Geri Dön

Guidance, navigation and control of an autonomous underwater vehicle

Otonom bir su altı aracının güdüm, seyrüsefer ve kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 878656
  2. Yazar: MEHMET AVİNÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Computer Engineering and Computer Science and Control, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 103

Özet

Su altı ortamlarında keşif ve inovasyonun sınırlarını zorlayan insan yaratıcılığının somut örneği, Otonom Su altı Araçları (OSA'lar) olarak duruyor. Teknolojik gelişmelerin dünyayı şekillendirdiği bir çağda OSA'lar, su altı keşif, araştırma ve gözetleme için benzersiz yetenekler sunan otonom sistemlerde zirveye ulaşan bir başarıyı temsil ediyor. OSA'lar, su altı dünyasının gizemlerini çözmek için keşfedilmemiş bölgelere giden gözcülerimiz olarak hizmet etmektedir. Deniz biyolojisi ve oşinografiden savunma ve iş girişimlerine kadar çok sayıda sektör OSA'lardan etkilenir. Okyanusun geniş genişliğinde otonom olarak çalışan OSA'lar, bilim adamlarına deniz ekosistemleri, jeolojik oluşumlar ve iklim dinamikleri hakkında daha önce hiç görülmemiş bilgiler sağlar. Dahası, savunma ve güvenlik alanında OSA'lar deniz sınırlarını korur, su altı tehditlerini bulur ve tartışmalı sularda durumsal farkındalığı artırır. Ayrıca, ticari alanda OSA'lar, açık denizde kaynak arama, su altı altyapı denetimi ve çevresel izleme, denizcilik endüstrisinde verimliliği ve sürdürülebilirliği artırmak gibi görevler için uygun maliyetli çözümler sağlar. OSA'ların okyanusun derinliklerine yolculuğu, kontrol, seyrüsefer ve güdüm sistemlerinin gelişmiş entegrasyonuyla mümkündür. Bu sistemler, OSA'ların tehlikeli su altı ortamlarında gezinmelerine, zorlu görevleri yerine getirmelerine ve dinamik koşullara güvenilirlikle ve hassasiyetle uyum sağlamalarına olanak tanır. Bu araçların gerçek zamanlı kararlar almasına, zorlu ve öngörülemeyen su altı arazilerinde görev hedeflerini yerine getirmelerine ve otonom olarak çalışmasına olanak tanıdığından, güçlü kontrol, seyrüsefer ve güdüm sistemleri OSA teknolojisinin temelini oluşturur.. OSA'ların temeli kontrol, seyrüsefer ve motivasyon sistemleridir. Bu sistemler, otonom operasyon ve görevlerin yürütülmesi için temeli oluşturur. Her OSA, su altı dünyasının karmaşıklıklarında gezinmek için tasarlanmış karmaşık algoritmalar, sensörler ve kontrol tahrik sistemlerinden oluşur. Güdüm, seyrüsefer ve kontrol sistemi dahil olmak üzere çok çeşitli işlevler, OSA'nın işletilmesi ve çalışması için çok önemlidir. Otonom Sualtı Araçları, hedef takibi, görev optimizasyonu ve yol planlama için gelişmiş algoritmaları kullanır. Bu algoritmalar, sualtı OSA'ların dinamik hedefleri hassas bir şekilde izlemesini ve kapsama alanı, arama verimliliği ve kaynak kullanımı gibi görev hedeflerini optimize etmelerini sağlar. OSA'lar, model tahmini, makine öğrenimi ve optimizasyon tekniklerini kullanarak karmaşık arazilerde gezinebilir, engellerden kaçınabilir ve çevresel koşullara gerçek zamanlı olarak yanıt verebilir. OSA'lar, su altı ortamında pozisyonlarını, yönelimlerini ve hızlarını tahmin etmek için çeşitli sensörler ve teknikler kullanır. OSA'lar durumsal farkındalığı korumak ve otonom olarak hareket etmek için çeşitli algılama sensörleri kullanır. Bu sensörler ataletsel sensörlerden akustik konumlandırma sistemlerine, derinlik sensörlerinden Doppler hız loglarına kadar çeşitlidir. OSA'lar, konumlandırma, sağlam haritalama ve güvenilir yörünge tahmini gibi bir dizi sensörden gelen bilgiyi birleştirerek ve sensör belirsizliklerini azaltarak otonom olarak gezinebilir ve görevleri güvenle yerine getirebilir. Bu, birden çok sensörden gelen bilgiyi birleştirerek yapılabilir. OSA'lar, hareketlerini düzenlemek, mevcut durumunu korumak ve görevleri hassasiyetle yerine getirmek için kontrol alanında karmaşık algoritmalar ve kontrol tahrik sistemleri kullanır. OSA'lar dinamik sualtı ortamlarında istenen performansı elde etmek için PID denetleyicilerinden adaptif kontrol, geri besleme doğrusallaştırma ve model öngörülü kontrol gibi farklı kontrol tekniklerini kullanabilirler. OSA'lar, değişen çalışma koşullarına, bozulmalara ve belirsizliklere uyum sağlamak için geri besleme döngülerini, önden besleme telafi yöntemlerini ve adaptif ayarlama mekanizmalarını kullanarak sağlam performans ve görev başarısı sağlayabilir. İç döngü denetleyicisi ve dış döngü