Development of autonomous navigation for hydrographic-survey robotic catamaran
โดย คุณากร อนุวัตพาณิชย์
ปี 2561
บทคัดย่อ
งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาระบบนำทางและระบบเก็บข้อมูลทางอุทกศาสตร์ในหุ่นยนต์เรือแบบสองทุ่น และ พัฒนาระบบรองรับการสั่นสะเทือนทางกลในหุ่นยนต์เรือสองทุ่นแบบปรับตัวตามคลื่นน้ำรวมทั้งการศึกษาตรรกะระบบนำทางอัตโนมัติด้วยตัวควบคุมแบบ L[ห้อย1] และการสร้างกลุ่มจุดจากเลเซอร์แสดงรายละเอียดของสภาพแวดล้อมในแหล่งน้ำด้วยการบูรณาการข้อมูลจากเซนเซอร์ต่างๆร่วมกัน
การทดลองในงานวิจัยนี้จะแบ่งออกเป็น 3 ส่วนหลัก ส่วนแรกเป็นการทดลองระบบรองรับการสั่นสะเทือนทางกลแบบอยู่กับที่และเคลื่อนที่สำหรับหุ่นยนต์เรือสองทุ่นแบบปรับตัวตามคลื่นน้ำ ส่วนที่สองเป็นการศึกษาพฤติกรรมการติดตามเส้นวิถีโคจรแบบตรงของหุ่นยนต์เรือสองทุ่นขนาดเล็กและรถสี่ล้อที่มีผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงค่าระยะการขจัด L[ห้อย1], อัตราส่วนความหน่วง (z), และค่าอัตราขยายมุมหันเห (Kps) ในตัวควบคุมแบบ L[ห้อย1] และในส่วนสุดท้ายเป็นการทดลองเก็บข้อมูลจากเซนเซอร์จีพีเอส เลเซอร์ วัดความเฉื่อย วัดความลึกน้ำและการบูรณาการร่วมกันเพื่อแสดงรายละเอียดสภาพแวดล้อมในลำน้ำ
ผลการศึกษาระบบรองรับการสั่นสะเทือนทางกลพบว่าความถี่จากอินพุตและผลตอบสนองจะมีค่าใกล้เคียงกันเนื่องจากระบบสั่นสะเทือนเป็นแบบหน่วงเกิน แต่อัตราการส่งผ่านระยะขจัดลดลงได้ 50 เปอร์เซ็นต์ ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ จากโครงสร้างของเรือสองทุ่นแบบปรับตัวตามคลื่นน้ำ ในส่วนผลการศึกษาพฤติกรรมติดตามเส้นวิถีโคจร จากการเปลี่ยนแปลงค่าระยะการขจัด L[ห้อย1] พบว่าถ้า L[ห้อยt1] มีค่าน้อยส่งผลให้หุ่นยนต์แสดงพฤติกรรมเคลื่อนที่แกว่งกลับไปมา แต่ถ้า L[ห้อย1] มีค่ามากส่งผลให้หุ่นยนต์เคลื่อนที่ลู่เข้าหาเส้นล่าช้า การเพิ่ม Z จนเข้าใกล้จะช่วยให้การเคลื่อนที่ลู่เข้าหาเส้นได้ราบเรียบและไม่แสดงพฤติกรรมการเคลื่อนที่แกว่งกลับไปมา และการเพิ่มให้สูงขึ้นจะช่วยให้หุ่นยนต์ติดตามเส้นได้ดีมากขึ้น และสำหรับในส่วนผลการบูรณาการข้อมูลจากเซนเซอร์ต่างๆร่วมกันเพื่อแสดงรายละเอียดวัตถุเหนือผิวน้ำ พบว่ามีองค์ประกอบภาพยังไม่สมบูรณ์จากความผิดพลาดของมุมหันเห 12psK
ABSTRACT
The purposes of this research were to develop a system of navigation and hydrographic data collection for robotic catamarans, and a system of vibration suppression for wave-adaptive catamarans. Also, autonomous waypoint tracking systems using an L[Subscript1] controller and laser point-cloud data reconstruction, displayed above water-level through the integration of data from different sensors were studied.
The experiments in this research are composed of 3 main parts. First, the experiments on a vibration suppression system for wave-adaptive catamarans were performed at the stationary base and in motion. Second, the behavior studies of small robotic catamarans and four-wheel cars during straight-line tracking influenced by variations in L[Subscript1] displacement, damping ratio (z) and heading proportional gain (Kps) in the L[Subscript1] controller were examined. Last, the hydrographic data collection and integration from GPS, laser scanner, IMU and echo sounder to present detailed views of environment in waterways were studied.
From the vibration suppression experiments, input and output frequency responses were in the same-order of magnitude because of overdamped characteristics of shock absorbers. However, the mechanism of the wave-adaptive catamaran could reduce displacement transmissibility up to 50-60 Percent. For trajectory-tracking behavior studies by adjusting the L[Subscript1] displacement parameter, the small L[Subscript1] value caused oscillatory response while the large L[Subscript1] value resulted in a slow approach to the straight-line trajectory. When increasing z closed to , the straight-line tracking became smoother and did not exhibit oscillatory behaviour. And, increasingcould help robots to better track along straight lines. Lastly, the experiments on data integration could provide detailed environment above water-level. However, a detailed environment reconstruction was imperfect due to error from yaw angle. 12psK
Download : การพัฒนาระบบนำทางแบบอัตโนมัติสำหรับหุ่นยนต์เรือสองทุ่นเก็บข้อมูลทางอุทกศาสตร์