The term hydrobatics refers to the agile maneuvering of underwater vehicles. Hydrobatic capabilities in autonomous underwater vehicles (AUVs) can enable increased maneuverability without a sacrifice in efficiency and speed. This means innovative robot designs and new use case scenarios are possible. Benefits and technical challenges related to hydrobatic AUVs are explored in this thesis. The dissertation contributes to new knowledge in simulation, control and field applications, and provides a structured approach to realize hydrobatic capabilities in real world impact areas.

Three impact areas are considered - environmental monitoring, ocean production and security. A combination of agility in maneuvering and efficiency in performance is crucial for successful AUV applications. To achieve such performance, two technical challenges must be solved. First, these AUVs have fewer control inputs than degrees of freedom, which leads to the challenge of underactuation. The challenge is described in detail and solution strategies that use optimal control and model predictive control (MPC) are highlighted. Second, the flow around an AUV during hydrobatic maneuvers transitions from laminar to turbulent flow at high angles of attack. This renders flight dynamics modelling difficult. A full 0-360 degree envelope flight dynamics model is therefore derived, which combines a multi-fidelity hydrodynamic database with a generalized component-buildup approach. Such a model enables real-time (or near real-time) simulations of hydrobatic maneuvers including loops, helices and tight turns.

Next, a cyber-physical system (CPS) is presented -- it safely transforms capabilities derived in simulation to real-world use cases in the impact areas described. The simulator environment is closely integrated with the robotic system, enabling pre-validation of controllers and software before hardware deployment. The small and hydrobatic SAM AUV (developed in-house at KTH as part of the Swedish Maritime Robotics Center) is used as a test platform. The CPS concept is validated by using the SAM AUV for the search and detection of a submerged target in field operating conditions.

Current research focuses on further exploring underactuated control and motion planning. This includes development of real-time nonlinear MPC implementations running on AUV hardware, as well as intelligent control through feedback motion planning, system identification and reinforcement learning. Such strategies can enable real-time robust and adaptive control of underactuated systems. These ideas will be applied to demonstrate new capabilities in the three impact areas.

Termen hydrobatik avser förmåga att utföra avancerade manövrer med undervattensfarkoster. Syftet är att, med bibehållen fart och räckvidd, utvigda den operationella förmågan i manövrering, vilket möjliggör helt nya användningsområden för maximering av kostnadseffektivitet. I denna avhandling undersöks fördelar och tekniska utmaningar relaterade till hydrobatik som tillämpas på undervattensrobotar, vanligen kallade autonoma undervattensfarkoster (AUV). Avhandlingen bidrar till ny kunskap i simulering, reglering samt tillämpning i experiment av dessa robotar genom en strukturerad metod för att realisera hydrobatisk förmåga i realistiska scenarier. 

Tre nyttoområden beaktas - miljöövervakning, havsproduktion och säkerhet. Inom dessa nyttoområden har ett antal scenarios identifierats där en kombination av smidighet i manövrerbarhet samt effektivitet i prestanda är avgörande för robotens förmåga att utföra sin uppgift. För att åstadkomma detta måste två viktiga tekniska utmaningar lösas. För det första har dessa AUVer färre styrytor/trustrar än frihetsgrader, vilket leder till utmaningen med underaktuering. Utmaningen beskrivs i detalj och lösningsstrategier som använder optimal kontroll och modellprediktiv kontroll belyses. För det andra är flödet runt en AUV som genomför hydrobatiska manövrar komplext med övergång från laminär till stark turbulent flöde vid höga anfallsvinklar. Detta gör flygdynamikmodellering svår. En full 0-360 graders flygdynamikmodell härleds därför, vilken kombinerar en multi-tillförlitlighets hydrodynamisk databas med en generaliserad strategi för komponentvis-superpositionering av laster. Detta möjliggör prediktering av hydrobatiska manövrar som t.ex. utförande av looping, roll, spiraler och väldigt snäva svängradier i realtids- eller nära realtids-simuleringar.

I nästa steg presenteras ett cyber-fysikaliskt system (CPS) – där funktionalitet som härrör från simuleringar kan överföras till de verkliga användningsområdena på ett effektivt och säkert sätt. Simulatormiljön är nära integrerad i robot-miljön, vilket möjliggör förvalidering av reglerstrategier och mjukvara innan hårdvaruimplementering. En egenutvecklad hydrobatisk AUV (SAM) används som testplattform. CPS-konceptet valideras med hjälp av SAM i ett realistiskt sceanrio genom att utföra ett sökuppdrag av ett nedsänkt föremål under fältförhållanden.

Resultaten av arbetet i denna licentiatavhandling kommer att användas i den fortsatta forskningen som fokuserar på att ytterligare undersöka och utveckla ny metodik för reglering av underaktuerade AUVer. Detta inkluderar utveckling av realtidskapabla ickelinjära MPC-implementeringar som körs ombord, samt AI-baserade reglerstrategier genom ruttplaneringsåterkoppling, autonom systemidentifiering och förstärkningsinlärning. Sådan utveckling kommer att tillämpas för att visa nya möjligheter inom de tre nyttoområdena.

