Faglig innhold

Matematisk modellering og simulering av fartøybevegelse i 6 frihetsgrader. Dette inkluderer modellering av skip, flytende plattformer, fly, autonome undervannsfarkoster (AUV), ubemannede overflatefartøy (USV), 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, programmering 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 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 for integrasjon av globale satelittnavigasjonssystemer (GNSS) og treghetssensorer (attityde ratesensorer og aksellerometer).

Læringsutbytte

Kunnskap: Inngående kunnskap om gaidings-, navigasjons- og styresystemer for marine fartøy, fly og ubemannede farkoster (AUV, USV 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, 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 Matlab 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