Underwater robotics

Abstract

Aquaculture has emerged as the fastest-growing sector within the food production industry, due to its rapid growth. It serves a pivotal function in catering to the increasing global need for seafood, while addressing the challenges posed by the dwindling wild fish reserves. Underwater Vehicles (UVs) have contributed to the expansion of aquaculture by enabling underwater inspections, efficient data collection, and improved maintenance procedures. This innovative technology also plays a crucial role in enhancing the food supply chain, facilitating the acquisition of subsea data. This capability not only aids researchers in improving aquaculture procedures but also supports initiatives aimed at achieving food security through the sustainable growth of aquatic species. The objective of this dissertation is to design, develop, and evaluate underwater systems for inspecting and maintaining net cages in aquaculture facilities. The research focuses on an underwater vehicle for aquaculture inspection, and an Autonomous Underwater Vehicle (AUV) named “Kalypso”. Additionally, the development, fabrication, and simulation of an affordable subaquatic manipulator called MURA (Multipurpose Underwater Robotic Arm) that can be seamlessly integrated with Kalypso to perform tasks such as removing objects stuck on nets, collecting fish morts, and repairing net tears is presented. This dissertation provides a thorough research into the designs of underwater vehicles and their applications on aquaculture. The study involves a comprehensive examination of the Kalypso AUV, highlighting its software frameworks, modeling, mobility implementation, and navigational capabilities. The subsequent focus is directed towards the preliminary subaquatic vehicle designs, including their structural configuration, component integration, and locomotion capabilities. Furthermore, the MURA is introduced, explaining its underlying design principles, manipulator capabilities, and electronic integration. The effectiveness and operational capabilities of the underwater vehicle models are demonstrated through experimental assessments conducted in Kefalonia fisheries. The final remarks encapsulate the principal discoveries obtained from this investigation, examining their consequences and offering perspectives on forthcoming avenues for subaquatic robotics. The present dissertation contributes to the fields of underwater vehicle technology and aquaculture, thereby facilitating improved inspection and manipulation capabilities in aquaculture.

Η υδατοκαλλιέργεια έχει αναδειχθεί ως ο ταχύτερα αναπτυσσόμενος κλάδος στη βιομηχανία παραγωγής τροφίμων, λόγω της ταχείας ανάπτυξής της. Εξυπηρετεί μια κομβική λειτουργία για την κάλυψη της αυξανόμενης παγκόσμιας ανάγκης για θαλασσινά, ενώ ταυτόχρονα αντιμετωπίζει τις δυσκολίες που δημιουργούνται από τη μείωση των αποθεμάτων άγριων ψαριών. Τα υποβρύχια οχήματα έχουν συμβάλει στην επέκταση της υδατοκαλλιέργειας επιτρέποντας υποβρύχιες επιθεωρήσεις, αποτελεσματική συλλογή δεδομένων και βελτιωμένες διαδικασίες συντήρησης. Αυτή η καινοτόμος τεχνολογία διαδραματίζει επίσης κρίσιμο ρόλο στην ενίσχυση της αλυσίδας εφοδιασμού τροφίμων, διευκολύνοντας την απόκτηση υποθαλάσσιων δεδομένων. Αυτή η ικανότητα όχι μόνο βοηθά τους ερευνητές στη βελτίωση των διαδικασιών υδατοκαλλιέργειας, αλλά υποστηρίζει επίσης πρωτοβουλίες που στοχεύουν στην επίτευξη επισιτιστικής ασφάλειας μέσω της βιώσιμης ανάπτυξης των υδρόβιων ειδών. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι ο σχεδιασμός, η ανάπτυξη και η αξιολόγηση υποβρύχιων συστημάτων για την ικανότητα επιθεώρησης και συντήρησης διχτυών κλωβών σε εγκαταστάσεις υδατοκαλλιέργειας Η έρευνα επικεντρώνεται σε ένα υποβρύχιο όχημα για επιθεώρηση σε ιχθυοτροφεία και σε ένα αυτόνομο υποβρύχιο όχημα με το όνομα «Kalypso».Επιπλέον, παρουσιάζεται η ανάπτυξη, η κατασκευή και η προσομοίωση ενός προσιτού υποβρύχιου βραχίονα που ονομάζεται MURA (Multipurpose Underwater Robotic Arm) και μπορεί να ενσωματωθεί με το Kalypso για την εκτέλεση εργασιών όπως η αφαίρεση αντικειμένων που έχουν κολλήσει στα δίχτυα, η συλλογή νεκρών ψαριών, και η επιδιόρθωση σκισιμάτων στα δίχτυα. Αυτή η διατριβή παρέχει μια έρευνα υποβρύχιων οχημάτων και τις εφαρμογές τους στην υδατοκαλλιέργεια. Η μελέτη περιλαμβάνει μια ολοκληρωμένη εξέταση του υποβρύχιου οχήματος «Kalypso», τονίζοντας το λογισμικό, τη μοντελοποίηση, την υλοποίηση κινητικότητας και τις δυνατότητες πλοήγησης. Στη συνέχεια, η εστίαση κατευθύνεται στα προκαταρκτικά σχέδια υποβρύχιων οχημάτων, συμπεριλαμβανομένης της δομικής τους διαμόρφωσης, της ενσωμάτωσης εξαρτημάτων και των δυνατοτήτων κίνησης. Επιπλέον, παρουσιάζεται το MURA, διευκρινίζοντας τις θεμελιώδεις αρχές σχεδιασμού του, τις ικανότητες χειρισμού και τα ηλεκτρονικά του μέρη. Η αποτελεσματικότητα και οι επιχειρησιακές δυνατότητες των μοντέλων υποβρύχιων οχημάτων τεκμηριώνονται μέσω πειραματικών αξιολογήσεων που πραγματοποιήθηκαν στα Ιχθυοτροφεία της Κεφαλονιάς. Εν κατακλείδι, συνοψίζεται η έρευνα που προέκυψε εξετάζοντας τις συνέπειές τους και προσφέροντας προοπτικές για την υποβρύχια ρομποτική. Η παρούσα διατριβή συμβάλλει στα πεδία της τεχνολογίας υποβρύχιων οχημάτων και της υδατοκαλλιέργειας, διευκολύνοντας έτσι τη βελτίωση των δυνατοτήτων επιθεώρησης και χειρισμού στην υδατοκαλλιέργεια.