Faglig innhold

Matematisk modellering og simulering av fartøy- og dronebevegelse i 6 frihetsgrader. Dette inkluderer modellering av skip, fly, autonome undervannsfarkoster (AUV), førerløse overflatefartøy (USV), og førereløse fly (UAV). Introduksjon til aerodynamikk, hydrodynamikk og sjøbelastninger samt modellering av miljøkrefter (bølger, havstrømmer og vind). Kinematikk (Euler-vinkler og enhets-kvaternioner), transformasjoner, rotasjonsmatriser, geografiske og skrogfaste koordinatsystemer, stivt-legeme dynamikk og vektoriell mekanikk. Metoder for konstruksjon, programmering og implementering av navigasjon, veiledning og styresystemer (GNC) for fartøy i luft og vann. Dette inkluderer simulering og testing av styresystemer med feil under varierende påvirkning av miljøkrefter. Fokus er plassert på klassiske veiledningssystemer inkludert forfølgelse- og siktelinjemetoder for banefølging. Anvendt reguleringsteknikk inkludert optimalisering, tilstandsestimering (Kalman filter), ulineær estimatorer, PID styresystemer med utvidelse til ulineære systemer, Lyapunov-metoder, glideflateregulering, linearisering ved tilbakekobling, ulineære metoder basert på rekursiv Lyapunov-analyse og passivitetsbaserte metoder. Autopilot design, dynamisk posisjonering, attitydestabilisering, rulldemping, høyde- og dybdestyringssystemer, sensor- og navigasjonssystemer samt bølgefiltrering. Estimatorer og feiltilstand Kalman-filter (ESKF) for sensorfusjon av globale satellittnavigasjonssystemer (GNSS) og treghetssensorer (IMU) med 9 frihetsgrader, som inkluderer treakse attityderatesensorer, akselerometer og magnetometer.

Læringsutbytte

Kunnskap: Inngående kunnskap om navigasjons-, styre- og reguleringssystemer for marine fartøy, fly og førerløse droner (AUV, USV og UAV). Være i stand til å lese samt forstå metoder publisert i litteraturen samt evaluere og sammenligne disse mot metoder som brukes i praktiske systemer. Ferdighet: Konstruksjon, programmering og implementasjon av styringssystemer for skip, havkonstruksjoner, undervannsfartøyer, fly og autonome farkoster. Være i stand til å simulere fartøybevegelse og reguleringssystemer for fartøyer utsatt for vind-, strøm- og bølgekrefter. Selvstendig gjennomføre mindre utviklingsprosjekter og bidra aktivt i større prosjekter. Generell kompetanse: Kommunisere om faglige problemstillinger både med spesialister og allmennheten.

Læringsformer og aktiviteter

Digitale forelesninger, problembaserte forelesninger med programmering og dataøvinger i Matlab. Et hjemmeprosjekt på UAV flystyringssystemer. Introduksjon og bruk av MSS Toolbox https://github.com/cybergalactic/MSS. Målet med dataøvingene er å simulere og teste egne utviklede bevegelsestyringssystemer for marine fartøy, fly, droner og autonome farkoster.

Obligatoriske aktiviteter

• Øvingsoppgaver
• Rapport flystyringssystemer

Spesielle vilkår

Anbefalte forkunnskaper

Kjennskap til ulineære systemer (Lyapunov-analyse) f.eks. TTK4150 Ulineære systemer (kapittel 4 i H. K. Khalil, Nonlinear Systems, 3rd ed., Prentice Hall, 2002).

Forkunnskapskrav

Et fag i reguleringsteknikk eller automatiseringsteknikk som dekker stabilitetsteori for lineære systemer, metoder for analyse i frekvensplanet (Bodediagrammer) og PID-regulering. TTK4115 Lineær systemteori, alternativt et fag som dekker optimalregulering og estimeringsteori (Kalman filter).

Kursmateriell

• Fossen, T. I. Handbook of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. John Wiley & Sons Ltd, 2nd edition, 2021.
• Beard, R. W. and T. W. McLain. Small Unmanned Aircraft. Theory and Practice. Princeton University Press, 2012.

Studiepoengreduksjon