Önceden Belirlenmiş Performansla ADRC Kullanarak Birden Çok İSU’nun (USV) Formasyon Takip Kontrolü

Zorlu Denizlerde Akıllı Tekne Takımları

Bir limanı devriye gezen, kayıp bir gemiyi arayan veya bir petrol sızıntısını haritalayan küçük robot teknelerden oluşan bir ekip hayal edin. Bu tekneler sıkı bir düzen içinde birlikte hareket etmeli, birbirlerinden güvenli mesafeyi korumalı ve dalgalar, rüzgâr ve akıntılar sürekli onları yoldan saptırsa bile rotada kalabilmelidir. Bu makale, suyun çalkantılı olduğu ve araç davranışlarının tam olarak bilinmediği durumlarda bile insansız yüzey araçları (USV) ekiplerinin formasyonda doğru ve güvenli şekilde seyretmesini sağlayan yeni bir kontrol yaklaşımı sunar.

Koordine Robot Teknelerin Önemi

USV’ler, denizde kurtarma, mineral keşfi ve kıyı güvenliği gibi insanlı gemiler için tehlikeli, sıkıcı veya maliyetli olan görevlerde giderek daha fazla kullanılmaktadır. Çoğu zaman tek bir tekne yeterli olmaz; birlikte çalışan bir grup daha geniş bir alanı tarayabilir, görevleri paylaşabilir ve bir birim arızalandığında yedeklilik sağlayabilir. Ancak birkaç tekneyi koordine etmek zordur. Her araç planlanmış bir yolu izlemeli, komşularından güvenli bir uzaklık korumalı ve tüm bunlar, görünmeyen kuvvetlerin ve küçük modelleme hatalarının performansı düşürebildiği veya çarpışmalara yol açabildiği gerçek deniz koşullarında sağlanmalıdır.

Birlikte Kalmanın Zorluğu

Geleneksel kontrol yöntemleri—basit oransal–integral–türev (PID) denetleyicileri, model tabanlı öngörülü şemalar veya sinir ağlı geriye adımlama (backstepping) yöntemleri gibi—geçmişte USV formasyonları için uygulanmıştır. Bunlar işe yarayabilse de bazı ödünler getirir. Temel denetleyiciler ayarı kolaydır fakat büyük, zamanla değişen bozulumlarla başa çıkmakta zorlanır. Daha gelişmiş yaklaşımlar doğrusal olmayan hareketleri ve bilinmeyen etkileri ele alabilir, ancak genellikle çok sayıda parametre, yoğun hesaplama veya ayrıntılı eğitim verisi gerektirir. Ayrıca çoğu yöntem, hataların ne kadar hızlı küçüleceğini veya manevralar sırasında güvenlik sınırları içinde ne kadar sıkı kalacaklarını doğrudan garanti etmez.

Bozulmalara Karşı Geri Saldırı Yapan Bir Kontrol Stratejisi

Yazarlar, sürükleme değişimleri, dalga kuvvetleri veya modelleme hataları gibi bilinmeyen veya istenmeyen her şeyi tek bir “toplam bozulma” olarak ele alan aktif bozulma reddi kontrolü (ADRC) kavramı üzerine inşa ederler. Bu bozulmayı gerçek zamanlı olarak ölçüp karşılamak için genişletilmiş bir gözlemci tasarlarlar; gözlemcinin iş yükünü hafifletmek ve doğruluğu artırmak için USV modeline dair bilgileri kullanırlar. Takip diferansiyelleyicisi adı verilen başka bir bileşen, denetleyicideki karmaşık tekrar eden türev hesaplamalarının yerini alır ve aksi takdirde gerçek zamanlı kullanımı pratik olmayan karmaşıklık patlamasını önler. Bariyer tabanlı bir mekanizma ise takip hatalarının zaman içindeki evrimini şekillendirir; bu mekanizma, teknelerin birbirine çok yaklaşmasını ya da çok uzaklaşmasını engelleyen zamanla değişen sınırlar uygular ve yine de istenen yola hızlı yakınsama sağlar.

Tekne Filosu Sınandı

Yöntemin ne kadar iyi çalıştığını görmek için araştırmacılar, kontrolörden gizlenen güçlü, sürekli değişen kuvvetler altında düz parçalar ve geniş dairelerden oluşan bir yolu izleyen dört özdeş USV’yi simüle ederler. Yöntemlerini üç yaygın alternatifle karşılaştırırlar: sinir ağlı geliştirilmiş geriye adımlama denetleyicisi, standart bir bozulma reddi denetleyicisi ve bir PID denetleyicisi. Toplam hata, en kötü durum hatası ve dümen ile itme komutlarının ne kadar düzgün olduğuna dair metriklerde yeni yöntem öne çıkar. PID ile karşılaştırıldığında kümülatif hatayı ve karekök ortalama hatayı yarıdan fazla azaltır ve daha sofistike geriye adımlama şemasını da önemli ölçüde geride bırakır; tüm bunların yanında gerçek donanıma daha dost, daha az titreşimli kontrol sinyalleri üretir.

Geleceğin Deniz Robotları İçin Anlamı

Basitçe söylemek gerekirse, bu çalışma bir robot tekne takımının dağınık, öngörülemez bir denizde bile hem sağlam hem de göreli olarak ayarı kolay bir denetleyici kullanarak formasyonunu sıkı ve güvenli tutabileceğini gösteriyor. Dalgaların, akıntıların ve modelleme hatalarının birleşik etkisini aktif olarak tahmin edip iptal ederek ve hata evrimini özenle tasarlanmış sınırlar içine alarak yöntem, her aracı istenen yörüngeye yakın tutarken çarpışma riskini veya iletişim kopmalarını azaltır. Yazarlar, çerçeveyi daha sınırlı, alt aktüatörlü (underactuated) teknelere genişletmenin ve parametre ayarını otomatikleştirmenin önemli sonraki adımlar olduğunu belirtirler; ancak sonuçlar, insan denetimini en aza indirerek karmaşık görevleri yürütebilen daha güvenilir ve verimli deniz robotu filolarına işaret etmektedir.

Atıf: Huo, M., Mao, W. & Wang, X. Formation tracking control of multiple USVs using ADRC with prescribed performance. Sci Rep 16, 11417 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37252-0

Anahtar kelimeler: insansız yüzey araçları, formasyon kontrolü, bozulma reddi, deniz robotikleri, yörünge takibi