Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/20.500.14279/18833
Title: Automated Planning, Sensing and Control for Autonomous Underwater Robotic Systems
Authors: Constantinou, Christos C. 
Keywords: Underwater robotics;Motion planning;Task planning
Advisor: Loizou, Savvas
Issue Date: Dec-2019
Department: Department of Mechanical Engineering and Materials Science and Engineering
Faculty: Faculty of Engineering and Technology
Abstract: Today’s autonomous robotic systems have a significant impact on industrial applications and in academic disciplines. This dissertation considers a broad range of topics, from formal methods, sensor fusion, image processing, nonlinear control to controller synthesis of motion tasks with applications in underwater, mobile and underground robots. One of the most significant challenges in the robotics area lies in the area of motion and task planning. Motion planning is the robot able to move in the workspace while at the same time avoiding obstacles. On the other hand, task planning refers to the robot’s ability to execute a specific task in the workspace. The main aim is to be able for a given task in a high-level language the robot to compile this specification into low-level descriptions in order to accomplish a task. Autonomous underwater robots typically have to accomplish missions in an unknown and usually unstructured environment. The mission complexity grows considering to limited robot sensing systems as well as the limited on-line communications. For instance, GPS is not applicable due to the inefficient underwater electromagnetic transmission. In addition, vision-based systems are limited due to poor visibility in murky waters. The actuating system is usually composed of thrusters and control surfaces; all of them have non-linear dynamics and are strongly affected by the hydrodynamic effects. The ocean currents and flows imply additional difficulties for the ROV control system making the robot to deviate away from its desired state or path. Estimates of the flow velocity provided by various sensors or techniques may be incorporated into the control loop to compensate for the drift phenomenon. In this thesis, we address the problem of underwater visual inspection task as a combination of (i) a problem of localization and state estimation of the ROV with respect to the target by fusing information from different sources; (ii) a problem of control of an under-actuated underwater vehicle in the proximity to the target; (iii) a problem of full coverage of fishnet cages. Autonomous multi-agent coverage of large-scale under-ground sewer networks is also addressing in this dissertation. Sewer network systems are typically dendritic networks converging in the downstream direction without closed loops. In network systems theory such networks are characterized as a tree or more precisely directed tree networks where the directionality is inherited from the sewage flow direction. Sewer network flow channels dimensions are typically restricted, allowing only a single inspection robot at a given position. Robots operating in such networks can only interchange positions at channel junctions. Wireless communications in underground sewer networks are much more challenging than in above-ground settings. The main transmission path is through the underground network’s channels, usually non-line-of-sight and with severe attenuation over corridor bends and turns and there are also issues related to multi-path reflections. The performance of the proposed methodologies is verified in realistic simulations in 2D and 3D virtual environments. Furthermore, extensive experimental validation on the actual hardware was carried out in a controlled environment at Robotics, Control, and Decision Systems (RCDS) laboratory and in the field (open sea) under real conditions.
