Geri Dön

Dynamic model-based path planning optimization and control for USV in inland waterways

İç su yollarında kullanılan İDA'lar için dinamik model tabanlı yol planlama optimizasyonu ve kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 895256
  2. Yazar: FERHAN BÜYÜKÇOLAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. GÖKHAN TANSEL TAYYAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 119

Özet

Otonom gemiler, denizcilik sektöründe önemli bir teknolojik ilerlemedir. İnsan müdahalesine gerek duymadan otomatik olarak faaliyetlerini gerçekleştirebilen bu gemiler, sensörler, yapay zeka ve otomasyon teknolojileriyle donatılmıştır. Enerji verimliliği, iş güvenliği ve çevresel sürdürülebilirlik gibi avantajlarıyla otonom gemiler, denizcilik endüstrisinde büyük potansiyele sahiptir. Otonom gemiler, verimliliği artırırken aynı zamanda insan hatalarını azaltarak maliyetleri düşürebilir. Gemi otonomisi, iç su yollarında önemli bir rol oynamaktadır. İç su yolları genellikle yoğun trafik ve dar manevra alanları içerir, bu nedenle otonom gemiler bu alanlarda daha etkili ve güvenli bir şekilde hareket edebilir. Otonom gemiler, insan hatası riskini azaltarak iç su yollarında çarpışma ve kaza olasılığını önemli ölçüde azaltabilir ve bu da daha verimli ve güvenli bir denizcilik trafiği sağlar. Ayrıca, otonom gemiler iç su yollarında daha düşük enerji tüketimi ve çevresel etki ile daha sürdürülebilir bir taşımacılık sağlayarak çevresel açıdan da önemli avantajlar sunar. Bu yüzden dar iç su yollarına uygun rota oluşturulması ve be bu rotanın takip edilmesi üzerine yapılacak çalışmalar önem taşımaktadır. BU tezde de bu alanlarda çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu tez çalışmasının amacı deniz otonom teknolojisi için güdüm, navigasyon, ve kontrol (GNK) sisteminin, bir katamaran formunda difransiyel itki sistemine sahip bir deniz aracına iç su yollarında engellerden kaçınarak, araç dinamiğine uygun rota oluşturulması ve bu rotanın takip edilemesini sağlayan denetleyicilerin geliştirilmesinin yapıldığı çalışmaları içermektedir. Sisteminin kontrol edilmesinde ise model tabanlı bir yaklaşım olan model öngörülü denetleyici (MPC) ve PID denetleyicisi kullanılarak istenilen rotayı takip etme performansları bozucuların olduğu veya olmadığı ortamlarda karşılaştırması yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında oluşturulan algoritmaların başarımlarını gözlemlemek için Maritime Robotic AS şirketinin aracı olan Otter USV'nin dinamik modelini içeren simulator kullanılmıştır. İlk olarak, aracın dinamik ve kinematik modelinin yapısı anlatılmıştır. Oluşturulan sistemin dinamik denkleminden yararlanılarak aracın sistem modelinin çıkarılması yapılmıştır ve aracın matematiksel modelinin farklı serbestlikteki hidrodinamik denklemleri gösterilmiş ve hangi seyir testleriyle, hangi denklemlerin parametrelerinin kestirilebileceği anlatılmıştır. Sistem modelinin belirlenebilmesi için aracın benzetim modelinde, çeşitli manevralar yaptırılarak, seyir verileri toplanmıştır. Elde edilen bu seyir verileri kullanılarak lineer olmayan en küçük kareler yöntemi aracılığıyla, aracın dinamik modelinin parametrelerinin değerleri tesbit edilmiştir. İkinci olarak, aracın güdüm sisteminin geliştirilmesi yapılmıştır. Bir başlangıç durumunda, gemi modelinin tüm giriş ve sistem kısıtlamalarını dikkate alarak, statik engellerin olduğu ortamda çarpışmadan kaçınarak hedef noktaya ulaşan genel rota planlama algoritmaları geliştirilmiştir. Bu çalışma kapsamında iki farklı rota planlama algoritması geliştirilmiştir. İlk Gelenesel yöntemlerden biri olan Kinematik RRT olarak adlandırılan, aracın dinamik modelini dikkate alarak genel rotayı planlayan algoritmadır. Bu yöntem çevreye rastgele noktalarak atayarak ve bu noktalar arasında aracın takip edebileceği bağlantı yolları oluştururak hedeflenen noktaya kadar genel bir rota oluşturmaktadır. Bu yaklaşım çalışma prensibinde rastgelilikten kaynaklı belirsizlikler içerdiğinden, günüzmüzde kullanılmaya başlanan optimizasyon tabanlı bir genel rota planlayıcı yapısı kurulmuştur. Optimizasyon tabanlı rota planlama yöntemi, esasında bir optimizasyon problemi olduğundan dolayı algoritması içersinde bir maliyet fonksiyonu barındırmaktadır. Bu