Addressing parametric uncertainties in autonomous cargo ship heading control
Otonom kargo gemisi yön kontrolündeki parametrik belirsizliklerin ele alınması
- Tez No: 823793
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. İSMAİL BAYEZİT
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Bilgisayar teknolojisindeki ilerlemenin, özellikle gemi özerkliği ile ilgili olarak, denizcilik sektörü üzerinde derin bir etkisi olmuştur. Kılavuzluk, navigasyon ve kontrol için bilgisayar destekli sistemlerin dahil edilmesi, gemi manevrası sırasında insan hatalarıyla ilişkili potansiyel riskleri en aza indirmek için umut verici bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Bu hatalar, engellerle çarpışma, gemi hasarı, yolcu ve yük güvenliğini tehlikeye atma gibi feci sonuçlara yol açma potansiyeline sahiptir. Birkaç önemli çalışma, farklı kontrol yaklaşımları kullanan ve simülasyona dayalı ve gerçek zamanlı uygulama testleri yürüten gemi kontrol sistemlerini araştırmıştır. Bu çalışmalar, doğru hedef takibi için uyarlanabilir yol takip kontrolü, kademeli kontrol simülasyonları ve bulanık mantık tabanlı karar verme mekanizmaları kullanılarak rota açısının stabilizasyonu, ortak gemi rotalarında kazaları azaltmak için sensör bilgilerinin entegrasyonu, bulanık kontrol tabanlı çarpışma senaryosu analizi içerir. uluslararası denizcilik yönetmeliklerine uygun karar verme, iki bağımsız pervane kullanılarak düzlemsel otonom konum kontrolünün tasarımı ve analizi, bir Kalman Filtresi ile geliştirilmiş bir PID yaklaşımı kullanan bir katamaran prototipi üzerinde dümen, hız ve konum kontrolü deneyleri ve modelleme ve gerçek zamanlı doğru parametre tanımlaması ile insansız yüzey araçlarının kontrolü. Bu çalışmalar, gemi kontrol sistemlerinde değerli bilgiler ve ilerlemeler sağlamıştır. Belirsiz hidrodinamik katsayılara sahip gemilerin kontrolünü ele almak için kapsamlı araştırmalar da yapılmış ve bu da çeşitli yaklaşımların araştırılmasına yol açmıştır. Bir yaklaşım, belirsizlikleri göz önünde bulundurarak gemi hızını düzenlemek ve sevk enerjisini hesaplamak için Çok Seviyeli Model Predictive Control (MPC) yöntemini kullanmayı içerir. Diğer bir yaklaşım ise, gemi davranışının gerçek zamanlı ölçümlerine dayalı olarak kontrol girdilerini sürekli olarak ayarlayan uyarlamalı kontroldür. Geminin kontrol girdilerini uyarlamak için hidrodinamik katsayılardaki belirsizliği açıklayan bulanık kuralları içeren bulanık mantık tabanlı kontrol de kullanılır. Takviyeli öğrenme gibi makine öğrenimi teknikleri, mevcut verilere dayalı olarak kontrol girdilerini ayarlamak için kullanılır. Ek olarak, belirsiz hidrodinamik katsayılarla karşı karşıya kalındığında bile kararlı ve öngörülebilir gemi davranışı sağlamak için sağlam kontrol teknikleri geliştirilmiştir. Bu çalışmalar, belirsiz hidrodinamik katsayılarla ilgili zorlukları ele alarak ve etkili kontrol stratejileri önererek gemi hareket kontrolüne değerli katkılar sağlar. Bu tez, gemi kontrolü alanındaki iki önemli yönü ele almayı amaçlamaktadır. İlk olarak, geminin pruva açısı için kapsamlı bir gemi hareket modelinin geliştirilmesi. İkincisi, gemi hidrodinamiğindeki parametrik belirsizliğin etkili bir şekilde ele alınması. Araştırma, gemi davranışının anlaşılmasını geliştirmeye ve belirsizlikleri sağlam bir şekilde ele alabilecek kontrol stratejileri tasarlamaya, sonuçta gemi operasyonlarının performansını, güvenliğini ve verimliliğini geliştirmeye odaklanıyor. Bu tezin