Belirli deniz koşullarında seyreden bir geminin rota kontrolü
Course-keeping control of a ship under specified sea conditions
Yazar: GÖKHAN BUDAK
Danışman: PROF. DR. SERDAR BEJİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Gemi ve Deniz Teknolojisi Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Deniz Bilimleri = Marine Science ; Gemi Mühendisliği = Marine Engineering

Özet:
Günümüz dünyasında otomatik sistemlerin teknolojiyle birlikte hızla geliştirilmesi ve hemen hemen her alanda kullanılıyor olması beraberinde kontrol sistemlerini de ilgi çekici hale getirmiştir. Araştırmacılar kendi alanlarında bu sistemleri geliştirmek ve uygulanabilirliği arttırmak amacıyla çalışmalarını hızlandırmıştır. Özellikle her bir sistem için hedeflenen ana verim parametrelerine bağlı olarak sistemin fayda verecek yönlerini daha efektif hale getirmek hedeflenmektedir. Paket programlar kullanılarak kontrol edilmek istenen sistemin matematiksel modeli oluşturularak sistemin kontrol edilebilirliği incelenmekte ve sistemin ne amaçla kullanılacaksa amacına yönelik olarak geliştirilebilirliği araştırılmaktadır. Bu tez çalışmasında, ilk aşamada gemi manevra hesaplamalarında kullanılan matematiksel modellerden iki tanesi seçilmiştir. Bu manevra modelleri literatürde MMG (Manoeuvring Modelling Group) ve Abkowitz model olarak bilinen matematiksel ifadelerdir. İki model için de Matlab-Simulink'te matematiksel model olu¸sturulmu¸stur.Literatürde standart olarak uygulanan dönme testi ve zigzag testleri yapılmış ve gemiye ait boyutsuz hidrodinamik katsayıların bilindiği iki farklı gemi seçilmiştir. Simülasyonda kullanılacak manevra modeli için bilinmesi gereken hidrodinamik katsayılara bağlı olarak Abkowitz veya MMG modelden biri seçilerek simülasyonlar gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar kıyaslanmıştır. Bu gemilerden ilki balıkçı gemisi diğeri ise KVLCC2 tankeridir. Balıkçı gemisi için bilinen temel büyüklükler ile hidrodinamik katsayılara bağlı olarak Abkowitz model, KVLCC2 tankeri için ise MMG model seçilmiştir. Böylece iki manevra modeli içeren bir simülatör oluşturulmuştur. İkinci aşamada ise bu matematiksel modeller kullanılarak geminin başlangıç durumundaki koordinatlarından hareketle başka bir veya birden fazla koordinata olan hareketinde izleyeceği rotanın kontrolü yapılmıştır. Rota kontrolü yapılırken belirlenen dış kuvvetlerin gemiye etki ettiği düşünülerek senaryolar üretilmiştir. Bu belirlenen senaryolar için geminin hedeflenen nokta veya noktalara ulaşması için kontrol sistemi oluşturulmuştur. Literatürde standart PD (Proportional-Derivative) kontrol olarak
bilinen kontrol sistemi ve bu kontrol sistemine ilave olarak eklenen bulanık mantık kontrol sistemi (Fuzzy Logic Controller) uygulanmıştır. Her iki manevra modeli için belirlenen senaryolar altında hem PD kontrol hem de PD-Fuzzy kontrol sistemleri uygulanarak simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Tezdeki uygulamalardan ilki Üsküdar-Beşiktaş arası rota takibi ¸seklinde yapılan uygulamadır. İstanbul Boğazı'nda akıntı durumu göz önünde bulundurulmuş ve bu akıntı durumunda Üsküdar-Beşiktaş arası simülasyon gerçekleştirilmiştir. Üsküdar-Beşiktaş hattında kullanılan gemilerin boyları dikkate alındığında balıkçı gemisinin boyutlarına yakınlığı sebebiyle balıkçı gemisi seçilmiştir. Balıkçı gemisine ait bilinen temel büyüklükler ve hidrodinamik katsayılara istinaden simülatörde yer alan iki farklı manevra modelinden Abkowitz model seçilmiştir. Simülasyonlar gerçekleştirilirken hem PD kontrol hem de PD-Fuzzy kontrol sistemi kullanılmıştır. Simülasyon sonucu elde edilen rotanın tutarlı bir rota olup olmadığı hakkında bilgi edinmek için bu hatta yolcu taşıyan gemilerin rotaları önceden telefona yüklenebilen bir uygulama ile aynı gün içinde Üsküdar-Beşiktaş ve Beşiktaş-Üsküdar arası 3'er defa olmak üzere toplamda 6 sefer yapılarak kayıt edilmiştir. Elde edilen bu rotalar ile iki farklı kontrol grubuyla oluşturulmuş simülasyonlar sonucu elde edilen rotalar kıyaslanmış ve gerçekte var olan İstanbul Boğaz trafiği de göz önüne alınarak kıyaslanmıştır. Tezin içeriğinde bulunan bir diğer uygulama ise hedeflenen ardışık koordinatlarla
