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)
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)
Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο
