Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
790540		Full duplex hybrid acoustic/RF communication for underwater networked control systems / Su altı ağ bağlantılı kontrol sistemleri için tam çift yönlü hibrit akustik/RF haberleşme Yazar:SAEED NOURIZADEH AZAR Danışman: PROF. DR. ÖZGÜR GÜRBÜZ ÜNLÜYURT ; DOÇ. DR. AHMET ONAT Yer Bilgisi: Sabancı Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control Dizin:Akustik dalga = Acoustic wave ; Bilgisayar iletişimi = Computer communication ; Emir komuta sistemleri = Command and control systems ; RF = ; Sürü robotiği = Swarm robotics	Onaylandı Doktora İngilizce 2022 148 s.
Heterojen otonom sualtı araçlarının (OSA'lar) sualtı görev planlaması, izlenmesi ve koordinasyonu önemli miktarda zaman ve finansal kaynak gerektirir. Bu durum gerçek deniz ortamına çıkmadan önce insansız su altı araçları (İSAA'lar) arasındaki haberleşme ağının yanı sıra sistem dinamiklerinin gerçekçi bir şekilde modellenmesi için bir simülasyon ortamı oluşturulması gerekliliğini doğurmuştur. Mevcut çözümler, sualtı araçlarının dinamiklerini modelleme yeteneğine sahip olsa da karmaşıklık nedeniyle, önceki çalışmalarda haberleşme ağlarının entegrasyonu dikkate alınmamıştır. Bu konuyu ele almak için, bu tezde gerçek dünya deniz senaryolarının ayrılmaz bir parçası olan İSAA'ların birbirleriyle iletişim kurmasını sağlamak için Ağ bağlantılı kontrol sisteminin (AKS) yeni bir tasarımı ve gerçekçi benzetimi sunulmaktadır. Sualtı haberleşmesi çoğunlukla akustik haberleşmeye dayanır. Akustik haberleşmede kullanılan kontrol kazançları sınırlı bir veri hızı ile birlikte yayılma gecikmesi nedeni ile kısıtlıdır. Bu tezde, uzun mesafeli haberleşme ve kontrol için akustik bağlantının ve kısa mesafede radyo frekansı (RF) bağlantısının bırlıkte kullanıldığı bir Ağ bağlantılı Kontrol Sistemi kurmak için hibrit bir akustik ve RF haberleşme sistemi önerilmiştir. Ayrıca, kullanılan haberleşme kanallarındaki veri hızlarını iyileştirmek için tam çift yönlü (TÇY) haberleşme kullanılması önerilmiştir. Tam çift yönlü haberleşme, yarı çift yönlü haberleşme ile aynı bant genişliğini kullanırken kablosuz bağlantıların veri aktarım hızlarını ikiye katlama potansiyeline sahiptir. Önerilen su altı hibrit ağ bağlantılı kontrol sistemi için bir uygulama olarak, yanaşma manevralarının OSA'lar tarafından gerçekleştirildiği bir senaryo ele alınmıştır. Önerilen senaryoda, akustik veya RF haberleşme yoluyla OSA'ların konumunu belirleyen bir yerleştirme istasyonu bulunmakta ve haberleşme türüne bağlı olarak araçların iletimini koordine etmek için farklı ortam erişim kontrolü (OEK) protokolleri kullanılmaktadır. TÇY haberleşme kullanılarak, su altı hibrit AKS sisteminin, standart yarı çift yönlü haberleşmeden daha hassas ve hızlı yanaşma manevraları yapması mümkün olabilmekte, gerekli seyir verileri daha yüksek sıklıkla sağlanarak AKS'nin daha yüksek verimlilikte çalışması sağlanabilmektedir. OSA'ler yanaşma manevrası yapmak için iki tür kontrolörle donatılmıştır: Orantılı İntegral Türev (PID) ve Lineer Kuadratik Düzenleyici (LQR) kontolörü. Kontrolörün kazançları ve örnekleme süreleri, su altı hibrit AKS'nin çalışmasına göre belirlenir. AKS'de kullanılan haberleşme protokolüne bağlı olarak, paket gecikmeleri, dolayısıyla örnekleme süreleri farklılık gösterebilir, bu da kontrolörün kazanımlarının optimize edilmesini gerektirir. Bu amaçla, bu tezde, PID kontrolör için Sıralı Model Algoritması Konfigürasyonu (SMAC) yöntemi uygulanarak kontrolörün kazançlarının optimizasyonunu önerilmektedir. LQR kontrolör için de, bir OSA'nin hidrodinamiğini matematiksel olarak modelleyerek, sistemlerin bozulmaları ve nonlineerlikleri üzerinde daha iyi kontrol sağlanması amaçlanmıştır. Önerilen su altı ağ bağlantılı kontrol sisteminin gerçek zamanlı davranışı, OSA'ları kontrol etmek için tüm sistemin bütün dinamikleri göz önüne alınarak, farklı simülatörleri birlikte kullanan entegre bir simülasyon ortamında, gerçekçi bir şekilde değerlendirilmektedir. Performans sonuçları, durgun su koşullarında, LQR kullanan önerilen TÇY hibrit AKS'nin yaklaşık 62 saniyelik en kısa yanaşma süresine ulaştığını, TÇY modunda SMAC ile optimize edilmiş yaklaşımın ise yaklaşık 97 saniye sürdüğünü göstermektedir. Ayrıca, LQR kontrolörü ile akustik bağlantıda TÇY modunun kullanılması yanaşma süresini yaklaşık 78 saniye azaltmaktadır. Buna karşılık, PID tabanlı yöntem için yerleştirme (kenetlenme) süresi neredeyse ikiye katlanarak 148 saniyeye çıkmıştır. Sualtı hibrit AKS, iki kontrolör, farklı OEK protokolleri ve TÇY ve Yarı Çift Yönlü (YÇY) iletişim modları kullanılarak gerçekçi dalgalanan su akımları altında da değerlendirilmektedir. Deneylerimiz, önerilen TÇY hibrit AKS'nin bu tür akımlara maruz kaldığında kenetlenme süresinin 90 saniye olduğunu, SMAC için optimize edilmiş PID'nin ise yaklaşık 175 saniye sürdüğünü göstermektedir. Buna karşılık, gerçekçi akımlar için LQR kullanan geleneksel akustik tabanlı AKS'de TÇY modunun yanaşma süresi yaklaşık 120 saniyeyken, SMAC için optimize edilmiş PID yaklaşık 245 saniye sürmektedir. Hibrit TÇY kullanarak edinilen performanstaki iyileştirmeye karşılık, akustik sistemden %70 daha fazla hareket enerjisi harcanmaktadır. Akıntı hızı 0,3 m/s'yi aşarsa, SMAC için optimize edilmiş PID kullanan iletişim modlarının yanaşma manevralarını tamamlayamadığı görülmüştür. Öte yandan, LQR tabanlı yöntemler 0,7 m/s'ye kadar akıntı hızlarını kaldırabilmektedir. Bu hızda, geleneksel akustik tabanlı sistemlerin yanaşmayı tamamlaması, önerdiğimiz TÇY hibrit sistemimizden yaklaşık %140 daha uzun sürer. Bu sonuçlar, OSA kontrolü için önerilen TÇY hibrit haberleşme yaklaşımının kullanılmasının uygulanabilirliğini ve avantajlarını göstermektedir.