ilk amacı, geminin yön açısı dinamiklerini doğru bir şekilde temsil eden, kontrol yönelimli bir gemi hareket modeli oluşturmaktır. Model, çeşitli çalışma koşulları altında gemi hareketinin karmaşıklığını hesaba katmak için hem doğrusal hem de doğrusal olmayan dinamikleri birleştirir. Doğrusal modeli türetmek için, tipik 6 Degrees of Freedom (6DOF) hareket denklemini 3 Degrees of Freedom (3DOF) denklemine basitleştirmek için belirli varsayımlar yapılır. Hareket perspektifinden bakıldığında, yavaş hızlı yer değiştiren gemiler minimum kaldırma, yalpalama ve yunuslama hareketleri sergiler. Bu nedenle $Z$, $K$, $M$ değişkenleri ve bunların türevleri, açısal hızlar $w$, $p$, $q$ ile birlikte ihmal edilebilir. Geometrik bir perspektiften bakıldığında, geleneksel gemiler $xz$ düzleminde simetriktir. Sonuç olarak, geminin ağırlık merkezinin $y$-koordinatının sıfır $y_G = 0$ olduğu varsayılır. Doğrusal olmayan model için, Manevering Modeling Group (MMG) tarafından sağlanan köklü bir 3DOF gemi modeli kullanılmıştır. Bu model, geminin pervanesinin dinamiklerini dahil ederek önceden türetilen kontrol yönelimli gemi hareket denklemini genişletir. Pervane dinamiklerini modele entegre ederek, geminin davranışı ve hareketi ile pervane arasındaki etkileşim hakkında daha kapsamlı bir anlayış elde edilebilir. Bu alt bölümdeki türetmeler ve açıklamalar, gemi hareket kontrol tasarımı ve optimizasyonu için yararlı bir araç olarak hizmet ederek pervane dinamiği ile doğrusal olmayan gemi hareket denklemi hakkında değerli bilgiler sağlamayı amaçlamaktadır. Güvenilir bir gemi hareket modeli oluşturarak, rota açısı kontrolü için etkili kontrol stratejileri tasarlamak mümkün hale gelir. Araştırmanın bu yönü, uyarlanabilir yol takip kontrolörleri ve kademeli kontrol simülasyonları gibi kontrol yöntemleri dahil olmak üzere, gemi otopilot tasarımına ilişkin mevcut çalışmaların gözden geçirilmesini ve analiz edilmesini içerir. Modelin doğruluğunu doğrulamak için bir dönüş çemberi testi yapılmıştır. Bu doğrulama işlemi, modelin tahminlerini önceki çalışmalardan elde edilen deneysel verilerle karşılaştırarak yapılır. Güvenilir bir doğrulama süreci sağlamak için, fiziksel doğrulama için DTC Konteyner gemisinin 1/80 ölçekli bir modeli seçildi. Çalışmanın sonuçları, modelin $\delta = 35$ derecelik sabit bir dümen açısı ile yörüngeye doğru bir şekilde yaklaşma yeteneğini ikna edici bir şekilde göstermektedir. Bu çalışmada geliştirilen hem doğrusal hem de doğrusal olmayan modeller, CFD ve sistem tabanlı yaklaşımları kullanan diğer çalışmalardan elde edilen sonuçlarla karşılaştırılabilir şekilde, gerçek sistemle yüksek düzeyde bir uyum sergiler. Bu tezin ikinci amacı, özellikle hidrodinamik katsayılarla ilişkili belirsizliğe odaklanarak, gemi hidrodinamiğindeki parametrik belirsizliğin zorluğunu ele almaktır. Hidrodinamik katsayılar, gemi ve çevredeki su arasındaki etkileşimlerin anlaşılmasında çok önemli bir rol oynar. Bununla birlikte, bu katsayılar genellikle çevresel koşullar, kap modifikasyonları veya üretim toleransları gibi çeşitli faktörlere bağlı olarak farklılıklar gösterir. Bu tür bir belirsizliğin varlığı, gemi kontrol sistemlerinin performansını ve güvenilirliğini önemli ölçüde etkileyebilir. Bu sorunu ele almak için, geminin hareketine en iyi uyan optimum katsayıları belirlemek için Particle Swarm Optimization (PSO) ve Genetic Algorithm (GA) gibi optimizasyon teknikleri kullanılmıştır. Bununla birlikte, özellikle