การควบคุมการเคลื่อนที่ของเรือคายัคตามจุดพิกัดที่กำหนด

Abstract

งานวิจัยนี้เป็นการออกแบบและสร้างการควบคุมการเคลื่อนที่ของเรือคายัคให้เคลื่อนที่ตามจุดพิกัดที่กำหนด โดยใช้ระบบควบคุมแบบป้อนกลับตัวแปรสภาวะซึ่งนำไปประยุกต์ใช้กับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของสมการพลศาสตร์ของเรือ และสร้างระบบควบคุมแบบป้อนกลับตัวแปรสภาวะ (Full-State Feedback Control) ที่ใช้ร่วมกับเทคนิคการประมาณค่าตัวแปรสภาวะ (Observer) เพื่อไปประยุกต์ใช้กับเรือคายัคจริง ในการทดสอบระบบควบคุมแบบป้อนกลับตัวแปรสภาวะกับแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของเรือคายัคได้ประยุกต์ใช้ร่วมกับ เทคนิคการประมาณค่า 2 แบบคือ 1) Full-Order Observer และ 2) Reduced-Order Observer ซึ่งการประมาณค่าตัวแปรสภาวะทั้งสองแบบ สามารถทนต่อสัญญาณรบกวนภายนอกได้ตามค่าความผิดพลาดของเซนเซอร์จริง และทนต่อการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของเรือคายัค ซึ่งสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเรือลำอื่นได้ ในส่วนของการประยุกต์ใช้งานจริงกับเรือคายัคจริงที่ยาว 3.85 m โดยตัวแปรสภาวะของเรือคายัคจริงทั้งตำแหน่งและทิศทาง และอัตราเลี้ยวของหัวเรือนั้น ได้รับสัญญาณจาก GPS และ IMU ตามลำดับ โดยในการทดลองได้ทดสอบกำหนดจุดพิกัดการเคลื่อนที่เป็นแบบวงกลมและแบบรูปตัว (S) กลับด้านหรือแบบตาราง จากผลการทดลองเรือคายัคจริง จะเห็นว่าเรือเคลื่อนที่ตามจุดพิกัดที่กำหนดไว้ได้ แต่ความแม่นยำในการเคลื่อนที่เข้าหาจุดที่กำหนดไว้ของเรือที่ทดสอบมีความแม่นยำน้อย เมื่อเปรียบเทียบกับ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เนื่องมาจากเราไม่ทราบค่าพารามิเตอร์ของเรือคายัคจริงที่แน่นอน ซึ่งสามารถปรับปรุงการเคลื่อนที่ของเรือ ให้มีความแม่นยำมากขึ้นได้ โดยการปรับค่าคงที่ของระบบป้อนกลับ

In this research, motion controller is designed and constructed for a kayak boat to track the determined positions by using a state-variable feedback-control system. First, this controller is applied to control a mathematical model of the kayak boat dynamics. Second, this full-state feedback controller combining with an observer estimator is applied to control the real kayak boat. In position-tracking control tests with dynamics model of kayak boat, the state variable feedback controller is employed with two types of the observer estimators 1) Full-Order Observer and 2) Reduced-Order Observer. Both of these observers can still perform well in the presence of the external sensor noise varying within the range of actual sensors and of the difference kayak hydrodynamic parameters. This implies that this controller can be applied to other boats as well. In the real application with 3.85-meters long kayak boat, states including position and boat heading and rate of heading are feedbacked from GPS and IMU sensors, respectively. Two experimental tests are set up for waypoints of a circular pattern and a reverse S shape or grid patter Actual tested results with the real kayak show that position tracking accuracy of the real kayak is less than that of the dynamics simulation of the mathematical kayak model because the actual kayak hydrodynamics parameters are unknown. To improve the position tracking accuracy, we can further adjust pole positions or gains of the feedback system such that a better performance can be achieved.