Development of C/S Jonny incorporating an adaptive autopilot with a velocity guidance safety layer

Abstract

I denne oppgaven presenteres utviklingen av en ny modellbåt kalt C/S Jonny. Det var behov for en robust modellbåt i stand til å håndtere høyhastighets manøvreringsbaserte styrings- og kontrollalgoritmer, en rolle som C/S Jonny er designet for å oppfylle. Det er en 1:32 skala av en slepebåt, med to azimuth-thrustere bak og en baug-thruster. Modellen er laget for å være modulær for enkel vedlikeholdelse og utskifting av deler. Skipet styres av aktuatorsignaler fra en Raspberry Pi som kjører ROS. Det ble utført ``bassengprøver'' for C/S Jonny, som bekreftet C/S Jonnys sjødyktighet og manøvreringsevner.

Ettersom de hydrodynamiske parametrene for den nye modellbåten var ukjente, og det ikke var planlagt å gjennomføre hydrodynamisk testing eller analyse, var adaptiv modellreferanseregulering (MRAC) en passende løsning for å takle usikkerheter. To forskjellige MRAC-design ble evaluert. En heading-MRAC bygget på en Nomoto manøvreringsmodell, og en hastighets-MRAC bygget på en fartøymodell med 3 frihetsgrader. På grunn av plassbegrensninger i MC-Lab, og det faktum at heading-kontrolleren ofte kombineres med Line-Of-Sight (LOS) navigasjon som er bedre egnet for mer romslige miljøer, ble heading-kontrolleren avskrevet. Som et resultat ble hastighets-kontrolleren videreutviklet.

Deretter ble en guidance-modul lagt til i autopilotdesignet. Guidance-modulen involverer rutegenerasjon med rute-parametrisering, og en kinematisk kontroll-lov for å følge en rute med hastighetskontrollere. Hovedfokus i guidance-modulen var sikkerhetslaget som utnytter kontroll barriere funksjoner (CBFer) for å gi trygge inputs til kontrolleren. Det som regnes som ``trygge'' inputs avhenger av definisjonen av kontroll barriere funksjonene. I denne oppgaven blir CBFer benyttet som matematiske funksjoner som definerer begrensninger i fartøyets tilstandsrom. Dette etablerer begrensningslinjer som fartøyet ikke skal krysse, noe som skaper begrensede områder. CBFer overstyrer den nominelle kontroll-loven når fartøyet nærmer seg de begrensede områdene, og gir trygge inputs til kontrolleren.

Kontrollsystemet ble testet i simuleringer og i fysiske eksperimenter. På grunn av en hendelse under thrust-allokeringen til C/S Jonny, ble uheldigvis styrbord azimuth-thruster ødelagt. De fysiske eksperimentene med autopiloten ble derfor utført på C/S Enterprise i stedet. Simuleringen og de eksperimentelle resultatene gir tilfredsstillende resultater til en viss grad, men det er rom for forbedring, som blir diskutert.

In this thesis, the development of a new model ship called C/S Jonny is presented. There was a need for a robust model ship capable of higher-speed maneuvering-based guidance and control algorithms, a role that the C/S Jonny is designed to fulfill. It is a 1:32 scale of a tug boat, with two azimuth thrusters stern and one bow thruster. The model is made to be modular for easy maintenance and replacement of parts. The ship is controlled by actuator signals from a Raspberry Pi running ROS. Basin trials have been conducted, proving C/S Jonny's seaworthiness and maneuvering capabilities

As the hydrodynamic parameters for the new model ship were unknown, and no hydrodynamic testing or analysis was planned to be conducted, Model Reference Adaptive Control (MRAC) became a suitable solution to tackle uncertainties. Two different MRAC designs were evaluated. One heading MRAC using the Nomoto maneuvering model, and one velocity-tracking MRAC using a 3 Degrees Of Freedom (DOF)\nomenclature{DOF}{Degree(s) Of Freedom} vessel model. Due to space limitations in MC-Lab, and the fact that the heading controller is often combined with Line-Of-Sight (LOS) navigation which is suited for more spacious environments, the heading MRAC was ruled out. As a result, the velocity-tracking MRAC was developed further.

Subsequently, a guidance module was added to the autopilot design. The guidance module involves path generation with path parametrization, and a kinematic control law to track a path with velocity controllers. The main focus in the guidance module was on the safety layer utilizing Control Barrier Functions (CBFs) to provide safe inputs to the controller. The determination of ``safe'' inputs depends on the definition of the CBFs. In this thesis, the CBFs are utilized as mathematical functions that define constraints in the state space of the vessel. This effectively establishes constraint lines that the vessel should not cross, creating restricted areas. The CBFs overrule the nominal control law when the vessel is nearing the restricted areas, providing safe inputs to the controller.

The control system was tested in simulations and in physical experiments. Unfortunately, due to an incident during the thrust mapping of C/S Jonny, the starboard azimuth thruster broke. The physical experiments regarding the autopilot were therefore performed on C/S Enterprise instead. The simulation and experimental results provide satisfactory results to an extent, but there is room for improvement, which is discussed.