hidrodinamik katsayılardaki belirsizlikleri temsil etmek için çok sayıda numuneye ihtiyaç duyuluyorsa, bu yöntemler yavaş olabilir. Bu zorluğa cevap vermek için bu tez, hidrodinamik katsayılarda deterministik olarak çözülmesi zor olan belirli bir hata düzeyine sahip gemi rota açısı kontrolü için sağlam bir optimal kontrolör bulmak üzere hızlı bir optimizasyon algoritması tasarladı. Önerilen optimizasyon algoritmasına“Bisection Optimization via Blind Search ”adı verilir. Bu metodoloji, rastgele örneklenen $m$ denetleyici parametreleri $K$ kullanılarak toplam $n$ örnek için modelin simüle edilmesini içerir. Ortaya çıkan maliyet değeri $\omega$, her simülasyon için kaydedilir. Ardından, en düşük $\omega$ değerini üreten denetleyici parametresi $K$ seçilir. İkinci aşamada, seçilen denetleyici parametresi $K$'yi daha da hassaslaştırmak için ikiye bölmeye dayalı bir optimizasyon tekniği kullanılır. Bu tezde, bu çalışmada ele alınan belirsizlik seviyeleri, parametrelerin nominal değerlerinden izin verilen sapmalarını temsil eden $\pm$20$\%$ olarak belirlenmiştir. Belirsizliğin olumsuz etkilerini azaltmak için, kontrolörün sapma açısını $\psi$ 0 dereceden 40 dereceye ayarlamakla görevlendirildiği bir simülasyon senaryosu oluşturulur. Optimizasyon performansını değerlendirmek için dört farklı maliyet fonksiyonu kullanılır: Integral Absolute Error (IAE), Integral Squared Error (ISE), Integral Time Absolute Error (ITAE), ve Integral Time Squared Error (ITSE). Ancak sonuçlar, bu farklı maliyet fonksiyonları kullanılarak elde edilen optimal denetleyici parametrelerinin önemli farklılıklar göstermediğini göstermektedir. Bu çalışmada Proportional (P) ve Proportional-Derivative (PD) olmak üzere iki tip kontrolör incelenmiştir. Türev teriminin PD kontrolörüne dahil edilmesi, sistemin tepkisindeki salınımları ve aşmaları azaltmayı ve böylece kararlılığı ve oturma süresini iyileştirmeyi amaçlar. Bununla birlikte, sistemin doğal kararlılığı ve beklenen yavaş tepkisi nedeniyle integral terimi dikkate alınmaz. Sonuçlar, önerilen algoritmanın hem yürütme hızı hem de görev performansı açısından PSO gibi mevcut yöntemlerden daha iyi performans gösterdiğini göstermektedir. Bu 2 hedefe ulaşarak, bu tez, gemi hareket dinamikleri hakkında kapsamlı bir anlayış sağlayarak ve gemi hidrodinamiğindeki parametrik belirsizliği ele almak için etkili çözümler sunarak gemi kontrolü alanına katkıda bulunur. Bu araştırmanın sonuçları, otonom navigasyon, çarpışmadan kaçınma ve enerji tasarruflu gemi operasyonları dahil olmak üzere çeşitli denizcilik uygulamalarını önemli ölçüde etkileyebilir. Geliştirilen gemi hareket modeli ve önerilen optimizasyon yaklaşımları, gerçek dünya senaryolarında uygulanarak gemi rota açısı kontrolü için geliştirilmiş kontrol stratejileri sağlar ve gemi operasyonlarının genel performansını ve güvenliğini artırır. Sonuç olarak, bu tez, gemi hidrodinamiğindeki parametrik belirsizliğin etkili bir şekilde ele alınması ile kontrol odaklı bir gemi hareket modelinin geliştirilmesini birleştirir. Araştırma, belirsiz çalışma koşulları altında gemi yön açısı kontrolü için sağlam kontrol stratejileri tasarlamada kullanılabilecek değerli içgörüler, metodolojiler ve araçlar sağlayarak gemi kontrolünün ilerlemesine katkıda bulunur. Bu tezin bulguları, gemi operasyonlarının verimliliğini, güvenliğini ve sürdürülebilirliğini artırma potansiyeline sahiptir ve sonuçta bir bütün olarak denizcilik endüstrisine fayda sağlar.
