On-line path planning and robust adaptive path following for underactuated autonomous underwater vehicles

Al Azrak, Remon GND

Autonome Unterwasservehikel (AUV) sind für den Einsatz in maritimen Gebieten mit harschen und lebensbedrohlichen Umgebungsbedingungen sowie langen Missionshorizonten unerlässlich. Die Planung solcher Missionen erfolgt dabei oft über einen übergeordneten Missionsplanungsalgorithmus, der auf Grundlage von Umgebungsdaten, wie z.B. Wetter-, Karten- und Sensordaten, Referenzwegpunkte generiert. Aufgrund zeitlich veränderlicher Missionsziele und dynamisch variierender Hindernisse, wie z.B. andere Seefahrzeuge, ist eine flexible Anpassung dieser Referenzwegpunkte zur Laufzeit unvermeidlich. Da in den meisten Anwendungsfällen eine möglichst genaue Durchquerung der Wegpunkte mit vertretbarem Stellaufwand gewünscht ist, fokussiert diese Dissertation auf die Bahnführung von AUV, die durch eine Kombination aus on-line Bahnplanung und nichtlinearen Folgeregelungskonzepten besteht. Wegen der Anforderungen von Folgeregelungen an die Glattheit der Referenzbahn (C2) werden im ersten Teil dieser Arbeit zunächst 3D Bahnplanungsalgorithmen auf Basis von Polynomen 5. Grades vorgestellt, welche die von der Missionsplanung vorgegebenen Wegpunkte interpolieren. Zur Verbesserung der numerischen Eigenschaften sowie der Reduzierung des Rechenaufwands wird dieser Ansatz auf B-Splines übertragen. Durch eine spezielle Pufferung/Fensterung einer bestimmten Anzahl an Wegpunkten wird die zusätzliche Anforderung an die on-line Planung adressiert. Im zweiten Teil der Arbeit werden ausgehend von einer eingehenden mathematischen Modellbildung von AUVs nichtlineare Folgeregelungskonzepte für den vollaktuierten und den unteraktuierten Fall (mehr Freiheitsgrade als Stellgrößen) entwickelt. Für ersteren wird eine Feedback-Linearisierung mit beobachterbasiertem Ansatz und aktiver Störunterdrückung präsentiert. Für den zweiten Fall wird ein robustes, adaptives Regelgesetz zur Kompensation von Modellunsicherheiten und Störungen entworfen. Wegen der Unteraktuierung des Systems, stellt dies eine anspruchsvolle Aufgabe dar, welche basierend auf der direkten Methode von Lyapunov und adaptiver Backstepping-Verfahren gelöst wird. Zur Robustifizierung des adaptiven Reglers kommen Parameter-Projektions-Techniken zum Einsatz. Abschließend werden formale Nachweise der Stabilität der präsentierten Regelungen angeführt und die Leistungsfähigkeit der entwickelten Ansätze anhand von detaillierten Simulationen belegt.

Autonomous underwater vehicles (AUVs) are indispensable for use in maritime areas with harsh and life-threatening environmental conditions as well as long mission horizons. The planning of such missions is often carried out via a generic mission planning algorithm. Based on environmental data, e.g. weather, map and sensor data, it generates position reference points or so-called way-points to be followed by the AUV. Due to time-varying mission objectives and dynamically varying obstacles, such as other maritime vehicles, a flexible on-line adaptation of these way-points is unavoidable. In addition, for most applications an accurate crossing of way-points is desirable. Therefore, this dissertation focuses on the path generation and following of AUVs, which consists of a combination of on-line path planning and nonlinear path following concepts. Due to the special requirements for path following controllers on the smoothness of the reference path (C2), in the first part of this thesis, we present a 3D path planning algorithm based on degree 5 polynomials which interpolates the way-points given by the mission planning. In order to improve the numerical properties and to reduce the computational effort, this approach is transferred to B-splines. Using a special buffering/windowing of a certain number of way-points, the additional requirement on the on-line planning is addressed. In the second part of the thesis, mathematical modeling of AUVs is carried out. Based on that, nonlinear path following control concepts for the fully-actuated and the under actuated case (more degrees of freedom than control inputs) are developed. For the former, a feedback linearization controller with an observer-based approach and active disturbance rejection capabilities is presented. For the second case, a robust, adaptive control law is developed for the compensation of modeling uncertainty and disturbances. Owing to the under actuation of the system, the controller design is a challenging task, which is solved based on the direct method of Lyapunov and adaptive backstepping techniques. Moreover, parameter projection is used to robustify the adaptive controller. Finally, formal proofs of the stability of the presented controllers are provided and the performance of the developed approaches is demonstrated by means of detailed simulations.

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Al Azrak, Remon: On-line path planning and robust adaptive path following for underactuated autonomous underwater vehicles. Ilmenau 2017.

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