Modelling, Control and Vision-Based Docking of an Autonomous Underwater Vehicle

Scientific research on Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) has become increasingly important in recent years, due to the expansion of their use in various underwater contexts, ranging from the energy industry, for example in the oil sector, to military applications. These vehicles are capable of operating in extreme environmental conditions, hazardous and often inaccessible to humans. Additionally, they are employed in performing repetitive tasks or in monitoring underwater infrastructures, offering a safe and efficient solution. To maximize their operational potential, underwater docking stations play a significant role. These structures allow AUVs to dock at the end of their mission, facilitating both recharging and the transfer of collected data to surface bases, enabling the vehicles to remain operational underwater for potentially extended periods. In this regard, control systems that allow the vehicle to dock autonomously are beneficial. This thesis provides a detailed analysis of the development and use of visual control systems for the docking of autonomous underwater vehicles. It begins with an overview of the history and operational principles of submarines, ROVs, and AUVs, establishing a context for understanding the value of underwater exploration technologies. The study then proceeds with mathematical modeling, focusing on the kinematic and dynamic equations crucial for accurate simulation and control of these vehicles. Subsequently, the theory of perception is explored, with particular emphasis on the pinhole camera model and techniques for position estimation, which are fundamental for vision-based navigation. The proposed algorithm that allows the vehicle to dock autonomously is then presented, detailing the various steps involved. The contribution of this thesis is specifically applied to the BlueRov2, a commercially produced underwater vehicle by Blue Robotics, while remaining adaptable for other AUV models with minor modifications.

La ricerca scientifica relativa agli Autonomous Underwater Vehicles (AUV) sta acquisendo un’importanza crescente negli anni recenti, attribuibile all’ampliamento del loro impiego in diversi contesti subacquei, che variano dall’industria energetica, per esempio nel settore petrolifero, fino alle applicazioni militari. Questi veicoli sono capaci di operare in condizioni ambientali estreme, rischiose e spesso inaccessibili all’essere umano. In aggiunta, trovano impiego nell’esecuzione di compiti ripetitivi o nel monitoraggio di infrastrutture sottomarine, offrendo una soluzione sicura ed efficiente. Per massimizzare il loro potenziale operativo, rivestono particolare rilevanza le stazioni di attracco subacquee. Queste strutture consentono agli AUV di attraccarsi al termine della missione, facilitando sia la ricarica che il trasferimento dei dati raccolti verso le basi di superficie, consentendo ai veicoli di rimanere operativi in immersione per periodi potenzialmente prolungati. A questo proposito vengono utili sistemi di controllo in grado di consentire al veicolo di attraccarsi in maniera autonoma. La presente tesi offre un’analisi dettagliata dello sviluppo e dell’impiego di sistemi di controllo visivo per l’ancoraggio di veicoli subacquei autonomi. Si inizia con un’esposizione della storia e dei principi funzionali di sottomarini, ROV e AUV, stabilendo un contesto per comprendere il valore delle tecnologie di esplorazione subacquea. Si procede poi con la modellizzazione matematica, ponendo l’accento sulle equazioni di cinematica e dinamica cruciali per la simulazione e il controllo precisi di tali veicoli. Successivamente, si esplora la teoria della percezione, con un’enfasi particolare sul modello della camera pinhole e sulle tecniche per la stima della posizione, che sono fondamentali per la navigazione basata sulla visione. Viene quindi presentato l’algoritmo proposto che consente al veicolo di effettuare un attraccaggio in completa autonomia, descrivendo in dettaglio i vari passaggi. Il contributo di questa tesi è applicato specificatamente al BlueRov2, un veicolo subacqueo di produzione commerciale realizzato da Blue Robotics, pur rimanendo flessibile a modifiche per l’adattamento ad altri modelli di AUV.