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.