İnsansız su üstü araçlarının yol takibi için kullanılan güdüm yasalarının optimizasyonu ve yeni bir algoritmanın geliştirilmesi
Optimization of guidance laws used for path following of unmanned surface vehicles and development of a novel algorithm
Yazar: OSMAN ÜNAL
Danışman: DOÇ. NURİ AKKAŞ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN ATALI
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Denizcilik = Marine ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Arduino tabanlı bir İnsansız Su Üstü Aracı (İSÜA) tasarlanmıştır. İSÜA'nın tasarımında, uydudan konum verisi almak için GY-NEO6MV2 GPS modülü, anlık olarak rota açısını belirlemek için QMC5883 GY-271 3 eksen pusula sensörü ve çift yönlü veri aktarımı yapabilmek için NRF24L01 2.4 GHz kablosuz haberleşme modülü  kullanılmıştır. İSÜA'nın hareketini sağlayan iki adet fırçasız motor, ısınmalarını engellemek amacıyla teknenin su ile doğrudan temas eden dış kısmına entegre edilmiştir. İSÜA'nın optimal güdümü ve denetimi için literatürde yer alan yol takip algoritmalarının sayısal benzetimi yapılmıştır. Havuç kovalama güdüm yasasına (carrot chasing guidance law), doğrusal olmayan güdüm yasasına (nonlinear guidance law) ve vektör alanı güdüm yasasına (vector field guidance law) ait kritik parametreleri optimize edebilmek için genetik algoritma (genetic algorithm), desen arama (pattern search), benzetimli tavlama (simulated annealing) ve vekil model (surrogate) optimizasyon teknikleri ayrı ayrı kullanılmıştır. Böylece yol takip hataları minimuma indirilerek farklı optimizasyon yöntemlerinin mevcut güdüm yasaları üzerindeki performansı incelenmiştir. Ayrıca Arduino tabanlı kartlara kolayca gömülebilen, etkili ve kararlı yeni bir güdüm yasası tasarlanmıştır. Muhakeme esaslı güdüm yasası (MEGY) olarak isimlendirilen bu yeni yol takip algoritması, İSÜA'nın belirlenen rotadan uzaklığını ve rotadan sapma açısını göz önünde bulundurarak yol takip hatalarını diğer yöntemlere göre daha çok azaltmaktadır. Küresel optimizasyon yöntemleri, geliştirilen MEGY'ne entegre edilerek hangi optimizasyon yönteminin en az yol izleme hatasını verdiği belirlenmiştir. Ayrıca MEGY, kullandığı uyarlamalı zaman adımları sayesinde optimizasyonun ve sayısal benzetimin tamamlanması için geçen süreyi klasik yöntemlere göre ciddi oranda düşürmektedir. Bunun yanı sıra, yüksek mertebeden sayısal türev alma ve yüksek mertebeden sayısal integral alma teknikleri, literatürde yaygın olarak kullanılan PID denetleyicisine uyarlanarak sayısal hatalar azaltılmıştır. Bu çalışmada geliştirilen güdüm yasası ve denetleyici, Arduino tabanlı İSÜA'ya gömülmüştür. Dijital pusula sensöründen gelen anlık rota açısı ile GPS modülünden gelen konum bilgisi giriş verileri ve fırçasız motorların denetiminin sağlandığı PWM 5 ve 6 pinleri çıkış verileri olacak şekilde kapalı bir döngü oluşturulmuştur. Son olarak tasarımı, güdümü ve denetimi tamamlanan İSÜA'nın test sürüşleri yapılarak, gerçek hayatta uygulanabilirliği kanıtlanmıştır.

Abstract:
In this study, an Arduino-based Unmanned Surface Vehicle (USV) was designed. GY-NEO6MV2 GPS module to receive location data from the satellite, QMC5883 GY-271 3-axis compass sensor to instantly determine the route angle, and NRF24L01 2.4 GHz wireless communication module to provide bi-directional data transfer were used in the designed USV. The two brushless dc motors that move the USV are integrated to the outer part of the boat that comes into direct contact with the sea water in order to prevent them from overheating. Numerical simulations of path following algorithms in the literature have been developed for optimal guidance and control of the USV. Genetic algorithm, pattern search, simulated annealing and surrogate optimization techniques were separately used to optimize the critical parameters of the carrot chasing guidance law, nonlinear guidance law and vector field guidance law. Thus, cross tracking errors were minimized and the performance of different optimization methods on traditional guidance laws was examined. Additionally, a novel effective and stable guidance law that can be easily embedded into Arduino-based boards has been designed. This novel path following algorithm, called the discernment-based guidance law (DBGL), reduces cross tracking errors more than other methods by taking into account the distance of the USV from the predefined path and the angle of deviation from the route. Global optimization methods were integrated into the developed DBGL and it was determined which optimization method gave the least cross tracking error. In addition, DBGL significantly reduces the time taken to complete the optimization and numerical simulation compared to classical methods, owing to the adaptive time steps it uses. In addition, numerical errors have been reduced by adapting higher-order numerical derivative and higher-order numerical integration techniques to the PID controller, which is widely used in the literature. The guidance law and controller developed in this study have been embedded in the Arduino-based USV. A closed loop has been completed with the input data (instantaneous course angle coming from the digital compass sensor and the location information coming from the GPS module) and the output data (PWM pins 5 and 6 which control the brushless motors). Finally, the USV, whose design, guidance and control was completed, has been tested and its applicability in real life has been proven.