Özet (Çeviri)
The progress of computer technology has had a profound influence on the maritime sector, particularly in relation to ship autonomy. The incorporation of computer-assisted systems for guidance, navigation, and control has emerged as a promising approach to minimize the potential risks associated with human errors during ship maneuvering. These errors have the potential to lead to disastrous consequences such as collisions with obstacles, vessel damage, and endangering the safety of passengers and cargo. Several notable studies have explored ship control systems using different control approaches and conducting simulation-based and real-time implementation tests. These studies include adaptive path following control for accurate target tracking, stabilization of heading angle using cascade control simulations and fuzzy logic-based decision-making mechanisms, integration of sensor information to reduce accidents on common ship routes, collision scenario analysis with fuzzy control-based decision-making aligned with international maritime regulations, design and analysis of planar autonomous position control using two independent propellers, rudder, speed, and position control experiments on a catamaran prototype using a PID approach enhanced by a Kalman Filter, and modeling and real-time control of unmanned surface vehicles with accurate parameter identification. These studies have provided valuable insights and advancements in ship control systems. Extensive research has also been carried out to address the control of ships with uncertain hydrodynamic coefficients, resulting in the exploration of various approaches. One approach involves using a Multi-level Model Predictive Control (MPC) method to regulate ship speed and calculate propulsion energy while considering uncertainties. Another approach is adaptive control, which continuously adjusts control inputs based on real-time measurements of ship behavior. Fuzzy logic-based control is also utilized, incorporating fuzzy rules that account for uncertainty in hydrodynamic coefficients to adapt the ship's control inputs. Machine learning techniques, like reinforcement learning, are employed to adjust control inputs based on available data. Additionally, robust control techniques are developed to ensure stable and predictable ship behavior even when faced with uncertain hydrodynamic coefficients. These studies make valuable contributions to ship motion control by addressing the challenges associated with uncertain hydrodynamic coefficients and proposing effective control strategies. This thesis aims to address two significant aspects in the field of ship control. First, the development of a comprehensive ship motion model for the ship's heading angle. Second, the effective handling of parametric uncertainty in ship hydrodynamics. The research focuses on enhancing the understanding of ship behavior and designing control strategies that can robustly handle uncertainties, ultimately improving the performance, safety, and efficiency of ship operations. The first objective of this thesis is to construct a control-oriented ship motion model that accurately represents the ship's heading angle dynamics. The model incorporates both linear and nonlinear dynamics to account for the complexities of ship motion under various operating conditions. To derive the linear model, certain assumptions are made to simplify the typical six degrees of freedom (6DOF) equation of motion into a three degrees of freedom (3DOF) equation. From a motion perspective, slow-speed displacement vessels exhibit minimal heave, roll, and pitch motions. Therefore, the variables $Z$, $K$, $M$, and their derivatives, along with the angular velocities $w$, $p$, $q$, can be neglected. From a geometric perspective, conventional ships are symmetrical on the $xz$-plane. As a result, it is assumed that the $y$-coordinate of the ship's center of gravity is zero $y_G = 0$. For the nonlinear model, a well-established 3DOF ship model provided by the Manevering Modelling Group (MMG) is utilized. This model extends the previously derived control-oriented ship equation of motion by incorporating the dynamics of the ship's propeller. By integrating the propeller dynamics into the model, a more comprehensive understanding of the ship's behavior and the interaction between its motion and the propeller can be achieved. The derivations and explanations in this subsection aim to provide valuable insights into the nonlinear ship equation of motion with propeller dynamics, serving as a useful tool for ship motion control design and optimization. By establishing a reliable ship motion model, it becomes possible to design effective control strategies for heading angle control. This aspect of the research involves reviewing and analyzing existing studies on ship autopilot design, including control methods such as adaptive path following controllers and cascade control simulations. In order to validate the model's accuracy, a turning circle test was conducted. This validation process done by comparing the model's predictions with experimental data from previous studies. To ensure a reliable validation process, a 1/80 scale model of the DTC Container ship was chosen for physical validation. The study's results convincingly demonstrate the model's ability to accurately approximate the trajectory with a fixed rudder angle of $\delta = 35$ degrees. Both the linear and nonlinear models developed in this study exhibit a high level of agreement with the actual system, comparable to the results obtained from other studies utilizing CFD and system-based approaches. The second objective of this thesis is to address the challenge of parametric uncertainty in ship hydrodynamics, particularly