maliyet fonksiyonunun yapısı içersine optimize edilemesi istenen, minimum zaman, mininmum yakıt tüketimi, minimum yol alma gibi kısıtlar eklenerek, maliyet fonksiyonun çözümü gerçekleştirilir. Böylece istenilen kısıtlara göre veya optimize edilmesi istenilen durumlara göre genel rota planlaması yapılmaktadır. Bu tez çalışmasında da bu yapı oluşturularak, belirlenenen hız kısıtlarına göre genel rota planlaması yapılmıştır. Böylece içersinde bir çok engelin olduğu iç su yollarında, kısıtlı bir alanma fazla manevra gerektiren rotalar planlanmak istedentiğinde belirtilen kısıtlar veya optimize edilmesi istenelin durumlar belirtilerek, dar alanlarada hareket edebilmeye uygun rotalar oluşturulabilmekter. Optimizasyon tabanlı rota oluşturulmasında, çözüm aracı olarak casadi optimazyon bilgisayar programı kullanılmıştır. Programın açık kaynak kodlu olması, benzerli ile karşılaştırıldığında, çok düşük hesaplama zamanına sahip olmasından dolayı bu casadi optimizasyon programı olarak seçilmiştir. Sonrasında, bu programla genel rota planlayıcının yapısı anlatılmış ve oluşturulan rotalara örnekler verilmiştir. Navigasyon kısımında, Aracın belirlenen bir rotayı takip edebilmesi için denizcilik sektöründe genel olarak kullanılan görüş-hattı algoritmasının matematiksel yapısı nasıl oluşturulduğu anlatımıştır ve rota takibinde performansı etkileyen parametreler anlatılmıştır. Kullanılan bu rota takip algoritması daha çok açık denizlerde, manevra isterinin fazla olmadığı durumlarda başarılı sonuçlar vermektedir. Bu çalışma kapsamında dar su yollarına uygun olarak bu algoritmada değişiklikler yaparak, bu rota takip yönteminin dar su yollarına uygun hale getirilmiştir. Bu iki algoritmanın performanslarının karşılaştırılmasıda çeşitli seneryolar üzerinden test edilmiştir. Buna ek olarak, görüş-hattı algoritmasının avantajlarından ve dezavantajlarına da değinilmiştir. Aracın güdüm sistemi tarafından oluşturulan rota ve rotanın takibi için üretilen referans durum değerlerinin takibinin yapılması linear olmayan model öngörü kontrol sistemi ile yapılmıştır. Model tabanlı bu kontrolcü yönteminin oluşturulması ve gerçek zamanlı sistemler için de uygun yazılım mimarisinde olması için, hızlı bir çözüm yöntemi gerektiğinden, algoritmanın oluşturulması tıpkı rota planamada olduğu gibi Casadi programıyla yapılmıştır. Casadi optimizasyon aracında bu model öngörülü denetleyici yapının nasıl oluşturulacağı bu kısımda anlatılmıştır. MPC ile pid algoritmasının rota takip performansları test edileceğinden, bu iki kontrolcünün tasarım parametreleri optimize edilmye çalışılmıştır. İlk olarak MPC'nin tasarımı gerçekleştirilmiştir. MPC içerinde üç adet tasarım parametresi içermektedir ve bunlar denetleyici ufku değeri, sistemin durumlarının ağırlık değerleri ve sistemin giriş değerlerinin ağırlık değerleridir. Bu parametrelerin uygun değerlenin bulunabilmesi için farklı seneryolarda MPC belirtilen tasarım parametreleri değiştirilerek, rota takip edebilme performansına bakılarak, uygun parametreler belirlenmiştir. Bu yaklaşıma benzer olarak hız ve açısal konum PID denetleyicinin katsayı değerleride belirlenmiştir. Otonom sistemleri için olmazsa olmaz yapı olan güdüm,navigasyon ve denetleyici yapısı ilgili böl-mlerde bu çalışmda anlatıldıktan sonra oluşturulan bu sistemin performansı benzetim kıstımında test edilmiştir. Aracın güdüm kısmında geliştirilen rota planlama algoritmaları, navigasyon kısmında geliştirilen rota takip algorit- malarıyla, denetleyici tasarımı kısmında geliştirilen MPC ve PID denetleyicilerinin oluşturulmasıyla yapısı tamamlanan güdüm-navigasyon-denetleyici sisteminin perfor- mansları farklı seneryolar altında test edilmiştir. Bu seneryolar oluşturulurken, iç su yollarında karşılaşıbilecek cevresel yapı oluştutulmaya çalışılmıştır. Oluşturulan seneryolara çevresel bozucular da eklenerek, MPC sistemi ile pid- görüş hattı rota takip algoritmasının, dar su yollarında, belirlenen rotayı takip edebilme kapasiteleri karşılaştırılmıştır. Kıllanılan simulasyon içerisnde sadece akıntı çerveresel bozucu etkisinin modellemesi yapıldığından, bozucu olarak farklı açılarda, değişen akıntı hızlarında sisteme bozucu eklenerek denetleyici ve rota takip algoritmalarının performansı test edilmiştir.

