Προσδιορισμός της βέλτιστης θέσης πρόσδεσης και σχεδιασμός κίνησης αυτονόμου υποβρύχιου οχήματος φέροντος ρομποτικό βραχίονα (IAUV) για την εκτέλεση υποθαλάσσιων χειρισμών

Abstract

Current developments on the hydrocarbon industry push the limits of new installations to even greater depths. New fields are being discovered, whereas new hydrate exploitation techniques will start to develop in the near future. As a result, a constant increase on the number of the underwater installations that require constant monitoring and maintenance is observed. This leads to an increasing interest on further development of methods and techniques for unmanned underwater vehicles (UUV). The majority of today’s UUV that are being used to conduct underwater operations are remotely tele-operated vehicles (ROV) that require a support vessel and experienced pilot during an operation. Towards the minimization of the overall cost of the mission, a trend has been developed studying autonomous ROV operation leaving the pilot a supervisory role. Furthermore the development of intervention autonomous underwater vehicles (IAUV) depends on the development of new methods and techniques for autonomous underwater operations. This doctoral thesis aims on the development of methods to assist optimal execution of underwater operations and develop efficient motion planning algorithms for an IAUV during an intervention. After an introductory section describing the applications and the operations currently performed, there follows an analysis of a typical mission and an initial discretization of the motion planning close to the intervention area. Focusing on the case where the IAUV lays close to the intervention area there could be identified three intervention scenarios. The first one regards operations to installations with existing docking features developed to assist ROV docking. The second scenario deals with the case where there exist no pre-installed docking features close to the intervention area and the vehicle would have to autonomously dock in order to execute the requested operations in the optimum manner. Finally, the thirds scenario regards the cases where docking near the intervention is not possible or the nature of the task does not require the vehicle to dock. For this case the IAUV should come up with a motion plan that would allow it to complete the given tasks with a free floating base. Following a review of the related work on existing autonomous docking systems, a study to modify standardized docking panels developed for teleoperated vehicles to AUV friendly docking panels is presented. The modifications regard the introduction of a mechanical guidance system for the final docking stage of the IAUV and the integration on the panel of an active optical and a passive acoustic system that would assist on the identification of the docking panel by the vehicle. Regarding the case where preinstalled docking features are absent, a method for the determination of the optimum docking position is proposed given the current vehicle pose and the position of the task that would allow the IAUV to perform the given operations on the best possible manner. The dexterity of the manipulator is taken under consideration whereas the cases of single and multiple task points are being examined. For the case of multiple task points a control area is considered (defined by a set of control points) and a modified dexterity index is introduced. The calculation of the index is performed analytically for a relatively small number of control points. A neural network is being developed to decrease the computational time required to approximate the index while the number of control points increases. Identifying the advantages of the use of neural networks on function approximation, two types of neural networks are developed to approximate two well-known dexterity indexes, considering the whole IAUV system. With the use of neural networks the computational process is accelerated in great extent and the value of the dexterity index could be used in real time motion planning algorithms with strict requirements regarding the computational cost. The dexterity indexes are correlated with common underwater tasks performed by ROV and provide a measure of dexterity regarding a single configuration, on the calculation of a motion plan.Finally for the third operation scenario, there presented two motion planning algorithms, a global and a local one, for the execution of underwater interventions by IAUV with a free floating base. The calculation of both motion planning algorithms is based on the use of evolutionary algorithms. The Bump-surface notion is used for the mapping of the workspace and the collision avoidance, whereas additional optimization criteria are introduced to achieve an efficient motion plan for the IAUV. The local motion planning algorithm could implement the motion plan derived by the global motion planning algorithm or to determine a new motion plan based on the latest environment information.The thesis is concluded with the discussion of the results achieved by the proposed methods and proposals for future work based on our observations.