Underwater mission planning, monitoring, and coordination of heterogeneous autonomous underwater vehicle (AUV)s require a considerable amount of time and financial resources. This has led to the requirement of establishing reliable communication networks among unmanned underwater vehicle (UUV)s as well as a simulation environment to realistically model the system's dynamics before actual testing in sea trials. Even though existing solutions can model the dynamics of underwater vehicles, due to complexity, the integration of real-time communication networks has not been considered in the works. To address this issue, this thesis presents an innovative design and realistic co-simulation for a networked control systems (NCS) to achieve navigation of UUVs through communication and control, which is a critical component of real-world marine applications. Traditionally, underwater communication has been based on acoustic communications, characterized by limited data rate and considerably large propagation delay. Taking this issue into consideration, in this thesis, a hybrid acoustic and radio frequency (RF) communication framework is proposed for the underwater NCS where an acoustic link is used for long distance communication and control, and an RF link is employed in the short range. Additionally, to maximize spectrum efficiency, adopting full duplex (FD) communication is proposed for both underwater acoustic and RF links. FD communication enables the feedback signal of the NCS to be transmitted rapidly to several AUVs through simultaneous transmission and reception. For the proposed underwater hybrid NCS, a docking scenario is considered, where AUVs perform maneuvers towards a docking station fixed at the seabed. In this scenario, the docking station determines the position of the nearby AUVs, and acoustic or RF communication links carry the position and navigation information from the docking station to AUVs via different medium access control (MAC) protocols. With the help of FD communication, it can be ensured that the underwater hybrid NCS system operates at maximum efficiency, providing the required feedback signal more frequently than NCS with half-duplex communication, resulting in faster and more accurate docking. The AUVs are equipped with two types of controllers for pursuing and actuating docking maneuver: Proportional Integral Derivative (PID) and Linear Quadratic Regulator (LQR) controller, whose gains and sampling times are determined according to the operation of the underwater hybrid NCS. Depending on the communication protocol used in the NCS, protocol delays may be different which forces a change in the sampling times. The different delays of the control loop require further changes in the controller gains to avoid instability. For this purpose, in this thesis, optimization of the controller gains is proposed for the underwater hybrid NCS by applying Sequential Model Algorithm Configuration (SMAC) method for the PID controller and for the LQR controller, by mathematically modeling the hydrodynamics of the AUV to provide better control over disturbances and nonlinearity. By considering the full dynamics of the entire system for controlling the AUVs, the real-time behavior of the underwater networked control system is evaluated realistically using the proposed integrated co-simulation environment, which includes different simulators working together. The performance results indicate that under calm water conditions, our proposed FD underwater hybrid NCS using LQR achieves the shortest docking time of approximately 62 seconds, while the corresponding SMAC optimized approach in FD mode takes around 97 seconds. Furthermore, using FD mode on the acoustic link with the LQR controller reduces the docking time by about 78 seconds. In contrast, for the PID-based method, the docking time is almost doubled to 148 seconds. The underwater hybrid NCS is also evaluated under realistic fluctuating water currents, using two controllers, different MAC protocols, and FD and HD communication modes. Our experiments indicate that with LQR, the proposed FD underwater hybrid NCS's docking time, when exposed to such currents, is 90 seconds, while the SMAC optimized PID takes approximately 175 seconds. In contrast, the conventional acoustic-based HD mode using LQR for realistic currents has a docking time of around 120 seconds, while the SMAC optimized PID takes about 245 seconds. The penalty to achieve improved performance using FD hybrid is spending 70% more motive energy than the acoustic only system. It is worth noting that communication modes using SMAC optimized PID cannot complete docking maneuvers if the current speed exceeds 0.3m/s, while LQR based methods can handle current speeds up to 0.7m/s. At this velocity, conventional acoustic-based systems take about 140% longer to complete docking than our proposed FD hybrid system. These results demonstrate the feasibility and advantages of using the proposed FD hybrid communication approach for AUV control.