oluşturulan güzergah seyir simülasyonudur. Bu uygulamada önceden dönme testi ve zigzag testi yapılmış ve gemiye ait hidrodinamik katsayıları bilinen KVLCC2 gemisi göz önüne alınmıştır. Daha önce MMG model ile oluşturulan matematiksel modele tıpkı bir önceki uygulamada kullanılan kontrol sistemleri eklenmiştir. Bu kontrol sistemleri PD kontrolör ve PD-Fuzzy kontrolördür. Ardışık koordinatların takibi simülasyonu için sekiz farklı koordinat belirlenmiş ve geminin bu koordinatları takip ederek belirlenen güzergahı geçme uygulaması yapılmıştır. Bu uygulama için toplamda üç farklı senaryo oluşturulmuştur. Bunlardan birincisi geçiş süresince herhangi bir dış kuvvetin etkisinin olmadığı varsayılmıştır. İkinci senaryoda geçiş süresince aynı hızda fakat yönü birbirini takip eden koordinatlara bağlı olarak değişen bir akıntının etki ettiği düşünülmüştür. Üçüncü senaryoda ise ikinci
senaryodaki akıntıya ek olarak sabit hızla belirlenen bir yönden esen rüzgarın etkisi de modellenerek simülasyon gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak her iki rota takibi uygulaması ile gemilerin hedeflenen koordinatlara
ulaşıp ulaşmadığı ve farklı kontrol sistemlerinin uygulamadaki farklılıkları değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın devamında yapılabilecek çalışmalar önerilerek oluşturulan simülatörün geliştirilme hedefleri belirlenmiştir. Oluşturulan bu simülatör vasıtasıyla geminin seyir bölgesine ve amacına göre, seyir esnasında olabilecek dış
kuvvetlerin etkisiyle izlenecek olası rotanın belirlenmesi, seyir güvenliğini bozacak durumların söz konusu olduğu bölgelerin belirlenmesi açısından önemi vurgulanmıştır.

Abstract:
Developing technologies contribute to the automation process in almost all areas. Researchers conduct studies on control systems for the autonomous operation of vehicles or systems. Hence, automatic control systems share an important part of systems with different applications. Ship maneuvering and motions create a research area where these control systems are applied according to their development. Studies including control systems are
continuing to grow for surface and underwater marine vehicles, and at the same time existing studies are being improved. In the first part of the thesis, mathematical models of ship maneuvering in the literature are explained and empirical approaches that can be used to calculate the unknown values in maneuvering models are presented. A simulator has been created and introduced by choosing two maneuvering models, namely Abkowitz and MMG
(Manoeuvring Modelling Group) models, which are the primary maneuvering models in the literature. The user can choose one of these mathematical maneuvering models from simulator according to known hydrodynamic coefficient values of investigated ship. The required maneuvering values of the ship can be obtained by entering the
dimensions and hydrodynamic coefficients of the ship, for which turning and zigzag tests can be carried out using the simulator. In order to check the accuracy of turning and zigzag test results obtained from the
simulator, two different ships are selected. One of these ships is the fishing vessel and the other one is KVLCC2 ship. The experimental results obtained by performing the maneuvering tests of these selected ships are well-known. Turning and zigzag tests of the selected ships are carried out by the use of the simulator. The results obtained from the simulator and maneuvering test results for these two ships are compared and discussed. The verification tests are made separately for the Abkowitz and MMG models. In the first simulation, Abkowitz model is used and turning and zigzag tests for the fishing vessel are performed. In the second simulation, MMG model is selected and, turning and zigzag tests are performed. According to the available values of the ship used in the simulation, one of the two mathematical models can be selected and maneuvering simulations can be performed.
