Faglig innhold

Matematisk modellering og simulering av fartøybevegelse i 6 frihetsgrader. Dette inkluderer modellering av skip, flytende plattformer, fly, autonome undervannsfarkoster (AUV) og ubemannede 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 og implementering av systemer for gaiding, navigasjon og bevegelsestyring (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 gaidingsprinsipper inkludert siktelinjemetoder og baneplanlegging. Anvendt reguleringsteknikk inkludert optimalregulering med 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, vibrasjonsdemping, sensor- og navigasjonssystemer samt bølgefiltrering. Estimatorer og feiltilstand Kalman filter for integrasjon av globale satelittnavigasjonssystemer (GNSS) og treghetssensorer (gyroer og aksellerometer).

Læringsutbytte

Kunnskap: Inngående kunnskap om gaidings-, navigasjons- og styresystemer for marine fartøy, fly og ubemannede farkoster (AUV og UAV systemer). 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 og implementasjon av styringssystemer for skip, havkonstruksjoner, undervannsfartøyer, fly og ubemannede 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

Forelesninger og dataøviner i Matlab og Simulink. 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 og ubemannede fartøy.

Obligatoriske aktiviteter

• Øvingsoppgaver
• Rapport flystyringssystemer

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

TTK4105 Reguleringsteknikk, alternativt AIS 2002 Reguleringsteknikk, IELET2002 Reguleringsteknikk eller TTK4230 Automatiseringsteknikk. TTK4115 Lineær systemteori, alternativt et fag som dekker lineær-kvadratisk optimal regulering 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