On the Performance of Long-Range Autonomous Underwater Vehicles : Enhancing the Endurance of AUVs

• Autonomous underwater vehicles (AUVs) are robotic platforms that are commonly used to gather environmental data, provide bathymetric images, and perform manipulation tasks. These robots are used not only for scientific, but also for industrial and military purposes. Climate change, political instabilities, and the increasing demand for both renewable and fossil energy sources have created a need for high-performance AUVs and particularly long-range AUVs.The performance of long-range AUVs is characterised by several parameters, such as autonomous decision making, accurate navigation, system reliability, and vehicle endurance. The vehicle’s endurance is the key capability enabling long-range missions and is determined by the energy capacity and power consumption. By cruising at optimum speed, the vehicle endurance can be utilised most efficiently, resulting in the longest achievable vehicle range. The range of AUVs can be extended by maximising the available energy capacity and by minimising the overall power consumption. This thesis shows how the choices of propulsion system and power source can help improving the range of AUVs.The power consumption comprises the hotel load and propulsive power. While the hotel load is largely depending on the payload sensors, the propulsive power can be minimised by choosing the right propulsion system. As a part of this thesis, the transit performance of underwater gliders is analysed using an analytical approach. The analysis yields a glide metric for the assessment of the energy efficiency of underwater gliding and allows for comparison to other conventional propulsion systems.The most common energy systems for AUVs are primary and secondary electrochemical cells, in particular lithium-ion batteries. Alternative energy systems such as fuel cell (FC) systems can potentially improve the range of AUVs. Through a conceptual design study using off-the-shelf components, it is shown how FC systems can increase the energy capacity of AUVs. FC systems are typically implemented as hybrid systems paired with a small capacity battery system. Energy management strategies (EMS) are required to coordinate these two power sources. In this thesis, deterministic and optimisation-based strategies have been tested in simulations and evaluated against realistic AUV power consumption data from field trials. The results suggest that the complexity of the EMS needs to grow with mission complexity. While deterministic methods can yield the lowest energy consumption for standard missions (e.g. bathymetric imaging), optimisation-based methods provide best load-following behavior, making these methods better suited for retaining power reliability through maintaining battery state of charge.

• Autonoma undervattensfarkoster (AUV) är robotplattformar som vanligtvis används för att samla in miljödata, tillhandahålla batymetriska bilder och/eller utföra manipulationsuppgifter. Dessa robotar används inte bara för vetenskapliga, utan också industriella och militära ändamål. Klimatförändringar och politiska instabiliteter har skapat ett ökat behov av AUV:er med lång räckvidd som till exempel kan samla in oceanografisk data från under avlägsna antarktiska istungor eller utföra undervattens- och spaningsuppdrag för att säkerställa landets säkerhet. Idag hindras AUV:er i sin operation ofta av sin begränsade räckvidd och är dessutom generellt tvingade att färdas i låg hastighet. Ökad användning av AUV:er är därför starkt beroende av val av optimalt framdrivnings- och energisystem.Konventionella framdrivningssystem omfattar propellrar och flytkraftsmotorer. Som en del av detta doktorsarbete analyseras analytiskt transitprestanda hos undervattens- glidare. Analysen ger ett ”glide-metric” som möjliggör snabb och enkel bedömning av effektiviteten av undervattensglidning med hjälp av fordonens hydrodynamiska koefficienter för lyft och motstånd – parametrar, som vanligtvis erhålls och finns tillgängliga under designprocessen. Resultaten visar vidare att för Myring-formade kroppar kan undervattensglidning vara den mest effektiva framdrivnings-metoden, givet en effektiv design av flytkraftsmotorn.Idag drivs de flesta AUV:er av laddningsbara litiumjonbatterier. En alternativ lösning för att öka användbarheten av AUV:er är implementeringen av bränslecellssysteme (FCS). Genom konceptuell design med användning av färdiga komponenter visas i detta arbete hur FCS:er kan överträffa Li-ion-system när det gäller energitäthet på systemnivå. FC-systemet implementeras vanligtvis som hybridsystem parade med ett batterisystem med liten kapacitet. Energy Management Strategies (EMS) krävs för att samordna dessa två kraftkällor. Både deterministiska och optimeringsbaserade strategier har testats i simulering och utvärderats mot realistiska AUV-strömförbrukningsdata från fältförsök. Eftersom bränsleekonomi bara är en av flera utvärderingsparametrar, förutom t.ex. krafttillförlitlighet och systemförsämring, visar resultaten att komplexiteten hos EMS måste växa med uppdragets komplexitet

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Maskinteknik -- Farkostteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Mechanical Engineering -- Vehicle Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

Autonomous underwater vehicles

Underwater gliders

Propulsion

Fuel cell

Energy management strategies

Autonom undervattensfarkost

Undervattensglidning

Propulsion

Bränslecell

Energy Management Strategies

Vehicle and Maritime Engineering

Farkostteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)