Autonom stegvis banegenerering og banefølging for en undervannsdrone

Abstract

Denne oppgaven presenterer de hovedkomponentene til en Autonom Undervannsfarkost (AUV) som erknyttet til kontroll og overordnede beslutninger i det autonome systemet. Dette inkluderer et systemsom er ansvarlig for resonering og beslutningsprosesser, en banegeneringsmodul som genererer glattekurver til veiledningssystemet, og et veilednings- og kontrollsystem basert påThe Maneuvering ProblemSkjetne [2005]. Det er utledet en simuleringsmodell av Vortex sin drone som brukes som plattform fortesting og utvikling av det autonome systemet.Det overordnede beslutningstakingssystemet er delt inn i tre moduler, henholdsvis oppdragsstyring,risikostyring og kontrollmodusstyring. Oppdragsstyringssystemet har ansvaret for beslutninger knyttettil oppnåelse av oppdragsmål. Siden AUVen kun kjenner sitt lokale miljø, er planenes omfang kort-varig, og baneplanleggingen er begrenset til ett eller noen få veipunkt av gangen. Risikostyringssystemeter ansvarlig for å unngå potensielle kollisjoner med dynamiske hindringer. Hvis dynamiske hindringerobserveres innenfor en gitt risikosone, skal AUVen stoppe og vente til hinderet forlater denne sonen.Styringsmodussystemet har ansvar for at glatte transisjoner som følge av endret kontrollobjectiv. HvisAUVen går fra manøvrering til dynamisk posisjonering eller omvendt, vil styringsmodusstyringssys-temet sørge for at veiledningssystemet gjør denne overgangen jevn. Samtidig sørger styringsmodussys-temet for at veiledningssystemet forholder seg til det gjellende kontrollobjetivet.Banemoduleringsmodulen tar veipunkter som input for å generere glatte referansebaner til styringssys-temet. Disse banene er utformet for å sikre støtfrie overføringer i overgangene mellom banesegmentersom er forbundet i veipunktene. Retnings- og kontrollsystemdesign er basert på The Maneuvering Prob-lem . Dette innebærer å separere kontrollproblemet i en geometrisk oppgave og en dynamisk oppgave.Gitt en parametriert sti, kan en dynamisk oppgave langs stien utformes for å sikre høy ytelse av systemettil tross for ytelsesmål som kan skape konflikter. Dette er demonstrert i denne oppgaven.

This thesis presents the main components of an Autonomous underwater vehicle (AUV) related to con-trol and supervision of the autonomous system. This includes a Supervisory system responsible forreasoning and decision making, a Path Generation module that provides smooth reference paths to theguidance system, and a guidance and control system based on the maneuvering problem, Skjetne [2005].A simulation model of the Vortex drone is derived, and used as platform for testing and development ofthe autonomous system.The Supervisory system is divided into three modules, respectively mission management, risk manage-ment and control mode management. The mission management system is in charge of decisions relatedto accomplish mission objectives. Since the AUV knows its local environment, the scope of the plansare short term, and path planning is limited to one or a few way points. The risk management system isin charge of avoiding potential collisions with dynamical obstacles. If dynamical obstacles are observedwithin a given risk zone, the AUV should stop and wait until the obstacle leaves the zone. The controlmode managment system is in chare of smooth transitions between control objectives. If the AUV goesfrom maneuvering to dynamical positioning or vice versa, the control mode management system willmake sure that the guidance system makes this transition smooth. At the same time, the control modemanagement makes sure that the guidance system acts according to the current control objective.The path generation module takes the way-points generated by the mission manager as input to gen-erate smooth reference paths for the guidance system. These paths are designed to ensure bumplesstransfers in the transitions between path segments which are connected in the way-points. The guidanceand control system design is based on The Maneuvering Problem. This involves separating the controlproblem into a geometric task and a dynamic task. Given a parametrized path, a dynamic assignmentalong the path can be designed to ensure high performance of the system despite conflicting performancemeasures, something that is demonstrated in this thesis.