Regulering av ubemannet farkoster for operasjoner på eksponerte havbrukslokaliteter

Abstract

Denne masteroppgaven foreslår to reguleringslover for hastighets- og retningsregulering av en remotely operated vehicle (ROV) for autonom traversering av en not for bruk i fiskeoppdrett. Hovedmålet til begge reguleringslovene er å avviksfri følging av tidsvarierende referanseverdier som muliggjør rutefølging ved hjelp av en banefølgingslov. ROVen er utsatt for eksterne miljøforstyrrelser, pådragsmetning, og parametervariasjoner og usikkerheter. Derfor er det særlig viktig at reguleringslovene er robuste mot disse begrensningene. Met utviklingen av en robust reguleringslov, øker autonomien til ROVen ved at den i større grad kan utføre operasjoner i fiskenoten med mindre overvåkning og prosesstyring fra en menneskelig operator. Dette fører til mer kostnadseffektive og forbedrede operasjoner på farmen.

Den første reguleringsloven ble utviklet for en forenklet DP-modell som kontrollmodell. Det resulterende lukket-sløyfe-systemet ble bevist å ha uniformt globalt asymptotisk stabilt (UGAS) og uniformt lokalt eksponentielt stabilt (ULES) likevektspunkt i origo. For betraktning av robustheten, var pådragsmetning og integraloppnøstning et stort problem. Tiltak mot integraloppnøstningen ble implementert i utregningene for kontrollerens integral-ledd for å håndtere effektene fra pådragsmetningen. Dette forbedret resultatene betraktelig. Regulatoren ble implementert og validert i SINTEFs simuleringsprogram FhSim, på en prosessmodell av Argus Mini ROVen. Reguleringsloven ble også validert i et feltforsøk på SINTEF ACE, en fullskala operasjonell fiskemerd for forskning innenfor havbruksteknologi. Resultatene fra feltforsøket var veldig gode, siden regulatorene klarte å oppnå reguleringsmålet med lite avvik på referansefølgingen. Regulatoren oppnådde en root-mean-square error (RMSE) på mindre enn 0.05m/s. Disse forsøkene og simuleringene ble utført med referansefølging av hastighet- og retningsreferanser gitt av en banefølgingsalgoritme.

Den andre regulatoren ble utviklet med en mer kompleks kontrollmodell, som også betraktet koriolis-krefter. Denne regulatoren sørget at origo til lukket-sløyfe-systemet var UGAS. Regulatoren ble også implementert og validert med FhSim, og brukte samme prosessmodell av Argus Mini ROV. Simuleringene fra FhSim viste at reguleringsmålet ble oppnådd, og klarte å følge de tidsvarierende hastighets- og retningsreferansene.

For oppsummering, så ble begge regulatorene vist med simuleringer oppnåde reguleringsmålet. Den første regulatoren ble også felttestet med gode resultater. Derfor er det skrevet et utkast for en artikkel av resultatet lagt ved denne masteroppgaven, for publisering ved senere tidspunkt.

This thesis proposes two control laws for velocity and heading control of a remotely operated vehicle (ROV) for autonomously traversing of an aquaculture net pen. The primary control objective for both controllers is to achieve error-free tracking of time-varying references enabling path following. The ROV is subject to external disturbances, input saturation and parameter variations and uncertainties. Therefore, it is particularly important that the control laws are robust towards these limitations. With this development of a robust control law, the level of autonomy of an ROV is increased in the sense that it can perform operations at the aquaculture net-pen with less monitoring and management of the process by a human operator. This may result in lower intervention costs and improved operations.

The first control law was developed using a simplified dynamic positioning (DP) model as a control plant model. The resulting closed-loop system was proven to have uniformly globally asymptotically stable (UGAS) and uniformly locally exponentially stable (ULES) equilibrium point at the origin. When considering robustness, saturation and integrator windup turned out to be a significant problem. This required anti-windup schemes to be implemented in the calculation of the controller's integral terms to handle the effects of thruster saturation. The controller was implemented and validated using SINTEF's simulation software FhSim, on a process plant model of the Argus Mini ROV. The controller was also validated in a field trial at SINTEF ACE, a full-scale operational fish farm meant for research within aquaculture technology. The results from the field trial were very positive as the controller was able to achieve the control objective with low tracking error. The controller achieved root-mean-square-error (RMSE) of less than 0.05m/s. The validation of these controllers considered trajectory tracking of velocity and heading references given by a path following algorithm.

The second controller was developed using a more complex control plant model that also considered Coriolis forces. This controller ensured that the origin of the error systems was UGAS. This controller was also implemented and validated with FhSim, using the same process plant model of the Argus Mini ROV. The simulations from FhSim show that the control objective is achieved being able to track the time-varying velocity and heading references.

To summarize, both control laws was shown with simulations achieved the control objective. The first control law was field tested achieving great results, which a draft paper of the results appended in this thesis to be published has been written.