Background Efficient underwater operations with autonomous underwater vehicles (AUVs) relying on several factors for a mission to be successful, such as operation time, distance covered, and waiting times. Today’s methods and processes for AUVs often struggle with inefficiencies and lack of route optimization. These challenges can result in increased operational costs and suboptimal performance. Minimizing operation time and utilizing route planning algorithms enables adaptation to operational challenges, potentially resulting in cost savings. Objectives This thesis aims to identify an efficient and practical solutions that will improve the operations for AUVs and the objective is to optimize the diving process through suboptimal routing algorithms in a predefined scenario. The study addresses one primary question to achive the aim. The question were: How can routing algorithms be implemented to improve the efficiency and reduce the operation time of Autonomous Underwater Vehicles? Methods The method describes three heuristic algorithms for optimizing the operations of AUVs. The first algorithm, the nearest neighbor heuristic (NNH) aims to minimize the distance an AUV needs to travel to recover and deploy ocean bottom nodes (OBN) within a cluster. The second algorithm, inspired by railway traffic, tries to prevent overlaps and minimizing the waiting times at the depot station. The third algorithm is highlighted as a local optimization algorithm that prioritizes the shortest waiting time over the nearest distance, adapting dynamically to available depot stations. Results The results in this thesis are derived from numerous simulations from different scenarios. The relationship between operations time and waiting time for different scenarios was obtained. The first algorithm proved to work for this type of situation. The second algorithm demonstrated its ability to yield superior solutions, albeit at the cost of being time-consuming due to a high number of iterations. The third algorithm was examined under conditions with and without delays. Even with delays, the algorithm consistently manages disturbances effectively. Conclusions While achieving an exact optimal solution remains challenging due to complexity, the research showed promising improvements in the endurance of the AUVs through the algorithms. The first algorithm was effective in minimizing the distance the AUVs traveled by selecting the most efficient path from numerous potential solutions. The second algorithm was slow due to a large number iterations, but the algorithm was able to find a solution where the operation and waiting time of the AUV could be reduced. The third algorithm was faster, but generally resulted in longer operation times. Also, increasing the number of AUVs resulted in shorter operation times but led to longer waiting times at the depot station, particularly in scenarios that became saturated with too many AUVs. / Bakgrund Undervattensoperationer med autonoma undervattensfarkoster (AUV:er) är beroende av flera faktorer för framgångsrika uppdrag, såsom driftstid, avstånd och väntetider. Dagens metoder och processer för AUV:er har ofta problem med ineffektivitet och bristande optimering av rutter. Dessa utmaningar kan leda till ökade driftkostnader och suboptimal prestanda. Genom att minimera operationstiden och använda ruttplaneringsalgoritmer möjliggörs anpassning till operativa utmaningar, vilket potentiellt kan resultera i kostnadsbesparingar. Syfte Detta examensarbete syftar till att utveckla effektiva och praktiska lösningar för att förbättra systemets prestanda och målet är att optimera rutterna genom suboptimala algoritmer i ett fördefinierat scenario. Arbetet behandlar en primärfråga för att uppnå målet. Frågan var: Hur kan ruttalgoritmer implementeras för att förbättra effektiviteten och minska drifttiden för autonoma undervattensfarkoster? Metod Metoden beskriver tre heuristiska algoritmer för att optimera driften förAUV:er. Den första algoritmen, närmaste granne heuristiken (NNH), syftar till attminimera avståndet en AUV behöver resa för att hämta och placera ut havsbottennoder (OBN) inom en kluster. Den andra algoritmen, inspirerad av tågtrafiken, syftar till att endast en AUV befinner sig vid depåstationen åt gången för att förhindra konflikter och minimera väntetider. Den tredje algoritmen är en lokal optimeringsalgoritm som prioriterar kortaste väntetiden över närmaste avstånd och anpassar sig dynamiskt till tillgängliga depåstationer. Resultat Resultaten i denna uppsats baseras på ett flertal simuleringar med olika scenarier. Förhållandet mellan drifttid och väntetid för olika scenarier erhölls. Den första algoritmen visade sig fungera bra för denna typ av situation. Den andra algoritmen visade sin förmåga att ge bättre lösningar, trots att den var tidskrävande pågrund av ett högt antal iterationer. Den tredje algoritmen undersöktes under förhållanden med och utan förseningar. Trots förseningar lyckades algoritmen konsekvent hantera störningar effektivt. Slutsats Trots komplexiteten med att tillhandahålla en exakt optimal lösning, visade arbetet förbättringar i AUV:ers uthållighet genom olika algoritmer. Den första algoritmen var effektiv för att minimera det avstånd som AUV:er färdades genom att välja en optimal väg bland många potentiella lösningar. Den andra algoritmen var långsam på grund av många iterationer, men algoritmen kunde hitta en lösning där AUV:ens drift- och väntetid kunde minskas. Den tredje algoritmen var snabbare men resulterade i längre drifttider. Vidare resulterade ökningen av antalet AUV:er i en minskning av drifttider men ökade väntetider, särskilt i scenarier som blev mättade med för många AUV:er.