Η πρόοδος στη βιομηχανία υδρογονανθράκων ωθεί τα όρια των νέων εγκαταστάσεων εξόρυξης σε ολοένα και μεγαλύτερα βάθη. Νέα πεδία ανακαλύπτονται, ενώ νέες τεχνικές εκμετάλλευσης ιδρυτών θα αρχίσουν να αναπτύσσονται στο προσεχές μέλλον. Οι παραπάνω εξελίξεις έχουν σαν αποτέλεσμα την συνεχή αύξηση του αριθμού των υποθαλάσσιων εγκαταστάσεων οι οποίες απαιτούν τακτική παρακολούθηση και συντήρηση, που είναι και η κύρια αιτία της συνεχούς ανάπτυξης του πεδίου των Μη-επανδρωμένων Υποθαλάσσιων Οχημάτων (Unmanned underwater vehicles, UUV). Σήμερα η πλειοψηφία των UUV που χρησιμοποιούνται για υποθαλάσσιους χειρισμούς είναι Τηλεχειριζόμενα Υποθαλάσσια Οχήματα (Remotely operated vehicles, ROV) που απαιτούν αντίστοιχο όχημα υποστήριξης στην επιφάνεια και πεπειραμένους χειριστές καθώς αυτά επιχειρούν. Για την ελαχιστοποίηση του κόστους των συγκεκριμένων εργασιών και του χρόνου αποστολής αναπτύσσεται μια τάση αυτοματοποίησης των αποστολών ROV αφήνοντας στον χειριστή έναν ρόλο επιβλέποντα. Επιπλέον η ανάπτυξη των Αυτόνομων Υποθαλάσσιων Οχημάτων εξοπλισμένων με ρομποτικό βραχίονα (Intervention autonomous underwater vehicles, IAUV) στηρίζεται πάνω στην εξέλιξη αντίστοιχων μεθόδων για αυτόνομη εκτέλεση εργασιών από υποθαλάσσια οχήματα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο την ανάπτυξη μεθόδων για την βέλτιστη εκτέλεση υποθαλάσσιων εργασιών από IAUV με την ανάπτυξη μεθόδων καθορισμού της βέλτιστης θέσης πρόσδεσης και σχεδιασμού κίνησης για το όχημα κοντά στην περιοχή εργασίας. Έπειτα από μία εισαγωγική ενότητα γύρω από τις εφαρμογές και τις εργασίες των υποθαλάσσιων οχημάτων γίνεται μία ανάλυση της αποστολής και ένας αρχικός διαχωρισμός του σχεδιασμού κίνησης μακριά και κοντά στην περιοχή εργασίας. Εστιάζοντας στην περίπτωση που το IAUV βρίσκεται κοντά στην περιοχή εργασίας και πριν εκτελέσει το σύνολο των εργασιών της αποστολής, μπορούν να αναγνωριστούν τρεις διακριτές περιπτώσεις εργασίας που σχετίζονται με τις υπάρχουσες εγκαταστάσεις. Η πρώτη αφορά εργασίες σε εγκαταστάσεις με ήδη υπάρχουσες θέσεις πρόσδεσης ειδικά διαμορφωμένες για λειτουργία ROV. Η δεύτερη αφορά περιπτώσεις όπου στην περιοχή εργασίας δεν έχουν προβλεφθεί θέσεις πρόσδεσης για το όχημα, οπότε αυτό θα πρέπει να προσδέσει αυτόνομα για να εκτελέσει το σύνολο των εργασιών με τον πιο αποδοτικό τρόπο. Τέλος, η τρίτη αφορά περιπτώσεις που η πρόσδεση κοντά στην περιοχή εργασίας δεν είναι εφικτή, συνεπώς το όχημα θα πρέπει να δημιουργήσει ένα σχέδιο κίνησης για την εκτέλεση των απαιτούμενων εργασιών με κινούμενη βάση.Έπειτα από την σχετική ανασκόπηση της βιβλιογραφίας γύρω από τα υπάρχοντα συστήματα πρόσδεσης, αρχικά γίνεται μία μελέτη τροποποίησης των τυποποιημένων δομών πρόσδεσης για τηλεχειριζόμενα οχήματα, έτσι ώστε να ευνοούν διαδικασίες αυτόνομης πρόσδεσης. Η τροποποίηση αφορά την εισαγωγή ενός συστήματος μηχανικής οδήγησης του IAUV κατά την πρόσδεση και στην ενσωμάτωση ενεργών οπτικών στοιχείων και παθητικών ακουστικών στοιχείων για τον σχετικό προσδιορισμό της θέσης του. Παρουσιάζεται μια κινηματική ανάλυση του συστήματος μηχανικής οδήγησης που προτείνεται με τη χρήση λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων.Στην συνέχεια και εξετάζοντας την περίπτωση όπου απουσιάζουν δομές πρόσδεσης στην περιοχή εργασία αναπτύσσεται μια μέθοδος για τον υπολογισμό της βέλτιστης θέσης του οχήματος δεδομένης της τρέχουσας θέσης του και της θέσης του σημείου εργασίας έτσι ώστε να μπορεί να εκτελέσει τις εργασίες της αποστολής με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η επιδεξιότητα του βραχίονα λαμβάνεται υπόψη σαν κύριο κριτήριο βελτιστοποίησης ενώ εξετάζονται οι περιπτώσεις ενός και πολλαπλών σημείων εργασίας. Για την περίπτωση πολλαπλών σημείων εργασίας λαμβάνεται υπόψη μια περιοχή ελέγχου (που ορίζεται από έναν αριθμό σημείων ελέγχου) και εισάγεται ένας ειδικά τροποποιημένος δείκτης επιδεξιότητας. Ο υπολογισμός της τιμής του δείκτη επιδεξιότητας για τις διαμορφώσεις του βραχίονα του οχήματος γίνεται με αναλυτικό τρόπο για έναν μικρό αριθμό σημείων ελέγχου μέσα στην επιφάνεια. Με την αύξηση των σημείων ελέγχου για την καλύτερη προσέγγιση του δείκτη προτείνεται η χρήση ενός τεχνητού νευρωνικού δικτύου για τον ταχύτερο υπολογισμό της τιμής του δείκτη επιδεξιότητας.Αναγνωρίζοντας τα πλεονεκτήματα που προσφέρει η χρήση νευρωνικών δικτύων για την προσέγγιση συναρτήσεων αναπτύσσονται δύο τύποι νευρωνικών δικτύων, για την προσέγγιση δυο γνωστών δεικτών επιδεξιότητας, λαμβάνοντας υπόψη όλους τους βαθμούς ελευθερίας του συστήματος IAUV. Με την χρήση των νευρωνικών δικτύων η διαδικασία υπολογισμού επιταχύνεται σε μεγάλο βαθμό και μπορούν έτσι να χρησιμοποιηθούν σε αλγορίθμους σχεδιασμού κίνησης που εκτελούνται σε πραγματικό χρόνο. Οι δείκτες επιδεξιότητας αντιστοιχούνται με κάποιες από τις συνηθέστερες υποθαλάσσιες εργασιών που εκτελούνται από ROV. Η συσχέτιση αυτή προσφέρει μια μετρική σχετικά με την καταλληλότητα των διαμορφώσεων ενός IAUV κατά την κατάρτιση του σχεδίου κίνησης.Τέλος για την τρίτη περιοχή εργασιών χωρίς πρόσδεση, αναπτύσσονται δύο μέθοδοι ολικού και τοπικού σχεδιασμού κίνησης για την εκτέλεση υποθαλάσσιων εργασιών από IAUV. Ο υπολογισμός του ολικού και του τοπικού σχεδιασμού κίνησης στηρίζεται πάνω στη χρήση εξελικτικών αλγορίθμων. Χρησιμοποιείται η έννοια των Bump-surfaces για την αναπαράσταση του χώρου εργασίας και την αποφυγή των εμποδίων καθώς και επιπλέον κριτήρια βελτιστοποίησης για να επιτευχθεί το αποδοτικότερο σχέδιο κίνησης για το όχημα. Ο αλγόριθμος τοπικού σχεδιασμού κίνησης μπορεί να υλοποιήσει το σχέδιο κίνησης που προκύπτει από τον αλγόριθμο ολικού σχεδιασμού κίνησης ή να δημιουργήσει ένα νέο σχέδιο κίνησης με βάση της τελευταίες πληροφορίες για το περιβάλλον. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τα συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική εργασία στηριζόμενες στις παρατηρήσεις που έγιναν κατά την εκπόνηση της διατριβής.