I nte rna t io na l   J o urna l   of   Ro bo t ics   a nd   Aut o m a t io n   ( I J R A)   Vo l. 9 ,   No . 3 ,   Sep tem b er   2020,   pp.   1 9 6 ~2 10   I SS N:   2089 - 4856,   DOI :   1 0 . 1 1 5 9 1 / i j r a . v9 i 3 . p p 1 9 6 - 2 10     196       J o ur na l   ho m ep a g e :   h ttp : //ij r a . ia esco r e. co m   Prototy pe   dev elo p m e nt   of   te there d   underw a ter   ro bo t     for   underw a ter   v ess el   a ncho r   rel ea se       E ze o f o r   Chu k w un a zo   J o s eph 1 ,   G eo rg ew ill   O y eng iy e   M o s es 2   1 De p a rtme n t   of   El e c tri c a l   a n d   El e c tro n ic   E n g in e e rin g ,   Un iv e rsity   of   P o rt   Ha rc o u rt,   Nig e ria   2 S a ro   W iw a   P o ly tec h n ic   Bo ri,   Ni g e ria       Art icle   I nfo     AB ST RAC T     A r ticle   his to r y:   R ec eiv ed   Mar   4 ,   20 20   R ev i s ed   Mar   31 ,   20 20   A cc ep ted   A p r   29 ,   20 20       T e th e re d   u n d e rw a ter   ro b o t   (T U R)   f o r   u n d e rw a ter   v e ss e l   a n c h o r   re lea se   is   p re se n ted .   In   o f f - sh o re   o il   a n d   g a s   e n v iro m n m e n t ,   th e re   h a s   b e e n   se ries   of   re p o rted   c a se s   on   st u c k   v e ss e l   a n c h o rs   a f ter   m o o rin g   o p e ra ti o n s   a n d   d iv e rs   a re   se n t   to   re lea se   th e se   a n c h o rs   f o r   th e   v e ss e ls   to   be   in   m o ti o n .   T h e   u se   of   d iv e rs   to   p e rf o r m   su c h   f u n c ti o n   is   v e r y   risk y   b e c a u se   of   h u m a n   li m it a ti o n   a n d   so m e   d iv e rs   h a v e   b e e n   r e p o rt e d   d e a d   on   th e   p ro c e ss   due   to   h ig h   p re ss u re   u n d e rw a ter   or   b e in g   a tt a c k e d   by   u n d e rw a ter   w id e   a n i m a l s .   T h is   h a s   c a u se d   v e r y   se rio u s   p a n ic   to   t h e   v e ss e l   o w n e rs   a n d   h e n c e ,   th is   w o rk   is   a i m e d   to   d e v e lo p   T UR   th a t   w o u ld   be   u se d   by   th e   v e ss e l   o p e ra to rs   in ste a d   of   d iv e r s   to   re lea se   th e   stu c k   a n c h o r   w it h o u t   l o ss .   T h e   u n d e rw a ter   ro b o t   sy ste m   c o m p rise s   of   th re e   b a sic   se c ti o n s   n a m e l y   g ra p h ica l   u se r   c o n tr o l   i n terf a c e   (G UCI)   th a t   w o u ld   be   in sta ll e d   in   th e   o p e ra to r’s   lap t o p ,   t h e   W iF i   L A N   ro u ter   f o r   n e tw o rk   c o n n e c ti o n ,   a n d   T UR   sy ste m   h a rd wa re   a n d   so f twa r e .   Eac h   of   th e se   se c ti o n s   w a s   strictl y   d e sig n e d .   V a rio u s   h ig h - lev e l   p r o g ra m m in g   lan g u a g e s   w e re   e m p lo y e d   to   d e sig n   th e   G UCI   a n d   c o d e   t h e   in terf a c e   b u tt o n s,   ro b o t   c o n tro ll e r   p ro g ra m   c o d e s   e tc.   T h e   i m p le m e n tatio n   c a rried   o u t   a n d     th e   p r o to ty p e   sy ste m   tes ted   in   th e   Un iv e rsit y   of   P o rt   Ha rc o u rt ’s   sw i m m in g   p o o l   of   6m   d e p th   f o r   v a li d a ti o n .   T h e   ro b o t   p e rf o rm e d   e x tre m e l y   g o o d   in   sw i m m in g   a n d   re lea se   of   c o n stru c ted   a n c h o r   u n d e rw a ter.   K ey w o r d s :   An c h o r   Div er s   Of f - s h o r e   en v ir o n m e n t   R OV   Sea   v es s el   T h is   is   an   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r   th e   CC   BY - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   E ze o f o r   C h u k w u n az o   J o s ep h ,   Dep ar t m en t   of   E lectr ical   an d   E lectr o n ic   E n g in ee r i n g ,   Un i v er s it y   of   P o r t   Har co u r t   C h o b a,   P o r t   Har co u r t,   R iv er s   State,   Nig er ia .   E m ail:   c h u k w u n az o . ez eo f o r @ u n ip o r t.e d u . n g       1.   I NT RO D UCT I O N   Un d er s ea   r o b o tics   h as   s h o w n   an   i n cr ea s i n g   i n ter est   in   th e   la s t   50   y ea r s   f o r   o ce an ic   ca r to g r ap h y ,   s e a   ex p lo r atio n   an d   u n d er w ater   o il   ex tr ac tio n   t h at   h a s   led   to   th e   cr ea tio n   of   an   u n d er w ater   v eh ic le   to   be   co n tr o lled   f r o m   d is ta n ce   [ 1 4 ] .   R ec en tl y ,   u n d er w ater   r o b o ts   h a v e   b ee n   u s ed   f o r   v ar i o u s   tas k s   s u ch   as   u n d er w ater   d ata   co llectio n ,   u n d er w ater   s u r v e illa n ce ,   u n d er w ater   s tr u ct u r e   in s p ec tio n ,   p ip e   h an d li n g   in   d r illi n g   o p er atio n s ,   p ip e   in s p ec tio n ,   in - p ip e   i n s p ec tio n   r o b o ts   ( lP I R s ) ,   s h ip   h u ll   in s p ec tio n ,   o ce an   ex p lo r atio n,   m ai n ten a n ce   of   u n d er w ater   eq u ip m e n t   etc.   [ 5 9] .   R e m o tel y   o p er ated   u n d er w ater   v eh icle s   s h o r ten ed   as   R O Vs   ar e   teth er ed   an d   m a n n ed   u n d er w ater   v e h icle   u s ed   to   p er f o r m   s o m e   ce r tai n   f u n ct io n s   u n d er w ater .   T h e   m ai n   b en ef it s   of   u s i n g   u n d er w ater   r o b o tic   v eh icle s   co u ld   be   r e m o v i n g   d i v er s   f r o m   t h e   d an g er s   of   th e   u n d er s ea   s p ac e   an d   r ed u ctio n   in   co s t   of   ex p lo r atio n   of   d ee p   s ea s .     In   o il   an d   g as   o f f s h o r e   a n d   m ar in e   en v ir o n m e n ts   in   N ig er ia ,   v ess e ls   tr a n s p o r tin g   cr u d es   a r e   al w a y s   an ch o r ed   d u r in g   cr u d es   o f f lo a d in g   p er io d   at   th e   s ea   p o r t.   T h er e   h a s   b ee n   s er ie s   of   r ep o r ted   ca s es   of   tr ap p ed   an ch o r s   u s ed   to   te n s io n   v ess e l s   d u r i n g   lo ad in g /o f f lo ad in g   or   m o o r in g   o p er atio n   in   t h e   s ea .   T h e   v es s el   a n c h o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   R ob   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4856       P r o to typ e   d ev elo p me n t   of   teth ered   u n d erw a ter   r o b o t   fo r   u n d erw a ter   ve s s el ...   ( E z eo fo r   C h u kwu n a z o   Jo s ep h )   197   m i g h t   g et   tr ap p ed   af ter   o p er ati o n   an d ,   f o r   as   lo n g   as   th e   a n c h o r   is   h o o k ed ,   th e   v ess e l   ca n n o t   m o v e.   P er s o n n el   on   d u t y   o f ten   f i n d   it   d if f ic u lt   to   r em o v e   t h e   tr ap p ed   an ch o r   af ter   m o o r in g   o p er atio n   or   af ter   w aiti n g   f o r   its   o f f lo ad in g   t u r n .   T h e   s ea   d iv e r s   w o u ld   t y p icall y   be   s en t   to   r elea s e   th e   an c h o r ,   d ep en d in g   on   th e   d ep th   of     th e   w a ter   w h ich   s o m eti m es   m a y   be   v er y   d if f ic u lt   to   r elea s e.   W h en   t h e   s it u atio n   s ee m s   so   d if f ic u lt,   t h e   v es s el   an ch o r   w o u ld   be   cu t - o f f   w h ich   is   a   h u g e   lo s s   to   t h e   v ess el   o w n er s .   To   p r ev en t   a n y   f u r t h er   d ela y   of     th e   tr ap p ed   v es s el   or   lo s s   to   its   a n ch o r   as   o b s er v ed ,   a   r em o tel y   o p er ated   u n d er w ater   r o b o t   p r o to ty p e   t h a t   w o u ld   r elea s e   th e   v ess e l   an c h o r   is   d ev elo p ed .     T h e   f o llo w i n g   r esear c h ed   w o r k s   w er e   r ev ie w ed   as   s tated :   -   In   2015,   Ved ac h ala m   et   al   [1 0 ]   d ev elo p ed   a   500   m   d ep th   r at ed   r em o tel y   o p er ated   v e h icle   ( P r o v e   5 0 0 )   f o r   ca r r y i n g   o u t   s cie n ti f ic   r esear ch   in   s h allo w   w ater s   an d   in   ch alle n g i n g   p o lar   r eg io n s .   T h e   v e h icle   w it h   d i m en s io n s   of   0 . 9 6   m   ×   0 . 6 1   m   ×   0 . 6 3   m   a n d   w e ig h i n g   175   kg   in   air   is   d esi g n ed   f o r   a   s p ee d   of   3   k n o t s     at   an   elec tr ic   p o w er   in p u t   of   5   k W .   T h e   v eh icle   w h ic h   is   p o w er ed   by   300   V   DC   th r o u g h   t h e   500   m     len g th   of   a   n e u tr all y   b u o y a n t   elec tr o - o p tic   u m b il ical   co m m u n icate s   w it h   t h e   s u r f ac e   c o n s o le   th r o u g h     th e   r ed u n d an t   f ib er   o p tic   co r es   of   t h e   u m b i lical.   T h e   d ev elo p ed   v eh icle   is   test ed   f o r   it s   h y d r o d y n a m ic   s tab ilit y ,   lo w   te m p er at u r e   p er f o r m an ce   in   th e   in - h o u s e   test   f ac ilit ie s   an d   f o r   n a v ig a tio n   at   t h e   I d u k k i     L a k e   in   Ker ala,   w h er e   th e   v e h icle   is   n a v i g ated   at   a   d ep th   of   106   m   at   2   k n o t s   s p ee d   w it h   t h e   n a v ig a tio n   s y s te m 's   p o s it io n   er r o r   of   les s   th a n   5   %   in   th e   d ea d   r ec k o n i n g   m o d e.   T h e   v eh icle   is   b ei n g   eq u ip p ed   w it h   ac ce s s o r ies   f o r   ca r r y i n g   o ut   r esear ch   in   p o lar   r eg io n s .   -   In   [1 1 ] ,   s tu d ies   s h o w ed   t h e   d ev elo p m en t   of   an   u n d er w at er   R OV   w i th   f u zz y   lo g ic   m o tio n   co n tr o l   f o r     a   s h allo w   w ater   en v ir o n m en t   i.e .   up   to   10   m   d ep th .   T h e   R OV   w a s   d ev elo p ed   w it h   th e   ass o ciate d   elec tr o n ics   f o r   m o tio n   a n d   p o w er   co n tr o l.   T h e   co n tr o l   elec tr o n ics   ar e   m o u n ted   i n s id e   th e   R OV   m ai n   b o d y   an d   co m m u n icate d   w it h   v ia   a   teth er ed   ca b le   r u n n in g   f r o m   t h e   s u r f ac e   w h ic h   also   ca r r ies   th e   r eq u ir ed   p o w er .   T h e   R OV   also   h as   a   ca m er a   f o r   o b tain i n g   v id eo   an d   a   s et   of   L E D   lig h t s   f o r   ill u m i n a tio n .   T h e   m ai n   co n tr o llin g   u n it   of   t h e   elec tr o n ics   is   a   R a s p b er r y   pi   m icr o co m p u ter   w h ic h   al s o   o p er ates   th e   v id eo .   T est   tr ials   of   th e   R O V   u n d er w ater   w er e   co n d u cted   in   a   lab o r ato r y   w ater   ta n k   to   a   d ep th   of   ab o u t   1 . 5   m.   Ver y   s atis f ac to r y   o p er atio n   w a s   ac h iev e d.   So m e   d r a w b ac k s   an d   p o s s ib le   i m p r o v e m en ts   w er e   id en ti f ied   d u r in g   th ese   te s ts   a n d   ad d r ess ed   in   th e   s ec o n d   p h ase   w it h   th e   i n tr o d u ctio n   of   f u zz y   lo g ic   f o r   m o ti o n   co n tr o l.   -   A cc o r d in g   to   [ 1 ] ,   Ah m ad   et   al   d ev elo p ed   r e m o tel y   o p er ated   v eh icle   ( D2 0 - R OV)   f o r   a n o d e   s h ip   h u l l   in s p ec tio n   in   2017 .   T h is   D2 0 - R OV   h a s   th r ee   th r u s ter s   to   co n tr o l   th e   m a n e u v er i n g   f o r w ar d ,   r ev er s e,   lef t,   r ig h t,   r aise   an d   s u b m er g ed .   T h e   v e h icle   w it h   d i m e n s io n s   of   0 . 5   m   ×   0 . 4 6   m   ×   0 . 2 2   m   a n d   w ei g h i n g   15   kg   in   t h e   air   is   d esi g n   f o r   a   s p ee d   ar o u n d   3 k n o ts   an d   it   is   p o w er ed   by   1 6 VDC   on - b o ar d   b atter y .     T h e   u m b ilical   tr an s m its   a n d   r ec eiv es   t h e   d ata   th r o u g h   t h e   20 - m eter   le n g th   by   u n iv er s al   s er ial   b u s   ( USB )   ca b le   to   c o m m u n ica te   w i th   t h e   o p er at o r   at   th e   co n tr o l   r o o m .   A   r ea l - ti m e   s tr ea m in g   ca m er a   an d   co m m an d   f r o m   a   s u r f ac e   r o o m   w er e   ab le   to   do   a   v is u a l   in s p ec tio n   of   t h e   v ess el s .   -   A   f u ll - f led g ed   r o b o t   ( HYDR OB OT )   f o r   u n d er w ater   s u r v ei llan ce   a n d   s u r v e y   w a s   d ev e lo p ed   in   2018   [ 1 2 ] .   Un d er w a ter   s u r v eilla n ce   is   a   n e w   e m er g i n g   tec h n o lo g y   as   a   p r o m i s in g   f ield   of   r esear ch   in   r ec en t   y ea r s .   T h e   p o ten tial   ap p licatio n s   i n cl u d e   m ar i n e   i n v e s ti g atio n ,   o ce an   ex p lo r atio n   etc.   T h e   tas k s   to   be   ca r r ied   o u t   by   t h e   r o b o t   w o u ld   be   d etec tin g   an d   m ap p in g   s u b m er g ed   w r ec k s ,   r o ck s   an d   o b s tr u ctio n s   t h at   co u ld   h i n d er   th e   n a v ig at io n   s y s te m s   s u ch   as   in   co m m er cial   an d   r ec r ea tio n al   v es s els.   HYD R OB OT   is   m ad e   up   of   p o ly v i n y l   c h lo r id e   p ip es   an d   is   b alan ce d   by   t h e   p r in cip le   of   ce n ter   of   g r av it y .   T h is   s tr u ct u r e   is   ca p ab l e   of   r o tatin g   in   360   d eg r ee s   as   w el l   as   ch a n g i n g   th e   d ep th   ac co r d in g   to   t h e   u s er .   T h e   u n d er w a te r   v id eo   f o o tag e   is   tak e n   by   ca m er a   f o r   th e   id e n ti f icatio n   of   u n d er w ater   li f e.   Sen s o r s   s u c h   as   th e   ac ce ler o m eter ,   h all   ef f ec t   s en s o r ,   an d   te m p er atu r e   s e n s o r   w er e   u s ed   to   m a k e   it   m o r e   ef f icie n t   f o r   r esear ch   a n d   s u r v eil lan ce .       2.   RE S E ARCH   M E T H O D   T h e   r esear ch   m et h o d   ad o p ted   is   to p - d o w n   ap p r o ac h   w h i ch   s p lit s   t h e   e n tire   T UR   s y s te m   in to   h ar d w ar e,   s o f t w ar e   an d   m ec h an ical   s y s te m s   (F ig u r e   1 ) .   T h e   s o f t w ar e   s y s te m   in c lu d es   g r ap h ical   u s er   co n tr o l   in ter f ac e   ( GU C I )   an d   r o b o t   c o n tr o l   p r o g r am   co d es   w h ic h   a r e   w r itte n   u s in g   v ar io u s   h ig h - lev el   p r o g r a m m i n g   lan g u a g es   in   o r d er   to   ac h ie v e   th e   d esire d   r es u lt.   Me c h a n ic al   s y s te m   is   m ad e   up   of   P VC   m ater ials   t h at   ar e   u s ed   to   f o r m   s y s te m   ca s i ng.     2 . 1 .   H a rdw a re   s y s t em   T h e   h ar d w ar e   s y s te m   co m p r is es   of   th e   tet h er ed   u n d er w ater   r o b o t   ( T UR )   an d   W iFi   L AN   r o u ter .       2 . 1 . 1 .   T UR   s y s t e m   T UR   s y s te m   co n s i s ts   of   s ev er al   s u b s y s te m s   s u c h   as   p o w er ,   co m m u n ica tio n ,   s e n s o r ,     p r o p u ls io n ,   co n tr o l,   b u o y an c y ,   f r a m e   an d   ac t u ato r s .   T h e   b lo ck   d iag r a m   of   t h e   T UR   s y s t e m   s h o w ca s i n g   al l     th e   co m p o n e n ts   a n d   th eir   i n ter co n n ec tio n   is   s h o w n   in   F ig u r e   2 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I nt   J   R ob   &   A u to m ,   Vo l.   9 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2020   :    1 9 6     2 10   198       Fig u r e   1.   B r ea k d o w n   s tr u ct u r e   of   R OV   s y s te m           Fig u r e   2 .   B lo ck   d iag r a m   of   t h e   T UR   f o r   u n d er w ater   a n ch o r   r elea s e     R O V  S Y STEM   T U R   S Y S T E M   GU C I SY S T E M   M E CHAN I CA L   S YST E M   S e n so r s   V i d e o   C a me r a   A rd u in o   Co n tr o ll e 1   R a s p b e r r y   P i   3   C o n t r o l l e r   2   T h ru ste rs   Et h e rn e +   Ro u ter   R o b o t i c   G r i p p e r   B a t t e r y   +   P o w e r   D i stri b u t i o n   G UCI  De sig n   So f tw a r e   G UCI  P r o g ra m m in g   L a n g u a g e   X A M L   L a n g u a g e   C#   L a n g u a g e   L ED   Ha rd w a r e   Em b e d d e d   S o f tw a r e   C+ +   L a n g u a g e   BA SH  S h e ll   s cr ip t   P y th o n   f o L in u x   R asp b er r y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   R ob   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4856       P r o to typ e   d ev elo p me n t   of   teth ered   u n d erw a ter   r o b o t   fo r   u n d erw a ter   ve s s el ...   ( E z eo fo r   C h u kwu n a z o   Jo s ep h )   199   -   P o w er   pa nel:   T h is   s ec tio n   c o m p o s ed   of   Li P o   b atter y ,   p o w er   d is tr ib u tio n   b o ar d   an d   b atter y   ch ar g er   as   s h o w n   in   F ig u r e   3 .   A ll   ar e   i n te g r ated   to   en s u r e   e f f ec ti v e   d is tr ib u tio n   of   p o w er   to   ev er y   u n i t   of   th e   s y s te m .           Fig u r e   3.   T UR   Po w er   s u p p l y   p an el       -   Co mm un ica t io n   pa nel:   E t h er n et   ca b le   a n d   L in k s y s   r o u ter   ( F ig u r e   4 )   f o r m   t h e   co m m u n ic atio n   d ev ice s   of   th e   s y s te m .   R o u ter   d is tr ib u te s   t h e   n et w o r k   w it h i n   t h e   co m m u n icati n g   d ev ices   a n d   et h er n et   is   u s ed   to   co m m u n icate   d ata   f r o m   t h e   u s er   to   th e   r o b o t   u n d er w ater   an d   v ice   v er s a.               ( a)     ( b )     Fig u r e   4 .   C o m m u n icatio n   d ev i ce s   of   th e   s y s te m :     ( a)   cat   6   eth er n et   ca b le   an d   ( b )   TP - lin k   w ir eless   r o u ter   2 . 4   G Hz       -   Sens o rs:   t h i s   s ec t io n   co n s i s ts   of   u ltra s o n ic   s e n s o r ,   i n er tia   m ea s u r e m e n t   u n it   ( I MU )   ,   ca m er a   an d   f lo a t   s w itc h   ( F i g u r e   5 )   f o r   d if f er en t   p u r p o s es.   W ith   th e s e   s e n s o r s ,   r o b o t   can   v id eo   u n d er w ater   en v ir o n m en t s ,   s ee   in s id e   th e   w ater ,   s i n k   a n d   f lo at.             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e   5 .   T UR   s en s o r s :   ( a)   w a ter p r o o f   u ltra s o n ic   s e n s o r ,   ( b )   v er tical   f lo at   s w itc h es ,   a n d   ( c)   ca m er a       -   Co ntr o l   s y s t e m :   T h is   s ec tio n   co m p r is es   of   R asp b er r y   Pi   a n d   A r d u i n o   Me g a   (F i g u r e   6 ).   B o th   ar e   u s ed   to   co n tr o l   th e   en tire   s y s te m .   R a s p b er r y   pi   d o es   i m a g e   a n d   v id e o   p r o ce s s in g   a n d   tr an s m it   t h e   v id eo   f o o tag e   to   th e   u s er   v ia   eth er n et   ca b le.   T h e   A r d u i n o   m eg a   d o es   p r o ce s s   th e   se n s o r s   s ig n al   a n d   ac tu a te   o th er   d ev ices   to   p er f o r m   t h eir   f u c n tio n s .         L i p o  B atte ry      Po w e r   Di s tr i b u ti o n   Bo ard         Di g i tal  B alan c e  C h arg e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I nt   J   R ob   &   A u to m ,   Vo l.   9 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2020   :    1 9 6     2 10   200         ( a)     ( b )     Fig u r e   6 .   C o n tr o ller s   f o r   th e   c o n tr o l   s y s te m :   ( a)   R asp b er r y   Pi   3   Mo d el   B+   an d   ( b )   A r d u in o   Me g a   1280       -   T hru s t er   a nd   no zz le :   T h ese   d ev ices   ar e   r esp o n s ib le   f o r   th e   r o b o t   m o tio n   u n d er w ater .   T h e   BL Heli   d ev ice   a m p li f ies   t h e   cu r r en t   f r o m   t h e   A r d u i n o   Me g a   to   be   ad eq u ate   to   p o w er   th e   t h r u s ter .   T h e   f o r ce   th at   p r o p els   th e   r o b o t   s y s te m   is   p r o v id ed   by   th e   t h r u s ter   as   s h o w n   in   F i g u r e   7 .             ( a)   ( b )   ( c)     Fig u r e   7 .   S y s te m   t h r u s ter   an d   n o zz le:   ( a)   B L Heli   cu r r en t   a m p lif ier ,     ( b )   w ater p r o o f   th r u s ter ,   an d   ( c )   th r u s ter   n o zz le       -   T UR   a ct ua t o r   &   en d - ef f ec t o r :   T h e   T UR   s er v o   m o to r   is   u s ed   to   ac tu ate   t h e   en d - e f f e cto r   ( g r ip p er )   to   r elea s e   th e   tr ap p ed   an ch o r   u n d er w ater   as   s h o w n   in   F ig u r e   8 .             ( a)     ( b )     Fig u r e   8 .   A ct u ato r s   of   t h e   T UR   s y s te m :   ( a)   r o b o t   clam p   g r ip p er   an d   ( b )   w ater p r o o f   r o b o t   s er v o       -   I nd ica t o r   &   lig ht   dis p la y :   T h e   in d icato r   is   u s ed   by   t h e   s y s te m   to   c h ec k   t h e   p er ce n tag e   u s e   of     th e   b atter y   a n d   r elate   to   th e   u s er .   A ls o ,   th e   s w i m m i n g   p o o l   lig h t   is   u s ed   by   th e   r o b o t   to   s ee   w h ile   p er f o r m in g   f u n ctio n   u n d er w at er   as   s h o w n   in   F i g u r e   9 .             ( a)     ( b )     Fig u r e   9.   B atter y   i n d icato r   an d   s w i m m i n g   pool   lig h t:     ( a)   Li P o   b atter y   v o lta g e   in d ica to r   an d   ( b )   w ater p r o o f   s w i m m in g   pool   lig h t       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   R ob   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4856       P r o to typ e   d ev elo p me n t   of   teth ered   u n d erw a ter   r o b o t   fo r   u n d erw a ter   ve s s el ...   ( E z eo fo r   C h u kwu n a z o   Jo s ep h )   201   -   B o uy a ncy   ( s ink ,   f lo a t ,   s t a ble ) :   T h e   s tain le s s - s tee l   b all   (F i g u r e   10 )   is   u s ed   by   th e   s y s te m   to   g ai n   s tab il it y   in s id e   t h e   w ater .             Fig u r e   10.   Stain les s   s teel   b all s       -   O t her   T UR   dev ices:   SD   m e m o r y   ca r d   u s ed   f o r   s to r in g   v id eo   f o o tag e   of   r o b o t   u n d er w ater   ac t iv i tie s   d u r in g   th e   r elea s e   o p er atio n .   T h e   w ir es   f o r   in ter co n n ec ti n g   th e   d ev ices   f o r   co m m u n icat i o n ,   ep o x y   g l u e,   zip   ties   an d   P VC   f o r   th e   ca s in g   co n s tr u ctio n   as   s h o w n   in   F i g u r e   11 .             ( a)   ( b )   ( c)             ( d )   ( e)   ( f )   ( g )     Fig u r e   11 .   Oth er   d ev ices   u s ed   in   d ev elo p in g   t h e   T UR   s y s te m   ( a)   SD   m e m o r y   ca r d ,     ( b )   ep o x y   g l u e,   ( c)   ca b les/ zip   ties ,   ( d )   p r o to ty p in g   j u m p er   w i r es,   ( e)   co n tin u it y   w ir es,     ( f )   P VC   elb o w   co n n ec to r ,   an d   ( g )   P VC   tee   co n n ec to r s       -   WiFi   L AN   ro ute r :   T h e   TP   r o u ter   (F ig u r e   4 ( b ) )   is   u s ed   to   estab lis h   n et w o r k   w it h in   th e   s h ip   en v ir o n m en t   an d   en ab le   th e   u s er   lap to p   to   co m m u n icate   w it h   t h e   r o b o t   s y s te m   u n d er w ater   d u r i n g   th e   an ch o r   r elea s e   o p er atio n .   T h e   r o u ter   o p er ates   at   a   f r eq u en c y   of   2 . 4 GHz   a.   A l g o r ith m s   an d   f lo w   c h ar t   f o r   T UR   s y s te m   T h e   alg o r ith m   f o r   co n n ec ti n g   GUCI   to   W iFi   R o u ter   an d   co n tr o llin g   T UR   is   s h o w n   b el ow   an d     th e   f lo w   c h ar t   is   s h o w n   in   F ig u r e   12 .   1.   Start   2.   Connect   GUI   to   WiFi   Router   3.       Input   battery   level   reading   from   TUR   4.                   Display   TUR   battery   level   on   screen     5.           Input   Camera   stream   from   TUR   6.                   Display   video   on   screen     7.           Input   IMU   reading   from   TUR   8.                   Display   TUR   orientation   on   screen     9.   Listen   for   signals   from   GUCI   buttons   10.              Is   control   character   received?   