SUPERVISOR
Mostafa Ghayour,Mohammad Danesh
مصطفی غیور (استاد مشاور) محمد دانش (استاد راهنما)
STUDENT
Saeed Bahador
سعید بهادر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Adaptive Robust Control System Design for an Autonomous Underwater Vehicle
Autonomous underwater vehicles could perform various underwater task, ranging from sea floor surveying, ocean cable iection and maintenance to petroleum drilling, lost asset location and underwater rescue. Some of these applications necessitate a very strict positioning and force requirement on to the AUV controller. However, the AUV dynamics is inherently nonlinear. It is also subject to uncertain external disturbances, and the hydrodynamic forces are difficult to model. All of these make AUV control a very challenging task. These vehicles require autonomous guidance and control systems in order to perform underwater tasks. Modeling, system identification and control of these vehicles are still major active areas of research and development. The control issue of underwater robots is very challenging due to the nonlinearity, time variance, unpredictable external disturbances, such as the sea current fluctuation, and the difficulty in accurately modeling the hydrodynamic effect. Conventional linear controllers may fail in satisfying performance requirements, especially when changes in the system and environment occur during the operation since it is almost impossible to manually retune the control parameters in water. Therefore, it is highly desirable to have an underwater robot controller capable of self-adjusting control parameters when the overall performance degrades. This thesis presents adaptive plus disturbance observer controller for underwater robots, which is robust with respect to external disturbance and uncertainties in the system. This control scheme consists of disturbance observer as the inner-loop controller and a nonregressor based adaptive controller as the outer-loop controller. This thesis describes an adaptive plus disturbance observer controller for underwater robots. The non regressor based adaptive controller does not require any physical information about the robot model except the number of inputs and the number of outputs. The non regressor based adaptive controller is very effective for autonomous underwater vehicles whose hydrodynamics can not be accurately modeled or may vary while in operation as some changes occur in the system and environment. Although, the adaptive controller does not address robustness with respect to external disturbances while disturbance observer is very robust with respect to external disturbances. The disturbance observer basically removes the effect of external disturbances and modeling errors, and makes the system behave close to a nominal model that was prechosen by the user. However, the disturbance observer controllers require using a low-pass filter affected by the nominal model, and therefore, the performance of the disturbance observer controller such as adaptive plus disturbance observer varies depending on the nominal model or the low-pass filter. In fact, in this thesis presents an adaptive disturbance observer controller using disturbance observer as an inner-loop compensator, taking advantage of its robustness with respect to disturbances, and using the non regressor based adaptive controller as an outer-loop controller, taking advantage of its robustness with respect to model uncertainties due to the nominal model or the low-pass filter. The effectiveness of the adaptive disturbance observer was investigated by simulating two control systems: adaptive controller and adaptive disturbance observer on an autonomous underwater robot, ODIN. The thesis is organized as follows. Section II and Section III describes the factors affecting an underwater vehicle and Section IV describes the adaptive disturbance observer controller and Section V presents simulation results before conclusions in Section VI. Keywords: Adaptive cont rol, disturbance observer, external disturbance, underwater robots.
منابع و صنایع دریایی نقش و تاثیر مهمی در زندگی انسان ها دارند. به همین علت مطالعه و بررسی بسیاری از مسائل مهندسی، زیست شناسی، تجاری و نظامی مرتبط با دریا، همواره مورد توجه محققان بوده است. امروزه استفاده از وسایل خود گردان زیر سطحی(AUV)، در سطح وسیع و در کاربردهای مختلفی همچون جستجو و گشت زنی، جمع آوری اطلاعات (تجسس)، مین یابی، تهیه نقشه های استراتژیک از منطقه عملیاتی، جنگ زیردریایی ها و انجام عملیاتی نظیر مین گذاری مورد توجه مراکز مختلف پژوهشی، نظامی و صنعتی قرار گرفته است. یکی از بخش ها و مراحل اجتناب ناپذیر در طراحی هر وسیله خودکار، طراحی کنترل کننده برای آن وسیـله می باشد. در این میان طراحی کنترل کننده برای ربات های زیر آبی و مخصوصا AUVها از ظرافت و پیچیدگی زیادی برخوردار است. عوامل اصلی که موجب دشواری طراحی کنترل کننده برای این گونه ربات ها شده است عبارتند از: غیر خطی بودن معادلات وسیله، وجود نامعینی ها که شامل دینامیک های مدل نشده و نامعینی در ضرایب هیدرودینامیکی می باشد، رفتار دینامیکی متغیر با زمان وسیله، وجود نیروهای مزاحم مانند جریان های زیر آبی و نیروی کابل برای ROV ها، تغییر مراکز ثقل و شناوری وسیله به واسطه حرکت بازو و وجود نویزهای اندازه گیری می باشند. طبق بررسی های صورت گرفته پیرامون روش های کنترلی گوناگون بر روی شناورهای زیر سطحی خودگردان و نیز طبق تعاریفی که برای دینامیک این گونه وسایل ارائه شده است، در این پژوهش هدف ارائه یک سیستم کنترل جدید برای شناورهای زیر سطحی خودگردان می باشد. این سیستم ترکیبی از دو مکانیزم تخمین گر اغتشاشات و دیگری سیستم کنترل وفقی غیر مبتنی بر بردار رگرسور می باشد. در واقع وظیفه مکانیزم مربوط به تخمین گر اغتشاشات، حذف اثرات ناشی از اغتشاشات خارجی وارد بر شناور و نیز ارائه خطای مدل می باشد. در حالی که وظیفه سیستم کنترل وفقی غیر مبتنی بر بردار رگرسور دریافت خطای تخمین اغتشاشی و نزدیک کردن عملکرد سیستم کنترلی به حالت مطلوب خود می باشد. برای این منظور در این پایان نامه ابتدا به مدل دینامیکی شناور پرداخته شده سپس سیستم کنترلی مطلوب بررسی شده و پایداری آن از طریق تابع لیاپانوف به اثبات رسیده است. در این راستا شبیه سازی های صورت گرفته در این پژوهش شامل دو بخش می باشد. در بخش اول که مربوط به کنترل حرکت شناور زیر سطحی در صفحه شیرجه زنی می باشد، کنترل حرکت شناور به واسطه سیستم کنترل وفقی و نیز روش ارائه شده در این پژوهش صورت گرفته و میزان اعتبار نتایج این روش در مقایسه با نتایج سیستم کنترل وفقی مورد بررسی قرار گرفته است. در بخش دوم، شبیه سازی ها با استفاده از روش ارائه شده در این پژوهش و به منظور کنترل کامل حرکت شناور زیر سطحی صورت گرفته است. در پایان باید اظهار داشت که مهم ترین ویژگی این سیستم کنترلی با توجه به نتایج شبیه سازی های به دست آمده، عملکرد مقاوم آن در برابر اغتشاشات خارجی، نویز ناشی از سنسورها و نیز تغییرات مربوط به پارامترهای مدل نامی می باشد. کلمات کلیدی: 1- شناور زیر سطحی خود گردان 2- کنترل وفقی 3- تخمین گر اغتشاشات