Multivariate Modeling and Adaptive Control of Autonomous Ferries

Abstract

Nøyaktig og energieffektiv bevegelsesstyring er viktig for sikker og økonomisk drift av marinefartøyer. Denne masteravhandlingen presenterer design og evaluering av en ny multivariat-basert adaptiv kontroller for marine overflatefartøy.

Målet er å lage et system som oppdager og modellerer endringer i fartøydynamikken som brukes i et dynamisk posisjoneringssystem, for å forbedre ytelsen til bevegelsesstyringen. En 3-DOF fartøymodell genereres ved å analysere målt aktuatorkraft, hastighet og akselerasjon i en multivariat analyse. Et mangel-på-passform residual, definert av differansen mellom den modellerte og observerte fartøy-dynamikken, er modellert for å oppdatere modellen med tidligere umodellert dynamikk.

Denne oppgaven dekker implementeringen av den adaptive kontrolleren i et fullskala fartøysystem og demonstrerer konseptbeviset gjennom eksperimentelle tester. Fullskala eksperimentene belyser robustheten og påliteligheten til det adaptive systemet. Eksperimentene viser også systemets evne til å generere gode fartøymodeller som forbedrer ytelsen, selv ved påvirkning av umålte forstyrrelser fra vindkast på minst 6 m/s. Virkningen av umålte bølgeforstyrrelser viser seg å være over grensen for hva det adaptive systemet håndterer.

Denne nye tilnærmingen til modellbaserte adaptive regulatorer kan gi grunnlag for å skape mer pålitelige, sikre og presise kontrollsystemer, og dermed ta oss nærmere målet om full-autonome operative ferger og bedre transportsystemer. Det foreslås ytterligere tiltak og undersøkelser for å kunne nå disse målene.

Precise and energy-efficient motion control are important safety and economic aspects for marine vessels. This master’s thesis presents the design and evaluation of a novel multivariate-based adaptive controller for marine surface vessels.

The goal is to create a system that detects and models changes in the vessel dynamics used in a dynamic positioning (DP) controller to improve the motion-control performance. A 3-degree of freedom (DOF) vessel model is generated by analyzing measured actuator force, velocity, and acceleration in a multivariate analysis (MVA). A lack-of-fit residual, defined by the difference between the modeled and observed vessel dynamics, is fitted to update the model with previously unmodeled dynamics.

This thesis covers the implementation of the adaptive controller in a full-scale vessel system and demonstrates the proof-of-concept through experimental tests. The full-scale experiments enlighten the robustness and reliability of the adaptive system. The experiments also prove the system’s ability to generate good vessel models improving the performance, even when impacted by unmeasured disturbances from wind gusts of at least 6 m/s. The impact of unmeasured wave disturbances proves to be above the limit of what the adaptive system handles.

This new approach to model-based adaptive controllers can be the foundation of creating more reliable, safer, and precise control systems, approaching the goal of fully autonomous operational ferries for the benefit of better transportation systems. Further investigations towards these goals are suggested.