The term hydrobatics refers to the agile maneuvering of underwater vehicles. Underwater robots such as autonomous underwater vehicles (AUVs) and remotely operated vehicles (ROVs) are either designed as flight style, optimized for range and speed, or hover style, optimized for precise maneuverability. Hydrobatic capabilities can help balance efficiency and maneuverability in these platforms, enabling innovative robot designs for impact areas in environmental monitoring, ocean production and security. This dissertation addresses technical challenges related to hydrobatic AUVs and contributes to new knowledge in real-time control, simulation, learning and planning. 

Hydrobatic AUVs are underactuated systems --- new strategies using nonlinear model predictive control (MPC) and behavior trees (BTs) are presented for efficient and safe real-time control of underactuated AUVs in agile maneuvers. Further, the flow around an AUV during such maneuvers transitions from laminar to turbulent flow at high angles of attack, rendering flight dynamics modelling difficult. A full 0-360 degree envelope flight dynamics model is therefore derived, which combines a multi-fidelity hydrodynamic database with a generalized component-buildup approach. Such a model enables real-time (or near real-time) simulations of hydrobatic maneuvers including loops, helices and tight turns. To increase the intelligence and robustness of such systems, data driven methods including physics-informed learning, Gaussian processes, sparse regression  and reinforcement learning are utilized to rapidly identify models of the system's dynamics and perform online adaptive control. To further enhance autonomy, informative path planning is also studied, where an adaptive sampling strategy combines AUV measurements and satellite data to track ocean fronts.

These hydrobatic capabilities are safely brought to the real world through a cyber-physical system (CPS). Simulator environments are closely integrated with the robotic system, enabling pre-validation of controllers and software before hardware deployment. The small and hydrobatic SAM AUV (SAM: Small and Affordable Maritime robot) developed in-house at KTH as part of the Swedish Maritime Robotics Centre (SMaRC) is used as a test platform. The CPS concept is demonstrated with the SAM AUV in applications including detecting underwater targets, inspecting seaweed farm infrastructure and tracking algal blooms using the presented simulation, planning and control strategies.

Hydrobatik avser förmågan att utföra avancerade manövrar med undervattensfarkoster. Undervattensrobotar som autonoma undervattensfarkoster (AUV) är antingen optimerade för räckvidd och hastighet, eller optimerade för precisionsmanövrering. Hydrobatiska kapaciteter kan hjälpa till att balansera effektivitet och manövrerbarhet på dessa plattformar. Hydrobatik möjliggör innovativ robotdesign inom tre nyttoområden --- miljöövervakning, havsproduktion och säkerhet.I denna avhandling undersöks fördelar och tekniska utmaningar relaterade till hydrobatik. Avhandlingen bidrar till ny kunskap kring reglering, simulering, lärande och ruttplanering. Vidare tillämpas denna kunskap inom experiment av dessa robotar i realistiska scenarier.

Inom nämnda nyttoområden har ett antal scenarios identifierats där en kombination av manövrerbarhet samt räckvidd är avgörande för robotens förmåga att utföra sin uppgift. För att åstadkomma detta måste viktiga tekniska utmaningar lösas. För det första har dessa AUVer färre styrytor/trustrar än frihetsgrader, vilket leder till utmaning med underaktuering. Lösningsstrategier baserade på ickelinjär modelprediktiv kontroll (MPC) och beteendeträd (BTs) presenteras för effektiv och säker realtidskontroll av underaktuarande AUV:er i smidiga manövrar. För det andra är flödet runt en AUV som genomför hydrobatiska manövrar komplext. Övergången från laminärt till starkt turbulent flöde vid höga anfallsvinklar gör flygdynamikmodellering svår. En full 0-360 graders flygdynamikmodell härleds därför, vilken kombinerar en multi-tillförlitlighets hydrodynamisk databas med en generaliserad strategi för komponentvis-superpositionering av laster. Detta möjliggör prediktering av hydrobatiska manövrar som t.ex.  looping, roll, spiraler och väldigt snäva svängradier i realtids- eller nära realtids-simuleringar. För att öka intelligensen och robustheten hos sådana system används datadrivna metoder inklusive fysikinformerad inlärning, Gaussiska processer, sparsam regression och förstärkningsinlärning för att snabbt identifiera dynamiska modeller och utföra adaptiv kontroll i realtid. För att ytterligare förbättra autonomin studeras också informativ ruttplanering, där en adaptiv provtagningsstrategi kombinerar AUV-mätningar och satellitdata för att följa och mäta algblomningar och havsfrontar.

Dessa hydrobatiska förmågor överförs på ett säkert sätt till den verkliga världen genom ett cyberfysiskt system (CPS). Simulatormiljöer är integrerade med robotsystemet, vilket möjliggör förvalidering av styrenheter och mjukvara innan hårdvaruinstallation. Den lilla och hydrobatiska AUV:n SAM (SAM: Small and Affordable Maritime robot), egenutvecklad på KTH som en del av Swedish Maritime Robotics Centre, används som testplattform. CPS-konceptet demonstreras under fältförhållanden med SAM AUV. Applikationer inkluderar sökuppdrag av ett nedsänkt föremål, inspektioner av infrastruktur för havsbruk samt spårning av algblomning.