Nonlinear dynamic modelling of an underwater vehicle, state estimation and control
Bir sualtı aracının doğrusal olmayan dinamik modellemesi, durum kestrimi ve kontrolü
- Tez No: 864641
- Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Okyanuslarımızın derinliklerinde, otonom denizaltı araçları, bilimsel keşifler, endüstri uygulamaları ve savunma operasyonları için vazgeçilmez teknolojik harikalar olarak ortaya çıkmaktadır. Bu yüksek lisans tezi, 6 serbestlik derecesine (6-DOF) odaklanarak denizaltı aracı hareketinin karmaşıklıklarını çözümleyen bir rehber niteliğindedir. Çalışmada açık kaynak olan REMUS otonom sualtı aracına odaklanılmıştır. Aynı çalışmanın başka sualtı araçlarına uygulanması mümkündür. Bu keşfin merkezinde, insanlı denizaltı araçlarının hareketini gözlemlemek için özenle oluşturulmuş bir 6 serbestlik dereceli navigasyon simülasyon modeli bulunmaktadır. REMUS aracı, modeli şekillendiren, bu da veri güncellemeleri aracılığıyla çeşitli insansız denizaltı araçlarına uyarlanabilen bir pusula görevi görmektedir. Model içinde, pervane kaynaklı itki, hidrostatik, hidrodinamik, ek su kütlesi ve kontrol yüzeylerinden kaynaklanan kuvvet ve momentler karmaşık bir şekilde etkileşir. Farklı dümen komutları, sistemin hareketini bu komutlara tepki olarak incelemek üzere oluşturulan modele gönderilir. Daha sonra derinlik ve rota kontrolcüleri sisteme eklenir ve sistemin farklı dümen komutlarına tepkisi tekrar incelenir. İncelenen çıktılar, sistemin konum, yönelim, hız, açısal hız, ivme, açısal ivme, kuvvet ve moment davranışları açısından incelenmektedir. Günümüz bilimsel keşifleri, endüstri uygulamaları ve savunma operasyonlarının gerçekleştirilmesi amacıyla, otonom denizaltı araçlarının derin deniz sırlarını çözme ve karmaşık denizaltı görevlerini gerçekleştirme açısından vazgeçilmez olduğu görülmektedir. Bu tez, sualtı araç teknolojisinin ilerlemesine katkıda bulunmayı amaçlayarak, 6 serbestlik derecesi (6-DOF) doğrusal olmayan dinamik modellemenin ayrıntılarına dalmaktadır. Su ortamlarında hassas kontrol, görev başarısı için esastır. Feedback linearization yöntemi, doğru derinlik ve rota kontrolü elde etme zorluğuna karşı etkili bir strateji olarak ortaya çıkmaktadır. Sistemin dinamiklerini uygun bir dönüşümle doğrusal bir forma dönüştürerek, bu yaklaşım kontrol tasarımını basitleştirir ve REMUS otonom denizaltı aracının manevra kabiliyetini artırmak için doğru bir yol sunar. Derinlik ve rota kontrolcüsü olmak üzere iki farklı kontrolcü geliştirilmiştir. Her kontrolcünün iki farklı modu bulunmaktadır. Derinlik kontrolcüsünün modları derinlik ve yunuslama açısı kontrolüdür. Sistem emir olarak derinlik veya yunuslama açısı alır ve bunun sonucunda istenen komuta ulaşmak için gerekli kanat açıları otopilot tarafından üretilir. Rota kontrolcüsünün modları ise rota açısı ve rota açısal hızıdır. Sistem bu kez emir olarak rota açısı ve rota açısal hızı alır. Daha sonra ise bu emire ulaşmak için gereken kanat açıları otopilot tarafından hesaplanır. Otopilotun hesapladığı kanat komutları kontrol tahrik sistemine iletilir ve kontrol yüzeyleri otopilot komutlarına göre hareket eder. Böylelikle dinamik modele girdi olan kanat yüzeyleri, yunuslama veya rota düzleminde istenen manevraları sağlar. Su ortamlarının dinamik doğasını ve gerçek dünya uygulamalarındaki belirsizlikleri tanıyan bu araştırma, durum tahmini için Extended Kalman Filtresi'ni (EKF) içerir. EKF, sensör ölçümlerini dinamik modelle birleştirerek aracın durumlarını tahmin etme konusunda sofistike bir araç olarak ortaya çıkar. Bu entegrasyon, aracın pozisyonunu, yönelimini ve hızını daha doğru bir şekilde temsil ederek durum tahmininin doğruluğunu artırır. Bu tezin sonraki bölümleri, 6-DOF olmayan dinamik modellemenin ayrıntılı bir keşfi, derinlik ve rota kontrolü için feedback linearization'ın uygulanması ve durum tahmini için Extended Kalman Filtresi'nin entegrasyonu üzerine odaklanacaktır. Önerilen metodolojilerin etkinliğini vurgulamak için deneysel sonuçlar ve gerçek dünya senaryolarına karşı doğrulama sunulacaktır. Bu çabalar aracılığıyla, bu araştırma, sualtı araç kontrolü ve navigasyon sistemlerinin yeteneklerini geliştirmeye yönelik olarak önemli katkılarda bulunmayı amaçlamaktadır. Özetle, bu çalışma, sualtı araçlarının dinamik davranışının bütünsel bir anlayışını sunmayı amaçlamakta ve karmaşık sualtı ortamlarının zorluklarına karşı manevra kabiliyetlerini ve güvenilirliğini artıran etkili kontrol stratejilerini sunmaktadır. İlerleyen bölümler, sualtı araçlarının bilimsel keşif ve pratik uygulamalar için yeteneklerini ilerletmeye odaklanarak kullanılan metodolojilerin kapsamlı bir incelemesini sunacaktır.
