Resumen de Advanced motion control systems for underwater robotic vehicles
Los vehículos submarinos están prosperando en el desempeño de funciones cada vez mas importantes para una serie de esfuerzos científicos y comerciales. Recientemente, el enfoque de varias líneas de investigación se ha dirigido al desarrollo de soluciones para vehículos submarinos, diseñados para operar en entornos complejos, como debajo de placas de hielo, donde el acceso es prácticamente imposible por cualquier otro medio. Las aplicaciones científicas en dichos entornos, tales como arqueología maritima, busqueda y rescate e inspeccion de buques, incluyen principalmente tareas de mapeo e inspección.
Una aplicación de vanguardia para la robótica submarina es la exploración de minas subterráneas inundadas. En un esfuerzo por localizar un suministro sostenible de materias primas en fuentes europeas, hay interés en determinar la viabilidad de reabrir algunas de las casi 30,000 minas inactivas o abandonadas en toda Europa, que pueden contener una cantidad considerable de reservas de materias primas consideradas críticas. A tal efecto, esta tesis aporta soluciones innovadoras dentro del marco proyecto UNEXMIN. Este proyecto tiene como objetivo desarrollar un novedoso sistema submarino llamado UX-1, para explorar las minas abandonadas e inundadas, y adquirir datos geocientíficos y topológicos. El desarrollo de UX-1 abrirá nuevos escenarios de exploración, de modo que las decisiones estratégicas sobre el desagüe y el reinicio de la explotación de las minas abandonadas de Europa puedan ser respaldadas por datos reales, que no se pueden recopilar de ninguna otra manera. Sin embargo, este entorno de operación requiere el desarrollo de conceptos de diseño innovadores, que crean nuevos desafíos en el diseño de metodos de control.
Esta tesis tiene como objetivo el desarollo, implementación y validación de sistemas de control de movimiento de alto rendimiento para vehiculos roboticos submarinos, aplicados particularmente a la novedosa plataforma de exploración de minas submarinas UX-1. En esta disertación se diseña y construye un original prototipo funcional a escala del vehículo submarino, que se utilizará como banco de pruebas y prueba de concepto para el diseño y la validación de algoritmos de control, antes de la integración y el despliegue en el UX-1. Además, el prototipo se utiliza para demostrar la viabilidad de los conceptos de diseño para los componentes de movimiento de la plataforma submarina real.
Esta disertación presenta un análisis exhaustivo del novedoso modelo dinámico altamente no lineal del sistema UX-1, incluida la identificación de los parámetros del modelo mediante pruebas experimentales. Usando el modelo dinámico, este trabajo doctoral propone varias soluciones para los sistemas de control de movimiento enfocados a un vehiculo submarino con diseño inédito, basados en la teoría de control óptimo cuadrático lineal y un enfoque de linealización de retroalimentación no lineal. Las soluciones propuestas se verifican y validan experimentalmente en escenarios cada vez más complejos, que van desde entornos de laboratorio a entornos operativos, y que demuestran su exitoso rendimiento y funcionalidad.
Esta tesis por compendio está compuesta por tres publicaciones de revistas científicas. Dichas publicaciones contribuyen íntegramente a satisfacer los objetivos de esta tesis doctoral, siguiendo una unidad temática clara y progresiva. Mas aún, estas publicaciones se complementan entre si para ampliar el estado del arte en aplicaciones robóticas subacuáticas. Por primera vez, se realizan misiones de exploración con vehículos submarinos en minas anegadas subterráneas reales, para validar la funcionalidad de las soluciones propuestas. Las misiones se llevan a cabo en minas inundadas con condiciones cada vez más desafiantes, estas incluyen: la mina de feldespato/cuarzo Kaatiala (Finlandia), la mina de uranio Urgeirica (Portugal) y la mina de mercurio Idrija (Eslovenia).
Underwater vehicles are flourishing, performing key roles in a number of scientific and commercial endeavors. Recently, the focus of several research lines has been aimed at developing solutions for advanced underwater vehicles, designed to operate in complex environments, such as under ice shelves, where access is virtually impossible by any other means. Most scientific applications for underwater robotics in these challenging environments are focused on marine archaeology, search & rescue or ocean mining, to perform tasks such as mapping, survey, and inspection.
A unique cutting-edge application for underwater robotics is the exploration of flooded underground mines. In an effort to locate a sustainable supply of raw materials from European sources, interest has been directed towards determining the feasibility of re-opening some of the nearly 30,000 inactive and flooded underground mines across Europe, which may contain a considerable amount of raw material reserves considered critical. To this effect, the work presented in this thesis contributes innovative solutions inside the framework of the H2020 project UNEXMIN. This project aims at developing a series of novel underwater robotic platforms to explore flooded underground mines and acquire geo-scientific and topological data. The development of these underwater robotic platforms will open new exploration scenarios so that strategic decisions on dewatering and re-starting exploitation of Europe’s abandoned mines can be supported by real data, which cannot be gathered in any other way. Nevertheless, this intended environment of operation requires the development of innovative design concepts, which create new challenges in control design.
This doctoral work has the objective of developing, implementing and validating high-performance motion control systems for underwater robotic vehicles, applied particularly for the newly developed UNEXMIN underwater mine explorer platform named UX-1. In this thesis, a new functional underwater vehicle scaled prototype is designed and built, to be used as a test-bench for the initial verification and validation of control algorithms, prior to integration and deployment on the UX-1 underwater vehicle. Additionally, this functional prototype is used as a proof-of-concept, to demonstrate the feasibility of the innovative design concepts for the motion components of the UX-1 platform.
In this dissertation, a thorough analysis of the unique nonlinear dynamic model of the UX-1 system is presented, including the identification of complex model parameters by means of experimental testing. Using the high-fidelity dynamic model of the UX-1 underwater vehicle, this work brings forward several innovative motion control system solutions based on linear-quadratic optimal control theory and a nonlinear feedback linearization control approach. In this thesis, the proposed solutions are comprehensively experimentally verified and validated in increasingly complex scenarios, ranging from laboratory to operational environments, which demonstrate their successful performance and functionality.
This thesis is presented as a compendium of three peer-reviewed scientific journal publications. Said publications equally contribute to satisfying the objectives of this doctoral thesis, following a clear and progressive thematic unity. Moreover, these publications extend the state of the art in underwater robotic applications. For the first time, exploration missions are performed with underwater vehicles in real underground flooded mines to validate the functionality of the proposed solutions. Dive missions are carried out at flooded mines with progressively challenging conditions, these include the Kaatiala feldspar/quartz mine (Finland), the Urgeiriça uranium mine (Portugal), and the Idrija mercury mine (Slovenia).
