Ocean pollution and contamination of the water are serious problems because of its rapid increase and spread, having a negative effect on people, animals and the environment. Due to this, new technologies to monitor and measure environmental parameters are being developed. Remotely Operated Underwater Vehicles (ROVs) have become a commonly used robotic platform in oceanographic monitoring and analysis. The ROVBWSTI, designed by Fraunhofer IOSB-AST Institute, is an underwater modular vehicle capable of fulfilling numerous tasks, especially in the area of environmental sensoring. The motion of the ROV is commanded through a joypad controller, and functional requirements of autonomy are not implemented yet. Motivated by this fact, this master thesis focuses on the modelling of the dynamics of the remotely operated vehicle, considering its motion, existing ocean currents, effects of gravitation and buoyancy. Moreover, the concrete effect of the thrusters on the ROV is analysed and identified. Furthermore, the detailed identification of the dynamic and hydrodynamic parameters required in the model is considered, based on empirical estimations, computational methods and experimental tests. The obtained approach is simulated and optimized, using real motion trials as a reference. After the successful modelling, the design of an essential control system that includes set-point regulation and waypoint tracking is performed and simulated. As a result, it obtains an accurate dynamic model of the remotely operated vehicle that was successfully simulated and compared with real motion tests. On the other hand, the proposed control system applied to the model adequately achieves its purpose of regulation and way point tracking that allows the autonomy of the vehicle. / Tesis

El presente trabajo tiene por objetivo sentar las bases necesarias para el desarrollo, diseño, control e implementación de un sistema multiagente, específicamente sobre un conjunto de robots marítimos. Este tipo de sistema tiene varias aplicaciones. Desde el punto de vista académico, el proceso de establecer un patrón de formación deseado consiste en una tarea laboriosa y desafiante. Por otro lado, la idea de usar estos robots como un conjunto permite a las industrias navales y agencias meteorológicas reducir horas de trabajos de campo e investigación. Sin embargo, para lograr estos propósitos es necesario saber las características que presentan estos sistemas y las herramientas de software y hardware con las que se cuenta, de manera que se pueda elaborar una estrategia de control de formación. Esta información es detallada en la presente tesis, cuya estructura es la siguiente: El capítulo I presenta el Estado del arte de los vehículos autónomos de superficie. Se explica cómo se inició el interés por el estudio de dichos vehículos y los modelos que se han ido desarrollando en esta área de la robótica marítima. Teniendo en cuenta ello, se presenta adicionalmente un resumen de las técnicas y algoritmos empleados para lograr un adecuado control de formación de un sistema constituido por varios robots, en el que se señalan algunas diferencias. En el capítulo II se obtuvo el modelo matemático de un vehículo de superficie. En él se definen los sistemas de referencia necesarios para describir el movimiento del robot marítimo y se obtienen las ecuaciones cinemáticas y dinámicas mediante el uso de una matriz de rotación, la aplicación de las leyes de Newton, y principios de hidrodinámica e hidrostática. Así también, se explican los modelos usados para las perturbaciones que afectan al robot. El proceso de las pruebas experimentales es detallado en el Capítulo III. Se explica brevemente las características de los sensores y actuadores empleados, y además, se presentan los parámetros a tener en cuenta en las simulaciones desarrolladas. En el capítulo IV se presenta el diseño del controlador de formación. Se usan 2 enfoques para poder comparar los resultados obtenidos con cada una de las estrategias. Asimismo, en cada una de ellas se analiza la controlabilidad y estabilidad del esquema de formación deseado. El modelo que permite relacionar las fuerzas requeridas por el sistema con las fuerzas permitidas por los actuadores se explica detalladamente en el capítulo V. El capítulo VI presenta los resultados obtenidos con los controladores diseñados en el entorno de MATLAB-Simulink. Se muestra también el efecto de las perturbaciones sobre la formación y se distinguen las principales diferencias entre una y otra estrategia. Finalmente, se mencionan las conclusiones generales y trabajos futuros planteados, así como también se sugieren algunas recomendaciones. / Tesis

