Otonom sualtı araçlarının modellenmesi, yörünge takip kontrolü ve simülasyonu
Modelling, trajectory tracking and simulation of autonomous underwater vehicles
Yazar: İREM NUR ORUÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT TİLKİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bir operatör tarafından kablo yardımıyla yönlendirilerek sualtı araştırmalarında kablo kontrollü sualtı araçları (KKSA) yarım yüzyılı aşkın süredir kullanılmaktadır. Sualtı irdelemelerinde insana olan bağlılığı azaltarak güvenliğin arttırılması, zamansal ve ekonomik kayıpların en aza indirilmesi amacıyla son yıllarda otonom sualtı araçları (OSA), KKSA'ların yerini almaktadırlar.
Bu amaç doğrultusunda tasarlanan sualtı araç sistemleri, giderek daha akıllı olmakla birlikte daha karmaşık sistemler haline gelmektedir. Özellikle otonom sualtı araçları deniz tabanına yakın seyretmek durumunda kalabilir. Taban etkisinden dolayı aracın üzerine etkiyen hidrodinamik kuvvet ve momentler çok hızlı ve etkin bir şekilde değişerek aracın konumunu ve yönelimini değiştirebilmektedir. Bu durumdan dolayı çok amaçlı kullanılabilen otonom sualtı araçlarının (OSA) hidrodinamik performanslarının iyi olması ve ani manevra yapılması gereken durumlarda kısa süre içerisinde aktif şekilde kendisini düzeltip gerekli manevraları yapabilmesi istenir. Bu durum gereği otonom sualtı araçlarının doğru modellenmesi ve kontrol sistemlerinin gürbüzlüğü ön plana çıkan konular haline gelmektedir
Bu tez çalışması kapsamında; otonom sualtı araç sistemlerinin istenen yönde kontrollü bir şekilde yön değiştirebilmesi ve bu değişim sonrasında sabit bir rota üzerinde sapmalar olmaksızın hareketine devam edebilmesi için literatürde kullanılan kontrolcü performansları incelenmiştir. İlk olarak otonom sualtı aracının benzetim modelini geliştirebilmek için ihtiyaç duyulan eksen takımlarının tanımı yapılmıştır. Tanımlanan dünya eksen takımı ve gövde eksen takımı arasındaki dönüşümlerden faydalanarak aracın kinematik denklemleri elde edilmektedir. Hidrodinamik karakteristiğini belirleyen en önemli değerler hidrostatik katsayılar ve hidrodinamik etkiler göz önünde bulundurularak aracın dinamik modeli elde edilmektedir. Araç benzetim modelinin oluşturulması için gerekli parametreler literatürde bulunan REMUS sualtı aracından alınmıştır. Modelleme tamamlandıktan sonra ise elde edilen kinematik ve dinamik denklemler Runge Kutta metodu kullanılarak benzetim modeli doğrulaması gerçekleştirilmiştir.
3 serbestlik dereceli (3- DOF) otonom sualtı aracının yatay düzlemde yörünge kontrolü için oransal türevsel denetleyici (PD), geriadımlamalı denetleyici (GD), kayan kipli denetleyici (KKD) ve doğrusal quadratik denetleyici (LQR) olmak üzere dört çeşit denetleyici tasarlanmıştır. Her kontrolcünün MATLAB ortamında hazırlanan doğrusal olmayan araç modeli ile yörünge takibi yapılmıştır.
Son olarak denetleyici performanslarının analizi nümerik simülasyonlar üzerinden yapılmıştır. Tasarlanan kontrol yöntemleri birbirleri ile yörünge takip performansı, kontrol girişleri, kalıcı durum hataları gibi kriterler gözetilerek karşılaştırılmıştır.

Abstract:
Remote operating vehicles (ROVs) have been used for more than half a century in underwater research, guided by an operator with the help of a cable. In recent years, autonomous underwater vehicles (AUVs) have been replacing ROVs in order to increase the safety by reducing human dependence in underwater investigations, and to minimize temporal and economic losses.
Underwater vehicle systems designed for this purpose are becoming more complex systems while being smarter. Especially autonomous underwater vehicles may have to navigate close to the seabed. Due to the floor effect, the hydrodynamic forces and moments acting on the vehicle can change very quickly and effectively, changing the position and orientation of the vehicle. Due to this situation, it is desired that the multi-purpose autonomous underwater vehicles (AUV) have good hydrodynamic performance and can actively correct themselves in a short time and perform the necessary maneuvers in cases where sudden maneuvers are required. Due to this situation, the correct modeling of autonomous underwater vehicles and the robustness of the control systems are becoming the featured topics.
Within the scope of this thesis, controller performances used in the literature have been examined so that autonomous underwater vehicle systems can change direction in a controlled manner in the desired direction and continue to move without deflections on a fixed route after this change. First of all, the necessary axes have been defined in order to develop the simulation model of the autonomous underwater vehicle. The kinematic equations of the vehicle are obtained by making use of the transformations between the defined earth axes and the body axes. The dynamic model of the vehicle is obtained by considering the most important values determining the hydrodynamic characteristics, hydrostatic coefficients and hydrodynamic effects. The necessary parameters for the creation of the vehicle simulation model were taken from the REMUS underwater vehicle in the literature. After deriving the mathematical model of the system, the obtained kinematic and dynamic equations were validated using the Runge Kutta method.
For the horizontal trajectory control of an autonomous underwater vehicle with 3 degrees of freedom (3-DOF), four types of controllers are designed: proportional derivative controller (PD), backstepping controller (BSC), sliding mode controller (SMC) and linear quadratic controller (LQR). Trajectory tracking was performed with the nonlinear vehicle model prepared in the MATLAB environment of each controller. 
Finally, the analysis of the controller performances was made through numerical simulations. The designed control methods were compared with each other by considering criteria such as trajectory tracking performance, control inputs, and steady state errors.