11.                      No:   go   to   step   9   12.                      Yes:   Send   control   signal   to   TUR     13.      Is   ‘q’   character   rec eived?   14.             No:   go   to   step   9   15.             Yes:   stop       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I nt   J   R ob   &   A u to m ,   Vo l.   9 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2020   :    1 9 6     2 10   202       Fig u r e   1 2 .   Flo w   ch ar t   of   t h e   g r ap h ical   u s er   co n tr o l   i n ter f ac e   of   th e   T UR   s y s te m       2 . 1 . 2 .   T UR   g ra ph ica l   us er   co ntr o l   inte rf a ce   ( G UCI)   T h is   GUCI   i n ter f ac e   is   d esi g n ed   in   Mic r o s o f t   Vi s u al   St u d io   u s i n g   E x te n s ib le   A p p licati o n   Ma r k u p   L a n g u a g e   ( X A M L )   an d   p r o g r a m m ed   w ith   C#   w h ic h   w o u ld   r u n   in   th e   o p er ato r s   co m p u ter   s y s te m .   T h e   GUCI   w o u ld   be   u s ed   by   th e   o p er ato r   to   c o n tr o l   an d   ass is t   th e   T UR   to   s w i m   to   th e   tar g et   ( tr ap p ed   an ch o r   lo ca tio n )   u n d er w ater   a n d   r ele ases   it.   T h e   o p er ato r s   co m p u ter   s y s te m   m u s t   h a v e   a   Wi - Fi   f ac ili t y   f o r   ea s y   co n n ec t io n   to   th e   w ir ele s s   ac ce s s   p o in t   ( W A P )   r o u ter   lin k i n g   th e   T UR .   T h er e   ar e   f iv e   s ec tio n s   in   t h e   GU C I   th at   th e   o p er ato r   w o u ld   u s e   f o r   T UR   m o n ito r i n g ,   co n tr o lli n g   an d   ass is tan ce   d u r i n g   it s   o p er atio n   u n d er w ater .   T h ese   ar e   T UR   o r ien tatio n ,   T UR   s t atu s ,   T UR   o b s tacle   d etec tio n ,   d is p la y   p an el ,   a n d   T UR   lo c o m o tio n   co n tr o l   as   s h o w n   in   F ig u r e   13 .   a.   A l g o r ith m   f o r   f lo at   m o d e   T h e   alg o r ith m   th at   ac tiv a tes   t h e   f lo at   s w itc h   s e n s o r   is   s tate d   b elo w   a n d   th e   f lo w   c h ar t   to   ac co m p li s h   it   is   as   s h o w n   in   F i g u r e   14 .   1.   Activate   float   switch   2.   Call   Move   up   subroutine   3.     Is   float   switch   above   water?   4.         No:   go   to   step   2   5.       Yes:   go   to   step   6     6.   Return     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   R ob   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4856       P r o to typ e   d ev elo p me n t   of   teth ered   u n d erw a ter   r o b o t   fo r   u n d erw a ter   ve s s el ...   ( E z eo fo r   C h u kwu n a z o   Jo s ep h )   203       Fig u r e   1 3 .   GUCI   f o r   m o n ito r i n g   a n d   co n tr o llin g   T UR   s y s te m   u n d er w ater           Fig u r e   14 .   Flo w   ch ar t   f o r   ac tiv atin g   a   f lo at   s w i tch   s en s o r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              I SS N : 2 0 8 9 - 4856   I nt   J   R ob   &   A u to m ,   Vo l.   9 ,   No .   3 ,   Sep tem b er   2020   :    1 9 6     2 10   204   b.   A l g o r ith m   f o r   m a n u al   m o d e   T h e   alg o r ith m   t h at   co n tr o ls   t h e   T UR   i n s id e   t h e   w ater   th r o u g h   t h e   g r ap h ical   u s er   co n tr o l   in ter f ace     at   th e   o p er ato r s   lap to p ,   th e   f l o w   ch ar t   to   ac co m p li s h   it   is   as   s h o w n   in   F i g u r e   15 .           Fig u r e   15.   Flo w   ch ar t   f o r   T U R   co n tr o l   in ter f ac e   f r o m   th e   o p er ato r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I nt   J   R ob   &   A u to m   I SS N:   2089 - 4856       P r o to typ e   d ev elo p me n t   of   teth ered   u n d erw a ter   r o b o t   fo r   u n d erw a ter   ve s s el ...   ( E z eo fo r   C h u kwu n a z o   Jo s ep h )   205   1.   Activate   obstacle   sensors   2.   Output   battery   level   to   GUCI     3.   