Rapporten avhandlar en konceptstudie för omvandling av termisk energi till elektrisk samt mekanisk energi, i den autonoma undervattensfarkosten SAPPHIRES. Inledningsvis utreds vilka förväntningar och krav som finns på konceptet för energiomvandling samt om där finns någon publicerad litteratur som redan gjort ansträngningar för att lösa det aktuella problemet. Allmän teori kring värmemotorer och en bred, systematisk litteratursökning inkluderas även i det arbetet. Energiomvandlingen antas kunna ske enligt två fall kallade ”hög-prestanda” och ”låg/medel-prestanda”, vilka innebär att mekanisk samt elektrisk effekt, respektive endast elektrisk effekt ska kunna levereras av konceptet. De mekaniska samt elektriska effekterna ska, vidare, kunna levereras om maximalt 600, respektive 6 kW, och konceptet ska åtminstone kunna uppfylla ett av energiomvandlingsfallen. Den faktiska konceptstudien utgörs av två iterationer av konceptgenereringar, -utvärderingar och -val och de visar att ett koncept kallat ”Öppet system inspirerat av nukleär värmeframdrivning” förefaller vara det bästa sättet att omvandla termisk energi i SAPPHIRES. Därtill indikerar en mer detaljerad analys, bestående av bland annat matematisk modellering och konceptuell konstruktion, att konceptet möjligen skulle kunna uppfylla så kallad ”hög-prestanda” och sedermera leverera både mekanisk och elektrisk effekt om 600, respektive 6 kW. Mer specifikt visar en matematisk analys, med hjälp av vissa antaganden rörande konceptets funktion, att ett ”Öppet system inspirerat av nukleär värmeframdrivning” skulle kunna leverera en mekanisk effekt om 1025 kW samt en elektrisk effekt om 141 kW. En grov, konceptuell konstruktion bekräftar också att konceptets vitala, ingående komponenter faktiskt kan rymmas inom de specificerade dimensionskraven (en cylinderformad volym med en längd och diameter om 1,7, respektive 0,5 m.). Det står dock klart att de möjliga koncepten för energiomvandling kraftigt begränsas av deras möjligheter att leverera tillräcklig mekanisk effekt, för att uppnå ”hög-prestanda”. Om endast ”låg/medel-prestanda” ska uppfyllas tillåts fler av de möjliga koncepten och i ett sådant fall skulle faktorer som underhåll, miljöpåverkan och SAPPHIRES signatur kunna prioriteras i högre utsträckning. / The report discusses a concept study regarding the conversion of thermal energy into electrical and mechanical energy, in the autonomous underwater vehicle SAPPHIRES. First, the requirements and expectations regarding the concept of energy conversion are investigated and efforts are made to identify any published literature, which has already made attempts of solving the issue. General theory regarding heat engines and an extensive literature study are also included in this work. The energy conversion is assumed to perform according to two cases called "high-performance" and "low/medium-performance", meaning mechanical and electrical energy or electrical power should be delivered by the concept, respectively. More specifically, the mechanical and electrical powers should be delivered of a maximum of 600 and 6 kW, respectively and the concept should at least fulfill one of the performance settings. The actual concept study comprises of two iterations of concept generations, evaluations and selections and shows that a concept called "Open system inspired by nuclear thermal propulsion" seems to be the best way of converting thermal energy on-board SAPPHIRES. Moreover, a more detailed analysis, comprising of, inter alia, mathematical modelling and conceptual design, indicates that the concept possibly can meet the so-called "high-performance" and thus, deliver both mechanical and electrical powers of 600 and 6 kW, respectively. More specifically, a mathematical analysis, based on some assumptions regarding the concept's functionality, shows that an "Open system inspired by nuclear thermal propulsion" could deliver a mechanical power of 1025 kW and an electrical power of 141 kW. Rough conceptual design also shows that the vital parts of the concept could fit within the specified maximal dimensions (a cylinder-shaped volume with a length and diameter of 1.7 and 0.5 m, respectively). However, it is clear the possible concepts of energy conversion are severely limited by their capacities of delivering enough mechanical energy, to meet the "high-performance" demands. Assuming only the "low/medium-performance" has to be met, more possible concepts becomes available and in that case, factors such as maintenance, environmental impact and signature of SAPPHIRES could be considered to a greater extent.

