Modelling and simulation of a spherical vehicle for underwater surveillance

Spherical shaped vehicles are gaining increasing interest in underwater exploration due to improved maneuvering capability in critical environments. Nonetheless, few works related to this topic exist, and no complete mathematical model able of accounting for vehicle nonidealities has been developed so far. The submersible vehicle, therein after called UX, is a multibody system composed of a spherical external hull and an internal pendulum structure which is constituted by the battery pack. In underwater robotics, examples of similar multibody systems like gliders i.e., vehicles capable of optimizing the energy consumption displacing the position of the center of mass, already exist. Despite the similarities, UX modelling shows some unique traits that differentiate it from the standard glider formulation. First, the capability of reaching pitching angles of 90°, imposing the use of a quaternion parameterization based kinematic description; second, the approach used in glider modelling stands from momenta conservation, which cannot be used in the UX case given that the critical operating environments i.e., narrow underwater channels, do not allow maintaining constant speeds and slightly variable attitude. Hence, the vehicle requires an ad-hoc modelling. The purpose of this thesis, is the development of an extended model framework capable of accounting for the nonidealities of a generic underwater spherical vehicle. Then, the overall model with 7 degrees of freedom is described and the specific hydrodynamic coefficients are identified. Given this model, two simulators are developed using Matlab Simulink and OpenModelica. Eventually, the low-level controls of the vehicle accounting for velocity and position control have been developed and implemented by means of the ROS environment. The experimental part of the thesis, consists in the test of the motor aimed to the identification of the model, thus in the validation of the theoretical coefficients identified starting from the literature, and finally in the validation of the model and in the implementation of the control laws with test tank experiments. The result of the first part of the research, concerning the model and its multibody simulation, will be presented during the Oceans conference at Charleston in October 2018.

Nell'ambito dell'esplorazione sottomarina, c'è stato un crescente interesse per i veicoli sommergibili di forma sferica grazie a maggiori capacità di manovrabilità in ambienti critici. Nonstante ciò, pochi lavori sono stati sviluppati fino ad ora, e non esiste alcuna trattazione completa che tenga in considerazione di tutti gli aspetti di non idealità del modello. Il veicolo sottomarino, di seguito denominato UX, è un sistema multibody composto da uno scafo sferico esterno ed una struttura interna a pendolo costituita dal pacco batterie. In robotica sottomarina sono stati sviluppati sistemi multibody simili, come ad esempio i glider, veicoli capaci di ottimizzare il consumo di energia eseguendo manovre spostando il centro di massa, alternativamente all'ultizzo di thruster. Nonstante le similitudini, la modellistica dell'UX presenta dei tratti caratteristici che lo differenziano dalla trattazione standard dei glider. In primis la capacità di raggiungere angoli di beccheggio di 90°, che impone l'utilizzo di una parametrizzazione cinematica basata sui quaternioni; in secundis, l'approccio utilizzato per la modellistica dei glider è orientato al controllo e si fonda sulla conservazione delle quantità di moto, metodo non utilizzabile nella casistica in analsi a causa dell'ambiente operativo critico, ossia stretti canali sottomarini, che impone l'utilizzo di velocità e assetto variabili. Di conseguenza il veicolo richiede una modellistica ad-hoc. Lo scopo dei questa tesi è dunque lo sviluppo di un struttura di modello estesa al caso di un generico veicolo sottomarino di forma sferica. Viene introdotto un modello a 7 gradi di libertà e vengono identificati gli specifici coefficienti idrodinamici. Una volta derivato il modello, sono stati sviluppati ed integrati due simulatori, in ambiente Matlab Simulink e in OpenModelica. Successivamente, è sviluppato ed implementato in ambiente ROS il controllo di basso livello del veicolo relativo agli anelli di posizione e velocità . La parte sperimentale della tesi consiste nei test dei motori finalizzati all'identificazione del modello, successivamente nella validazione dei coefficienti teorici identificati tramite risorse bibliografiche, ed infine nell'implementazione delle leggi di controllo con esperimenti nelle vasche di test. Il risultato della prima parte della ricerca, riguardante il modello e la simulazione multibody, sarà presentato durante l'Oceans conference che si terrà a Charleston ad ottobre 2018.