On development and validation of an autonomous sailboat

Abstract

ASVer kan være en effektiv metode for å overvåke og samle inn havdata. Ved bruk av vindkraft kan operasjoner både være kostnadseffektive, miljøvennlige, og fungere uavhengig over lengre perioder. Med utviklingen av billigere, mindre, og kraftigere data- og sensorteknologier over de siste tiårene, kan ASVer bli utviklet til en lavere pris og med mer avanserte funksjoner.

Denne avhandlingen utvikler et mekatronikksystem for en autonom seilbåt. Et distribuert programvaresystem er designet og utviklet for å støtte testing, autonomi og operatørkontroll. Systemet er separert i tre hoveddeler; en webapplikasjon for klienter, en server i skyen, og et seilbåtsystem. Systemet ble laget med toppmoderne teknologier og etterstreber interoperabilitet og pålitelighet.

Det mekaniske systemet består av et katamaranskrog, et vingeseil, og et ror. Et elektronisk system av sensorer, aktuatorer, og datamaskiner ble satt sammen for at systemet skal kunne oppfatte og handle ut i fra omgivelsene. Avhandlingen dokumenterer utviklingsprosessen fra valg av deler, monteringsprosesser, og integrering av programvare. Noen av sensorene og delene ble designet og 3D-printet for å oppnå målet om en fungerende prototype innenfor prosjektets tidsramme.

En sjøtest ble gjennomført som en integrasjonstest av et fullt system. Værforholdene under testen var harde, med temperaturer under 5°C, og spredte hagl og regnbyger. Vindhastighetene varierte mellom 0.5-11.4 m/s og med et gjennomsnitt på 4.3 m/s. Seilbåten opererte autonomt under sin egen batterikilde og med operatører på land. Testen viste lovende resultater, både det mekaniske og elektroniske systemet utførte oppgavene godt. Skyserveren presterte veldig bra, men det var noen problemer med båten sin programvare som forhindret den fra å seile ved flere tilfeller. Videre utvikling og testing er nødvendig for å oppnå en helautonom seilbåt.

Autonomous surface vehicles (ASVs) could be an effective method to monitor and collect oceanographic data. Wind power can make the operation cost-effective, more environmentally friendly, and work independently over long periods. With the emergence of cheaper, smaller, and more powerful computer and sensor technology over the last decade, ASVs can be developed at a lower cost and with more advanced capabilities.

This thesis develops a mechatronic system for an autonomous sailboat. A distributed software system is designed and developed to support testing, autonomy, and operator control. The system consists of three main parts: a client web application, a cloud server, and a sailboat system created with state-of-the-art technologies and with a focus on interoperability and reliability.

The mechanical system is comprised of a catamaran hull, a fixed-wing sail, and a rudder. An electronic system of sensors, actuators, and computers was created to enable the system to perceive and act on the surroundings. The thesis describes the development process from parts selection, mounting, and software integration. Some sensors and parts were designed and 3D-printed to achieve the goal of a working prototype within the project time frame.

A sea trial was conducted as a full system integration test. Weather conditions during the test were harsh, with temperatures below 5°C, and intermittent hail and rain showers. Wind speeds was ranging from 0.5-11.4 m/s, averaging at 4.3 m/s. The sailboat operated autonomously with its battery power, with two operators monitoring on shore. The test showed promising results, with the mechanical and electronic systems performing well. The cloud server did perform very well. However, there were some issues with the boat's software preventing it from sailing in many cases. Further development and testing are required to achieve a fully autonomous sailboat.