Description: Τα αυτόνομα ρομποτικά συστήματα παίζουν σημαντικό ρόλο στις βιομηχανικές εφαρμογές και στους ακαδημαϊκούς κλάδους τα τελευταία χρόνια. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει ένα ευρύ φάσμα θεμάτων, από τις επίσημες μεθόδους, τη συγχώνευση αισθητήρων, την επεξεργασία εικόνων, τον μη γραμμικό έλεγχο και την σύνθεση αυτόματων ελεγκτών κυρίως για διαδικασίες κίνησης με εφαρμογές σε υποβρύχια, κινητά και υπόγεια ρομπότ. Μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις στον τομέα της ρομποτικής έγκειται στον τομέα της κίνησης και του προγραμματισμού των εργασιών. Ο σχεδιασμός κινήσεων έγκειται το ρομπότ να μπορεί μετακινηθεί στον χώρο εργασίας, αποφεύγοντας ταυτόχρονα εμπόδια. Από την άλλη πλευρά, ο σχεδιασμός εργασιών αναφέρεται στην ικανότητα του ρομπότ να εκτελέσει μια συγκεκριμένη διαδικασία στο χώρο εργασίας. Ο κύριος στόχος είναι το ρομποτ να μπορεί να εκτελέσει μια διαδικασία από μια γλώσσα υψηλού επιπέδου, να καταρτίσει αυτή την προδιαγραφή σε περιγραφές χαμηλού επιπέδου για να ολοκληρώσει μια διαδικασία. Τα αυτόνομα υποβρύχια ρομπότ συχνά καλούνται να πραγματοποιούν αποστολές σε ένα άγνωστο και αδόμητο περιβάλλον. Η πολυπλοκότητα της αποστολής αυξάνεται λόγω των περιορισμένων συστήματων ανίχνευσης των υποβρυχίων ρομπότ και στις περιορισμένες επικοινωνίες. Για παράδειγμα, το GPS σύστημα δεν είναι εφαρμόσιμο εξαιτίας της δυσκολίας της ηλεκτρομαγνητικής μετάδοσης σε υποβρύχια περιβάλλοντα. Επιπλέον, το σύστημα όρασης του υποβρύχιου ρομπότ είναι περιορισμένο λόγω της χαμηλής ορατότητας σε θολά νερά και μακρινές αποστάσεις. Το σύστημα ενεργοποίησης αποτελείται συνήθως από προωθητήρες, οι οποίοι περιγράφονται από μη γραμμικά δυναμικά μοντέλα και επηρεάζονται έντονα από την υδροδυναμική. Τα ρεύματα και οι ροές των ωκεανών επιφέρουν πρόσθετες δυσκολίες για το σύστημα ελέγχου του ROV, επηρεάζοντας με αυτό τον τρόπο το ρομπότ να αποκλίνει από την επιθυμητή κατάσταση ή διαδρομή. Οι εκτιμήσεις της ταχύτητας ροής που παρέχεται από διάφορους αισθητήρες ή τεχνικές μπορούν να ενσωματωθούν στο βρόχο ελέγχου για να αντισταθμιστεί το φαινόμενο της ολίσθησης. Σε αυτή τη διατριβή, αντιμετωπίζουμε το πρόβλημα της υποβρύχιας οπτικής επιθεώρησης ως συνδυασμό : (i) ενός προβλήματος εντοπισμού και εκτίμησης της κατάστασης του ROV σε σχέση με τον στόχο με τη συγχώνευση πληροφοριών από διαφορετικές πηγές αισθητήρων, (ii) ένα πρόβλημα ελέγχου ενός υπο-επενεργοποιημένου υποβρυχίου οχήματος προς τον εγγύς στόχο, (iii) πρόβλημα πλήρους κάλυψης/επιθεώρησης δίκτυα ιχθειοκαλειεργιών. Ένα άλλο πολύ σημαντικό πρόβλημα στην υποβρύχια ρομποτική είναι η συνεργασία μεταξύ πολλαπλών ρομπότ. Αυτό έχει ως πλεονέκτημα να επεκτείνει τη χρήση υποβρύχιων ρομποτικών συστημάτων. Οι κύριες προκλήσεις στην συνεργασία πολλαπλών υποβρυχίων συστημάτων είναι η χαρτογράφηση των ακτών ή θαλάσσιων ζωνών, μεταφορά αντικειμένων και εγκατάσταση αυτών σε μεγάλα βάθη και η κάλυψη περιοχών με σκοπό την εξερεύνηση ή την προστασία των θαλασσών και ωκεανών. Η συνεργασία μεταξύ των υποβρυχίων ρομποτικών συστημάτων είναι πολύ σημαντική όταν τα αντικείμενα πρέπει να εγκατασταθούν ή να μεταφερθούν κατά τη διάρκεια υποβρύχιων επιχειρήσεων. Η αυτόνομη κάλυψη πολλαπλών πρακτόρων σε υπόγεια δίκτυα υπονόμων παρουσιάζεται επίσης σε αυτή τη διατριβή. Τα συστήματα δικτύου αποχέτευσης είναι συνήθως δενδριτικά δίκτυα. Τα κανάλια ροής δικτύου αποχέτευσης είναι χαρακτηριστικά γιατί σε πολλές περιπτώσεις επιτρέπουν μόνο ένα μόνο ρομπότ επιθεώρησης σε μια δεδομένη θέση λόγω των περιορισμένων διαστάσεων. Τα ρομπότ που λειτουργούν σε τέτοια δίκτυα μπορούν να ανταλλάξουν θέσεις μόνο στις διασταυρώσεις διαύλων. Οι ασύρματες επικοινωνίες σε υπόγεια δίκτυα αποχέτευσης είναι πολύ πιο απαιτητικές από ότι σε εφαρμογές στην επιφάνεια. Ο κύριος δίαυλος μετάδοσης γίνεται μέσω των καναλιών του υπόγειου δικτύου, συνήθως χωρίς οπτική επαφή και με σοβαρή εξασθένηση στις στροφές του διαδρόμου και, φυσικά, ζητήματα που σχετίζονται με τις αντανακλάσεις των διαδρομών. Η απόδοση των προτεινόμενων μεθοδολογιών επαληθεύεται από ρεαλιστικές προσομοιώσεις σε εικονικά περιβάλλοντα δύο και τριών διαστάσεων (2D και 3D). Επιπλέον, η εκτεταμένη πειραματική επικύρωση του πραγματικού υλικού πραγματοποιήθηκε σε ελεγχόμενο περιβάλλον στο εργαστήριο Ρομποτικής, Αυτομάτου Ελέγχου και Συστημάτων Αποφάσεων και σε πραγματικό περιβάλλον (σε ανοιχτή θάλασσα) υπό πραγματικές συνθήκες.
URI: https://hdl.handle.net/20.500.14279/18833
Rights: Απαγορεύεται η δημοσίευση ή αναπαραγωγή, ηλεκτρονική ή άλλη χωρίς τη γραπτή συγκατάθεση του δημιουργού και κάτοχου των πνευματικών δικαιωμάτων.
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
Type: PhD Thesis
Affiliation: Cyprus University of Technology 
Appears in Collections:Διδακτορικές Διατριβές/ PhD Theses

Files in This Item:
File Description SizeFormat
C_Constantinou_PhD.pdfFulltext12.11 MBAdobe PDFView/Open
CORE Recommender
Show full item record

Page view(s)

379
Last Week
1
Last month
1
checked on Nov 21, 2024

Download(s)

1,400
checked on Nov 21, 2024

Google ScholarTM

Check


This item is licensed under a Creative Commons License Creative Commons