Εύρωστος Έλεγχος στην Πλοήγηση Σκαφών Επιφανείας

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με το σχεδιασμό των ηλεκτρονικών, τη μοντελοποίηση και τον έλεγχο ενός σκάφους επιφανείας, που δημιουργήθηκε για να κατευθύνεται σε ένα σύνολο προκαθορισμένων στόχων σε έναν διδιάστατο χάρτη. Αναπτύχθηκε σε τηλεχειριζόμενο μοντέλο σκάφους τύπου Ferry Boat, που συναρμολογήθηκε στο ΕΜΠ, στο οποίο δόθηκε και δυνατότητα αυτοκατεύθυνσης. Με εξαίρεση τα πλαστικά του σκάφους, το χειριστήριο τηλεκατεύθυνσης και τον δέκτη τηλεκατεύθυνσης, όλα τα υπόλοιπα ηλεκτρονικά συστήματα τα οποία χρειάστηκαν, κατασκευάστηκαν από τον συγγραφέα της παρούσας διατριβής.

Οι λεπτομέρειες της ανάπτυξης των ηλεκτρονικών, καθώς και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τη μοντελοποίηση και τον έλεγχο του σκάφους, παρουσιάζονται στη διατριβή.

Μετά την κατασκευή του σκάφους, συλλέχθηκαν δεδομένα για την απόκρισή του, πραγματοποιώντας χειροκίνητους ελιγμούς από τη μονάδα ραδιοελέγχου. Τα δεδομένα που προέκυψαν, χρησιμοποιήθηκαν για την εκπαίδευση ενός νευρωνικού δικτύου, για την πρόβλεψη της απόκρισης του σκάφους στα χειριστήρια ώσης και διεύθυνσης. Η προσέγγιση της μοντελοποίησης βασίστηκε στη λογική μαύρου κουτιού (black box modelling). Το μοντέλο που προέκυψε χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή προσομοιώσεων σχετικά με τις μεθόδους ελέγχου που αναπτύχθηκαν για το σκάφος.

Για να μπορέσει το σκάφος να φτάσει σε καθορισμένους στόχους στο χάρτη, συντέθηκαν δύο τύποι εποπτικών ελεγκτών. Αυτοί οι αλγόριθμοι παρακολουθούν τη θέση του σκάφους σε σχέση με τον στόχο του και δημιουργούν εντολές μεταφορικής και γωνιακής ταχύτητας. Οι εντολές αυτές αποτελούν τις τιμές αναφοράς για τους αντίστοιχους βρόχους ελέγχου.

Για την αποτελεσματική αντιμετώπιση των μη γραμμικοτήτων του συστήματος, αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία βασισμένη στο μοντέλο νευρωνικών δικτύων, η οποία επιπροσθέτως αποσυνέζευξε τους βρόχους ελέγχου ταχύτητας και κατεύθυνσης. Χρησιμοποιήθηκαν επίσης τεχνικές σθεναρού ελέγχου, για τη μείωση της επίδρασης των ανακριβειών πρόβλεψης του μοντέλου και της κβαντοποίησης της δράσης ελέγχου, προκειμένου να αμβλυνθεί το προκύπτον σφάλμα.

Στη συνέχεια, η απόκριση του σκάφους προσομοιώθηκε χρησιμοποιώντας διάφορα σενάρια, ώστε να εξεταστούν οι ικανότητες ελιγμών του. Πραγματοποιήθηκε επίσης σύγκριση των δύο εποπτικών ελεγκτών.

Τέλος, προσομοιώθηκε ένα μικρό σμήνος τριών σκαφών, για τη διερεύνηση της επέκτασης των μεθόδων που περιγράφονται στη διατριβή, σε σύνολα σχετιζομένων σκαφών.