ارايه يك ربات خودكار زيرسطحي و طراحي كنترلر مسير آن به منظور بازرسي بدنه كشتي‌ها

Representation of an Autonomous Underwater Vehicle and Trajectory Controller design for in-water ship hull inspection

در اين مقاله يك ربات هوشمند زيرسطحي براي بازرسي قسمت آبخور بدنه كشتي‌ها اريه شده است. انجام اين گونه عمليات تنها با استفاده از رباتي كه داراي قابليت‌ مانور بالا، قابليت هاورينگ و كنترل‌پذيري بالا باشد به درستي امكان‌پذير بوده و سبب افزايش دقت و سرعت در انجام كار، كاهش هزينه‌ها و خطر به‌كارگيري نيروي انساني مي‌شود. در ربات ارايه شده، تعداد، موقعيت و جهت تراسترها با توجه به كاربرد مورد نظر بهينه‌سازي شده است تا بهترين تركيب، از نظر مصرف انرژي و پيچيدگي كنترلر به‌دست آيد و مانورپذيري مطلوب ربات براي بازرسي تامين شود. از 6 درجه آزادي فقط حركت در جهت زاويه رول مقيد شده است. كنترلر پيشنهادي در اين مقاله روي مدل ديناميكي خطي‌سازي شده طراحي و پياده‌سازي شده و سپس به مدل ديناميكي غيرخطي اعمال و اعتبارسنجي انجام شده است. كنترلر پيشنهادي داراي 3 حلقه است، يك حلقه براي كنترل مسير در صفحه‌ عمودي، ديگري براي كنترل مسير در صفحه‌ افقي كه هر دو كنترلر فيدبك حالت است و از يك كنترلر PID براي كنترل سرعت رو به جلوي ربات استفاده شده است. ميزان مقاوم بودن كنترلر به جريان‌هاي آبي كه سبب اعمال نيروهاي ناگهاني به ربات مي‌شود و همچنين كارايي كنترلر در شرايط عدم قطعيت ضرايب هيدروديناميك مورد بررسي قرار گرفت. كنترلر فيدبك حالت كه يكي از روش‌هاي كنترل مدرن است؛ به دليل مناسب بودن براي سيستم‌هاي غيرخطي و قابليت كنترل سيستم‌هاي چند ورودي چند خروجي و همچنين پياده‌سازي آسان نسبت به ديگر كنترلر‌ها از محبوبيت بالايي برخوردار است.

This paper presents a trajectory controller for a Hovering type Autonomous Underwater (HAUV) Vehicle to meet the demands of in-water ship hull inspection. Accomplishing this task can just be done by a vehicle that has all special requirements like high maneuverability, precise controllability and especially, Hovering Capability. Utility of such vehicle causes increasing precision, saving time and money and less health hazard for divers. Thrustersʹ configuration in terms of the number of thrusters, position and the thrust direction of each thruster is presented to provide the most suitable formation in terms of less energy consumption, reduced complexity of control strategies and controlling the most degrees of freedom. In this paper, roll degree of freedom is just constrained. The controller that is demonstrated was designed based on the linear dynamic model and then applied to the non-linear model to validate the controllerʹs practicality. This controller consists of 3 different loops, one for horizontal plane, another for the vertical plane, both were designed in state space and the last one is a PID controller which is developed to control the forward speed. In the next step, the robustness of the controller is investigated in the presence of underwater disturbance and uncertainty of the hydrodynamic coefficients. State feedback controllers have advantages such as being suitable for non-linear models, useful for MIMO system and simplicity in application development.