| dc.description.abstract | Når man designer autonome fartøy for dokk-til-dokk-operasjoner, er det avgjørende å automatisere alle aspekter av reisen. Dokk-til-dokk-operasjonen består typisk av tre faser: frakobling, transport og dokking. Frakobling innebærer at fartøyet forlater kaia, transport refererer til fartøyets bevegelse mellom dokkområder, og dokking innebærer at fartøyet legger til kai. Ubemannede overflatefartøy (USV-er) kan kategoriseres som fullt aktuerte og underaktuerte fartøy. Fullt aktuerte fartøy kan bevege seg uavhengig i alle frihetsgrader, mens underaktuerte fartøy typisk bare har evnen til å rotere og bevege seg framover. Underaktuerte USV-er er aktuelle ettersom de kan være kostnadseffektive, da de krever færre aktuatorer eller når eldre båter skal integreres med autonome egenskaper.
Denne masteroppgaven presenterer en omfattende plan for dokk-til-dokk-prosessen til en underaktuert USV, med spesiell vekt på dokking-prosedyren. I denne dokkingsekvensen brukes en dokkingsadapter lik de som brukes av elveferger i Paris. USV-en er utstyrt med en dokkekrok, mens kaikanten er utstyrt med en dokkingsmottaker. Det primære målet med dokkingsekvensen er å sikre en trygg tilkobling mellom dokkekroken og mottakeren, og deretter justere fartøyet med kaikanten. Fartøyet vil rotere for å starte frakoblingssekvensen mens dokkingsadapterne fortsatt er festet, etterfulgt av å reversere vekk fra kaikanten. Den tradisjonelle siktelinjemetoden (LOS) brukes under transportfasen.
Dokkingsekvensen består av flere trinn: tilnærming til snupunkt, snu, tilnærming til dokking og dokkingrotasjon. Når fartøyet kommer inn i dokkområdet, begynner dokkingfasen med fartøyets tilnærming til snupunktet. I tilfeller der dokkområdene er begrenset i størrelse, utfører fartøyet en sving på et angitt punkt for å sikre inngang til dokkingsmottakeren fra riktig side. Etter å ha fullført svingen og justert seg med dokkingsmottakeren, nærmer fartøyet seg dokkingsmottakeren. Når dokkekroken er tilkoblet mottakeren, roterer akteret på fartøyet mot kaikanten for å justere fartøyet med kaikanten.
Det er opprettet et simuleringmiljø for å gjenskape de tre ulike aspektene ved dokk-til-dokk-operasjonen. Simulatorområdet representerer en brygge med en dokkingsmottaker. Et en modell av Maritime Robotics' USV Otter blir brukt i simuleringen, komplett med en dokkingkrok. Dette fartøyet er en kompakt katamaran utstyrt med to faste thrusters plassert på baksiden av hver skrogdel.
Frakobling- og transport-stadiene ble testet i simuleringen med en vindhastighet på 7m/s, og dekket alle vindretninger fra -180° til 180° med 25° intervaller. I alle scenarioene ble både frakobling- og transport-prosessene gjennomført suksessfullt.
Dokkingsprosedyren ble utsatt for mer omfattende testing sammenlignet med frakobling- og transport-stadiene for å sikre effektivitet og pålitelighet. Som i frakobling- og transport-stadiene ble dokkingsprosessen vurdert for ulike vindretninger som spenner fra -180° til 180°. Imidlertid ble det gjennomført ekstra tester ved å variere vindhastighetene fra 0 til 7m/s med intervaller på 0.1m/s. Simuleringen viste at USV-en kunne dokke suksessfullt under alle testede forhold, men under de mest utfordrende vindforholdene var ikke operasjonen like godt kontrollert. I slike tilfeller kreves det større feilmarginer. Likevel viste dokkingsprosedyren gode resultater og sikret en trygg og kontrollert dokkingsprosess under gjennomsnittlige forhold. | |
| dc.description.abstract | When designing autonomous vessels for dock-to-dock operation, automating every aspect of the journey is crucial. The dock-to-dock operation typically comprises three phases: undocking, transit, and docking. Undocking involves the vessel leaving the dock, transit refers to the vessel’s movement between docking areas, and docking entails the vessel aligning with the pier. Unmanned Surface Vessels (USVs) can be categorized into fully actuated and underactuated vessels. Fully actuated vessels can move in every degree of freedom independently, whereas underactuated vessels typically only possess the ability to rotate and move forwards. Underactuated USVs may be utilized for cost-effectiveness, requiring fewer actuators or integrating older boats with autonomous capabilities.
This Master’s thesis presents a comprehensive plan for the dock-to-dock process of an underactuated USV, with a specific emphasis on the docking procedure. In this docking sequence, a docking adapter similar to the ones utilized by river shuttles in Paris is employed. The USV is equipped with a docking hitch, while the pier is fitted with a docking receiver. The primary objective of the docking sequence is to securely connect the docking hitch with the receiver and subsequently align the vessel with the pier. The vessel will rotate to initiate the undocking sequence while the docking adapters are still attached, followed by reversing away from the pier. The traditional Line-of-Sight (LOS) guidance method is utilized during the transit phase.
The docking sequence comprises several stages: approach turning point, turn, approach docking, and docking rotation. Upon entering the docking area, the docking phase commences with the vessel’s approach to the turning point. In cases where docking areas are limited in size, the vessel executes a turn at a designated point to ensure entry into the docking receiver from the correct side. After completing the turn and aligning itself with the docking receiver, the vessel approaches the docking receiver. Once the docking hitch is mated with the receiver, the vessel rotates its aft toward the pier to get the vessel aligned with the pier.
A simulation environment has been created for replicating the three distinct stages of the dock-to-dock operation. The simulator area represents a pier featuring a docking receiver. A vessel resembling Maritime Robotics’ USV Otter is utilized within the simulation, complete with a docking hitch. This vessel is a compact catamaran equipped with two fixed thrusters positioned at the rear of each hull.
The undocking and transit stages were subjected to testing in the simulation environment under a wind speed of 7m/s, covering all wind directions from -180° to 180° with 25° increments. In all scenarios, both the undocking and transit processes were accomplished successfully.
The docking procedure underwent more extensive testing compared to the undocking and transit stages in order to ensure its effectiveness and reliability. Like the undocking and transit stages, the docking process was assessed for various wind directions spanning from -180° to 180°. However, additional tests were conducted by varying the wind speeds from 0 to 7m/s in increments of 0.1m/s. The simulation demonstrated that the USV could successfully dock under all tested conditions, but during the most challenging wind condition, the operation was not as tightly controlled. In such instances, the scheme required larger error margins. Nevertheless, under average circumstances, the docking scheme exhibited favorable outcomes and ensured a safe and controlled docking process. | |
