008240612s2023      us  |||||||||||||||c||eng  d
■001000016934803
■00520240214101656
■006m          o    d                
■007cr#unu||||||||
■020    ▼a9798380877510
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30634932
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a629.8
■1001  ▼aWiggert,  Marius.
■24510▼aTowards  Operating  Underactuated  Robotic  Systems  by  Going  With  the  Flow▼h[electronic  resource]
■260    ▼a[S.l.]:▼bUniversity  of  California,  Berkeley.  ▼c2023
■260  1▼aAnn  Arbor  :▼bProQuest  Dissertations  &  Theses,  ▼c2023
■300    ▼a1  online  resource(134  p.)
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-06,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Tomlin,  Claire.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  California,  Berkeley,  2023.
■506    ▼aThis  item  must  not  be  sold  to  any  third  party  vendors.
■520    ▼aOver  the  centuries,  humanity  has  created  ever  more  ingenious  systems  to  traverse  the  oceans  and  skies  of  our  planet.  Modern  ships  and  planes  operate  with  powerful  engines  that  require  substantial  amounts  of  fuel,  leading  to  high  operating  costs.  However,  this  approach  becomes  impractical  for  applications  that  require  extended  periods  of  autonomous  operation  without  the  possibility  of  refueling.  This  dissertation  starts  with  the  idea  of  operating  systems  by  going  with  the  flow:  harnessing  the  wind  and  ocean  currents  by  letting  the  system  drift  in  favorable  directions  and  strategically  using  a  low-power  engine  to  change  flows  when  this  is  beneficial.  As  the  power  to  counteract  drag  forces  scales  cubically  with  the  relative  velocity  of  the  system,  this  new  paradigm  reduces  the  power  required  for  operation  by  2-3  orders  of  magnitude,  thereby  significantly  reducing  the  system  and  operating  costs.  This  could  enable  a  host  of  novel  applications  that  require  low-cost  and  long-term  operations,  such  as  active  environmental  monitoring  of  the  oceans  and  atmosphere  or  floating  solar  platforms.  The  primary  case  study  used  throughout  this  work  is  autonomous  seaweed  farms  that  roam  the  oceans  while  rapidly  growing  biomass  for  biofuel,  bioplastic,  or  to  sink  it  for  carbon  removal.In  this  dissertation,  we  systematically  develop  control  techniques  to  tackle  the  four  key  challenges  of  operating  by  going  with  the  flow:  First,  the  system  is  severely  underactuated  with  its  own  propulsion  often  being  less  than  1/10th  of  the  magnitude  of  the  surrounding  flows.  Second,  to  make  strategic  control  decisions  when  to  change  flows,  only  coarse,  deterministic  forecasts  are  available.  Third,  the  forecasts  have  a  limited  time  horizon  of  5-10  days,  but  realistic  control  objectives  extend  over  weeks  to  months.  Lastly,  the  forecast  error  defined  as  the  difference  between  the  forecasted  and  the  true  flows  often  exceeds  the  propulsion  capabilities  of  the  system,  hence  robust  control  is  infeasible.We  start  by  introducing  techniques  for  continuous-time  optimal  control  when  the  complex  flows  are  known.  We  use  dynamic  programming  for  the  objectives  of  navigation  and  maximizing  seaweed  growth.  Next,  we  turn  towards  the  challenge  of  operating  with  imperfect  and  short-term  forecasts.  Our  insight  is  that  the  value  functions  obtained  by  the  previously  developed  optimal  control  methods  can  be  used  as  closed-loop  control  policies,  which  are  equivalent  to  replanning  on  the  forecast  at  every  step.  Through  extensive  simulation  studies  in  realistic  ocean  conditions,  we  demonstrate  that  such  frequent  replanning  allows  for  reliable  operation  despite  significant  forecast  errors.  To  enable  reasoning  beyond  the  forecast  horizon,  we  derive  a  discounted  optimal  control  formulation  and  demonstrate  how  the  value  function  can  be  extended  by  estimating  the  cost-to-go  using  historical  flow  averages.  In  the  last  part  of  this  dissertation,  we  focus  on  how  to  handle  constraints  in  these  challenging  environments.  For  that,  we  integrate  time-varying  obstacles  into  our  value  function  and  show  empirically  that  this  almost  eliminates  the  risk  of  stranding.  Moreover,  we  develop  a  hierarchical  control  approach  to  operate  a  fleet  of  underactuated  autonomous  systems  while  avoiding  collisions  and  ensuring  connectivity  across  the  fleet.At  the  end  of  this  dissertation,  we  summarize  our  techniques  for  operating  by  going  with  the  flow  which  could  enable  a  host  of  new  applications  of  low-power  autonomous  systems  in  the  oceans  and  skies.  We  also  discuss  promising  ongoing  and  future  research  directions  towards  further  improving  the  performance  of  underactuated  robotic  systems  operating  in  flows.
■590    ▼aSchool  code:  0028.
■650  4▼aRobotics.
■650  4▼aComputer  science.
■650  4▼aElectrical  engineering.
■653    ▼aAutonomous  surface  vessel
■653    ▼aOcean  autonomy
■653    ▼aOperating  costs
■653    ▼aFlows
■653    ▼aRobotic  systems
■690    ▼a0771
■690    ▼a0800
■690    ▼a0984
■690    ▼a0544
■71020▼aUniversity  of  California,  Berkeley▼bElectrical  Engineering  &  Computer  Sciences.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-06B.
■773    ▼tDissertation  Abstract  International
■790    ▼a0028
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2023
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T16934803▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.
■980    ▼a202402▼f2024