Numerical analysis to design the control algorithm for a bioinspired manta robot

Nowadays, the interest in autonomous underwater vehicles is constantly increasing following the emerging needs of underwater mining, fish farming and oceans exploration and monitoring. The bio-inspired robot, subject of this thesis, has been developed to mimic the motion of the cownose ray, a fish belonging to the Myliobatiformes species. It produces thrust by moving its pectoral fins, generating a wave travelling in the direction opposite to its motion. The choice of this species as an inspiration has to be found in the efficiency and maneuverability of its motions. This research aims to develop a numerical model using the simulation environment Simulink to design and test the control algorithm to perform basic maneuvers, i.e. forward motion, up-floating, diving and maneuverable turns with different curvature radius. To replicate the underwater environment in which the cownose ray lives, several CFD simulations have been carried out. Using the application for scientific visualization Paraview, it was possible to subdivide the fish body into different sections and extract the forces and torques acting on each slice to be implemented in the multi-body simulation. The control algorithms developed concern both feed-forward and feedback strategies, thanks to the IMU sensor present on the robot. Finally, the servo motors suitable for this application have been chosen and the power requirements have been checked.

Al giorno d'oggi, l'interesse per gli AUVs (Autonomous Underwater Vehicles) è in costante aumento a seguito delle esigenze di estrazione mineraria subacquea, piscicoltura ed esplorazione e monitoraggio degli oceani. Il robot bio-ispirato, oggetto di questa tesi, è stato sviluppato con lo scopo di imitare il moto della razza Cownose, un pesce appartenente alla specie Myliobatiformes, il quale produce una spinta muovendo le sue pinne pettorali, generando un'onda che viaggia nella direzione opposta al suo movimento. La scelta di questa specie come ispirazione va attribuita all'efficienza e manovrabilità dei suoi movimenti. Questa ricerca ha lo scopo di sviluppare un modello numerico utilizzando l'ambiente di simulazione Simulink, al fine di progettare e testare l'algoritmo di controllo per eseguire manovre di base, ovvero il movimento in avanti, salita, discesa e virate manovrabili con raggio di curvatura variabile. Per replicare l'ambiente sottomarino in cui vive la manta Cownose, sono state effettuate diverse simulazioni CFD. Utilizzando l'applicazione per la visualizzazione scientifica Paraview, è stato possibile suddividere il corpo del pesce in diverse sezioni ed estrarre le forze e le coppie agenti su ognuna, in modo da implementarle nella simulazione multi-body. Gli algoritmi di controllo sviluppati riguardano sia strategie feed-forward che feedback, grazie al sensore IMU a bordo del robot. Infine, sono stati scelti i servomotori adatti a questa applicazione e sono stati verificati i requisiti di potenza.