El presente trabajo tiene como objetivo diseñar un sistema que ayude a evaluar los peligros que existen dentro del campo de la minería subterránea y resaltar el índice de accidentabilidad que tienen sobre todo los proyectos de exploración. Esto es consecuencia de que aún no se ha logrado implementar el uso de la tecnología adecuada para las inspecciones de rutina, que sean capaces de detectar potenciales peligros, principalmente centrándonos en casos de ventilación deficiente, identificado por la concentración de oxígeno, altos niveles de radiación, ocasionada por ciertos gases tóxicos, entre este el radón; y finalmente posibles deslizamientos y derrumbes dentro del lugar de operaciones en minería subterránea. La presente tesis se centra en el diseño de un vehículo híbrido terrestre-aéreo no tripulado, que pueda desarrollar las labores de exploración de rutina y que sea controlado a distancia por un operario. El vehículo, debe estar equipado con los sensores y actuadores para el correcto movimiento sobre el entorno difícil, además para la adquisición de datos relevantes que a veces pasan desapercibidos por el sentido humano. Se precisa una autonomía del sistema de 1 hora como mínimo. Se logró cumplir con los objetivos planteados para este proyecto, logrando así un vehículo hibrido de autonomía de desplazamiento terrestre de una hora aproximadamente y 10 minutos de autonomía para desplazamiento aéreo, este siendo usado en puntuales ocasiones. Se logro un diseño estructural adecuado para las condiciones de trabajo, así como, el correcto arreglo de diversos módulos de potencia, arreglo de sensores, controladores y motores eléctricos, para lograr un óptimo control de ambos módulos de desplazamiento. De la misma forma, se estableció un sistema adquisidor y transmisor de datos para el vehículo, de manera que se puedan ser notificados de los peligros de manera oportuna para el operador.

Ocean pollution and contamination of the water are serious problems because of its rapid increase and spread, having a negative effect on people, animals and the environment. Due to this, new technologies to monitor and measure environmental parameters are being developed. Remotely Operated Underwater Vehicles (ROVs) have become a commonly used robotic platform in oceanographic monitoring and analysis. The ROVBWSTI, designed by Fraunhofer IOSB-AST Institute, is an underwater modular vehicle capable of fulfilling numerous tasks, especially in the area of environmental sensoring. The motion of the ROV is commanded through a joypad controller, and functional requirements of autonomy are not implemented yet. Motivated by this fact, this master thesis focuses on the modelling of the dynamics of the remotely operated vehicle, considering its motion, existing ocean currents, effects of gravitation and buoyancy. Moreover, the concrete effect of the thrusters on the ROV is analysed and identified. Furthermore, the detailed identification of the dynamic and hydrodynamic parameters required in the model is considered, based on empirical estimations, computational methods and experimental tests. The obtained approach is simulated and optimized, using real motion trials as a reference. After the successful modelling, the design of an essential control system that includes set-point regulation and waypoint tracking is performed and simulated. As a result, it obtains an accurate dynamic model of the remotely operated vehicle that was successfully simulated and compared with real motion tests. On the other hand, the proposed control system applied to the model adequately achieves its purpose of regulation and way point tracking that allows the autonomy of the vehicle. / Tesis

El presente trabajo tiene por objetivo sentar las bases necesarias para el desarrollo, diseño, control e implementación de un sistema multiagente, específicamente sobre un conjunto de robots marítimos. Este tipo de sistema tiene varias aplicaciones. Desde el punto de vista académico, el proceso de establecer un patrón de formación deseado consiste en una tarea laboriosa y desafiante. Por otro lado, la idea de usar estos robots como un conjunto permite a las industrias navales y agencias meteorológicas reducir horas de trabajos de campo e investigación. Sin embargo, para lograr estos propósitos es necesario saber las características que presentan estos sistemas y las herramientas de software y hardware con las que se cuenta, de manera que se pueda elaborar una estrategia de control de formación. Esta información es detallada en la presente tesis, cuya estructura es la siguiente: El capítulo I presenta el Estado del arte de los vehículos autónomos de superficie. Se explica cómo se inició el interés por el estudio de dichos vehículos y los modelos que se han ido desarrollando en esta área de la robótica marítima. Teniendo en cuenta ello, se presenta adicionalmente un resumen de las técnicas y algoritmos empleados para lograr un adecuado control de formación de un sistema constituido por varios robots, en el que se señalan algunas diferencias. En el capítulo II se obtuvo el modelo matemático de un vehículo de superficie. En él se definen los sistemas de referencia necesarios para describir el movimiento del robot marítimo y se obtienen las ecuaciones cinemáticas y dinámicas mediante el uso de una matriz de rotación, la aplicación de las leyes de Newton, y principios de hidrodinámica e hidrostática. Así también, se explican los modelos usados para las perturbaciones que afectan al robot. El proceso de las pruebas experimentales es detallado en el Capítulo III. Se explica brevemente las características de los sensores y actuadores empleados, y además, se presentan los parámetros a tener en cuenta en las simulaciones desarrolladas. En el capítulo IV se presenta el diseño del controlador de formación. Se usan 2 enfoques para poder comparar los resultados obtenidos con cada una de las estrategias. Asimismo, en cada una de ellas se analiza la controlabilidad y estabilidad del esquema de formación deseado. El modelo que permite relacionar las fuerzas requeridas por el sistema con las fuerzas permitidas por los actuadores se explica detalladamente en el capítulo V. El capítulo VI presenta los resultados obtenidos con los controladores diseñados en el entorno de MATLAB-Simulink. Se muestra también el efecto de las perturbaciones sobre la formación y se distinguen las principales diferencias entre una y otra estrategia. Finalmente, se mencionan las conclusiones generales y trabajos futuros planteados, así como también se sugieren algunas recomendaciones. / Tesis

