Robust Controller Design for an Autonomous Underwater Vehicle

Worldwide there has been a surge of interest in Autonomous Underwater Vehicles (AUV). The ability to operate without human intervention is what makes this technology so appealing. On the other hand, the absence of the human narrows the AUV operation to its control system, computing, and sensing capabilities. Therefore, devising a robust control is mandatory to allow the feasibility of the AUV. Motivated by this fact, this thesis aims to present, discuss and evaluate two linear control solutions being proposed for an AUV developed by a consortium led by CEiiA. To allow the controller design, the dynamic model of this vehicle and respective considerations are firstly addressed. Since the purpose is to enable the vehicle’s operation, devising suitable guidance laws becomes essential. A simple waypoint following and station keeping algorithm, and a path following algorithms are presented. To devise the controllers, a linear version of the dynamic model is derived considering a single operational point. Then, through the decoupling of the linear system into three lightly interactive subsystems, four Proportional Integral Derivative controllers (PIDs) are devised for each Degree Of Freedom (DOF) of the vehicle. A Linear Quadratic Regulator (LQR) design, based on the decoupling of the linear model into longitudinal and lateral subsystems is also devised. To allocate the controller output throughout the actuators, a control allocation law is devised, which improves maneuverability of the vehicle. The results present a solid performance for both control methods, however, in this work, LQR proved to be slightly faster than PID.É visível, a nível mundial, um aumento considerável do interesse em Veículos Autónomos Subaquáticos (Autonomous Underwater Vehicles - AUV). O que torna esta tecnologia tão atraente é a capacidade de operar sem intervenção humana. Contudo, a ausência do ser humano restringe a operação do AUV ao seu sistema de controlo, computação e capacidades de detecção. Desta forma, conceber um controlo robusto é obrigatório para viabilizar o AUV. Motivado por este facto, esta tese tem como objetivo apresentar, discutir e avaliar duas soluções de controlo linear, a propor a um AUV desenvolvido por um consórcio liderado pelo CEiiA. Para que o projeto do controlador seja possível, o modelo dinâmico deste veículo e respectivas considerações são primeiramente abordados. Com a finalidade de possibilitar a operação do veículo, torna-se essencial a elaboração de leis de guidance adequadas. Para este efeito são apresentados algorítmos de Waypoint following e Station keeping, e de path following. Para a projeção dos controladores é derivada uma versão linear do modelo dinâmico, considerando um único ponto operacional. Através da separação do modelo linear em três subsistemas são criados quatro controladores Proporcional Integral Derivativo (PID) para cada grau de liberdade (Degree Of Freedom - DOF) do veículo. É também projetado um Regulador Linear Quadrático (LQR), baseado na separação do modelo linear em dois subsistemas, longitudinal e lateral. É ainda apresentada uma lei de alocação de controlo para distribuir o sinal de saída dos controladores pelos diferentes atuadores. Esta provou melhorar a manobrabilidade do veículo. Os resultados finais apresentam um desempenho sólido para ambos os métodos de controlo. No entanto, neste trabalho, o LQR provou ser mais rápido do que o PID