Hybrid Observers for Autonomous Surface Vessels Experiencing Varying Operational Conditions

Abstract

Denne masteroppgaven tar for seg bruk av hybrid kontrollteori for å forbedre observer-ytelse i transienter på grunn av varierende operasjonelle forhold for marine overflatefartøy.

Oppgaven begynner med litteraturstudie om de fremtidige autonome overflatefartøyene. Videre følger undersøkelse av hybrid kontrollteori, som knyttes sammen med utviklingen av autonome marine kontrollsystemer. Hybridkontroll muliggjør operasjoner i tøffere miljøer, mer komplekse operasjoner, økt sikkerhet og reduserte kostnader. Videre blir hybride observere forklart og presentert. Konseptet til observerene som undersøkes i denne masteroppgaven presenteres. Oppgaven undersøker dagens alternativer og forskning gjort på temaet hånderting av transienter av observere. I tillegg forklares observerenes bias-mekanismer for å muliggjøre en tilpasset implementering av bias-last avhengig av de operasjonelle forholdene. Ettersom observerene ikke inkluderer en presis simuleringsmodell, men snarere en forenklet versjon, må observeren inneholde en passende bias-last som tar hensyn til ikke-modellert dynamikk og last.

Som en fortsettelse av litteraturstudiet presenterer oppgaven fem forskjellige testscenarier hvor fartøyet utsettes for transiter på grunn av varierende operasjonelle forhold. Hver test blir først undersøkt i simuleringsmodellen Marine Kybernetikk Simulator (MCSim). I tillegg blir det gjort en utvidelse av simuleringsmodellen MCSim, for å gjøre det mulig å ha varierende sjøtilstander og varierende fremover-hastigheter. Deretter blir testene utført på Marine Kybernetikk Labratoriet (MCLab) ved Institutt for Marin Teknikk (IMT), NTNU. Etter testene blir observerens ytelse evaluert ved hjelp av en kostfunksjon.

Oppgaven konkluderer med at forbedringen av håndtering av transienter er signifikant i alle tilfeller av transienter. Forbedringene var tydelige fra både simuleringer og laboratorieeksperiementer. I tillegg er det gitt en begrunnelse for hvilken observer som gjør seg best i de forskjellige operasjonelle forhold, og dermed for hvilke fartøy det kan være hensiktsmessig å bruke disse observerene.

This thesis investigates the topic of applying hybrid control theory to improve observer performance in transients due to varying operational conditions for marine surface vessels.

The thesis begins by conducting a literature review about the future autonomous surface vessels and levels of autonomy before further investigating hybrid control theory and links this together with the development of autonomous marine systems. Hybrid control allows for operations in harsher environments, more complex operations, increased safety, and reduced costs. Further, hybrid observers are explained and linked to the motion control system. The mechanisms and ideas of the observers of interest are presented. The thesis investigates today’s alternatives and research on the topic of observers handling transients. In addition, the observer’s bias mechanisms are explained to allow for better implementation of the bias load. As the observers do not include a high fidelity simulation model but rather a simplified version, the observer needs to include an appropriate bias load, accounting for the unmodelled loads and dynamics.

As a continuation of the literature review, the thesis presents five different test scenarios where the vessel is subjected to transit due to varying operational conditions. Each test is first investigated in the high fidelity simulation environment, Marine Cybernetics Simulator (MCSim). In addition, an extension of the environment was made to allow for varying sea states in varying surge speeds. Then model-scale experiments were conducted at the Marine Cybernetics Laboratory (MCLab) at the Department of Marine Technology (IMT), NTNU. After the tests, the observer performance was evaluated using a cost function.

The thesis concludes that the improvement of handling transients is significant in all occurrences of transients. The improvements were clear from both high fidelity simulations with the extension of varying sea states and in the model-scale laboratory experiments. In addition, a justification is made about which observer benefits in the different varying operational conditions.