| dc.description.abstract | Utviklingen av autonome skip har skutt fart de siste årene, med flere prøveprosjekter for slike skip på vei. Et relevant bruksområde for denne teknologien er passasjerferger for bruk til kryssing av urbane vannveier som kanaler og elver. Denne oppgaven foreslår et automatisk kontrollsystem med risikohåndtering for bruk på en autonom passasjerferge. Dette inkluderer funksjoner for guiding og kontroll for alle faser av normal operasjon, i tillegg til nødmoduser. Minste-risiko-tilstander (MRT-er) er brukt for å minimere risikoen i nødstilfeller. En modusveileder brukes for å bestemme hvilken modus som skal brukes.
Eksempelstudiet i denne oppgaven er milliAmpere, som er en prototype av en autonom, elektrisk passasjerferge. Denne brukes som eksperimentell plattform for forskning på denne typen fartøy. Et sett med MRT-er er foreslått for operasjonen av en slik ferge, sammen med relevante årsaker til bruk av disse. I tillegg, så er risikopåvirkende faktorer diskutert for å gi et inntrykk av hva som kan introdusere risiko i operasjonen av en ferge som milliAmpere. For å være i stand til å utvikle et detaljert nok kontrollsystem, så er to MRT-er er valgt ut for detaljert implementasjon og testing i en simuleringsstudie: full stopp og unnamanøver. Funksjonaliteten til det totale systemet er testet i en rekke simuleringer. Simuleringene viser tilfredsstillende ytelse for både det nominelle kontrollsystemet, og modusveilederen som velger den beste MRT-modusen.
For å være i stand til å operere autonomt så må systemet være i stand til å bestemme hvilken modus som passer best, gitt omstendighetene. Dette er løst gjennom en modusveileder. Dette er en funksjon som tar in all tilgjengelig informasjon og bestemmer hvilken modus som er best basert på visse kriterier. For nødstilfeller der kollisjon er nært forestående så er det foreslått to indikatorfunksjoner for å velge den beste MRT-modusen. Den første sammenligner den nødvendige manøveren med begrensningene til fartøyet for å finne modusen som har størst sannsynlighet for å lykkes. Den andre bruker en ny måte å kvantifisere et estimat av kollisjonsrisiko ved bruk av en risikofunksjon til å bestemme hvilken modus som er sikrest. Alternative metoder som ikke er undersøkt nærmere er også diskutert, for å gi et perspektiv på andre mulige løsninger.
Alle moduser er spesifisert og implementert til guiding- og kontrollfunksjoner. I normal operasjon ved kryssing og avgang fra kai, så brukes en guidefunksjon der banen er parametrisert av to parametere. Her blir en kontrollbarrierefunksjon brukt til å forsikre at banen er sikker, og gjøre endringer på banen for å unngå hindre. Kaileggingsfasen er delt inn i to faser der den første tar fartøyet til et punkt utenfor kaien mens fartøyet har kurs normalt på kaien. Den andre fasen består da av å flytte fartøyet sakte og kontrollert mot kaien før det stopper en bestemt avstand fra kaikanten. I alle de tre fasene av normal operasjon så benyttes en backstepping-kontroller til å styre fartøyet i henhold til ønsket posisjon og kurs.
For de to MRT-modusene som er valgt til implementasjon i simuleringsstudiene, så har guiding- og kontrollfunksjonene blitt implementert på en enkel måte for å vise hvordan disse modusene vil være. Her brukes en PID-kontroller til å oppnå ønsket posisjon og kurs. I en full stopp-manøver så er målet å stoppe så fort som mulig mens kursen holdes konstant. Under en unnamanøver så kalkulerer guidingsfunksjonen en kurs- og hastighetsreferanse som endres slik at fartøyet tar en hard sving og senker farten slik at det står stille ved endt manøver. Etter begge de to MRT-modusene så går systemet inn i en ny MRT; dynamisk posisjonering. Fartøyet holder da posisjonen til operasjonen kan startes på nytt. | |
| dc.description.abstract | The development of autonomous ships has accelerated in the last years, with multiple trials of such vessels underway. A relevant application for this technology is passenger ferries used for crossing urban waterways. This thesis proposes an automatic control system with risk contingencies for use on an autonomous passenger ferry. This includes guidance and control modes for all phases of nominal operation, as well as for emergency modes. Minimum risk conditions (MRCs) are used to mitigate risk in emergencies. A mode supervisor is used for determining which mode to operate in.
The case study in this thesis is the milliAmpere experimental platform, a prototype of an autonomous, all-electric passenger ferry. A set of MRCs is proposed for the operation of such a ferry, together with relevant causes for the use of these. Additionally, risk-influencing factors are discussed to give an impression of what may introduce risk into the operation of a ferry like milliAmpere. To be able to develop a sufficiently detailed control system, two MRCs are selected for detailed implementation in a simulation study: crash stop and evasive maneuver. The functionality of the total system is tested through a series of simulations. The simulations show satisfactory performance of both the nominal control system, as well as the mode supervisor including selection of the best MRC mode.
To be able to operate autonomously, the system must have a method of deciding which mode is best suited given the circumstances. This is solved through a mode supervisor. It takes in all available information and decides which mode is the best based on certain criteria. For emergency situations where collision is imminent, two indicator functions for selecting the best MRC are proposed. The first compares the necessary maneuver with the limitations of the vessel to find the mode that is most probable of success. The second utilizes a new way of quantifying an estimate of collision risk through a risk function to determine which mode is the safest. Alternative methods that are not studied in detail in this thesis are also discussed, to provide a perspective on other solutions to the supervising problem.
Furthermore, all modes are detailed into guidance- and control laws. In nominal operation, a two-parameter guidance function is used in the undocking- and crossing modes. Here, a control barrier function (CBF) is used to ensure that the path is safe, and make alternations to the path to avoid obstacles. The docking mode is divided into two phases where the first take the vessel to a point outside the docking location while ensuring that the heading is normal to the dock. Then the second phase consists of moving the vessel in a slow, controlled manner toward the dock before arriving at a docked position. For all modes of nominal operation, a backstepping controller is used to control the vessel according to the desired position and heading.
For the two MRC-modes selected for implementation in the simulation study, guidance and control have been implemented in a simple manner to show how such modes would work. Here, PID controllers are used to achieve the desired position and heading. In crash stop, the objective is to stop as soon as possible while keeping the heading constant. During an evasive maneuver, the guidance function provides a heading and speed reference signal that takes the vessel into a hard turn and reduces the speed such that the vessel is at rest at the end of the maneuver. After completion of the two MRCs considered for imminent collision (crash stop /evasive manuever), the system enters another MRC; dynamic positioning mode. The vessel then maintains its position until operation can be restarted. | |
