Integration Of Navigation Systems And Identification Of Nonlinear Model Parameters For Autonomous Underwater Vehicles In The Presence Of Measurement Biases

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2013Dünyada son yirmi yıllık gelişmeler dikkate alındığında, sualtı sistemlerinin farklı uygulamalarına yönelik araştırmalar muazzam şekilde artış göstermiştir. Bu kapsamda, geniş çaplı kullanım alanı olan, okyanus ve deniz tabanı araştırma/geliştirme faaliyetlerine yönelik çok sayıda İnsansız Sualtı Aracı (İSA) tasarlanarak, hizmete sunulmuştur. İSA’ların gerçekleştirdiği görevler dikkate alındığında, askerî ve sivil uygulamaları ön plana çıkmaktadır. Tipik olarak sualtı araçları üç ana grupta incelenmektedir; 1. İnsanlı Sualtı Sistemleri (Denizaltılar, İnsanlı Sualtı Robotları, vb.), 2. Uzaktan Kumandalı Sualtı Robotları (ROV’lar) ve 3. Otonom Sualtı Araçları (OSA -AUV). Yukarıda adı geçen her bir tip sualtı aracının kendine has özellikleri olmasının yanında, birbirleriyle kıyaslandığında kullanım alanlarına bağlı olarak üstünlükleri ve zafiyetleri mevcuttur. Bu tez kapsamında sadece insansız sualtı araçlarının özellikleri hakkında bilgi verilmiştir. Kavram olarak, insansız sistemler olan ROV’lar ile İSA’lar arasındaki temel fark kısaca ifade etmek gerekirse, ROV’lar bir suüstü gemisine veya denizaltıya bir kablo yardımıyla bağlı olup, bu platformlar üzerinden kumanda edilebilen genellikle dikdörtgenler prizması veya küp şeklinde tasarlanmış düşük süratli, hantal sualtı araçlardır. Diğer taraftan OSA’lar, genellikle bir platformdan tamamen bağımsız kendi başına hareket edebilen, silindirik yapılı, askeri ve sivil kullanım alanlarına bağlı olarak farklı süratlere sahip, otonom sualtı araçlarıdır. İSA’ların dünyadaki farklı uygulama alanlarını aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz. • Mayın avlama, • Keşif, • Sualtı kablolarının döşenmesi, • Sualtı hedeflerine ekipman taşınması, • Deniz ve okyanus suyu incelemeleri, • Petrol ve doğalgaz boruları gözlem ve bakımı, • Sualtı arkeoloji çalışmaları, • Deprem araştırmaları, • Torpido sistemleri. Türkiye’de mevcut olan insansız araçları incelendiğinde, çalışmaların büyük bir çoğunluğunu insansız kara araçlarını kapsamaktadır. Kara araçlarından sonra, ikinci seviyede araştırmalar hava araçları üzerine yoğunlaşmaktadır. Ülkemizin üç tarafı denizlerle çevrili olmasına ve halâ bir denizci millet olamamamızın bir sonucu olarak, Türkiye’de İnsansız Sualtı Araçları (İSA’lar) birkaç istisna proje dışında, bir inceleme konusu olarak istenilen rağbeti ve ilgiyi görmemektedir. Çok farklı kullanım alanları olan bu araçlar, dünyada son yirmi yıldır başta ABD olmak üzere gelişmiş ülkeler tarafından okyanus araştırmalarında yoğun olarak kullanılmaktadır. OSA`lar, sualtında gerçekleştirdikleri uzun süreli seyirleri boyunca güdüm, kontrol, yol takibi, konumlandırma ve mevkilendirme açısından yüksek doğruluğa sahip bir seyrüsefer sistemine ihtiyaç duyarlar. OSA’lara yönelik sağlam, güvenilir ve doğru bir seyrüsefer sistemi tasarlamak için ise İSA’nın tüm gövde modeline ihtiyaç duyulmaktadır. Ancak OSA modellemesi çok karmaşık ve zor bir işlem olup, hidrodinamik ve hidrostatik bilim dallarının birlikte kullanılmasını gerektirir. Bir OSA’nın sualtı modellemesi, katı bir cisim olarak ele alınsa bile oldukça karmaşık süreçleri içermektedir. Bir OSA sistemi sualtı ortamında hareket ederken doğrusal olmayan (nonlinear) etkilere maruz kalır. Bu etkiler arasında serbest yüzey etkisi, kavitasyon, dalgalar, zamanla değişen kütle ve pervane sürati, rijid olmayan gövde dinamiği, düzensiz akışlar ile hareketli kanatların etkisi sayılabilir. Bütün bu etkilerin modellemeye katılması, modelleme sürecini içinden çıkılmaz bir duruma itmektedir ve bu etkilerin büyük bir çoğunlu çekme tanklarında dikkate alınmaktadır. Hidrodinamik etkiler OSA’nın su ortamındaki hareketinden kaynaklanmaktadır. Bir İSA sisteminin hidrodinamik parametrelerinin belirlenmesinde tamamen kendi şekil ve formuna bağlı olarak deney ve teoriye dayalı yöntemler kullanılır. Genel olarak, bir İSA’nın hidrodinamik parametreleri üç faklı yöntemle belirlenir. Bunlar: 1.Hesaplamalı Yöntemler (Navier Stokes Denklemleri, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği, vb.), 2. Çekme tankı (towing tank) testleri, 3. Gerçek Ortamında Testler. Bu tezin ana amaçlarından biri, bir OSA sisteminin dinamik hareket modelinin oluşturulması ve MATLAB yazılım ortamı kullanılarak oluşturulan hareket modeli üzerinde, Ataletsel Seyrüsefer Sistemi (ASS)’den elde edilen seyrüsefer çözümünü düzeltmek için Dopler Hız Kaydedici, Manyetik Pusula ve Derinlik Ölçer yardımcı sensörleri kullanarak Kalman Süzgeci tabanlı oluşturulan tümleşik seyrüsefer sistemi tasarımını gerçekleştirmektir. Tez kapsamında, OSA’lar için geliştirilmiş tümleşik seyrüsefer sistemi için üç farklı yaklaşım kullanılmıştır. Birinci