هیدروفیزیک

هیدروفیزیک

کنترل حرکت یک شناور بدون سرنشین بادبانی در معرض اغتشاشات و جریانات سطحی بر اساس الگوریتم تلفیقی خطی‌سازی فیدبک بهینه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمدرضا جلیلی 1
احمدرضا ولی 1
محمدعلی علیرضاپوری 2
حسین نورمحمدی 3
1 دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، ایران
2 دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، ایران.
3 پژوهشکده علوم و فناوری شمال، دانشگاه صنعتی مالک‌اشتر، ایران
چکیده
در این مقاله، طراحی کنترل‌کننده سمت و سرعت یک قایق بادبانی بدون‌سرنشین بررسی می‌شود که از نیروی باد طبیعی، به‌طور مؤثر جهت پیمایش مسیر در دریا استفاده می‌کند. در این پژوهش با توجه به معادلات غیرخطی حاکم بر دینامیک قایق بادبانی و اعمال اغتشاشات ناشی از جریان‌های آبی در معادلات دینامیک، از دو کنترل‌کنندۀ مجزا برای کنترل سمت و سرعت قایق بادبانی در حضور اغتشاشات، استفاده شده است. در روش پیشنهادی، برای تعقیب زاویۀ سمت مطلوب از کنترل فیدبک خطی‌ساز ورودی-خروجی و برای کنترل سرعت، از یک کنترل‌کننده‌ ابتکاری بهینه با هدف کنترل زاویۀ بادبان، جهت بیشینه نمودن سرعت، استفاده شده است. در روش خطی‌سازی فیدبک، با حذف جمله‌های غیرخطی، سیستم خطی شده و سپس کنترل‌کنندۀ سمت مناسب، به گونه‌ای طراحی می‌شود که خروجی، ورودی مطلوب را ردیابی کند. با طراحی کنترل‌کنندۀ زاویۀ بادبان، سرعت بیشینه، متناسب با سمت و سرعت حقیقی باد، به دست خواهد آمد. نتایج شبیه‌سازی با روش کنترل  PID  مقایسه و مشاهده شد که روش کنترل فیدبک خطی‌ساز بهینه، سمت مرجع را در یک بازه زمانی کوتاه‌تری (حدود 20 ثانیه) در برخی سمت‌های مرجع، دنبال نموده است و در کنترل سرعت شناور، به‌صورت میانگین، حدود 20 درصد افزایش سرعت، نسبت به روش کنترل PID حاصل شده است.
کلیدواژه‌ها
قایق بادبانی بدون سرنشین
زاویه‌ی بادبان
زاویه‌ی سکان
‌خطی‌سازی فیدبک

موضوعات

عنوان مقاله English

Motion Control of an Unmanned Sailing Boat Subject to Surface Disturbances Based on an Integrated Optimal Feedback Linearization Algorithm

نویسندگان English

Mohammad reza Jalili 1
Ahmadreza Vali 1
Mohammadali Alirezapouri 2
Hossein Nourmohammadi 3
1 Department of Electrical, Forestry and Cybernetic Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Iran
2 Department of Electrical, Forestry and Cybernetic Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Iran
3 Department of Northern Research Center & Technology, Malek Ashtar University of Technology, Iran
چکیده English

This article presents the design of heading and speed controllers for an unmanned sailing boat that effectively utilizes natural wind power to navigate maritime paths. Considering the nonlinear dynamics governing the sailboat and the disturbances caused by water currents, two separate controllers are employed to manage the heading and speed under these perturbations. The proposed method uses an input-output feedback linearization controller to track the desired heading angle, while an innovative optimal controller regulates the sail angle to maximize speed. In the feedback linearization approach, nonlinear terms are canceled to linearize the system, enabling the design of a heading controller that ensures the output accurately follows the desired input. The sail angle controller is designed to achieve maximum speed based on the actual wind direction and speed. Simulation results, compared with a conventional PID control method, show that the optimal feedback linearization controller tracks the reference heading faster—by approximately 20 seconds in some cases—and achieves an average speed increase of about 20% over the PID controller.

کلیدواژه‌ها English

Unmanned sailboat
Sail angle
Rudder angle
Feedback Linearization
[1]  Manley J. Unmanned surface vehicles, 15 years of development2008. 1-4 p.
[2] Santos D, Gonçalves L. A gain-scheduling control strategy and short-term path optimization with genetic algorithm for autonomous navigation of a sailboat robot. International Journal of Advanced Robotic Systems. 2019;16:172988141882183.
[3] Silva MF, Friebe A, Malheiro B, Guedes P, Ferreira P, Waller M. Rigid wing sailboats: A state of the art survey. Ocean Engineering. 2019;187:106150.
[4] Liu K, Sun Z, Qu Y, Yu J, Huang Y, Zhao W. Research on Key Methods of Autonomous sailboat’s Position Keeping Control2022. 1-6 p.
[5] Zhou L, Chen K, Chen Z, Dong H, Song D, editors. Course Control of Unmanned Sailboat Based on BAS-PID Algorithm. 2020 International Conference on System Science and Engineering (ICSSE); 2020 31 Aug.-3 Sept. 2020.
[6] Wirz J, Tranzatto M, Liniger A, Colombino M, Hesse H, Grammatico S. AEOLUS, the ETH Autonomous Model Sailboat2015.
[7] Wille KL, Hassani V, Sprenger F. Modeling and Course Control of Sailboats. IFAC-PapersOnLine. 2016;49(23):532-9.
[8] Le Gallic M, Tillet J, Jaulin L, Le Bars F. Tight slalom control for sailboat robots. International Robotic Sailing Conference (IRSC); 2018-08-31; Southampton, United Kingdom2018.
[9] Herrero P, Jaulin L, Vehí J. Guaranteed Set-point Computation with Application to the Control of a Sailboat. International Journal of Control, Automation and Systems. 2010;8:1-7.
[10] Abrougui H, Nejim S, Dallagi H. Modeling and Autopilot Design for an Autonomous Catamaran Sailboat Based on Feedback Linearization2019. 130-5 p.
[11] Zhang S, Du X, Hu F-F, Huang J-T, editors. An Associatively Recursive Dynamic Backstepping Control Design for Pure-Feedback Nonlinear Systems. 2021 40th Chinese Control Conference (CCC); 2021: IEEE.
[12] Zhang G, Li J, Li B, Zhang X. Improved Integral LOS Guidance and Path-Following Control for an Unmanned Robot Sailboat via the Robust Neural Damping Technique. Journal of Navigation. 2019;72:1-21.
[13] Zhang G, Li J, Liu C, Zhang W. A robust fuzzy speed regulator for unmanned sailboat robot via the composite ILOS guidance. Nonlinear Dynamics. 2022;110:1-16.
[14] Yingjie D, Xianku Z, Guoqing Z. Fuzzy logic based speed optimization and path following control for sail-assisted ships. Ocean Engineering. 2019;171:300-10.
[15] Abrougui H, Dallagi H, Nejim S. Autopilot Design for an Autonomous Sailboat Based on Sliding Mode Control. Automatic Control and Computer Sciences. 2019;53:393-407.
[16] Abrougui H, Nejim S. Sliding Mode Control of An Autonomous Sailboat2018.
[17] Wille K, Hassani V, Sprenger F. Modeling and Course Control of Sailboats2016.
[18] Xiao L, Jouffroy J. Modeling and Nonlinear Heading Control of Sailing Yachts. IEEE Journal of Oceanic Engineering. 2014.

  • تاریخ دریافت 01 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 24 فروردین 1404
  • تاریخ پذیرش 25 فروردین 1404