focusing on the uncertainty associated with hydrodynamic coefficients. Hydrodynamic coefficients play a crucial role in understanding the interactions between the ship and the surrounding water. However, these coefficients often exhibit variations due to various factors, such as environmental conditions, vessel modifications, or manufacturing tolerances. The presence of such uncertainty can significantly impact the performance and reliability of ship control systems. To address this issue, optimization techniques such as Particle Swarm Optimization (PSO) and Genetic Algorithms (GA) have been used to determine the optimal coefficients that best match the ship's motion. However, these methods can be slow, particularly if a large number of samples are needed to represent the uncertainties in the hydrodynamic coefficients. To answer this challenge, this thesis designed a fast optimization algorithm to find a robust optimal controller for ship heading angle control with a certain level of error in hydrodynamic coefficients that is difficult to solve deterministically. The proposed optimization algorithm is referred to as“Bisection Optimization via Blind Search”. This methodology involves simulating the model for a total of $n$ samples, utilizing $m$ randomly sampled controller parameters $K$. The resulting cost value $\omega$ is recorded for each simulation. Subsequently, the controller parameter $K$ that produces the lowest $\omega$ value is selected. In the second stage, a bisection-based optimization technique is employed to further refine the chosen controller parameter $K$. In this thesis, the uncertainty levels considered in this study are set at $\pm$20$\%$, representing the permissible deviations of parameters from their nominal values. To mitigate the adverse effects of uncertainty, a simulation scenario is created where the controller is tasked with adjusting the yaw angle $\psi$ from 0 degrees to 40 degrees. To evaluate the optimization performance, four different cost functions are employed: Integral Absolute Error (IAE), Integral Squared Error (ISE), Integral Time Absolute Error (ITAE), and Integral Time Squared Error (ITSE). However, the results indicate that the optimal controller parameters obtained using these different cost functions do not exhibit significant differences. Two types of controllers, namely proportional (P) and proportional-derivative (PD) controllers, are investigated in this study. The inclusion of the derivative term in the PD controller aims to mitigate oscillations and overshoot in the system's response, thereby improving stability and settling time. However, the integral term is excluded from consideration due to the inherent stability of the system and its expected slow response. The results demonstrate that the proposed algorithm outperforms existing methods such as Particle Swarm Optimization (PSO) in terms of both execution speed and task performance. By achieving these 2 objectives, this thesis contributes to the field of ship control by providing a comprehensive understanding of ship motion dynamics and offering effective solutions for addressing parametric uncertainty in ship hydrodynamics. The outcomes of this research can significantly impact various maritime applications, including autonomous navigation, collision avoidance, and energy-efficient ship operations. The developed ship motion model and the proposed optimization approaches can be implemented in real-world scenarios, enabling improved control strategies for ship heading angle control and enhancing the overall performance and safety of ship operations. In conclusion, this thesis combines the development of a control-oriented ship motion model with the effective handling of parametric uncertainty in ship hydrodynamics. The research contributes to the advancement of ship control by providing valuable insights, methodologies, and tools that can be utilized in designing robust control strategies for ship heading angle control under uncertain operating conditions. The findings of this thesis have the potential to enhance the efficiency, safety, and sustainability of ship operations, ultimately benefiting the maritime industry as a whole.
Benzer Tezler
- Uçuş kontrol sistemlerinde kullanılan hidrolik kanat yön verme elemanlarının pozisyon kontrolü
Position control of aerodynamic surface actuators of hydraulic type in flight control systems
ALİ ŞENER KAYA
Doktora
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ZEKİ BİLGİN
PROF. DR. BEKİR ÇAKIR
- Doğrusal olmayan ve belirsiz Euler-Lagrange sistemlerinin optimal çıkış geri beslemeli denetimi üzerine
On optimal adaptive output feedback control of Euler-Lagrange systems
ORHAN AKSOY
Doktora
Türkçe
2016
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolGebze Teknik ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERKAN ZERGEROĞLU
- Bulanık doğrusal programlama ile feldspat karışım optimizasyonu
Feldspat blending optimization with fuzzy linear programming
İREM ÇELEBİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜR KABAK
- Probablistic assessment of liquefaction-induced lateral graund deformations
Sıvılaşma sebepli yanal zemin yayılmalarının olasılıksal değerlendirilmesi
WA'EL MOHAMMAD KH. AL BAWWAB
Doktora
İngilizce
2005
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Bölümü
DOÇ.DR. ÖNDER KEMAL ÇETİN
- Optimal trajectory generation and adaptive control of an underactuated and self-balancing lower body exoskeleton
Eksik tahrikli ve özdengelemeli bir alt gövde dış iskelet robot için eniyileştirilmiş yörünge planlaması ve uyarlamalı kontrol uygulaması
AHMED ADEL AHMED FAHMY SOLIMAN AHMED ADEL AHMED FAHMY SOLIMAN
Doktora
İngilizce
2023
Mekatronik MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. REGAİP BARKAN UĞURLU