denetim yapısı için geri besleme doğrusallaştırma ve doğrusal parametre değişkenli model öngörülü kontrol (LPV-MPC) bu tezde kullanıldı.Sualtı seyrüseferinin içsel karmaşıklıklarını ve belirsizliklerini çözmek için, Otonom Sualtı Aracı (OSA) kontrol mimarisinde iç-dış döngü kontrol yapısını kullanma kararı alındı. Bu hiyerarşik kontrol düzeninde iç döngü denetleyicisi aracın hareket dinamiklerini kontrol ederken, dış döngü denetleyicisi yüksek seviyeli rota planlaması ve görev yürütümünü yönetir. LPV-MPC, hızlı bir zaman ölçeğinde çalışan iç döngü denetleyicisidir ve OSA'nın stabil ve çevik hareket kontrolünden sorumludur. İç döngü denetleyicisi, aracın kontrol tahrik sistemlerini, örneğin iticileri veya kontrol yüzeylerini doğrudan etkileyerek çevresel değişikliklere, sensörlerin ölçümlerine ve istenen rota komutlarına hızlı bir şekilde yanıt verir. İç döngü denetleyicisi, sürekli geri besleme ve ayarlamayla istenilen hareket profillerini, hız vektörlerini ve konum açılarını korur. Bu, dinamik sualtı ortamlarında hassas manevra ve rota izlemeyi sağlar. Dış döngü denetleyicisi ise daha yavaş bir zaman ölçeğinde çalışır ve rota planlaması, hedef tespiti ve görev optimizasyonu gibi daha yüksek seviyeli görev hedeflerine odaklanır. Bu denetleyici, OSA için görece daha uzun vadeli rota planları, navigasyon sistemleri, derinlik komutları oluşturmak için görev planlayıcıları ve güdüm algoritmalarıyla etkileşimde bulunur. OSA'nın kontrol mimarisine iç ve dış döngü denetleyicilerinin dahil edilmesi, kontrol tasarımına hiyerarşik ve modüler bir yaklaşım sağlar. Bu yapıda, her denetleyici kontrolün belirli yönlerine odaklanır ancak genel görev hedeflerine ulaşmak için birlikte çalışırlar. Bu hiyerarşik yapı, kontrol sisteminin ölçeklenebilirliğini, uyum sağlayabilirliğini ve sağlamlığını artırır. Bu, OSA'nın otonom olarak hareket etmesini ve hassas ve güvenilir şekilde karmaşık görevleri yerine getirmesini sağlar. Bu tezde, Kalman filtreleme yöntemlerine dayanan seyrüsefer algoritmaları, Otonom Sualtı Aracı'nın (OSA) durumunu yüksek doğruluk ve güvenilirlikle tahmin etmek ve hassas konumlama ve haritalama için dinamik ve zorlu sualtı ortamları sağlamaktır. Seyrüsefer sistemi, ataletsel sensörler, manyetometreler, derinlik sensörleri ve Doppler hız logları gibi çeşitli sensörlerden gelen verileri entegre ederek kapsamlı bir durum vektörü hesabı sağlar. Bu, otonom seyrüsefer ve görev yürütmeyi mümkün kılar. Seyrüsefer sistemi, OSA'nın doğru konum ve yönelim tahminlerini, sensör belirsizliklerini ve çevresel etkilere rağmen korur. Bu, görevlerinin başarısını ve operasyonel güvenliği artırır. Bu, gelişmiş sensör füzyon tekniklerinden ve olasılıksal tahmin yöntemlerinden yararlanarak mümkündür. Son teknolojiye dayalı bir navigasyon sistemi, Kalman filtreleme tekniklerini kullanarak Otonom Sualtı Aracı'nın (OSA) durumunu yüksek doğruluk ve güvenilirlikle tahmin etmek için tasarlanmıştır. Bu, hassas konumlama ve haritalama için dinamik ve zorlu sualtı ortamlarını sağlar. Navigasyon sistemi, inertial sensörler, derinlik sensörleri, akustik konumlandırma sistemleri ve Doppler hız logları gibi çeşitli sensörlerden gelen verileri birleştirerek kapsamlı bir durumsal farkındalık sağlar ve otonom navigasyon ve görev yürütme imkanı tanır. Navigasyon sistemi, gelişmiş sensör füzyon tekniklerinden ve olasılıksal tahmin yöntemlerinden yararlanarak, OSA'nın doğru konum ve yönelim tahminlerini, sensör belirsizliklerini ve çevresel etkilerin varlığına rağmen korur. Bu, görev görevlerinin başarısını ve operasyonel güvenliği artırır. Tez, zaman verimliliği, enerji tüketimi ve çevresel etki gibi görev hedeflerini en üst düzeye çıkarmak ve istenen etki açılarıyla hedefleri vurmak için sanal hedef yaklaşımına dayanan yenilikçi bir güdüm stratejisini tanıtır. Sanal hedef yaklaşımı, OSA'nın rotasını dinamik olarak değiştirerek hedefi istenilen açıda vurmak için türetilen hayali bir hedefe saf takip yapmaya dayanmaktadır. Sonuç olarak, bu tezde sunulan çalışma, çeşitli durumlarda otonom sualtı araçları (OSA) için konumlandırma, otonomi ve performansı artırmak için yenilikçi çözümler sunar. OSA'lar, gelişmiş kontrol algoritmaları, sağlam navigasyon sistemleri ve yaratıcı güdüm stratejileri sayesinde kendi başlarına gezinebilir, değişen çevresel koşullara uyum sağlayabilir ve görev hedeflerini güvenilir ve verimli bir şekilde gerçekleştirebilir.

