Εύρωστος έλεγχος στην πλοήγηση σκαφών επιφανείας

Abstract

This PHD thesis deals with the electronics design, modeling, and control of a surface vessel created for reaching specified sets of targets on a two-dimensional map. It is based on a remote-control model of a ferry boat ship, that was assembled by NTUA. All the electronic equipment used, apart from the remote-control unit and its receiver, were designed and manufactured by the author of this thesis. The details of the development are reported on the thesis, along with the methodology followed for its modelling and control. After the construction of the vessel, data for its response were collected by performing manual maneuvers using the radio control unit. This data was used to train a neural network, to predict the vessel’s response to thrust and steering controls, in a black-box modelling approach. The model that resulted was used to conduct simulations on the control methods developed for the vessel. For enabling the vessel to reach specified targets on the map, two types of supervisory controllers were synthesized. These algorithms monitor the position of the vessel in relation to its target and generate translational and angular velocity directives that serve as setpoints for the respective control loops. To effectively cope with the non-linearities of the system, a methodology based on the neural network model was developed, that also decoupled velocity and heading control loops. Robust control techniques were also employed, to reduce the effect of model prediction and control action quantization inaccuracies and attenuate the resulting error. The response of the vessel was then simulated using several test cases, to examine its maneuvering abilities. A comparison of the two supervisory controllers was also conducted. Finally, a mini swarm of three vessels was simulated, to investigate the expansion of the methods described in the thesis, in sets of related vessels.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με το σχεδιασμό των ηλεκτρονικών, τη μοντελοποίηση και τον έλεγχο ενός σκάφους επιφανείας, που δημιουργήθηκε για να κατευθύνεται σε ένα σύνολο προκαθορισμένων στόχων σε έναν διδιάστατο χάρτη. Αναπτύχθηκε σε τηλεχειριζόμενο μοντέλο σκάφους τύπου Ferry Boat, που συναρμολογήθηκε στο ΕΜΠ, στο οποίο δόθηκε και δυνατότητα αυτοκατεύθυνσης. Με εξαίρεση τα πλαστικά του σκάφους, το χειριστήριο τηλεκατεύθυνσης και τον δέκτη τηλεκατεύθυνσης, όλα τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα τα οποία χρειάστηκαν, κατασκευάστηκαν από τον συγγραφέα της παρούσας διατριβής.Οι λεπτομέρειες της ανάπτυξης των ηλεκτρονικών, καθώς και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη μοντελοποίηση και τον έλεγχο του σκάφους, παρουσιάζονται στη διατριβή.Μετά την κατασκευή του σκάφους, συλλέχθηκαν δεδομένα για την απόκρισή του, πραγματοποιώντας χειροκίνητους ελιγμούς από τη μονάδα ραδιοελέγχου. Τα δεδομένα που προέκυψαν, χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση ενός νευρωνικού δικτύου, για την πρόβλεψη της απόκρισης του σκάφους στα χειριστήρια ώσης και διεύθυνσης. Η προσέγγιση της μοντελοποίησης βασίστηκε στη λογική μαύρου κουτιού (black box modelling). Το μοντέλο που προέκυψε χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή προσομοιώσεων σχετικά με τις μεθόδους ελέγχου που αναπτύχθηκαν για το σκάφος.Για να μπορέσει το σκάφος να φτάσει σε καθορισμένους στόχους στο χάρτη, συντέθηκαν δύο τύποι εποπτικών ελεγκτών. Αυτοί οι αλγόριθμοι παρακολουθούν τη θέση του σκάφους σε σχέση με τον στόχο του και δημιουργούν εντολές μεταφορικής και γωνιακής ταχύτητας. Οι εντολές αυτές αποτελούν τις τιμές αναφοράς για τους αντίστοιχους βρόχους ελέγχου. Για την αποτελεσματική αντιμετώπιση των μη γραμμικοτήτων του συστήματος, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία βασισμένη στο μοντέλο νευρωνικών δικτύων, η οποία επιπροσθέτως αποσυνέζευξε τους βρόχους ελέγχου ταχύτητας και κατεύθυνσης. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης τεχνικές σθεναρού ελέγχου, για τη μείωση της επίδρασης των ανακριβειών πρόβλεψης του μοντέλου και της κβαντοποίησης της δράσης ελέγχου, προκειμένου να αμβλυνθεί το προκύπτον σφάλμα. Στη συνέχεια, η απόκριση του σκάφους προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας διάφορα σενάρια, ώστε να εξεταστούν οι ικανότητες ελιγμών του. Πραγματοποιήθηκε επίσης σύγκριση των δύο εποπτικών ελεγκτών. Τέλος, προσομοιώθηκε ένα μικρό σμήνος τριών σκαφών, για τη διερεύνηση της επέκτασης των μεθόδων που περιγράφονται στη διατριβή, σε σύνολα σχετιζομένων σκαφών.