AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLE: CONTROL, NAVIGATION, AND PATH PLANNING. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MS Thesis) Mubarak_MSc_Thesis_Report.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 6 June 2025. Download (13MB)

Arabic Abstract

المركبات تحت المائية الآلية (AUVs) هي مركبات تحت المائية بدون طاقم صُممت للعمل بشكل مستقل بأقل تدخل بشري. تقدم هذه الرسالة منهجيات متقدمة للتحكم وتخطيط مسار المركبات تحت المائية الآلية، مع التركيز على التحكم القوي في المسارات ضمن بيئات مائية معقدة. يستخدم الأسلوب المقترح استراتيجيات الاستجابة والتغذية الراجعة لتحقيق تحكم دقيق وقوي في المركبات تحت المائية في بيئات معقدة. تُعد استراتيجية التحكم الأولية باستخدام تخطيطية الاستجابة (FBL) معيارًا لتقييم ديناميكيات المركبات تحت المائية. ومع ذلك، بالنظر إلى القيود التي يفرضها نهج تخطيطية الاستجابة بسبب التقديرات المفرطة، تقدم الرسالة تقنية التحكم بالوضع الانزلاقي غير الخطي (SMC). تأخذ هذه التقنية في الاعتبار جميع ديناميكيات المركبات تحت المائية بشكل شامل، مما يقضي على الحاجة إلى التقديرات ويقلل من الأخطاء والاضطرابات الخارجية. نظرًا لتأثير التشقق الشائع في SMC التقليدي، يتم استكشاف استراتيجيات متقدمة مثل التحكم بالوضع الانزلاقي من الرتبة الكسرية (FO-SMC) والتحكم بالوضع الانزلاقي الملتوي العالي (ST-SMC). تستخدم هذه الاستراتيجيات أسطح انزلاق من رتبة أعلى وحسابات كسرية لتعزيز الأداء وتقليل التشقق، مما يؤدي إلى تقارب أسرع. بالإضافة إلى ذلك، تشمل الرسالة نظام إرشاد بسيط يعتمد على تقنية الرؤية المباشرة (LOS) لتحسين الملاحة أكثر. بينما يتم تفصيل التحليل الشامل للاستقرار ومنهجيات التحكم، فإن استكشاف تجريبي لتخطيط المسار لا يزال محدودًا، مما يقدم مجالًا للبحث المستقبلي. تؤكد نتائج المحاكاة فعالية أنظمة التحكم المقترحة في تحسين تتبع المسار والاستقرار والملاحة للمركبات تحت المائية.

English Abstract

Autonomous underwater vehicles (AUVs) are crew-less underwater automobiles designed to operate independently, requiring minimal human intervention. This thesis presents advanced AUV control and path planning methodologies, emphasizing robust trajectory control in complex underwater environments. The proposed method uses feedforward and feedback strategies to achieve robust and precise AUV control in intricate underwater environments. The initial control strategy using feedback linearization (FBL) is a benchmark for evaluating AUV dynamics. However, recognizing the limitations of the FBL approach due to excessive approximations, the article introduces the non-linear sliding mode control (SMC) technique. This technique comprehensively considers all AUV dynamics, eliminating approximations and mitigating inaccuracies and external disturbances. Given the chattering effect common in conventional SMC, advanced strategies such as super twisting sliding mode control (ST-SMC) and fractional order sliding mode control (FO-SMC) are explored. These strategies use higher-order sliding surfaces and fractional calculus to improve performance and minimize chattering, resulting in faster convergence and enhanced tracking accuracy. The thesis also includes the formulation of a modest line-of-sight (LOS) guidance system to help with navigation and a multi-objective path planning scheme for the AUV. While comprehensive stability analysis and control methodologies are detailed, the experimental exploration of path planning remains limited, presenting an avenue for future research. Simulation results validate the effectiveness of the proposed control systems in improving path tracking, stability, and navigation of AUVs.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Computer Systems Math Physics Aerospace Electrical Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Control and Instrumentation Engineering
Committee Advisor:	Emzir, Muhammad Fuady
Committee Members:	Elferik, Sami and Ahmad, Sarvat
Depositing User:	MUBARAK BADAMASI (g202112870)
Date Deposited:	06 Jun 2024 11:09
Last Modified:	06 Jun 2024 11:09
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142942