Nonlinear Autonomous Docking and Path-Following Control Systems for the Otter USV

Denne oppgaven gikk ut på å bruke ulineære kontrollalgoritmer for autonom dokking, banefølging og hinderunngåelse for Maritime Robotics sin minste overflatefarkost, "Oteren". Autonom dokking er for tiden et hett tema der flere løsninger har blitt presentert for fullaktuerte skip. "Oteren" blir bare kontrollert av to faste propeller/thrustere plassert akter, noe som gjør fartøyet underaktuert. Dette gjør kontrollproblemet mer utfordrende siden fartøyet ikke kan direkte beveges sidelengs (ved bruk av thrusterene). For å adressere dette ble det utviklet en simulator i Matlab der forskjellige kontrollordninger kunne testes der den ulineære dynamikken var modellert basert på data funnet i tidligere eksperimenter. Oppgaven fokuserte på å implementere to høyere ordens Sliding Mode kontrollere (SMC) som kurskontrollere og å bruke en PI-kontroller som en fartskontroller. SMC-ene som ble implementert var en PID-SMC og en Super-Twisting kontroller (STC). Disse kontrollerne ble valgt ettersom de er robuste for parameterusikkerheter. I tillegg til disse ble en enkel PID-kurskontroller implementert og sammenlignet med SMC-ene. Disse kontrollerne ble brukt sammen med en Line of Sight (LOS) veiledningslov og en algoritme for hinderunngåelse til å beregne ønsket kurs for banefølging uten å kollidere med hinder. Fartøyet gikk inn i en dokkingsfase da det var innenfor en gitt avstand fra kaien der hastigheten til fartøyed ble redusert fra 1 m/s til 0.2 m/s. For å sammenligne kontrollene med hverandre ble det utført en Monte-Carlo-simulering med 10000 iterasjoner. Strømhastigheten, strømvinkelen og hindringene ble generert stokastisk for hver iterasjon. Resultatet inneholder også to konstruerte tilfeller: en med svake havstrømmer og en med sterke havstrømmer. Disse tilfellene ble inkludert for å vise hvordan USVen hånderte både "milde" og "ekstreme" forhold. Monte-Carlo-simuleringen viste at STCen hadde lavest kurs- og kryssporingsfeil, og at PID-kontrolleren hadde dårligst ytelse. Den totale medianen av kryssporings- og kursfeilen for PID-SMCen var henholdsvis 114% og 66% større enn for STCen. Videre var energiforbruket til STCen litt lavere enn de andre kontrollerne, men siden det var veldig lite forskjell i energiforbrukmellom kontrollerne ble dette sett på som trivielt. Det foreslås at hastighetskontrolleren kan forbedres ved å bruke en mer avansert kontroller som for eksempel STC. For enda mer realistiske simuleringer, anbefales det at andre ytre forstyrrelser som vind og bølger inkluderes. Til slutt anbefales det å teste kontrollerne på den faktiske "Oteren"