Validación de ley de guiado para vehículos autónomos de superficie
Enviado: 21-06-2024
|Aceptado: 01-08-2024
|Publicado: 03-09-2024
Derechos de autor 2024 Manuel Gantiva Osorio, Guillermo Bejarano, Pablo Millán Gata
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
Descargas
Palabras clave:
Vehículos autónomos de superficie, Navegación, guiado y control de sistemas marinos, Sensores y actuadores, Control no lineal y óptimo de sistemas marinos, Arquitecturas de control en sistemas marinos
Agencias de apoyo:
Agencia Estatal de Investigación (AEI)
Consejería de Fomento, Infraestructuras y Ordenación del Territorio de la Junta de Andalucía
Resumen:
Este artículo presenta la integración y validación experimental de una ley de guiado de línea de visión con estimación de estados en vehículos autónomos de superficie (ASVs), cuyo uso creciente en ambientes marítimos requiere de soluciones de control avanzadas. La investigación aborda el seguimiento de camino, un método comúnmente empleado que no tiene restricciones de tiempo y permite una convergencia precisa a la trayectoria parametrizada deseada. El esquema de control propuesto integra un observador de estado no lineal y un controlador de velocidad PID. Mediante distintas métricas estadísticas se verifica que los resultados experimentales del controlador implementado en un ASV real (Yellowfish) mantienen los errores de seguimiento dentro de umbrales aceptables. Aunque existen desafíos en cuanto a la dinámica de los vehículos y la incidencia de las perturbaciones, el control de seguimiento demostró estabilidad y robustez. Se sugieren futuras mejoras, como la incorporación de un controlador de velocidad más robusto y el uso de estimaciones de perturbaciones para mejorar el rendimiento global del controlador.
Citas:
ArduPilot-Dev-Team, 2024. Guía del usuario de ardupilot. © Copyright 2024, ArduPilot Dev Team. URL: https://ardupilot.org
Bejarano, G., Sufiyan, N.-Y., 2020. Velocity estimation and robust non-linear path following control of autonomous surface vehicles. IFAC-PapersOnLine 53 (2), 14674-14679. https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2020.12.1479
Bejarano, G., Sufiyan, N.-Y., Orihuela, L., 2022. Velocity and disturbance robust nonlinear estimator for autonomous surface vehicles equipped with position sensors. IEEE Transactions on Control Systems Technology 30 (5), 2235-2242. https://doi.org/10.1109/TCST.2021.3136334
Bibuli, M., Bruzzone, G., Caccia, M., Lapierre, L., 2009. Path-following algorithms and experiments for an unmanned surface vehicle. Journal of Field Robotics 26 (8), 669-688. https://doi.org/10.1002/rob.20303
Bonache Seco, J., Dormido Canto, J., Montalvo Martinez, M., López-Orozco, J., Besada Portas, E., De la Cruz Garcia, J., Dec. 2017. Centro de control de tierra para colaboración de vehículos autónomos marinos. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 15 (1), 1. https://doi.org/10.4995/riai.2017.8737
Borhaug, E., Pavlov, A., Pettersen, K. Y., 2008. Integral los control for path following of underactuated marine surface vessels in the presence of constant ocean currents. 2008 47th IEEE Conference on Decision and Control, 4984-4991. https://doi.org/10.1109/CDC.2008.4739352
Breivik, M., Fossen, T., 2005. Guidance-based path following for autonomous underwater vehicles. In: Proceedings of OCEANS 2005 MTS/IEEE. IEEE. https://doi.org/10.1109/OCEANS.2005.1640200
Cerrada Collado, C., Chaos García, D., Moreno-Salinas, D., Aranda Almansa, J., Apr. 2023. Ley de control óptima de un auv funcionando con un único motor. Revista Iberoamericana de Automática e Informática industrial 20 (4), 389-400. https://doi.org/10.4995/riai.2023.19034
Chen, M., Chen, S., Wu, Q., Nov. 2016. Sliding mode disturbance observerbased adaptive control for uncertain mimo nonlinear systems with deadzone. International Journal of Adaptive Control and Signal Processing 31 (7), 1003-1018. https://doi.org/10.1002/acs.2744
Deng, Y., Zhang, X., Zhang, G., Oct. 2020. Line-of-sight-based guidance and adaptive neural path-following control for sailboats. IEEE Journal of Oceanic Engineering 45 (4), 1177-1189. https://doi.org/10.1109/JOE.2019.2923502
