Design of Autopilot and Guidance Algorithms for an Unmanned Sea Surface Vehicle

Öz

In this article, for an unmanned sea surface vehicle, mathematical model has been developed. On the model developed, for surge speed and yaw position linear quadratic regulator (LQR) controllers have been designed and the stability of the controllers has been verified. An autopilot in yaw angle has been designed so that the references inappropriate with the vehicle dynamics have been adapted to the system. During its mission performed autonomously, obstacle avoidance and guidance algorithms for the vehicle have been designated and behaviors of the proposed methods under various environmental disturbances have been investigated. The model and controllers with guidance system have been verified in simulations in MATLAB and SIMULINK, the simulation results are provided. As a future work, the controllers with different levels of complexity presented in this article will be applied on real sea surface vehicles.

Anahtar Kelimeler

• Design of Autopilot
• Guidance Algorithms
• Unmanned Sea Surface Vehicle

Bir İnsansız Suüstü Aracı için Otopilot ve Güdüm Algoritması Tasarımı

Öz

Bu makalede bir insansız su üstü aracı için matematiksel model oluşturmuştur. Oluşturulan model üstünde ileri yönde hız ve sapma açısı üzerinde denetimli hareket sağlanması için doğrusal kuadratik regülatör (LQR) denetimcilerinin tasarımı yapılmış, denetimcilerin kararlılığı doğrulanmıştır. Sapma açısı ekseninde otopilot tasarlanmış, böylelikle araç dinamiğine uygun olmayan isteklerin uyumlanması sağlanmıştır. Verilen bir görevi otonom bir şekilde yerine getiriken, araç üzerinde koşacak engelden kaçma ve güdüm algoritmaları tasarlanarak tüm sistemin çeşitli çevresel etkiler altında davranışı incelenmiştir. Oluşturulan model ve denetim teknikleri, ve güdüm sistemi MATLAB ve SIMULINK ortamında benzetimlerle doğrulanmıştır, benzetim sonuçları makale içerisinde sunulmuştur. Geliştirilen çeşitli karmaşıklık seviyelerindeki denetimcilerin gerçek araçlar üzerinde doğrulanması hedeflenmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Bir İnsansız Suüstü Aracı
• Otopilot ve Güdüm
• Algoritması Tasarımı

Kaynakça

1. T. I. Fossen, Guidance and Control of Ocean Vehicles. Chichester, United Kingdom: John Wiley & Sons, 1994.
2. Fossen, T. I., Marine Control Systems Guidance, Navigation, and Control of Ships, Rigs and Underwater Vehicles, 2002.
3. Andrew Wilford Browning, A Mathematical Model to Simulate Small Boat Behaviour, UK, 1990.
4. Tristan Perez ve Mogens Blakce, “Mathematical Ship modeling for Control Applications”, Technical Report, Denmark, 2002.
5. P.Krishnamurthy, F.Khorrami ve S.Fujikawa, “A Modeling Framework for Six Degree-of-Freedom Control of Unmanned Sea Surface Vehicles”, Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, Seville, Spain, s.2676-2681, 2006.
6. K.Ahıska, Control and Guidance of an Unmanned Sea Surface Vehicle, MSc Thesis, Electrical and Electronics Engineering Department, Middle East Technical University, Turkey, 2012.