Advancements in Control System, Hardware, and Testing for an Autonomous Sailing Boat

Abstract

Autonome overflatekjøretøy har vist seg å være gode datasamlere. Disse fartøyene er i dag et godt valg på grunn av behovet for mye data for å forstå det endrende miljøet. En kombinasjon av god mobilitet og tilpasningsmuligheter, sammen med lavt energiforbruk og lav risiko, gjør disse fartøyene til perfekte kandidater. Sluttresultatet av dette prosjektet sikter på å være en miljøvennlig, uavhengig samler av viktig data fra store områder og utilgjengelig steder.

Tidligere grupper har kommet langt i utviklingen av en båt som er klar til å seile på havet. Et katamaran-skrog har blitt designet for lavt energiforbruk og god manøvrerbarhet. Et seil har blitt utviklet for å fange vinden for fremdrift. En kjøl og et ror har blitt satt på båten for å styre den og øke dens presisjon og manøvrerbarhet. I fjor ble et kontrollsystem laget for å kombinere alle disse elementene til en fungerende båt som kan seile av seg selv.

Denne avhandlingen tar over rett etter utviklingen av kontrollsystemet. Flere problemer er blitt oppdaget i det eksisterende systemet. Tester har blitt gjennomført for å utforske disse nærmere, og for å avdekke eventuelle andre problemer. Nye løsninger har blitt funnet og implementert inn i systemet. Denne avhandlingen går gjennom løsningene som er funnet og forklarer grunnlaget for de. Løsningene ble også testet og verifisert ved egne tester designet for de påvirkede sub-systemene.

Etter at løsningene på eksisterende problemer ble implementert, åpnet muligheten for videre utvikling seg. Vinklene båten kan seile til som følge av vindretningen har blitt utvidet til å gjelde alle retninger ved å få "å gå over slag" (engelsk: tacking) til å virke. På oppdraget sitt som datasamler trenger båten sensorer for å innhente nyttig data. Et system for å legge til flere sensorer er funnet og vist i denne avhandlingen. Dette inkluderer også opplasting og logging av dataen for senere bruk eller utsendelse. Til slutt har tilgjengeligheten for testing vært et viktig punkt å forbedre. Videre utvikling av båten vil kreve avanserte systemer for å styre unna objekter og ha bedre navigasjon. Dette vil kreve mye testing for å verifisere. En versjon av båten som kan kjøre på land er laget nettopp for dette. I tillegg har kode blitt lagt til for å simulere bevegelse.

Autonomous surface vehicles have proven themselves to be great data collectors. In the need of understanding a changing environment, these vessels are a great option. A combination of high mobility and openness to customization, together with low power consumption and risk makes these the perfect candidates. The end result of this project aims to be one of these vessels, and to be an environmentally friendly, independent collector of important data from large areas and remote locations.

Previous teams have come a far way in developing a boat ready for sailing the rough seas. A catamaran hull was designed for low power consumption and high mobility. A sail has been developed to catch the wind to generate propulsion. A keel and a rudder was added to control the boat and increase its accuracy and mobility. Last year, a control system was made to combine all these into an operable boat, able to sail on its own.

This thesis picks up right after the development of the control system. Several issues have been found in the existing system. Further tests have been conducted to explore these, and to uncover any other problems. New solutions have been found and implemented into the system. This report goes through these solutions and their reasoning, anchored in the necessary theory. The solutions have also been verified by testing the affected subsystems.

With the changes to solve existing issues, further progress could be made. The range of directions of sailing depending on the wind has been extended to all angles with the addition of tacking capabilities. On its mission as a data collector, the boat will need reliable sensors to catch useful data. A system for implementing new sensors is found, and showed in this report. This includes the steps needed to upload and log the data for later use or distribution. Lastly, testing availability has been greatly increased. Further development will require complex avoidance and guiding systems, which require a lot of testing. A land-based version of the boat built on a trolley with wheels, as well as movement simulation has been added for this purpose.