Dado el incremento de demanda en energía que se puede observar en los países en desarrollo los últimos años, y siendo el gas natural una fuente confiable y con un costo reducido en comparación a otros hidrocarburos, se percibe una necesidad de aumentar la distribución de este a más regiones del país, pero para realizar esto, se requiere de implementación de ductos que transporten el hidrocarburo hacia zonas cercanas a las urbanizaciones. Por ello, el objetivo en del presente trabajo de investigación es encontrar una forma eficiente y veloz de realizar el proceso de soldadura, al reemplazar el sistema manual usado actualmente en el Perú al desarrollar un vehículo que traslade y posicione automáticamente una máquina de soldadura orbital. Una de las ventajas que se esperan de forma directa es la reducción de los fallos en la realización de uniones por soldadura, los cuales son aproximadamente el 8% de las uniones soldadas (Congreso de la República del Perú, 2006). La metodología usada para evaluar los conceptos de solución que se planteen será una aproximación general a la norma VDI 2206 y la VDI 2221, empleadas para el diseño de sistemas técnicos y productos (Pahl, Beitz, Feldhusen, & Grote, 2013). En este presente documento se abordarán los problemas actuales que presenta el proceso actual, luego se procederá a investigar sobre dispositivos que cumplan funciones similares a las deseadas o que puedan ser acoplados al diseño, luego con toda la información obtenida se busca crear tres posibles soluciones para compararlas y finalmente llegar al concepto óptimo que podría aplicarse para este problema.

The field of autonomous driving has been evolving rapidly within the last few years and a lot of research has been dedicated towards the control of autonomous vehicles, especially car-like ones. Due to the recent successes of artificial intelligence techniques, even more complex problems can be solved, such as the control of autonomous multibody vehicles. Multibody vehicles can accomplish transportation tasks in a faster and cheaper way compared to multiple individual mobile vehicles or robots. But even for a human, driving a truck-trailer is a challenging task. This is because of the complex structure of the vehicle and the maneuvers that it has to perform, such as reverse parking to a loading dock. In addition, the detailed technical solution for an autonomous truck is challenging and even though many single-domain solutions are available, e.g. for pathplanning, no holistic framework exists. Also, from the control point of view, designing such a controller is a high complexity problem, which makes it a widely used benchmark. In this thesis, a concept for a plurality of tasks is presented. In contrast to most of the existing literature, a holistic approach is developed which combines many stand-alone systems to one entire framework. The framework consists of a plurality of modules, such as modeling, pathplanning, training for neural networks, controlling, jack-knife avoidance, direction switching, simulation, visualization and testing. There are model-based and model-free control approaches and the system comprises various pathplanning methods and target types. It also accounts for noisy sensors and the simulation of whole environments. To achieve superior performance, several modules had to be developed, redesigned and interlinked with each other. A pathplanning module with multiple available methods optimizes the desired position by also providing an efficient implementation for trajectory following. Classical approaches, such as optimal control (LQR) and model predictive control (MPC) can safely control a truck with a given model. Machine learning based approaches, such as deep reinforcement learning, are designed, implemented, trained and tested successfully. Furthermore, the switching of the driving direction is enabled by continuous analysis of a cost function to avoid collisions and improve driving behavior. This thesis introduces a working system of all integrated modules. The system proposed can complete complex scenarios, including situations with buildings and partial trajectories. In thousands of simulations, the system using the LQR controller or the reinforcement learning agent had a success rate of >95 % in steering a truck with one trailer, even with added noise. For the development of autonomous vehicles, the implementation of AI at scale is important. This is why a digital twin of the truck-trailer is used to simulate the full system at a much higher speed than one can collect data in real life.