Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Robust motion control strategies for hydrofoil-equipped naval vessels considering scaling effects.
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Robusta rörelsestyrningsstrategier för bärplansutrustade vattenfarkoster rörande skalningseffekter. (Swedish)
Abstract [en]

Hydrofoil-equipped naval vessels are not new. The technique appeared at the beginning of the 20th century and there are still new developments within the field. The main principle of hydrofoils is to use fluid dynamics to generate lift much like an aircraft and lift the hull of the craft out of the water, thus reducing drag while traversing the water surface. At KTH, Royal Institute of Technology a new craft called FoilCart has been built using this principle. Due to the design, the motion control resembles that of an inverted pendulum which is a classical control problem with many ways of reaching stable behavior. Previous studies have focused on pitch actuation, however the FoilCart incorporates roll actuation through hydrofoils as well which opens up new possibilities on movement.

The nature of this inverted pendulum is therefore also made more complex by being in several degrees of freedom, rotating and translating around multiple axes. The idea is to assess the impact this has on overall robustness and stability by studying possible coupling effects between roll and pitch. The thesis also aims to study possible scaling effects when the physical parameters of the prototype are changed. This is done as an important assessment of the craft as an autonomous drone as the craft may be used for sea mapping purposes in which energy usage efficiency is essential.

Multiple control algorithms are considered, classic PID as well as linear quadratic methods and later on used and tested through simulation in Simscape Multibody as means of verification. Further strategies on motion control are developed to increase stability and robustness by extending the amount of controllable variables. Results show that the coupling effects are minimal when the system is disturbed and suggests that the rather simplified control design is feasible, this however can only be said when moving about the equilibrium point as a linearization is done. Concerning scaling effects the craft needs a faster response of control that puts higher requirements on hardware when scaled down. For example with relatively slow servos to actuate the system, it exhibits oscillatory behavior. Also measurement noise is amplified to a higher extend which may cause unwanted behavior.

Abstract [sv]

Bärplansutrustade fartyg är inte något som är särskilt nytt. Tekniken går så långt tillbaka som början av 1900-talet och nya framsteg görs inom området. Huvudprincipen för bärplan är att använda flödesdynamik för att generera lyftkraft likt ett flygplan och lyfta fartygets skrov ur vattnet, vilket i sin tur minskar motståndet när farkosten förflyttar sig. På KTH har en ny typ av båt konstruerats som bygger på denna princip kallad FoilCart. Dess konstruktion gör att dess rörelsestyrning påminner om en inverterad pendel vilket är ett klassiskt kontrollproblem vilket kan lösas på många olika sätt. Tidigare studier har inriktat sig på rörelse runt lutningsaxeln, men FoilCart-prototypen innefattar även rörelse kring rullningsaxeln.

Beteendet hos denna inverterade pendel är därför också mer komplext genom att vara i flera frihetsgrader, roterande och translaterande runt flera axlar. Tanken är att bedöma vilken inverkan detta har på övergripande robusthet och stabilitet genom att studera möjliga kopplingseffekter mellan rullning och lutning. Avhandlingen syftar också till att studera möjliga skalningseffekter när prototypens fysiska parametrar ändras. Detta görs som en viktig bedömning av farkosten som en autonom drönare, eftersom den kanske kan användas för kartläggning av havsdjup där energieffektivitet är mycket väsentlig.

Flera kontrollalgoritmer utvärderas så som klassiska PID och linjära kvadratiska metoder. Dessa används och testas genom simulering i Simscape Multibody som ett sätt att verifiera funktion. Ytterligare strategier för rörelsestyrning utvecklas även för att öka stabiliteten och robustheten genom att t ex öka mängden kontrollerbara variabler. Resultaten visar att kopplingseffekterna är minimala när systemet utsätts för störningar och pekar på att den förenklade reglerkonstruktionen är möjlig, men detta kan bara konstateras när rörelsen sker kring jämviktspunkten eftersom en linjärisering görs. När det gäller skalningseffekter behöver farkosten ett snabbare svar från kontrollern som i sin tur ställer högre krav på hårdvaran när farkosten skalas ner. Till exempel med relativt långsamma servos för att styra systemet uppstår ett oscillerande beteende. Ökad frekvens i reglerslingan innebär också en ökad förstärkning av högfrekvent brus vilket kan leda till oönskat beteende

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 94
Series
TRITA-EECS-EX ; 2019:399
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-263126OAI: oai:DiVA.org:kth-263126DiVA, id: diva2:1366642
External cooperation
Maritime Robotics Lab, KTH
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-10-30 Created: 2019-10-30 Last updated: 2019-10-30Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(5067 kB)16 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 5067 kBChecksum SHA-512
07b79b08bbc1f60da85fdfb95e0fa60f2192c498fff661fdb0cf431324dbd4294cabf6cc25cf3e14ad612b16b3f392e9360839ef828872aa1b8eda3af1d23161
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Industrial Engineering and Management (ITM)
Engineering and Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 16 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 87 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf