Formation Control of Two Interconnected Underactuated Unmanned Surface Vessels Under Influence of Constant Ocean Currents
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/2780975Utgivelsesdato
2020Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
I denne oppgaven blir en mulig formasjonsstyringsmetode foreslått for autonomminerydding for den neste generasjonen av mineryddere for Sjøforsvaret, som forøyeblikket er under utvikling av Forsvarets Forskningsinstitutt (FFI). Ved å utvikleautonome mineryddingsfartøy kan personell fjernes fra risikoområder, som kanspare menneskeliv.
En formasjonsstyringsmetode basert på Null-Space-Based Behavior Control(NSB)-prinsippet blir foreslått for formasjoner av to sammenkoblede underaktuerteubemannede overflatefarkoster (USV-er) under forstyrrelse av havstrømmer. Inspirertav idéer fra Line-Of-Sight (LOS), blir den tradisjonelle Closed Loop InverseKinematics (CLIK) barycenteroppgaven erstattet av en LOS-metode for banefølgingav barycenteret. To teoremer blir presentert hvor det bevises at de lukkede sløyfenefor henholdsvis formasjons- og barycenteroppgaven er UGES og USGES under vissebetingelser. Videre, ved å behandle kabelen som en tilstandsvarierende forstyrrelse,undersøkes robusthetsegenskapene til begge oppgavene for å sikre at de forblirstabile.
En 3-DOF simuleringsmodell av slepet blir presentert, med en utvidet modellfor den hydrodynamiske motstanden for å inkludere havstrømmer, og verifisert moteksperimentell data. Den foreslåtte metoden blir så implementert og simulert, bådemed, og uten, kabel, hvor oppgavefeilene konvergerer til null for rette linjer, ogforblir avgrenset under svinger.
Til slutt blir NSB-metoden implementert i C++/ROS og integrert inn i de eksisterendeautonome systemene til utviklingsfarkostene Odin og Frigg fra FFI. Fullskalaeksperimenter til sjøs blir så utført for å verifisere den foreslåtte metodenfor det tiltenkte bruksområdet. Eksperimentene viser lovende resultater, men etstasjonæravvik blir observert for cross-track-feilen til barycenteroppgaven. På bakgrunnav de lovende resultatene er videre forsøk med den foreslåtte NSB-metodenog det faktiske slepet planlagt av FFI. In this thesis, a possible formation control method is proposed for the next generationof future Norwegian unmanned Maritime Mine Counter Measures (MMCM) forautonomous mine-sweeps, which is currently researched by the Norwegian DefenceResearch Establishment (FFI). Having the capability of performing autonomousmine-sweeps reduces the risk for personnel, potentially saving human lives.
A formation control method based on the Null-Space-Based Behavior Control(NSB) principle is proposed for formations of two interconnected underactuatedunmanned surface vessels (USVs) in the presence of constant irrotational oceancurrents. Inspired by Line-Of-Sight (LOS) ideas, the traditional Closed Loop InverseKinematics (CLIK) barycenter task is replaced by a LOS path following method forthe barycenter. Two theorems are presented where it is proven that the closed-loopformation and barycenter tasks are UGES and USGES, respectively, under certainconditions. By treating the cable as a state dependent disturbance, the robustnessproperties of both tasks are then investigated to ensure they remain bounded whenconnecting the cable.
A 3-DOF simulation model of a floating cable is presented, where the hydrodynamicdrag model is extended to incorporate the effects of ocean currents, andverified against experimental data. The developed method is then implementedand simulated, both with and without the cable. In the simulations, the task errorsconverge to zero for straight-line paths, while they remain bounded during turns.
Finally, the NSB method is implemented in C++/ROS and integrated into theexisting autonomous systems of the development vessels Odin and Frigg by FFI.Full-scale experiments, without the sweep, at sea, are then performed to verify theproposed formation control method for the intended application. The tests showpromising results, but a steady-state error is observed for the barycenter task’s cross-trackerror. Based on the promising results, further experiments are planned by FFIusing the proposed NSB method and the sweep.