Enhancing the AUV long-term deployment: non-holonomic AUV autonomous docking using acoustics in a funnel-shaped docking station

Abstract

Underwater robotics has undergone significant development in recent years. It has been applied to a wide range of sectors, such as the mapping of areas of interest, the collection of scientific data, or the Inspection Maintainance and Repair (IMR) tasks for the energy sector (oil and gas, renewable energies, etc.). Nowadays, Remotely Operated Vehicles play a leading role in these fields and are gradually being replaced by Autonomous Underwater Vehicles (AUVs).

In the coming years, the market will need AUVs deployed for long term in strategic locations, such as offshore wind farms. To achieve this goal, a key factor is the development of Docking Station (DS) where robots can be stationed, charge their batteries, and have a stable channel for fast communication. With this in mind, this thesis focuses on the development of new technologies for the Long Term Deployment (LTD) of non-holonomic AUVs at sites of interest.

The work began with a review of the state of the art. Next, a new metric for scoring docking success was proposed and used for the comparison of different strategies. Then, a new docking algorithm that takes into account the ocean current was proposed, simulated, and compared to methods in the literature; with promising results. At this point, a new funnel-based DS, which can be self-aligned with the ocean current to simplify the docking process, was designed and implemented. Finally, the proposed DS and docking algorithm were validated at sea using Sparus II AUV equipped with an inverse Ultra-Short BaseLine (USBL) system for the DS localization. The results demonstrate the validity of the proposal and pave the way for applications requiring the LTD of AUVs

La robòtica submarina ha experimentat un desenvolupament notable al llarg dels últims anys. Essent aplicada a una àmplia gamma de sectors com pot ser el mapeig de zones d'interès, l'obtenció de dades per altres científics o el sector energètic; des del petroli fins a les energies renovables. A dia d'avui els robots teleoperats (ROV) són protagonistes en aquests camps i progressivament s'està evolucionant cap als robots autònoms (AUV). Aquests darrers, estan començant a ser utilitzats per certes aplicacions i es preveu que en un futur podran substituir en gran mesura els primers.

Per tal de poder consolidar la tecnologia dels AUVs, els robots no només han de ser capaços de desenvolupar una aplicació concreta, sinó que també és imperatiu desenvolupar la tecnologia relacionada a la seva logística. La nostra visió indica que en els propers anys, el mercat necessitarà flotes permanent de robots autònoms situats en ubicacions estratègiques, com podria ser una estació eòlica marina. Per tal d'aconseguir aquest fi, un factor clau és el desenvolupament de plataformes logístiques (DS) on els robots puguin ser guardats, protegits, carregats de bateria i disposin d'un canal estable de comunicació ràpida. Detectada tal necessitat, aquesta tesi s'ha centrat en el desenvolupament d'una aplicació pràctica d'estació subaquàtica per un dels robots del nostre centre: l'Sparus II.

El treball es va iniciar amb un estudi de l'estat de l'art. A continuació, es va proposar una nova mètrica per puntuar l'èxit d'acoblament i es va utilitzar per comparar diferents estratègies publicades a la literatura. Seguidament, es va proposar un nou algoritme d'acoblament que considera les corrents marines, simulant-lo i comparant-lo amb les estratègies anteriorment mencionades, obtinguen resultats prometedors. Arribats a aquest punt, es va dissenyar i implementar un nova DS basada en la tipologia d'embut, que es pot autoalinear amb la corrent marina per poder simplificar el procès d'acoblament. Finalment, la DS y l'algoritme d'acoblament es van validar experimentalment en el mar, utilitzant el Sparus II AUV equipat amb un sistema invers de USBL per a la localització de la DS. Els resultats demostren la validesa de la proposta i aplanen el camí per a aplicacions que requereixin el desplegament a llarg plaç de AUV