While performing the turning and zigzag tests, an assumption is made that there is no external force. The experimental results and the maneuvering test results obtained by other researchers for these vessels are compared with the results obtained from the simulator. It is observed that reliable results can be obtained from simulations for turning and zigzag tests applications for both Abkowitz and MMG models. After carrying out these benchmark testst as the first part of the study, a control system is added to the simulator. Addition of control to the simulator is the second part of this study. The main purpose of establishing the control system is to control the rudder in order for the marine vessel to reach the targeted coordinates. Two different control
groups are considered for the mentioned control system. The first of these is the PD (Proportional-Derivative) control and the other is a Fuzzy control system in addition to the PD control. The advantages of control systems where Fuzzy control and PID (Proportional-Integral-Derivative) control used together are frequently seen in the
literature. Therefore, control groups are formed by taking this point into consideration while selecting the control systems. Both PD control and PD-Fuzzy control systems are used for two maneuvering models, namely Abkowitz and MMG models. The simulator is completed with the addition of control systems to the maneuvering models. Two different applications are performed in the simulator in the second part of the thesis . In the first application, a simulation between Üsküdar and Be¸sikta¸s is done with the Abkowitz model containing two control systems, PD and PD-Fuzzy controllers. For this application, three actual boat trips from Üsküdar to Be¸sikta¸s and three boat trips from Be¸sikta¸s to Üsküdar, were recorded by using a phone application. Later, one of these records was removed from these six records because of a disruption caused by a cargo ship passing Bosphorus while recording was carried out. In the application, currents observed at the time in the Bosphorus are taken into consideration. It is assumed that only the force due to the current acts on the vessel. All the other external forces are neglected in calculations. Three different current velocities are considered for performing similar simulations. The speed of the vessel is kept constant in order not to exceed the maximum speed allowed in the Bosphorus. In total, six simulations including three different current velocities and two different control systems were
performed. Obtained datas from simulator for both PD and PD-Fuzzy controllers are compared with each other and the results are discussed. In the second application, waypoint path controller is performed using MMG model with the inclusion of two control systems, namely PD and PD-Fuzzy controllers. Eight target coordinates are determined along the route. It is checked whether the ship reached the target coordinates during her cruise. Three different scenarios are considered for the applications. It is assumed that there is no external force occurance during the simulation for first scenario. In the second scenario, it is assumed that only the current acts on the ship. The velocity of the current is constant; however, the angle of the current varies with not only the ship's position
but also according to the target coordinates. In the third scenario, in addition to the second scenario, wind force is added to the simulator while performing simulation. In this scenario, it is assumed that wind direction and speed do not change. In total, six different routes are obtained for both PD and PD-Fuzzy controllers and results were compared with each other. It is discussed whether the ship, which is controlled by different control systems separately, reachs the route and target coordinates. In addition to the routes, the velocity and rudder angle of the ship during simulations are monitored for these three scenarios. For two different mathematical models used in the simulator, the only difference is in the calculation of current force acting on the ship. In the Abkowitz model, the current force, originating from the current, is added to the mathematical model and the motion simulation of the ship is carried out in this way. However, in the mathematical model created with the MMG model, according to the angle of arrival of the current to the ship, it is directly added to the velocity component of the ship in the x and y directions and the simulation is performed. Finally, when PD controller is combined with Fuzzy controller, the control system gives faster responses. When control system consists of PD and Fuzzy controller, there appears to be a safer transition when the ship sails on the route. In order to develop this simulator further, forces originating from waves can be added in the future studies. In addition, a controller for the ship speed can be added to prevent undesired reduction in ship speed so that ship reaches the target coordinates in relatively shorter times.