Homing and docking of autonomous underwater vehicles

• Autores: Cristina Cerrada Collado
• Directores de la Tesis: David Moreno Salinas (dir. tes.) , Dictino Chaos (dir. tes.)
• Lectura: En la UNED. Universidad Nacional de Educación a Distancia ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 218
• Tribunal Calificador de la Tesis: Gonzalo Alberto Farias Castro (presid.) , María Guinaldo Losada (secret.) , Jesús Chacón Sombría (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TESEO
• Resumen
  • español

    Los vehículos submarinos autónomos (AUVs) y los vehículos operados a distancia (ROVs) son cada vez más populares en las aplicaciones de investigación y comerciales. Estos vehículos son flexibles, eficientes y cada vez más baratos, lo que les permite realizar con eficacia y precisión múltiples tareas, sin embargo, están limitados por la fiabilidad de sus sistemas y la energía almacenada en sus baterías. Trabajar de forma autónoma durante largos periodos de tiempo es uno de los mayores retos a los que deben enfrentarse estos vehículos, por este motivo, en los últimos años una importante tendencia de investigación es el desarrollo de la tecnología de acoplamiento de vehículos en las estaciones de recarga (docking stations), así como estrategias de control y guiado para conducir los vehículos hasta dichas estaciones. Además, estos vehículos trabajan en condiciones y entornos peligrosos, por lo que es necesario que, en caso de avería, los vehículos puedan llegar a un punto de recuperación y evitar comprometer su integridad.

    Motivada por estas consideraciones, los objetivos de esta tesis son el desarrollo de una estrategia de guiado y de control para ROVs y AUVs para las maniobras de aproximación (homing) y acoplamiento (docking), usando mediciones acústicas de distancia y de ángulos de la posición relativa entre un vehículo y una estación de recarga (docking station) proporcionadas por un sistema USBL (Ultra-Short BaseLine) y el desarrollo de una ley de control óptima que se ejecute en caso de fallo de un motor para conducir un AUV a un punto de recuperación, y que permita una trayectoria que balancee la energía y el tiempo consumido.

    Para ello, se ha desarrollado el modelado de cada vehículo y se han realizado simulaciones para determinar la robustez de las diferentes soluciones de control propuestas, tanto para la estrategia de homing y docking, como para el control tolerante a fallos en caso de fallo. Los resultados muestran cómo la estrategia de homing y docking propuesta utilizando un sistema USBL es capaz de situar el vehículo en la posición y orientación adecuadas con respecto a la entrada de la estación de recarga (docking station), incluso en presencia de corrientes. Además, se ha demostrado que las leyes de control propuestas en el problema tolerante a fallos, en el caso extremo de un AUV subactuado, son capaces de guiar al vehículo hacia un punto de recuperación definido, teniendo en cuenta no sólo el tiempo necesario para alcanzar el punto de recuperación sino también el consumo de energía de las baterías.

  • English

    Autonomus Underwater Vehicles (AUVs) and Remotely Operated Vehicles (ROVs) are becoming increasingly popular in both research and commercial applications. These vehicles are flexible, efficient and increasingly cost-effective, and are used for both simple tasks such as explorating, mapping, inspection of underwater infrastructures or monitoring of marine enviroments, as well as complex tasks such as collaborative tasks requiring the participation of multiple vehicles.

    However, they are limited by the reliability of their systems and the energy stored in their batteries. Moreover, working autonomously for long periods of time is one of the biggest challenges that these vehicles should face. For this reason, in the last years an important research trend is the development of vehicle docking technology for battery charging and data collection (docking stations), as well as control and guidance strategies for driving vehicles to these docking stations, and navigation and communication systems between vehicles and docking stations that allow them to obtain their relativa position so that the vehicles can be correctly positioned and oriented towards the docking stations.

    In addition, these vehicles are working in hazardous conditions and enviroments, so it is necessary that in the event of a failure, the vehicles are able to reach a recovery point and avoid compromising their integrity. To this end, the development of fault-tolerant systems to detect, isolate and accommodate the failure is of utmost importance.

    Motivated by these considerations, the subject of this dissertation focuses on the homing and docking operations and on the fault tolerant control problem to determinate the control actions required to contain a given failure for ROVs and AUVs.

    Specifically, the objectives are: i) develop a novel guidance sustem and control law for ROVs and AUVs for the homing and docking manouvres using acoustic range and angle measurements of the relative position between a vehicle and a docking station provided by an Ultra-Short BaseLine (USBL) system, with one beacon installed in the vehicle and another in the docking station, ii) define an optimal control law to be executed in the extreme case of an underactuated AUV suffering form thruster failure to drive tha AUV to a recovery point. This takes into account not only the time it takes to reack the recovery point, but also the energy consumption of the vehicle´s batteries. Simulations have been performed to determinate the robustness of the different control situations proposed, both for the homing and docking strategy, as well as for the fault tolerant control in case of thruster failure.

    The results show how the proposed homing and docking strategy using an USBL system is able to position the vehicle in the proper position and orientation with respect to the docking station entrance, even in the presence of corrents. In addition, it has been demonstrated that the control laws proposed for the fault tolerant problem, in the extreme case of an underactuated AUV, are able to guide the vehicle towards a defined recovery point, taking into account not only the time needed to reach the recovery but also the energy cosumption of the batteries.