Robust hybrid retningsstyring for autonome skip

Abstract

I de senere år har det vært økt interesse for styringssystemdesign og veiledning av autonome fartøy. Etter hvert som kompleksiteten i disse systemene øker, er det stor etterspørsel etter å designe robuste systemer som oppfører seg som forventet. Autopiloter for skip er basert på kontroll av en retnings-vinkel som vanligvis er definert i +-180 graders området. Ved å bruke dette intervallet av for å begrense retningen kan det forårsake flere numeriske problemer relatert til mapping, målestøy og feilberegning. Ettersom sensorene og enhetene som bruker vinkler kan ha forskjellige definisjonsområder, må en korrekt mapping til samme intervall utføres for at signalene skal behandles i et system. Feilen mellom to vinkler kan også ende opp utenfor dette intervallet, noe som betyr at mapping av feilen også må utføres. I tillegg kan liten støy lure fartøyet til å sitte fast ved 180 graders forskyvning, da det ikke kan bestemme hvilken retning fartøyet må vende for å oppnå målet.

I denne oppgaven presenteres en bakgrunnsundersøkelse av relevante dynamiske modeller for skip, manøvreringsmodeller, veiledningssystemer og autonome systemer, samt en introduksjon til hybride dynamiske systemer og regulering. En robust hybrid retningskontroller (HHC) basert på kartlegging av vinklene til en S1-representasjon blir deretter utledet, testet, analysert og simulert på en skipmodell i tre frihetsgrader av skalamodellen til skipet C/S Inocean Cat I Drillship (CSAD). HHC er utledet ved først å analysere flere potensialfunksjons-kandidater og deres avledede ikke-hybride kinematiske kontrollere. Deretter brukes en global diffeomorfi for å utlede to kontrollere og sette disse inn i en hybrid struktur. Ved en glatt byttestrategi mellom disse og backstepping-tilnærming er den nødvendige kontrollstyrken utledet slik at Global Asymptotisk Stabilitet (GAS) kan oppnås. HHC blir deretter utvidet til et hastighetsvektor(VVC)-problem, inkludert forstyrrelser som havstrømmer, og den foreslåtte metoden bruker adaptive kontrollteknikker og sideslip- kompensasjon for å oppnå GAS. VVC-problemet er utvidet til et banefølgings(PFC)-problem, og forskjellige veidannelsesmetoder og siktelinje-veiledning på S1 er utviklet for å sikre konvergens til banen både med og uten havstrømmer.

Resultatene er lovende, da simuleringene viste seg å fungere som ønsket. HHC sørget for at retningen konvergerte til ønsket settpunkt, og VVC-designet var i stand til å følge både konstante og tidsvarierende ønskede hastighetsvektorer, både med og uten havstrømmer. I tillegg viste PFC-designet å kunne konvergere til både rette og buede baner med konstant hastighet langs banen. For å validere resultatene ble fysiske eksperimenter i havbassenget ved Marin Kybernetikk Laboratoriet (MC-lab) ved Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet(NTNU) gjennomført. Den foreslåtte kontrolleren bli utvidet og testet med mer komplekse operasjoner som for eksempel vind, bølger og begrensninger i thrust-allokering, da den brukte simuleringsmodellen ikke er høy- nøyaktig. Arbeidet i denne oppgaven er en skritt på veien for mer avanserte kontrollsystemer for skip som øker selvstendighetsnivået og robustheten, og kan også utvides sfærisk orienteringskontroll på S2 som undervannsrobotikk. Fullskala testing vil også gi verdifullt innblikk i hvordan den samlede ytelsen sammenlignes med modelltester.

In the later years, there has been an increased interest in control system design and guidance for autonomous vessels. These systems has high demands for robustness such that they behave as expected. Autopilots for ships are based on control of the yaw angle typically defined in the +-180 degree range. Using this intervals of reals to constrain the heading within this interval causes several issues related to mapping, measurement noise and error calculation. As the sensors and devices using angles may have different ranges, a correct mapping to the same interval must be performed in order for their signals to be processed in a system. The error between two angles could also end up outside this interval, which means mapping of the error also must be performed. In addition, small noise may trick the vessel to be stuck at a 180 degree offset, as it can not determine which direction the vessel needs to turn in order to achieve the control objective.

In this thesis, a background study of relevant dynamic models for ships, maneuvering models, guidance systems and autonomous systems is first presented, as well as a brief introduction to hybrid dynamical systems and control. A robust hybrid heading controller(HHC) based on mapping the angles to an S1 representation is then derived, tested, analyzed and simulated on a 3DOF ship model of the scale model of C/S Inocean Cat I Drillship (CSAD). The HHC is derived by first analyzing several potential function candidates and their deduced non-hybrid kinematic controls. Then a global diffeomorphism is applied to derive two controls and put these into a hybrid structure. By a smooth switching strategy and backstepping approach, the needed control force is derived such that Global Asymptotic Stability(GAS) can be achieved. The HHC is then extended to a Velocity Vector Control(VVC) problem including disturbances such as ocean currents, and the proposed method uses adaptive control techniques and sideslip compensation to achieve GAS of the desired velocity vector. The VVC problem is extended to a Path-Following Control(PFC) problem, and different path-generation methods and Line-of-Sight(LOS) guidance on S1 is developed to ensure convergence to the path both with and without ocean currents.

The yielded results are promising, as the simulations proved to work as intended. The HHC ensured the heading to converge to its desired setpoint, and the VVC design was able to track both constant and time varying desired velocity vectors, both with and without currents. In addition, the PFC design proved to be able to converge to both straight and curved paths with a constant velocity along the path. To validate the results, physical experiments in the ocean basin at the Marine Cybernetics Laboratory (MC-lab) at the Norwegian University of Science and Technology(NTNU) was conducted. The proposed control can be extended and tested with more complex operations such as with wind, waves and constraints in the thrust allocation, as the used simulation model is not of high-fidelity. The work done in this thesis is a stepping stone for more advanced control systems of ships that increases the level of autonomy and robustness, and can be extended to spherical orientation control on S2 such as underwater robotics. Full scale testing would also give valuable insight on how the overall performance is compared to model tests.