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Tesis:

Control of an Underactuated Underwater Robot using Geometric Algebra

  • Autor: CELY GUTIÉRREZ, Juan Sebastián

  • Título: Control of an Underactuated Underwater Robot using Geometric Algebra

  • Fecha: 2022

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72205/

  • Director/a 1º: SALTAREN PAZMIÑO, Roque Jacinto

  • Resumen: Debido a los problemas mundiales para poder encontrar lugares donde cosechar, la comunidad científica ha propuesto cosechar algunos productos bajo el agua. Estos cultivos pueden ser más productivos y seguros si en lugar de ser personas las que cosechan fueran robots. La experiencia del grupo en el desarrollo de robots subacuáticos ha permitido hacer una propuesta de una colonia de robots para sembrar bajo el agua. Para este caso hemos propuesto el diseño, construcción y control de un drone para tareas de manipulación bajo el agua. Se ha planteado el uso de álgebra de Lie para linealizar el modelo dinámico y de el álgebra geométrica para desarrollar un control que integre parámetros físicos del robot en su esquema. Para el diseño se requiere tener un modelo dinámico de un cuerpo rígido bajo el agua, sin embargo este modelo requiere la identificación de una parámetros hidrodinámicos que fueron obtenidos usando experimentos con modelos a escala. Al ser el modelo no lineal, y haciendo uso de álgebra de Lie se linealiza el modelo, también se plantean modelos linealizados basados en coordenadas paralelas y un modelo desacoplado, todos los modelos son comparados entre si. Se hace una descripción del hardware que fue usado para el prototipo a nivel de diseño mecánico, electrónico, actuadores y sensores. Fue llevado a cabo una descripción del software desarrollado tanto para el robot como para su interfaz gráfica. Para el control, se eligió un controlador por re alimentación de aceleración para ser usado como referencia, un controlador de par calculado y un controlador de modos deslizantes que usan el modelo linealizado por álgebra de Lie, y por ultimo un controlador geométrico adaptado a un modelo subacuático. Las comparativas de los controladores fueron llevadas a cabo con dos tipos de inmersiones: una para respuesta frente a perturbaciones y otra para seguir referencias. Los resultados de las pruebas manifestaron que los controladores garantizan las posiciones en profundidad y en ángulo, siendo los controladores para los ángulos los más sensibles, pero garantizaban la estabilidad del sistema. También se llevo a cabo pruebas para validar que el drone podía recoger cosas bajo el agua, siendo recogidos objetos como una esfera, una botella y una planta. Con esto se pudo determinar la validación del sistema y el uso de álgebra geométrica para la linealización del sistema y para el control geométrico propuesto. ABSTRACT Due to the world problems for finding places where harvesting, Scientific community has proposed to harvest some products in underwater environments. These farms could be more productive and safe if the operator will be not person and but robots. The experience in our research group in developing this kind of robots, it has allowed doing a proposal of an underwater robots colony for harvesting in underwater. For this situation, we have proposed the design, building and control of a drone shape robot for manipulation task in underwater. It has decided to plan the using of Lie algebra for linearising the dynamical model and the using of geometric algebra to develop a control schema that it has present the physical parameters of the robot into him. For designing it was required a dynamical model of a rigid body in underwater conditions, however this model requires the hydrodynamic parameters identification that they were obtained using experiments with scaled models. Because the model is non linear, and using Lie Algebra the model is linearised, also it is proposed linearised models based on Vessel Parallel Coordinates and a uncoupled model, where all models are compared between them. It was done a description about used hardware for prototyping in terms on mechanical design, electronic design, actuators and sensors. It was carried on a description about software developing such as for the robot and as for graphical interface. For the control design, it was selected a acceleration feedback controller to be as referenced controller, also were selected a calculated torque controller and a sliding modes controller, they use the linearised model by Lie Algebra, and finally a geometric controller adapted to a underwater modelling. They were carried on comparatives between controllers results with two immersions: one for disturbance response and another one to follow references. The results of the test evidence that the controllers guarantee robot depth and angle, being the controller for angle more sensible, but they guarantee the stability of the system. Also it was carried on tests for validating that the drone can catch things in underwater, being the selected objects as a sphere, a bottle and a plant. With these tests, it was possible to validate the system and the using of geometric algebra for linearising the system and for the proposed geometric control strategy.