Autonom kailegging av skip ved bruk av nærhetssensorer

Abstract

Denne avhandlingen presenterer utformingen av et kontrollsystem for autonom kailegging av skip ved hjelp av nærhetssensorer. Simuleringer og eksperimenter har blitt utført med moddelfartøyet C/S Inocean Cat I Drillship. Hovedfokuset for avhandlingen er på hvordan man integrerer nærhetssensorene inn i kontrollsystemet, men også hvordan man genererer egnede baner og hastighetsreferanser for en kaileggingsopreasjon. Nærhetssensorene brukes til å måle avstanden mellom skipet og kaien, i tillegg til skipets relative orientering i forhold til kaien.

Selve kaileggingensoperasjonen er delt i to faser. Den første fasen er banefølging hvor skipet skal følge en forhåndsgenerert bane til en posisjon like utenfor kaien. Den andre fasen er angår selve kaileggingen hvor nærhetssensorene brukes til å manøvrere skipet til en posisjon og retning(heading) hvor den er parallell med kaien og med en referanseverdi mellom skipet og kaien. For banefølgingsfasen, er en banefølgings-algoritme designet for å sørge for at fartøyet beveger seg raskere i begynnelsen og bremser ned n ̊ar det nærmer seg slutten av banen. Når fatøyet ankommer det siste veipunktet på banen, skal hastigheten være omtrent null. For kaileggings- fasen er kontrollsystemet utformet for å sikre at fartøyet tas sakte og kontrolert inntil kaien.

For simuleringene er to metoder foreslått og testet. Disse to metodene er identiske for banefølgingsfasen, men de er forskjellige for kaileggingsfasen. For kaileggingsfasen bruker den første metoden, kalt metode 1, nærhetssensormålingene direkte i kontroleren for å styre fartøyets posisjon og orientering. For den andre metoden, kalt metode 2, er nærhetssensormålingene integrert i styringssystemet for dockingsfasen. Resultatene fra simuleringene viste at metode 2 var den beste metoden, ettersom metode 1 sliter når strømmen blir for sterk.

For de eksperimentelle forsøkene ble bare metode 2 testet fordi den ga best resultater i simuleringene. Forsøkene ble utført i Marin Kybernetikk Laboratoriet ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet. Resultatene er lovende. Fartøyet følger den ønskede posisjonen både for banefølgingsfasen og kaileggingsfasen, og skipet blir manøvrert sakte og rolig til ønsket posisjon og heading intil kaisiden. Kontrollen av fartøyets retning(heading) kunne imidlertid vært bedre.

To nærhetssensorer som bruker lydbølger, ble installert på C/S Inocean Cat I Drillship. I tillegg ble det laget en kai. Dette ble gjort for å gjøre det mulig å utføre de eksperimentelle forsøkene i Marin Kybernetikk Laboratoriet, men også for å legge til rette for videre forskning på kailegging av skip i laboratoriet.

This thesis presents the design of a motion control system for autonomous docking of ships using proximity sensors. Simulations and experiments have been carried out using the C/S Inocean Cat I Drillship model vessel. The primary focus of the thesis is on how to integrate the proximity sensors into the control system, but also how to generate suitable entrance paths and velocity references for a docking operation. The proximity sensors are used to measure the distance between the ship and the side of the quay, in addition to the relative orientation of the ship compared to the quay.

The docking problem is separated into two phases. The first phase is the path following phase, where the ship is to follow a pre-generated path to a position just outside the quay. The second phase is the docking phase where the proximity senors are used to maneuver the ship to a position and orientation where it is parallel to the quayside with a reference distance between the ship and the quay. For the path following phase, a path following algorithm has been designed to make sure that the vessel moves faster in the beginning and slows down as it approaches the last waypoint of the path outside the quay. When it reaches the last waypoint the velocity is approximately zero. For the docking phase the guidance system is designed to make sure the vessel is taken slow and steady close to the quay.

For the simulations, two methods are proposed and tested. These two methods are identical for the path following phase, but they di↵er for the docking phase. For the docking phase the first method, called method 1, uses the proximity sensor measurements directly in the controller to control the heading and sway motion of the vessel. For the second method, called method 2, the proximity sensor measurements are integrated into the guidance system for the docking phase. The results from the simulations showed that method 2 was the superior method, as method 1 struggles when the current becomes too strong.

For the experiments, only method 2 was tested due to its better performance. The experiments were conducted in the Marine Cybernetics Laboratory at Norwegian University of Science and Technology. The results are promising. The vessel follows the desired position both for the path following phase and the docking phase, and the the ship is maneuvered slow and steady to the desired position and heading right next to the harbor. However, the control of the heading of the vessel could have been better.

Two proximity sensors that use sound waves, where installed on C/S Inocean Cat I Drillship. Furthermore, a dock was constructed. This was done to make it possible to perform autonomous docking experiments in the Marine Cybernetics Laboratory, but also to facilitate for further research regarding docking of ships in the laboratory.