Özet (Çeviri)

The aim of this thesis study is to apply the Guidance, Navigation, and Control (GNC) system for autonomous marine technology to a marine vehicle in the form of a catamaran with a differential drive system. The Model Predictive Controller (MPC), which is a model-based control approach, is used for controlling the system. Within the scope of the study, a simulator including the dynamic model of Otter USV, a vehicle owned by Maritime Robotic AS company, has been utilized. Firstly, within the scope of the study, the system model of the used vehicle has been defined, and the components of the vehicle's mathematical model have been described. In order to use it in the model-based controller, a system identification approach has been employed to determine the coefficients of the vehicle's mathematical model. For system identification, various maneuvers were performed on the vehicle's simulator model, and navigation data was collected. Using this collected navigation data, the values of the parameters of the vehicle's dynamic model were determined through the non-linear least square method. Secondly, the development of the guidance system for the vehicle has been carried out. A system has been developed that can reach the target point while avoiding collisions in an environment with static obstacles, taking into account all input and differential constraints of the vessel model. For global path planning, a method called Kinodynamic RRT has been developed, which plans the path by considering the dynamics of the vehicle. In addition, utilizing the optimal control problem approach, an optimization-baed path planning has been performed. To enable the vehicle to follow the generated overall path, the implementation of a path following algorithm called Line of Sight (LOS) has been applied to this system. In this study, since the focus was on the realization of vehicle trajectory tracking in narrow waterways, different approaches were taken in the calculation of the lookahead distance in this method to improve the performance of the classical LOS method. The following of the generated path by the guidance system of the vehicle and the following of the reference state values generated for path following have been performed using a nonlinear model predictive control (NMPC) system. To find the optimum values of the parameters that affect the performance of the controller, the performance of the controller has been tested in different scenarios, and the most suitable values have been determined. In order to create this model-based controller and to have a suitable software architecture for real-time requirements, a fast solution method was needed, so the algorithm was developed in the CasADi optimization framework. To observe the performance difference between the developed controller and conventional control methods, a suitable PID controller has been developed for the Otter USV. The performance of these two controllers has been compared in scenarios with and without disturbances.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    900070

    Motion planning and control of underactuated systems over optimized trajectories

    Kısıtlı tahrikli sistemlerin optimize yörüngeler üzerinde hareket planlaması ve kontrolü

    EMİNALP KOYUNCU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA MERT ANKARALI

  2. Tez No

    888651

    Integrating path planning and image processing with UAVs for disease detection and yield estimation in indoor agriculture

    Kapalı alan tarımda hastalık tespiti ve verim tahmini için rota planlama ve görüntü işlemenin İHA'larla entegre edilmesi

    ONAT ERDOĞMUŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ERDİNÇ ALTUĞ

  3. Tez No

    768672

    Robust trajectory optimization of constrained re-entry flight via stochastic collocation based ensemble pseudospectral optimal control

    Stokastik kolokasyona dayalı ensemble pseudospectral optimal kontrol ile kısıtlı yeniden giriş uçuşunun gürbüz yörünge eniyilemesi

    AKAN SELİM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM OZKOL

  4. Tez No

    720086

    Investigating deep reinforcement learningfor static optimization in optical networks

    Başlık çevirisi yok

    EMRE FURKAN MERCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolPolitecnico di Milano

    PROF. MASSİMO TORNATORE

    PROF. FRANCESCO MUSUMECİ

  5. Tez No

    421066

    Natural ventilation of high-rise buildings a methodology for planning with different analysis tools and case-study integration

    Çok katlı binalarda doğal havalandırma farklı analiz araçları ve örnek alan entegrasyonu ile planlama için bir yöntem

    TOBIAS SCHULZE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. AYŞE ZERRİN YILMAZ

    PROF. DR. MARCO PERINO

Geri Dön