούσεων. Η Κατάσταση ΙΙ χρησιμοποιείται για την αρχική επίτευξη επαφής μεταξύ του τελικού σημείου δράσης του βραχίονα και του εμποδίου, ενώ η Κατάσταση ΙΙΙ αξιοποιεί τη δύναμη επαφής που ασκείται στο τελικό σημείο δράσης για τη διαχείριση της σύγκρουσης μέσω απώθησης. Η δυναμική του UVMS, καθώς και ο αλγόριθμος ελέγχου, υλοποιούνται στο περιβάλλον MATLAB, όπου και πραγματοποιούνται αριθμητικές προσομοιώσεις για την επίδειξη της ικανότητας του αλγορίθμου να ανιχνεύει επιτυχώς συγκρούσεις, να τις αποφεύγει ή να τις διαχειρίζεται κατάλληλα μέσω του βραχίονα, χωρίς να προκαλείται φθορά στον ευαίσθητο εξοπλισμό του οχήματος. Δοκιμάζεται ένα ευρύ φάσμα σεναρίων, από πολύ απλά έως ιδιαίτερα απαιτητικά, συμπεριλαμβανομένου διαφορετικών αρχικών συνθηκών και διατάξεων βραχίονα, την ύπαρξη βλάβης στους προωθητήρες του οχήματος, και την παρουσία ισχυρών θαλάσσιων ρευμάτων. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν μια επιτυχημένη και πολλά υποσχόμενη στρατηγική ελέγχου, η οποία μπορεί να αποτελέσει αντικείμενο περαιτέρω έρευνας στο μέλλον.	el
heal.advisorName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος
heal.committeeMemberName	Πουλακάκης, Ιωάννης
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	196
heal.fullTextAvailability	false