| dc.description.abstract | I denne oppgaven er et automatisk kontrollsystem for en seilbåtdrone utviklet og testet med det formål å unngå kollisjon, og å oppnå autonom banefølging under ulike miljøforhold. I tillegg er det utviklet et simuleringsrammeverk bestående av en modell av seilbåtdronens systemdynamikk og en forenklet oppfatningsmodell av omgivelsene.
Seilfremdrift muliggjør lang oppdragsvarighet for autonome fartøyer, men representerer også en systembegrensning da fremdriften er avhengig av vinden. Havstrømmen, vinden og seilet kombinert setter begrensninger på de oppnåelige hastighetene langs de ulike kursretningene, samt hvilke manøvrer som er mulige. Hastighetene og kursretningene er ofte oppsummert i et hastighetsdiagram som brukes for kursvalg. I enkelte kursretninger vil det ikke være mulig å seile direkte, slik at en sammensetning av to alternative kursretninger må benyttes for å oppnå en effektiv hastighet i den ønskede retningen.
Begrensningen resulterer i et ikke-trivielt styringsproblem som blir enda mer komplekst når man inkluderer kollisjonsunngåelse. Det er benyttet flere ulike metoder for å løse styringsproblemet, ofte benyttes et hastighetsdiagram sammen med et automatisk kontrollsystem. I tidligere løsninger neglisjeres ofte effekten av havstrømmen. I tillegg har lite arbeid blitt rettet mot kollisjonsunngåelse og manøver valg ved lave hastigheter.
For å håndtere styringsproblemet er det i denne oppgaven utviklet et automatisk kontrollsystem. Systemet benytter en algoritme for banefølging som velger mellom siktlinjeveiledning og kurskontroll. Algoritmen bygger på en utledet metode for å inkludere havstrøm i hastighetsdiagrammet, slik at systemet kan gi en kursreferanse som er optimal med hensyn på både strøm og vind. Videre inneholder systemet en kollisjonsunngåelsesalgoritme, der hindringer introduseres som hastighetsvektorbegrensninger. I tillegg er fremdriften gitt av seilet optimalisert ved å benytte seilets løft og drag modeller. Dette resulterer i en oppslagstabell over optimale angrepsvinkler for seilet.
Det automatiske kontrollsystemet er implementert og testet i simuleringsrammeverket for å evaluere systemets ytelse som helhet under ulike miljøforhold. Simuleringsresultatene viser at seilbåten kan følge den ønskede banen selv under tøffe miljøforhold. Resultatene viser også at å hensynta havstrøm i kursvalg kan gi betydelig høyere effektiv hastighet og øke robustheten. I tillegg unngås statiske hindringer, selv når den effektive kursretningen krever sammensetning av to kurser. | |
| dc.description.abstract | In this thesis, a motion control system for a sailboat drone is developed and tested for the purpose of collision avoidance and autonomous path following under various environmental conditions. In addition, a simulation framework is developed, consisting of a comprehensive model of the system dynamics and a simplified perception model.
Sail propulsion enables long mission duration for autonomous crafts, but also represents system restrictions as the propulsion is dependent on the wind. The ocean current, wind and sail combined impose constraints on the obtainable velocities along different course directions, as well as which maneuvers are feasible. These velocities and courses are often summarized in a feasible velocity diagram used for course selection. Where an effective velocity in a non-feasible direction is obtained by periodic switching between two feasible directions.
The constraint results in a non-trivial motion control problem which becomes even more complex when incorporating collision avoidance. Multiple approaches to solve the motion control problem exists, often exploiting a feasible velocity diagram together with an automatic control hierarchy. However, the approaches found neglect the effect of ocean current, and only a few studies are concerned with collision avoidance and feasibility of maneuvers.
To address this, a motion control system has been developed. The system exploits a proposed path following algorithm, which switches between line-of-sight guidance and course control. The algorithm builds on a derived method to incorporate ocean current into the feasible velocity diagram, enabling the system to provide a course reference that is optimal with respect to both current and wind. Further, the system contains a proposed collision avoidance algorithm, where obstacles are introduced as velocity vector constraints. In addition, the forward propulsion induced by the sail is optimized offline by exploiting the lift and drag coefficient models, forming a lookup-table for the optimal angle of attack for the sail.
The motion control system was implemented and tested in the simulation framework to evaluate the system's performance as a whole under various environmental conditions. The simulation results shows that the sailboat can follow the desired path even under harsh environmental conditions. The results also reveal that incorporating ocean current into course selection can yield significantly higher effective velocity and increase robustness. In addition, static obstacles are successfully avoided, even when the direction of travel requires the composition of two courses. | |