Approved for public release, distribution is unlimited / In order to plug-in current open sourced, open standard Java programming technology into the building blocks of the US Navy's ForceNet, first, stove-piped systems need to be made extensible to other pertinent applications and then a new paradigm of adopting extensible and cross-platform open technologies will begin to bridge gaps with old and new weapons systems. The battle-space picture in real time and with as much detail, or as little detail needed is now a current vital requirement. Access to this information via wireless laptop technology is here now. Transmission of data to increase the resolution of that battle-space snapshot will invariably be through noisy links. Noisy links such as found in the shallow water littoral regions of interest will be where Autonomous Underwater and Unmanned Underwater Vehicles (AUVs/UUVs) are gathering intelligence for the sea warrior in need of that intelligence. The battle-space picture built from data transmitted within these noisy and unpredictable acoustic regions demands efficiency and reliability features abstract to the user. To realize this efficiency Extensible Markup Language (XML) Schema-based Binary Compression (XSBC), in combination with Vandermode-based Forward Error Correction (FEC) erasure codes, offer the qualities of efficient streaming of plain text XML documents in a highly compressed form, and a data self-healing capability should there be loss of data during transmission in unpredictable transmission mediums. Both the XSBC and FEC libraries detailed in this thesis are open sourced Java Application Program Interfaces (APIs) that can be readily adapted for extensible, cross-platform applications that will be enhanced by these desired features to add functional capability to ForceNet for the sea warrior to access on demand, at sea and in real-time. These features will be presented in the Autonomous Underwater Vehicle (AUV) Workbench (AUVW) Java-based application that will become a valuable tool for warriors involved with Undersea Warfare (UW). / Lieutenant, United States Navy

This master thesis project is focused on the development of an LQR controller and its comparison with other controllers (PID and MPC), in order to successfully control an Autonomous Underwater Vehicle manipulation system. The modelling of the manipulator was performed first in Matlab and later on in Simulink-Simscape. Once the manipulator was integrated with the AUV model, the LQR controller was also developed initially in Matlab and then in Simulink. The controller was then extracted from Simulink as a C-code and verified in Stonefish. After confirming that the LQR code was working in Stonefish, its results from Simulink were compared with PID and MPC results for two different trajectories. The data for comparison and statistical analysis were divided into the two trajectory scenarios (horizontal and vertical) since the weight matrices of both controllers were different. Looking at the system’s overall behavior the Model Predictive Control (MPC) and LQR had similar results, regarding the rise time, overshoot, steady-state error and robustness to disturbances. An anticipated fact for the MPC was that it takes the longest run time for both scenarios. Lastly, as expected the PID had the worst response of all three controllers, in both scenarios. Implementing a PID on a nonlinear system, produced many oscillations without being able to stabilize at the reference value, thus giving a large steady-state error. In addition, it could not counteract the noise disturbances in the signal. / Detta examensarbete är inriktat på utvecklingen av en LQR-styrenhet och dess jämförelse med andra kontroller (PID och MPC), för att framgångsrikt styra ett autonomt undervattensfordon-manipulationssystem. Modelleringen av manipulatorn utfördes först i Matlab och senare i Simulink-Simscape. När manipulatorn väl hade integrerats med AUV modellen, utvecklades LQR styrenheten också inledningsvis i Matlab och sedan i Simulink. Kontrollenheten extraherades sedan från Simulink som en C-kod och verifierades i Stonefish. Efter att ha bekräftat att LQR koden fungerade i Stonefish, jämfördes resultaten från Simulink med PID och MPC resultat för två olika banor. Data för jämförelse och statistisk analys delades in i de två bana-scenarierna (horisontella och vertikala), eftersom viktmatriserna för båda kontrollerna var olika. När man tittar på systemets övergripande beteende hade Model Predictive Controller (MPC) och LQR liknande resultat när det gäller stigningstid, överskott, steady-state fel och robusthet mot störningar. Ett förväntat faktum för MPC var att det tar den längsta körtiden för båda scenarierna. Slutligen, som väntat, hade PID det sämsta svaret av alla tre kontrollerna, i båda scenarierna. Implementering av ett PID på ett olinjärt system gav många oscillationer utan att kunna stabilisera sig vid referensvärdet, vilket gav ett stort steady-state fel. Dessutom kunde den inte motverka bullerstörningarna i signalen.