Guidance and Control System for Dynamic Positioning and Path Following of an AUV exposed to Ocean Currents

Abstract

Fullt aktiverte AUV-er har potensialet til å utføre ubemannede undervannsoppdrag, og dynamisk posisjonering og stifølgning er begge viktige scenarier å mestre for å oppnå inspeksjons- og intervensjonsoppgaver på nært hold.

Modeller av AUV-er er studert, og denne avhandlingen presenterer et veilednings- og kontrollsystem der designparametere er svært avhengige av modellparametrene. Imidlertid gjør eksponering av ukjente havstrømmer manøvrering og navigering med høy presisjon til en utfordrende oppgave. Denne oppgaven presenterer derfor en ny strømestimatormetode som bruker den hydrodynamiske modellen til kjøretøyet, steady-state evaluering av kontrollkreftene og endringer i orienteringen, for å estimere havets strømhastighet og vinkel. Estimatoren bekreftes av datasimuleringer, og de resulterende estimatene er i stand til å ekskludere modelleringsfeil som ikke stammer fra effekter fra havstrømmene, ved å anta at de er konstante i kroppsrammen under prøvetaking i estimeringen.

I tillegg foreslås en ny 3D-stifølgingskontroller som optimaliserer bevegelsen til et virtuelt mål ved å bruke en kontrollov fra referansemodellets synspunkt. Kontrolloven inkluderer kjøretøy- og aktuatorbegrensninger, og optimaliseringsteknikker blir deretter brukt for å maksimere hastigheten på det virtuelle målet. De resulterende designparametrene til kontrolleren er i stand til å designe balansen mellom presisjon på banefølgingen versus hastighet. Til slutt blir veilednings- og kontrollsystemet, inkludert stifølgingskontrolleren, bekreftet av datasimuleringer som inkluderer havstrømmer og strukturelle og parametriske forstyrrelser.

Fully actuated AUVs have the potential of performing unmanned underwater tasks and dynamic positioning and path following are both essential scenarios to master in order to achieve close range inspection and intervention tasks.

Models of AUVs have been studied, and this thesis present a guidance and control systems in which design parameters are highly dependent on the model parameters. However, the exposure of unknown ocean currents makes high precision maneuvering and navigation a challenging task. This thesis therefore presents a novel current estimator method using the hydrodynamic model of the vehicle, steady-state evaluation of the control forces and changes in its orientation, to estimate the ocean current velocity and angle. The estimator is verified by computer simulations, and the resulting estimates are able to exclude non-current modelling errors by assuming they are constant in body during steady state sampling.

In addition a novel 3D path following controller is proposed which optimizes the motion of a virtual target by using a control law from the reference model point of view. The control law includes vehicle and actuator constraints, and optimization techniques are then used to maximize the along-track speed