yaklaşımda, Dopler Hız Kaydedici, Manyetik Pusula ve Derinlik Ölçer yardımcı sensörlerin kalibrasyonlarının mükemmel yapıldığı farz ve kabul edilerek, sadece ASS’nin hatalarının Kalman Süzgeci kullanılarak kestirimleri hesaplanmış ve yardımcı sensörlerin düzeltmeleri Kalman ölçüm vektörü yardımıyla girdi yapılmıştır. Bu yaklaşımda Kalman durum vektörü boyutu 9’dur. İkinci yaklaşımda, yine yardımcı sensörlerin kalibrasyonlarının mükemmel yapıldığı farz ve kabul edilerek, ASS ile ASS sensörleri olan gyro ve ivmeölçerlerin hatalarının Kalman Süzgeci kullanılarak kestirimleri hesaplanmış ve yardımcı sensörlerin düzeltmeleri Kalman ölçüm vektörü yardımıyla girdi yapılmıştır. Bu yaklaşımda Kalman durum vektörü boyutu 15’dir. Üçüncü ve son yaklaşımda ise, ASS sensörlerinin kalibrasyonlarının mükemmel yapıldığı farz ve kabul edilerek,ASS ile yardımcı sensörlerin hataları Kalman Süzgeci kullanılarak kestirimleri hesaplanmıştır. Bu yaklaşımda Kalman durum vektörü boyutu 14’tür. Daha sonra bu üç tümleşik seyrüsefer sistem yaklaşımı grafiksel ve nümerik yaklaşımla kıyaslanarak üstünlükleri ortaya konmuştur. Simülasyon sonuçları göstermiştir ki, düşük maliyetli ASS sistemi zamanla dikkate değer oranda ölçüm hatası üretmesine rağmen, farklı boyutlu durum vektörlerine sahip Kalman Süzgeci tabanlı geliştirdiğimiz Tümleşik Seyrüsefer Sistemi bu hataların azaltılmasında etkin bir rol oynamıştır. Bu tezin diğer ana hedefi ise, en küçük kareler yöntemi yardımıyla İSA’nın mevcut doğrusal olmayan (nonlineer) hareket modeline ait hidrodinamik parametrelerin, seyrüsefer sistemlerinden kaynaklanan kayma hatalarının mevcut olduğu durumda tanılanmasıdır. Bu hidrodinamik parametrelerin doğru olarak belirlenmesi, İSA sisteminin dinamik performansının gerçeğe yakın bir şekilde simüle edilmesinde önemli rol oynar. Ayrıca kestirimi yapılan bu parametreler sadece dinamik modelin manevra performansının analizinde kullanılmaz aynı zamanda geliştirme aşamasında olan İSA’ların kontrolcü tasarımında da etkin olarak kullanılır. Tanılama yöntemi olarak en küçük kareler yöntemi basit ve kısa zamanda çözüm ürettiği için tercih edilmiştir. En küçük kareler yöntemi kullanılarak bulunan hidrodinamik parametreler, Hottling’s T2 istatiksel yöntemi kullanılarak doğrulanmaya çalışılmıştır. Tümleşik seyrüsefer sistemi ile büyük oranda düzeltilen seyrüsefer bilgileri kullanılarak, elde edilen Hidrodinamik parametreler gerçek değerine yakın istatiksel olarak doğrulanmış, elde edilen simülasyon sonuçları nümerik ve grafiksel olarak gösterilmiştir.The research on underwater systems has gained enormous attention during the last two decades because of applications taking place in many fields. Therefore, the significant number of Unmanned Underwater Vehicles (UUVs) has been developed for solving the wide range of scientific and applied tasks of ocean research and development in the world. Guidance, navigation, and control techniques are key research and development areas for the success of those sophisticated UUV missions. Autonomous Underwater Vehicle (AUV), a type of UUV, requires a precise navigational system for localization, positioning, path tracking, guidance, and control. In order to develop a robust and precise AUV navigation system, we need to know an overall modeling of an AUV, which is a complex problem and involves interdisciplinary studies of kinematic, hydrostatics, and hydrodynamics. One of the main objective of this thesis is to provides detailed explanations on the theory behind the main concepts that directly influence the design of the dynamic mathematical model of AUV and then to accomplish dynamic mathematical modeling of an AUV in MATLAB Simulink environment under different swimming conditions. Based on this model we develop three different types of low-cost Integrated Navigation System based on error models of Inertial Navigation System (INS) and its aiding devices such as Doppler Velocity Log (DVL), compass, and a Pressure Depth Sensor. An INS error model and the corresponding measurement models of those aiding sources will be derived for the Kalman Filter (KF). The simulation results confirmed that low-cost IMU sensors produce a notable amount of noisy measurements but our Integrated Navigation System models for AUV based on KF can effectively mitigate those drawbacks. Another main focus of this thesis is to accomplish the parameter identification of hydrodynamic coefficients of AUV based on a Least Square Estimation (LSE) algorithm in the presence of measurement biases. Parameter Identification is very important to have the estimated values of these coefficients in order to accurately simulate the AUV’s dynamic performance. The estimated hydrodynamic coefficients can be used as inputs not only for a mathematical model to analyze the maneuvering performance but also for a controller model to design AUVs under development.DoktoraPh