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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Autonomous Underwater Vehicles (AUV) have multiple applications for military, commercial and
research purposes. The main advantage of this technology is its independence. Since these
vehicles operate autonomously, the need for a dedicated support vessel and human supervision
is dismissed. However, the autonomous nature of AUVs also presents a complex challenge for
the guidance, navigation and control system(s). The design of motion controllers for AUVs is
model-based i.e. a dynamic model is used for the design of the control system. The dynamic
model can also be used for simulation and performance analysis. In this context, the purpose
of this thesis is to provide a dynamic model for a double-body research AUV being developed at
CEiiA. This model is to be subsequently used for the design of the control system.
Since the purpose is the design of the control system and, in the scope of providing multiple
design approaches, the appropriate lateral and longitudinal subsystems are devised. These
subsystems are subsequently validated by comparing simulation results for the subsystems with
simulation results for the complete model.
The AUV is modeled using Fossen’s dynamic model. The model is divided into kinematics and
kinetics. Kinematics addresses the geometrical aspects of motion. For this purpose, both Euler
angles and quaternions are used. Kinetics focuses on the relationship between motion and
force. This model identifies four distinct forces that act on the underwater vehicle: rigid-body
forces; hydrostatic forces; hydrosynamic damping (or drag) and added-mass. The estimation
of model parameters is performed using analytical and computational methods. A detailed 3D
CAD model, developed by CEiiA, proved helpful for estimating mass and inertia parameters as
well as hydrostatic forces. Hydrodynamic damping estimation was performed by adapting CFD
analysis, also developed by CEiiA, to satisfy model parameters. Added mass parameters were
estimated using proven analytical methods. Due to limitations inherent to current modeling
methods, simplifications were unavoidable. These, when analyzed considering the requirements
of typical control systems, did not pose an impediment to the use of the dynamic model for this
purpose. Regarding the dynamics of this AUV, the hydrodynamic analysis suggests that this AUV
is unstable in the presence of angles of attack and side-slip. However the AUV’s motors should
be capable of controlling such instabilities.
Os veículos subaquáticos autónomos (Autonomous Underwater Vehicles – AUV’s) têm múltiplas aplicações militares, comerciais e para investigação científica. A grande vantagem destes veículos advém da sua independência, sendo que operam sem a necessidade de supervisão humana. No entanto esta capacidade implica que os sistemas de navegação, guia e controlo sejam completamente responsáveis pelo governo do veículo. O sistema de controlo destes veículos é tipicamente projetado tendo como base um modelo dinâmico do mesmo. Este modelo pode ser também usado para simulação e análise de desempenho. O propósito deste trabalho é desenvolver um modelo dinâmico para um AUV de investigação de duplo-corpo, a ser desenvolvido no CEiiA. Dado que o objetivo principal do modelo é projetar controladores e, de modo a fornecer várias abordagens para o efeito, os respetivos modelos (subsistemas) lateral e longitudinal são deduzidos. Estes modelos são posteriormente validados através da comparação de resultados de simulação para os subsistemas com os resultados de simulação para o modelo completo. A modelação deste veículo é efetuada usando o modelo dinâmico de Fossen. Este modelo pode ser dividido em cinemática e cinética. Cinemática aborda os aspetos geométricos do movimento. As equações de cinemática são fornecidas tanto para ângulos de Euler como para quaterniões. As equações de cinética centram-se na relação entre movimento e força. O modelo de Fossen identifica quatro forças distintas que influenciam a dinâmica dos veículos subaquáticos: forças de corpo rígido; forças hidrostáticas; amortecimento (atrito) hidrodinâmico e added mass. Estas forças são modeladas através de métodos analíticos e computacionais. O modelo CAD do veículo, desenvolvido pelo CEiiA, foi usado para estimar os parâmetros de massa e inércia, bem como forças hidrostáticas. O amortecimento hidrodinâmico foi estimado através da adaptação de análises CFD, também efetuadas pelo CEiiA, para satisfazer os parâmetros do modelo. Os parâmetros added mass foram estimados usando métodos analíticos comprovados. Devido a limitações inerentes aos métodos de modelação atuais, simplificações foram inevitáveis. As mesmas, quando analisadas tendo em conta os requisitos de sistemas de controlo típicos não provaram ser impeditivas da aplicação deste modelo para o desenvolvimento dos mesmos. No que diz respeito à dinâmica deste AUV, a análise hidrodinâmica sugere que este AUV é instável quando na presença de ângulos de ataque e derrapagem. No entanto os motores do AUV deverão ser capazes de corrigir tais instabilidades.
Os veículos subaquáticos autónomos (Autonomous Underwater Vehicles – AUV’s) têm múltiplas aplicações militares, comerciais e para investigação científica. A grande vantagem destes veículos advém da sua independência, sendo que operam sem a necessidade de supervisão humana. No entanto esta capacidade implica que os sistemas de navegação, guia e controlo sejam completamente responsáveis pelo governo do veículo. O sistema de controlo destes veículos é tipicamente projetado tendo como base um modelo dinâmico do mesmo. Este modelo pode ser também usado para simulação e análise de desempenho. O propósito deste trabalho é desenvolver um modelo dinâmico para um AUV de investigação de duplo-corpo, a ser desenvolvido no CEiiA. Dado que o objetivo principal do modelo é projetar controladores e, de modo a fornecer várias abordagens para o efeito, os respetivos modelos (subsistemas) lateral e longitudinal são deduzidos. Estes modelos são posteriormente validados através da comparação de resultados de simulação para os subsistemas com os resultados de simulação para o modelo completo. A modelação deste veículo é efetuada usando o modelo dinâmico de Fossen. Este modelo pode ser dividido em cinemática e cinética. Cinemática aborda os aspetos geométricos do movimento. As equações de cinemática são fornecidas tanto para ângulos de Euler como para quaterniões. As equações de cinética centram-se na relação entre movimento e força. O modelo de Fossen identifica quatro forças distintas que influenciam a dinâmica dos veículos subaquáticos: forças de corpo rígido; forças hidrostáticas; amortecimento (atrito) hidrodinâmico e added mass. Estas forças são modeladas através de métodos analíticos e computacionais. O modelo CAD do veículo, desenvolvido pelo CEiiA, foi usado para estimar os parâmetros de massa e inércia, bem como forças hidrostáticas. O amortecimento hidrodinâmico foi estimado através da adaptação de análises CFD, também efetuadas pelo CEiiA, para satisfazer os parâmetros do modelo. Os parâmetros added mass foram estimados usando métodos analíticos comprovados. Devido a limitações inerentes aos métodos de modelação atuais, simplificações foram inevitáveis. As mesmas, quando analisadas tendo em conta os requisitos de sistemas de controlo típicos não provaram ser impeditivas da aplicação deste modelo para o desenvolvimento dos mesmos. No que diz respeito à dinâmica deste AUV, a análise hidrodinâmica sugere que este AUV é instável quando na presença de ângulos de ataque e derrapagem. No entanto os motores do AUV deverão ser capazes de corrigir tais instabilidades.
Description
Keywords
Dinâmica Duplo-Corpo Estimação Lateral Longitudinal Modelo de Fossen Simulação Veículo Subaquático Autónomo