Model validation and berthing of an autonomous ferry

Abstract

Det blir stadig mer forskning på ubemannede overflatefartøy, med et økt fokus på dokking-operasjoner. Denne avhandlingen ønsker å bidra til denne forskningen ved å presentere en ny metode for dokking. milliAmpere-ferjen er en autonom ferje som skal operere i området rundt Ravnkloa i Trondheim, og vil brukes både i simuleringer og eksperimentelle forsøk.

De to første oppgavene består av å validere matematiske modeller og implementere to bølgemodeller i milliAmpere-simulatoren. Den tredje oppgaven vil være å forbedre dok\-king-meto\-den først utviklet i prosjektoppgaven. Bølgemodellene ble testet gjennom tre stasj\-onær\-test\-er som anvendte dynamisk posisjonerings-systemet. I valideringsoppgaven ble eksp\-er\-imen\-tell ref\-er\-anse\-data gjentatt i simulatoren ved å deaktivere gaidingsssystemet gjennom 35 simuleringer. Hver simulering hadde ulike verdier for utvalgte parametere. Dokking-metoden gjennomgikk eksperimentelle tester i Havnebassenget i Trondheim. En forutsetning for avhandlingen er at dynamisk posisjonerings-systemet ombord på milliAmpere-ferjen har en tilfredsstillende oppførsel i lukket sløyfe. Dette systemet vil dermed ikke bli tunet eller endret på noe vis, verken gjennom valideringsoppgaven, dokking-oppgaven eller for å bedre oppførselen når milliAmpere-ferjen er påvirket av bølgekrefter og -momenter.

Modellen for de førsteordens bølgekreftene og -momentene var enkel, men effektiv for simulering av milliAmpere-ferjen. Stasjonærtestene understreket at regulatoren i dynamisk posisjonerings-systemet bør tunes, for å bedre motvirke disse kreftene og momentene. Valideringsoppgaven konkluderte at modellen for azimuth-vinkelen, forsterkningene i motorhastighetsmodellen, referansemodellen, dempematrisen og kraftfordelingsalgoritmen bør fokuseres på i senere valideringsarbeider. De eksperimentelle testene viste at dokking-metoden er fleksibel og skalerbar. Likevel må regulering i både sway og heading opprettholdes gjennom Quay-fasen. I tillegg vil bumpless transfer- eller gain-scheduling-teknikker være nødvendig for å bedre transientene ved faseoverganger.

The research on unmanned surface vessels is growing rapidly, with an increased focus on autonomous docking and berthing operations. This thesis aims to contribute to this research by presenting a new berthing scheme. The milliAmpere ferry is an autonomous ferry meant to operate around the waters of Ravnkloa, Trondheim, and will serve as both the simulation and experimental platform.

The first two tasks will be to validate mathematical models and implement two wave models in the milliAmpere simulator. The third task is to improve the berthing scheme first developed in the specialization project. The wave models were tested through three dynamic positioning stationkeeping tests. For the validation task, experimental reference data was replicated in the simulator by keeping the guidance system disabled during 35 simulations. Each simulation had different values for a subset of parameters. The berthing scheme underwent experimental tests in Havnebassenget, Trondheim. One prerequisite for the thesis is that the dynamic positioning system onboard the milliAmpere ferry yields a satisfactory closed-loop behavior. Consequently, this system will not be tuned or altered in any way, neither during the validation task, the berthing task nor to improve the behavior when the milliAmpere ferry is influenced by wave forces and moments.

The model of the first-order wave-induced forces and moments proved to be simple, yet effective for the purpose of simulating the milliAmpere ferry. The stationkeeping tests highlighted that the dynamic positioning controller should be tuned in future work, in order to better counteract these forces and moments. The validation task concluded that the azimuth angle model and motor speed gains, the reference model, the damping matrix and the thrust allocation algorithm should be in focus for later model validation and tuning work. The berthing scheme proved to be flexible and scalable through the experimental trials. Nevertheless, maintaining control in both sway and heading is necessary during the Quay phase. Additionally, bumpless transfer or gain scheduling is needed for improvement of the transients during the phase transitions.