Otonom Sualtı Aracının Modellenmesi Ve Kontrolü

Abstract

Bu çalışmada, doğrusal olmayan 6 serbestlik dereceli su altı aracının kinematik ve hidrodinamik modeli türetilmiştir. Araç geometrisinin deneysel sonuçlarını kullanan hidrodinamik katsayıları hesaplama aracı türetilmiş ve doğrulanmıştır. Giriş sınırlamalı Dayanıklı Model Öngörülü Kontrol (RMPC) kuramı altında su altı aracının referans izleme problemi dikkate alınmıştır. RMPC hesaplama yükü problemini çözmek ve hali hazırdaki çizelge tabanlı RMPC kuralının deneme-yanılma adımlarından kurtulmak için, gerçek zamanlı sistemlere kolayca uygulanabilir yeni bir algoritma önerilmiştir. Su altı araçları için, pasiflik temelli bağlantı ve sönüm atama kontrol tekniği (IDA-PBC) geliştirilmiştir. Sürekli hareketli araçlar için sistemin hata dinamiğini kullanarak, geleneksel yöntemlerden farklı ve asimptotik kararlığı garanti altına alan yeni bir kontrol kuralı türetilmiştir. Durum vektörlerini doğru kestirebilmek için sensor kalibrasyon ve kestirim yöntemleri tanımlanmıştır. Otopilot, Ataletsel Yörünge Sistemi, RF alıcı-verici gibi birimleri içeren gerçek bir su altı aracı tasarlanmıştır. Yer kontrol istasyonu ile haberleşebilecek, verilen emirleri yerine getirebilecek, uçuş verilerini kayıt edebilecek, çevrimde donanım (HIL) yapısında çalışabilecek düzeyde gömülü yazılım tasarımı yapılmıştır. Son olarak da havuz ortamında gerçek sualtı aracı test edilmiştir.

In this work, nonlinear 6-DOF (Degree of o Freedom) kinematic and hydrodynamic modeling of the underwater vehicle is derived. A tool developed to calculate the hydrodynamic coefficients using the empirical results of vehicle geometry are described and verified. Set point tracking control of autonomous underwater vehicle (AUV) via input-constrained Robust Model Predictive Control (RMPC) with integral action is considered. In order to overcome RMPC computational problem and get rid of trial-error step of existing scheduled RMPC rule, a new algorithm, which can be easily applied real time system, is proposed. Passivity based control with interconnection and damping assignment (IDA-PBC) design technique is developed for underwater vehicle. A new control rule, which has a different structure from the traditional one and guarantees the asymptotic stability, is derived by using the error dynamics of the system for continuously moving vehicle. Sensor calibration and fusion method are examined in order to estimate state vectors correctly. A real underwater vehicle is designed by placing Autopilot, Inertial Navigation System (INS), RF transceiver unit etc. An embedded software design is realized in which the designed software is capable of communicating with ground station, executing the given commands, flight-recorder, and operating in Hardware in the loop (HIL) mode. At last the underwater vehicle is tested in pool environment.