Nonlinear feedback control system development for an autonomous river shuttle
Développement d'un système de commande non-linéaire par retour de sortie pour un bateau autonome
Résumé
This thesis presents the development of two different state-feedback controllers to solve the trajectory tracking problem, where the vessel needs to reach and follow a time-varying reference trajectory. This motion problem was addressed to a real-scaled fully actuated surface vessel, whose dynamic model had unknown hydrodynamic and propulsion parameters that were identified by applying an experimental maneuver-based identification process. This dynamic model was then used to develop the controllers. The first one was the backstepping controller, which was designed with a local exponential stability proof. For the NMPC, the controller was developed to minimize the tracking error, considering the thrusters’ constraints. Moreover, both controllers considered the thruster allocation problem and counteracted environmental disturbance forces such as current, waves and wind.The effectiveness of these approaches was verified in simulation using Matlab/Simulink and GRAMPC (in the case of the NMPC), and in experimental scenarios, where they were applied to the vessel, performing docking maneuvers at the Rhine River in Constance (Germany).
Cette thèse porte sur le développement de deux techniques différentes par retour de sortie pour résoudre le problème de suivi automatique de trajectoire, où le bateau doit atteindre et suivre une trajectoire variant dans le temps. Ce problème a été traité pour un bateau entièrement actionné, et dont le modèle dynamique dépend de paramètres hydrodynamiques et du système de propulsion tous deux inconnus et qui ont été identifiés en utilisant une procédure d’identification basée sur des données de manœuvre expérimentales.Le modèle dynamique du bateau obtenu précédemment a ensuite été utilisé pour le développement des lois de commande. La première loi de commande a été conçue en utilisant une technique de type backstepping et une preuve de stabilité exponentielle locale a été obtenue. La deuxième loi de commande utilise une approche de type commande prédictive non linéaire (CPNL). L'objectif de commande consiste alors à minimiser une fonction coût en tenant compte des contraintes sur les actionneurs. Dans les deux cas, le problème d’allocation des actionneurs a été abordé et traité et les effets des perturbations liées au vent, au courant maritime, etc ont été compensés. L'efficacité des approches présentées dans cette thèse ont été vérifiées en simulation, en utilisant Matlab/Simulink et GRAMPC, ainsi que lors de tests expérimentaux réalisés sur un bateau à échelle réelle dans le cadre de manœuvres de docking sur le Rhin à Constance (Allemagne).
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