Fossen, T. I., 2011. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control. John Wiley & Sons. https://doi.org/10.1002/9781119994138
Fossen, T. I., Pettersen, K. Y., Galeazzi, R., 2014. Line-of-sight path following for dubins paths with adaptive sideslip compensation of drift forces. IEEE Transactions on Control Systems Technology 23 (2), 820-827. https://doi.org/10.1109/TCST.2014.2338354
Gantiva, M., Millán Gata, P., Bejarano Pellicer, G., 2024. Implementation and evaluation of state observers and motion controllers in autonomous surface vehicle. In: 11th International Workshop on Marine Technology (MARTECH 2024). No. 23. Instrumentation viewpoint, pp. 16-17. URL: http://hdl.handle.net/2117/411432
Gu, N., Wang, D., Peng, Z., Wang, J., Han, Q.-L., 2022. Advances in line-ofsight guidance for path following of autonomous marine vehicles: An overview. IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems 53 (1), 12-28. https://doi.org/10.1109/TSMC.2022.3162862
Lekkas, A. M., Fossen, T. I., 2014. Integral los path following for curved paths based on a monotone cubic hermite spline parametrization. IEEE Transactions on Control Systems Technology 22 (6), 2287-2301. https://doi.org/10.1109/TCST.2014.2306774
Liu, L.,Wang, D., Peng, Z., Apr. 2017. Eso-based line-of-sight guidance law for path following of underactuated marine surface vehicles with exact sideslip compensation. IEEE Journal of Oceanic Engineering 42 (2), 477-487. https://doi.org/10.1109/JOE.2016.2569218
Macenski, S., Foote, T., Gerkey, B., Lalancette, C., Woodall, W., 2022. Robot operating system 2: Design, architecture, and uses in the wild. Science Robotics 7 (66). https://doi.org/10.1126/scirobotics.abm6074
Miao, J., Wang, S., Tomovic, M. M., Zhao, Z., Jun. 2017. Compound lineof- sight nonlinear path following control of underactuated marine vehicles exposed to wind, waves, and ocean currents. Nonlinear Dynamics 89 (4), 2441-2459. https://doi.org/10.1007/s11071-017-3596-9
Morel, T. A., Bejarano, G., Manzano, J. M., Orihuela, L., 2022a. Experimental validation of robust non-linear state observers for autonomous surface vehicles equipped with position sensors. In: 2022 IEEE Conference on Control Technology and Applications (CCTA). IEEE, pp. 357-362. https://doi.org/10.1109/CCTA49430.2022.9966024
Morel, T. A., Manzano, J. M., Bejarano, G., Orihuela Espina, D. L., et al., 2022b. Modelling and identification of an autonomous surface vehicle:Technical report. URL: http://hdl.handle.net/20.500.12412/3270
Morel, T. A., Orihuela Espina, L., Bejarano Pellicer, G., 2023. Modelling and identification of an autonomous surface vehicle. In: 10th International Workshop on Marine Technology (MARTECH 2023). No. 22. Instrumentation viewpoint, pp. 32-33. URL: http://hdl.handle.net/2117/392009
Peng, Z., Wang, J., Wang, D., Han, Q.-L., 2020. An overview of recent advances in coordinated control of multiple autonomous surface vehicles. IEEE Transactions on Industrial Informatics 17 (2), 732-745. https://doi.org/10.1109/TII.2020.3004343
Skjetne, R., Fossen, T. I., Kokotovi'c, P. V., Feb. 2005. Adaptive maneuvering, with experiments, for a model ship in a marine control laboratory. Automatica 41 (2), 289-298. https://doi.org/10.1016/j.automatica.2004.10.006
Vacca Sisterna, C., Serrano, E., Scaglia, G., Rossomando, F., Dec. 2021. Control mixto para el seguimiento de trayectoria en buques marinos. Revista Iberoamericana de Autom'atica e Inform'atica industrial 19 (1), 27-36. https://doi.org/10.4995/riai.2021.15027
Wang, N., Sun, Z., Yin, J., Zou, Z., Su, S.-F., 2019. Fuzzy unknown observerbased robust adaptive path following control of underactuated surface vehicles subject to multiple unknowns. Ocean Engineering 176, 57-64. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.02.017
Yu, C., Liu, C., Lian, L., Xiang, X., Zeng, Z., Sep. 2019. Elos-based path following control for underactuated surface vehicles with actuator dynamics. Ocean Engineering 187, 106139. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.106139
Zereik, E., Bibuli, M., Miˇskovi'c, N., Ridao, P., Pascoal, A., 2018. Challenges and future trends in marine robotics. Annual Reviews in Control 46, 350-368. https://doi.org/10.1016/j.arcontrol.2018.10.002
