Metodi Ibridi per Guida, Navigazione e Controllo dei ROV

With the increase in human activities in the ocean, such as oil and natural gas extraction, the need for new technologies to support these activities has arisen. For this reason, ROVs (remotely operated vehicles) have been developed—unmanned underwater vehicles capable of reaching even the deepest parts of the ocean. As technology has advanced, these vehicles have become more autonomous, reducing, at least partially, the need for human operators to manage them. In this context this thesis work was carried out, proposing a hybrid GNC (guidance, navigation, and control) system for the Blueye, a small-sized ROV. A hybrid GNC system can change the algorithms used or their parameters to increase the vehicle’s efficiency and usability in the different operational conditions it might face. To achieve these goals, the work was divided mainly into three parts: 1. Development of a simulation environment: a digital twin of the vehicle was created to verify the stability and performance of the vehicle’s GNC system. 2. Development of a GNCsystem: the different algorithms necessary for controlling an ROV were implemented and verified. 3. Development of the Hybrid System: in this part, the concept of a hybrid methods is applied to the previously proposed GNC system. The system will be able to change controllers based on the activities it needs to perform. All three parts of the work were developed in Python and then in ROS2 to implement them in the Blueye through a software development kit (SDK) provided by the manufacturer.

Con l’aumento delle attività umane nell’oceano, come l’estrazione di petrolio e gas naturale, si è presentata la necessità di nuove tecnologie a supporto di esse. Per questo motivo si sono sviluppati i ROV (remotely operated vehicles), veicoli sotto marini senza equipaggio, in grado di raggiungere anche i fondali marini più profondi. Con lo sviluppo della tecnologia è aumentato il grado di autonomia di questo tipo di veicoli svincolando, almeno in parte, l’operatore umano dalla gestione del veicolo. È in questo contesto che è stato portato avanti questo lavoro di tesi che propone un sistema ibrido di GNC (guidance, navigation and control) per il Blueye, un ROV di piccole dimensioni. Un sistema ibrido di GNC è un sistema in grado di cambiare gli algoritmi utilizzati o i loro parametri in modo tale da aumentare l’efficienza e l’usabilità del veicolo nelle differenti condizioni operative che potrebbe affrontare. Per raggiungere questo obiettivo il lavoro si è suddiviso principalmente in tre parti: 1. Sviluppo di un ambiente di simulazione: un digital twin del veicolo è stato creato in modo tale da verificare la stabilità e le performance del sistema GNC del veicolo. 2. Sviluppo di un sistema GNC: i differenti algoritmi necessari al controllo di un ROV sono stati implementati e verificati. 3. Sviluppo del sistema Ibrido: in questa parte viene applicato il concetto di metodi ibridi al sistema GNC proposto precedentemente. Il sistema sarà in grado di cambiare controller in base alle attività che dovrà svolgere. Il primo obiettivo, ovvero sviluppare un sistema GNC affidabile, è stato raggiunto in maniera soddisfacente; nell’ambiente di simulazione il Rov Blueye completa il percorso assegnato senza alcun tipo di problema e in maniera stabile. Per poter ottenere un miglior riscontro dell’efficacia e della stabilità del sistema GNC dovrebbe essere testato fisicamente sul ROV in acqua, ma per motivi di tempo non è stato possibile. Per quanto riguarda l’applicazione dei metodi ibridi, il problema principale è la limitazione data dalle ridotte dimensioni del Rov e la poca potenza disponibile, che lo rendono utilizzabile solo in condizioni di mare calmo e con poca corrente. Per questo l’unico cambio che può essere applicato è il cambio di modalità operativa. Passare da un controller PD nelle situazioni di maneuvering ad uno PID per lo station keeping permette al veicolo di rimanere in posizione con una precisione maggiore, che può essere utile all’operatore nelle operazioni di ispezione. Tutte e tre le parti del lavoro sono state sviluppate in Python, e poi in ROS2 per poterle implementare nel Blueye attraverso un SDK (software-development-kit) fornito dal costruttore.