ระบบระบุตำแหน่งและควบคุมเสถียรภาพของหุ่นยนต์บังคับใต้น้ำแบบสี่องศาอิสระLocalization and Stabilization Control System of the 4 Degree-of-Freedom Remotely Operated Underwater Vehicle

Abstract

ปัจจุบันหุ่นยนต์บังคับใต้น้ำ (ROUV) กลายเป็นอุปกรณ์สำคัญสำหรับภารกิจใต้น้ำหลายอย่าง แต่ด้วยคุณลักษณะทางพลศาสตร์ของการเคลื่อนที่ใต้น้ำของ ROUV เช่น การไถลหลังจากการเคลื่อนที่ พลศาสตร์ของใบพัด ความสมดุลระหว่างน้ำหนักและแรงลอยตัว แรงกระทำที่ไม่แน่นอนจากสายเคเบิล และมุมมองภาพที่จำกัดขณะใช้งานใต้น้ำ ทำให้การควบคุมROUV เป็นสิ่งที่ยากสำหรับผู้ควบคุมแม้จะใช้งานในน้ำนิ่ง งานวิจัยนี้จึงทำการออกแบบระบบควบคุมเสถียรภาพของการทรงตัวด้วยตัวควบคุม PI และพัฒนาการระบุตำแหน่งของ ROUV บนพื้นฐานของ Hector SLAM ซึ่งเป็นโปรแกรมที่ทำงานบนRobot Operating System (ROS) การควบคุมแบบ PI ถูกนำมาใช้เพื่อพัฒนาระบบควบคุมการทรงตัวโดยอาศัยสัญญาณป้อนกลับเป็นค่าความเร็วในแนวระนาบ ระดับความลึกและความเร็วเชิงมุมทิศ Yaw เพื่อควบคุมการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ในทิศทางเหล่านั้น อุปกรณ์หลักของระบบประกอบด้วย คอมพิวเตอร์ บอร์ด Arduino และบอร์ด Raspberry Pi เป็นส่วนประมวลผลมอเตอร์ขับเคลื่อน (Thruster) บอร์ดขับมอเตอร์ (Drive Board) เซนเซอร์วัดความดัน (Pressure Sensor) สำหรับวัดระดับความลึก เซนแซอร์วัดทิศทาง (Gyroscope) และเซนเซอร์วัดสนามแม่เหล็ก (Magnetometer) จาก IMU สำหรับวัดทิศ Yaw เซนเซอร์วัดระยะด้วยเลเซอร์ (Lidar) สำหรับวัดตำแหน่งในแนวระนาบเพื่อหาตำแหน่งของตัวหุ่นยนต์โดยอาศัยอัลกอริทึมScan Matching การทดสอบระบบใช้หุ่นยนต์ดำน้ำที่สร้างขึ้นเองในการทดสอบ การทดสอบระบบใช้หุ่นยนต์ดำน้ำที่สร้างขึ้นเองในการทดสอบ โดยหุ่นยนต์ประกอบด้วยมอเตอร์ขับเคลื่อน 6 ตัว ที่มีจุดเด่นของระบบควบคุมอัตโนมัติสำหรับการเคลื่อนที่ได้ 4 องศาอิสระ ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า ระบบระบุตำแหน่งของ ROUV สามารถระบุตำแหน่งและทิศ Yaw แบบเวลาจริงได้อย่างแม่นยำ ระบบควบคุมเสถียรภาพสามารถทำให้ ROUV รักษาตำแหน่งใน 3 มิติ และทิศ Yaw พร้อมกันเมื่ออยู่นิ่ง และรักษาเส้นทางการเคลื่อนที่ตามที่ต้องการได้

Nowadays Remotely Operated Underwater Vehicles (ROUV) become necessary equipment for many underwater tasks. However, there are many underwater dynamic-motion characteristics of ROUV, e.g., motion drifting, dynamics of the ROUV thruster, balancing between ROUV weight and buoyancy force, uncertain force from cable wire and underwater field-of-view limitation, that cause difficulty for an operator to control a ROUV even without the water current. In this research, PI stabilization control system is applied to the ROUV and localization system is developed based on Hector SLAM which is a software package of Robot Operating System (ROS). The PI stabilization controller relies on the horizontal velocity, depth and yaw-angular velocity feedbacks to control the robot motion in the corresponding directions. The ROUV hardware consists of a computer laptop, an Arduino board and a Raspberry Pi board as processor unit, thrusters, motor drive boards, a pressure sensor for depth measurement, a gyroscope and magnetometer of IMU for orientation measurement, Lidar sensor for measuring horizontal distance and determining robot position by using the Scan Matching algorithm. The experiments are performed on the developed underwater robot. The ROUV, consisted of 6 thrusters, has an automatic feedback-control system for 4 degrees of freedom motion, which is a main contribution of this research. The research results show that the localization system of the ROUV is able to precisely maintain real-time position and yaw orientation. The controlled system is able to maintain the ROUV at the 3D stationary target position and to maneuver along the desired path.