Control allocation and observer design for autonomous ferries

De siste årene har det vært høy aktivitet knyttet til autonomi i skip. Grunnet relativt lav operasjonskompleksitet, utgjør bilferger en god kanditat for å drive utviklingen mot økt autonomi i skip. Denne avhandlingen presenterer to komponenter for kontrollsystemet til en autonom ferge. Den første komponenten er en kontrollallokasjonsalgoritme for baug-hekk symmetriske ferger med symmetrisk thrusteroppsett. Dette er et standard design for bilferger, med en sentrert azimuth-thruster i hver ende. Allokeringproblemet blir formulert ved hjelp av utvidet thrust representasjonen, som resulterer i et fire-dimensjonalt begrenset ulineært optimaliseringproblem. Ved å bruke thrustkonfigurasjonsbegrensningen foreslås en reformulering av optimaliseringsproblemet. Dette reduserer problemet til et ulineært bunded skalart optimaliseringsproblem. For denne typen problem finnes det raske og robuste løsere. Videre foreslås kostfunksjoner og begrensninger. Når en ferge legger til kai manuelt er det vanlig å snu thrusterne slik at de peker mot hverandre. Dette gir raskere respons fra ønsket kraft til produsert kraft. Den nye kontrollallokasjonsalgoritmen støtter denne måten å styre thrusterne på ved å bruke den foreslåtte kostfunksjonen og begrensningen. Algoritmen er testet i et simuleringsstudie med en bilferge og i fullskala eksperiment med en passasjerferge. Resultatene fra simuleringen indikerer mindre feil mellom ønsket og produsert kraft sammenlignet med eksisterende metoder. De eksperimentelle resultatene viser god ytelse for dynamisk posisjonering når den nye kontrolallokasjonsalgoritmen brukes. Ved å sammenligne kjøretiden til den nye algoritmen med en kvadratisk programmerings metode viser resultatene at den nye er 37.8 ganger raskere, i gjennomsnitt. Den har også en smalere fordeling av kjøretider, som er en ettertraktet egenskap for bruk i et sanntidskontrollsystem. Den andre komponenten er en resettende tilstandsestimator. Tilstandsestimatoren kan brukes for generiske linære tidsvariende system, men har særlig interessante anvendelser for dynamisk posisjonering av marine overflatefartøy. Motivasjonen for å utvikle en resettende tilstandsestimator er bedre håndtering av umodellert dynamikk og reaktivitet for eksterne forstyrrelser uten å gå på bekostning av ytelsen ved steady-state. Tilstandsestimatene i kontinuerlig tid beregnes fra en Luenberger tilstandsestimator. Et resett utløses dersom estimeringsfeilen overskrider forhåndsdefinerte grenser. Det nye tilstand