Output   video   stream   to   GUCI     4.   Input   control   character   from   GUCI     5.   Output   IMU   data   to   GUCI   6.   Process   input   data   7.   Is   ‘↑’   character   received?   8.     Yes:   call   move   up   subroutine   and   turn   ON   light   9.     No:   is   ‘↓’   character   received?   10.         Yes:   call   move   down   subroutine   and   turn   ON   light   11.         No:   is   ‘f’   chara cter   received?   12.           Yes:   call   float   subroutine   and   turn   ON   light   13.           No:   go   back   to   step   2   14.   Is   ‘→’   character   received?   15.     Yes:   call   move   forward   subroutine   and   turn   ON   light   16.       No:   is   ‘←’   character   received?   17.         Yes:   call   move   backward   subroutine   and   turn   ON   lig ht   18.         No:   is   ‘t’   character   received?   19.           Yes:   call   turn   subroutine   and   turn   ON   light   20.             No:   is   ‘l’   character   received?   21.             No:   go   to   step   2     22.             Yes:   is   light   ON?   23.               Yes:   Turn   off   light   24.               No:   Turn   ON   light   25.   Is   ‘e’   character   received?   26.     No:   go   back   to   step   2   27.     Yes:   call   arm   control   subroutine     28.   Is   ‘q’   character   received?   29.     No:   go   back   to   step   2   30.     Yes:   go   to   step   31     31.   Return     2 . 1 . 3 .   T UR   equa t io n   of   m o t io n   &   i nfluent ia l   f o rc es   T UR   in f l u en tial   f o r ce s   ar e   T UR   h y d r o d y n a m ics   ( k i n e m atics   &   k in e tics )   an d   T UR   h y d r o s tati cs   ( g r av itatio n al   &   b u o y a n c y ) .   Oth er   f o r ce s   co n s id er ed   ar e   d r ag   f o r ce ,   p r o p u ls io n   f o r ce ,   ad d ed   m ass   f o r ce ,   en v ir o n m e n tal   f o r ce s   ( w in d ,   s ea   cu r r en t,   w av e s   etc. )   as   s tate d   in   [ 13 ,   1 4 ] .   a.   Dr ag   f o r ce   Dr ag   f o r ce   is   th e   r es is ta n ce   f o r ce   ca u s ed   by   th e   m o tio n   of   a   body   t h r o u g h   a   f l u id .   T h e   d r ag   f o r ce   alo n g   x,   y,   z   is   s h o w n   in   ( 1 ) ,   ( 2 )   an d   ( 3 ) .                                    ( 1 )                                  ( 2 )                                  ( 3 )     w h er e                      ,                     ,                             ( 4 )           d ep en d s   on   th e   s h ap e   of   th e   T UR   an d   t h e   r e y n o ld s   n u m b er .   b.   Der iv atio n   of   th e   eq u a tio n s   of   T UR   m o tio n   Sin ce   T UR   m o v es   u n d er w ater   in   s i x   d eg r ee   of   f r ee d o m   (6 - DOF) ,   th e n   s i x   i n d ep en d en t   c o o r d in ates   ar e   n ec ess ar y   to   d eter m in e   th e   p o s itio n   a n d   o r ien tatio n .   T r an s latio n al   m o tio n   a n d   r o tatio n al   m o tio n   co m p o n e n t s   s h o w n   in   T ab le   1   ar e   co n s id er ed   to   d e r iv e   th e   n e ce s s ar y   eq u a tio n s   of   m o tio n   as   lis ted   in   [ 1 5 ] .       T ab le   1 .   C o m p o n e n ts   of   tr a n s l atio n al   an d   r o tatio n al   m o tio n s   M o t i o n   C o mp o n e n t s   L i n e a r   a n d   a n g u l a r   v e l o c i t i e s   F o r c e s   a n d   mo me n t s   P o si t i o n   a n d   E u l e r   a n g l e s   ( S u r g e )   mo t i o n s   in   t h e   x - d i r e c t i o n   u   X   x   ( S w a y )   mo t i o n s   in   t h e   y - d i r e c t i o n   v   Y   y   ( H e a v e ) mo t i o n s   in   t h e   z - d i r e c t i o n   w   Z   z   ( R o l l )   r o t a t i o n   a b o u t   t h e   x   a x i s   p   K   ɸ   ( P i t c h )   r o t a t i o n   a b o u t   t h e   y   a x i s   q   M   Ɵ   ( Y a w )   r o t a t i o n   a b o u t   t h e   z   a x i s   r   N   ψ   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.