Özet (Çeviri)
Autonomous underwater vehicles (AUVs) are technological marvels that can be found in the mysterious depths of the oceans. They are essential for scientific research, commercial use, and defense operations. This master's thesis explores the complicated world of 6-degrees-of-freedom (6-DOF) nonlinear dynamic models. It focuses on the REMUS autonomous underwater vehicle to show how complicated underwater vehicle motion is. At the center of this study, a 6-degree-of-freedom dynamic simulation model that was carefully made to watch how unmanned underwater vehicles move. The REMUS vehicle is the AUV that is used in the study; its data shape the model, which can then change to different unmanned underwater vehicles by getting new data. This model has a lot of different forces and moments that come from things like propeller thrust, hydrostatics, hydrodynamics, added mass, and control surfaces. Different rudder orders control the model and help us understand how the system moves. Later, controls for depth and heading are added to the group. These make the system better at responding to different control surfaces commands. The results that were looked at show how the system behaves in terms of position, orientation, speed, angular speed, acceleration, force, and moment along 6-DOF. Present-day AUVs are important sea explorers that help us understand the deep sea and complete difficult underwater jobs. This thesis stands out in this field and aims to speed up the progress of underwater technology. The most important part of this task is making a strong 6-DOF dynamic model that takes into account how underwater dynamics are not linear and uses the complexity of buoyancy, hydrodynamics, and propeller-induced thrust. To complete a task successfully, you must have precise control in underwater environments. The feedback linearization method stands out as a powerful way to get precise control over depth and yaw. This method makes control design easier by turning the nonlinear dynamics into a more manageable linear form. It also opens up a hopeful way to make the REMUS AUV easier to maneuver. Because underwater settings are inherently uncertain, this study uses the Extended Kalman Filter (EKF) to estimate the state. When you combine sensor data with the dynamic model, the EKF becomes a very smart way to guess what the vehicle's state will be. This combination makes state estimate more accurate, giving a good data of the REMUS AUV's location, direction, and speed. The next parts of this thesis will go into more detail about 6-DOF nonlinear dynamic models, how feedback linearization can be used to control depth and yaw, and how the Extended Kalman Filter can be used to predict state. The suggested methods will be shown to work by experimental results and validation against real-world scenarios. The goal of this study is to make a big difference in the field of underwater vehicle control and navigation systems by doing these things. More than anything else, this study aims to give a complete picture of how underwater vehicles move and behave, along with useful control methods that make them more reliable and easy to maneuver in difficult underwater settings. Following chapters will provide a thorough look at the methods used, with a focus on improving the abilities of underwater vehicles for both science research and real-world use.
Benzer Tezler
- Darpa suboff formunun lineer hidrodinamik katsayıları üzerindeki ölçek etkisi
Scale effects on the linear hydrodynamic coefficients of darpa suboff
FURKAN KIYÇAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER KEMAL KINACI
- Bir su altı aracının modellenmesi, benzetimi ve denetleyici tasarımı
Modelling, simulation and control of an underwater vehicle
CEVDET CESUR OKUTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT AYDIN
DOÇ. DR. ŞENİZ ERTUĞRUL
- Otonom sualtı araçlarının modellenmesi, yörünge takip kontrolü ve simülasyonu
Modelling, trajectory tracking and simulation of autonomous underwater vehicles
İREM NUR ORUÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT TİLKİ
- Kesirli mertebe tek kutuplu sistem modeli için tam sayı mertebe PID kontrolör tasarımı
Design of integer order PID controller for fractional order single pole system model
ERHAN YUMUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜJDE GÜZELKAYA
- Jenerik denizaltı geometrisinin katsayı tabanlı manevrakarakteristiklerinin had ve analitik çözüm yöntemleri ile analizi
Analysis of coefficient-based maneuvering characteristics of generic submarine geometry by CFD and analytical solution method
OĞUZHAN KIRIKBAŞ
Doktora
Türkçe
2024
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAKİR BAL