Özet (Çeviri)

Autonomous underwater vehicles (AUVs) change the way the ocean is explored and used by letting people move through and explore the deep ocean without any help. These robots can be used in many areas, such as marine science, tracking the environment, underwater archeology, offshore business, the military, and spying. Today's military operations are greatly improved by the unbeatable benefits of autonomous robots, which can work alone, gather information in dangerous situations, and carry out difficult tasks. For autonomous underwater vehicles to work, reliable and powerful guidance, navigation, and control (GNC) systems must be made that are especially made to deal with the challenges of the underwater world. Autonomous underwater vehicles need guidance, navigation, and control systems to stay on the trajectories they're supposed to follow, find their exact locations, and move around easily. This in turn ensures the successful completion of missions in different combat situations. This thesis adds a lot to the area of technology for autonomous underwater vehicles. It works on creating, applying, and testing better methods for Guidance, Navigation, and Control. The goal of these algorithms is to make the AUV more autonomous, better at turning, and better at its general performance. Within the domain of control, a new control architecture is implemented to control dynamics of the underwater vehicle. The controller utilizes an advanced Linear Parameter Varying Model Predictive Control (LPV-MPC) method to manage the vehicle's dynamics, taking into consideration the nonlinearities and uncertainties that are inherent in underwater operations. The controller utilizes model predictive control approaches to provide optimal tracking performance under different operating situations and disturbances, ultimately improving the vehicle's agility and stability. Navigation is an important part of AUV activities because it lets them find their exact location, plan their routes, and carry out their tasks. To get around the problems of underwater guidance, a state estimation method based on the cutting edge Kalman Filter is used. The Kalman Filter lets user to get a real-time estimate of the vehicle's position, speed, and direction, among other things. It does this by putting together data from different types of sensors, such as pressure sensor systems, Doppler velocity logs, and inertial sensors. The navigation algorithm uses optimum estimation and sensor fusion to give accurate and dependable estimates of the state. This lets the AUV move around on its own and adapt to changing conditions in its surroundings. In the thesis, a relatively new algorithm callede Virtual Target Approach is introduced to the field of guidance. This approach makes it possible to accurately hit objects at certain angles. The Virtual Target Approach, which is based on the ideas of optimal control and trajectory optimization, lets the AUV change its path in real time in relation to a virtual target. This improvement makes path planning and engaging targets better. It is possible to do mission-critical tasks like target tracking, spying, and inspection more quickly and accurately underwater by using this method, which considers impact angle and target movement.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    349756

    Integration of navigation systems and identification of nonlinear model parameters for autonomous underwater vehicles in the presence of measurement biases

    İnsansız sualtı araçları için seyrüsefer sistemlerinin tümleştirilmesi ve ölçüm kaynaklı kayma hatalarının olduğu durumda nonlineer hareket modelin parametrelerinin tanılaması

    MUSTAFA DİNÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÇİNGİZ HACIYEV

  2. Tez No

    878601

    Path following of autonomous underwater vehicles in the presence of unknown disturbances

    Otonom sualtı araçlarının bilinmeyen bozuntuların varlığında yol takibi

    MUHAMMET AKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENGİZ HACIZADE

  3. Tez No

    283524

    Indoor navigation control of a mobile autonomous vehicle

    Otonom gezer bir aracın iç mekan yönlendirme kontrolü

    LÜTFİ MUTLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolDokuz Eylül Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EROL UYAR

  4. Tez No

    286082

    Development of an autopilot for automatic landing of an unmanned aerial vehicle

    İnsansız bir hava aracının otomatik inişi için otopilot tasarımı

    SEÇKİN ARIBAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü

    PROF. DR. KEMAL LEBLEBİCİOĞLU

  5. Tez No

    836248

    Optical navigation for small lunar spacecraft using the Basilisk astrodynamics software

    Basılısk astrodinamik yazılımı kullanılarak küçük Ay uzay aracı için optik navigasyon

    VOLKAN PAKSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Astronomi ve Uzay BilimleriSivas Bilim ve Teknoloji Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALİL ERSİN SÖKEN

Geri Dön