MPC trajectory tracking for spherical underwater vehicles

The present work concerns the marine exploration realized by means of Underwater Autonomous Vehicles (AUVs), paying attention to the modelling and control of two spherical underwater vehicles. The prototypes are UX-1, robot developed by UNEXMIN european project, with the aim of exploring underwater flooded mines, and MARA, vehicle prototype designed by the Instituto Superior de Engenharia, in Porto (Portugal), with the purpose of exploring underwater narrow spaces. The aim of this dissertation is to obtain a motion controller for the mentioned robots, able to reach targets in the space, avoiding obstacles in an unknown environment. Firstly, a Simulink model for MARA has been introduced, using nominal parameters, in order to obtain a base for designing a suitable controller. Secondly, it has been decided to choose a linear MPC controller, able to satisfy both the need of a low computational effort and an optimal resolution of the task. This choice led to the introduction of a linearizing technique for the two vehicle models. The feedback linearization control has been chosen: for UX-1, it has been recurred to the already implemented one, while for MARA it has been realized a new controller. After having verified the efficiency of the linearization, the formulation of the control in the form of an optimization problem has been performed, with the introduction of consistent constraints, following the formalism required by the available optimization solver. Finally, in order to avoid obstacles, it has been decided to define them in the form of planes, constantly updated on the base of the data coming from the sensors. By means of RANSAC algorithm, different surfaces have been obtained, which delimit the feasible space in which the vehicle can move; these ones have been integrated into the stated optimization problem. The functioning of the controller has been tested by means of the Gazebo simulator of UX-1, implemented by the INESC TEC. The experimental part of the thesis is constituted by the experiments realized in the tanque of the laboratory, with the purpose of testing the efficiency of the MPC, considering the task of reaching a target in the space.

Il presente lavoro di tesi riguarda l’esplorazione di ambienti sommersi ad opera di veicoli autonomi sottomarini (AUV), con attenzione alla fase di modellazione e controllo di due veicoli sommergibili sferici. I veicoli considerati sono UX-1, primo robot realizzato nel progetto europeo UNEXMIN, volto all’esplorazione di miniere sottomarine abbandonate, e MARA, veicolo in fase di realizzazione ad opera dell’Instituto Superior de Engenharia, presso Porto (Portogallo), per l’esplorazione di spazi sottomarini angusti. Lo scopo di questa tesi è quello di realizzare un controllore di movimento per i robot presentati, al fine di raggiungere una posizione stabilita nello spazio, evitando gli ostacoli in un ambiente non noto. In primo luogo, è stato introdotto un modello per il robot MARA, basandosi su parametri nominali, in modo da creare una solida base di partenza per il design del controllo. Per quanto riguarda il controllore, è stato scelto su un MPC lineare, in grado di coniugare il bisogno di un carico computazionale ridotto e la necessità di una risoluzione ottimale, vista la complessità del problema. Tale scelta ha reso necessario lo studio di una tecnica di linearizzazione per i modelli dei due robot; si è deciso di ricorrere alla feedback linearization, già implementata nel caso di UX-1, e riprogettata per MARA. Dopo averne testato l’efficacia, si è proceduto con la formalizzazione del controllo come problema di ottimizzazione. Infine, allo scopo di evitare gli ostacoli presenti nell’ambiente, è stato presentato un approccio per la loro definizione, basato sulla rappresentazione in forma di piani, aggiornati sulla base dei dati provenienti dai sensori. Con l’ausilio dell’algoritmo RANSAC, sono state ottenute superfici delimitanti l’area in cui il robot può muoversi, integrandole nel problema di ottimizzazione. Il funzionamento del controllore è stato testato tramite il simulatore Gazebo di UX-1, realizzato dall’INESC TEC. La parte sperimentale della tesi consiste in test realizzati nella piscina del laboratorio, con lo scopo di provare l’efficacia del controllo MPC implementato, nel caso del raggiungimento di un certo punto nello spazio.