Autonomous ships are one way to increase safety at sea and to decrease environmental impact of marine traveling and shipping. For this application, a good representation of the environment and a physical model of the ship are vital components. By optimizing the trajectory of the ship, a good trade-off between the time duration and energy consumption can be found. In this thesis, a three degree of freedom model that describes the dynamics of a small-scale surface ship is estimated. By using optimal control theory and a grey-box model, the parameters are estimated by defining an optimal control problem (OCP). The optimal solution is found by transcribing the problem into a nonlinear program and solving it using an interior point algorithm. The identification method is tested and validated using simulated data as well as using data from real world experiments. The performance of the estimated models is validated using cross validation. In a second track of this thesis, a trajectory is created in two steps. The first is path planning to find a shortest geometric path between two points. In the second step, the path is converted to a trajectory and is optimized to become dynamically feasible. For this purpose, a roadmap is generated from a modified version of the generalized Voronoi diagram. To find an initial path in the roadmap, the A-star algorithm is utilized and to connect start and goal position to the map a few different methods are examined. An initial trajectory is created by mapping a straight-line trajectory to the initial path, thus connecting time, position and velocity. The final trajectory is found by solving a discrete OCP initialized with the initial trajectory. The OCP contains spatial constraints that ensures that the vessel does not collide with static obstacles. The suggested estimation method resulted in models that could be used for trajectory planning to generate a dynamically feasible trajectory for both simulated and real data. The trajectory generated by the trajectory planner resulted in a collision-free trajectory, satisfying the dynamics of the estimated model, such that the trade-off between time duration and energy consumption is well balanced. Future work consists of implementation of a controller to see if the planned trajectory can be followed by the small-scale ship.

This master thesis studies the implementation of a Robust MPC controllerin marine vessels on different tasks. A tube based MPC is designed based onsystem linearization around the target point guaranteeing local input to statestability of the respective linearized version of the original nonlinear system.The method is then applied to three different tasks: Dynamic positioningon which recursive feasibility of the nominal MPC is also guaranteed, Speed-Heading control and trajectory tracking with the Line of sight algorithm.Numerical simulation is then provided to show technique’s effectiveness. / Detta examensarbete studerar design och implementering av en robustmodellprediktiv regulator (MPC) för marina fartyg. En tub-baserad MPCär designad baserad på linjärisering av systemdynamiken runt en målpunkt,vilket garanterar local insignal-till-tillstånds stabilitet av det linjäriserade systemet.Metoden är sedan applicerad på tre olika uppgifter: dynamisk positionering,för vilken vi även kan garantera rekursiv lösbarhet för den nominellaregulatorn; riktningsstyrning; och banfötljning med en siktlinje-algoritm. Numeriskasimuleringsstudier bekräftar metodens effektivitet.

System identification is used in engineering sciences to build mathematical models from data. A common issue in system identification problems is that the true inputs to the system are not fully known. In this thesis, existing approaches to unknown input problems are classified and some of their properties are analyzed.  A new indirect framework is proposed to treat system identification problems with unknown inputs. The effects of the unknown inputs are assumed to be measured through possibly unknown dynamics. Furthermore, the measurements may also be dependent on other known or measured inputs and can in these cases be called indirect input measurements. Typically, these indirect input measurements can arise when a subsystem of a larger system is of interest and only a limited set of sensors is available. Two examples are when it is desired to estimate parts of a mechanical system or parts of a dynamic network without full knowledge of the signals in the system. The input measurements can be used to eliminate the unknown inputs from a mathematical model of the system through algebraic manipulations. The resulting indirect model structure only depends on known and measured signals and can be used to estimate the desired dynamics or properties. The effects of using the input measurements are analyzed in terms of identifiability, consistency and variance properties. It is shown that cancelation of shared dynamics can occur and that the resulting estimation problem is similar to errors-in-variables and closed-loop estimation problems because of the noisy inputs used in the model. In fact, the indirect framework unifies a number of already existing system identification problems that are contained as special cases. For completeness, an instrumental variable method is proposed as one possibility for estimating the indirect model. It is shown that multiple datasets can be used to overcome certain identifiability issues and two approaches, the multi-stage and the joint identification approach, are suggested to utilize multiple datasets for estimation of models. Furthermore, the benefits of using the indirect model in filtering and for control synthesis are briefly discussed.  To show the applicability, the framework is applied to the roll dynamics of a ship for tracking of the loading conditions. The roll dynamics is very sensitive to changes in these conditions and a worst-case scenario is that the ship will capsize.  It is assumed that only motion measurements from an inertial measurement unit (IMU) together with measurements of the rudder angle are available. The true inputs are thus not available, but the measurements from the IMU can be used to form an indirect model from a well-established ship model. It is shown that only a subset of the unknown parameters can be estimated simultaneously. Data was collected in experiments with a scale ship model in a basin and the joint identification approach was selected for this application due to the properties of the model. The approach was applied to the collected data and gave promising results. / Till skillnad från många andra industrier där avancerade styrsystem har haft en omfattande utveckling under de senaste decennierna så har styrsystem för skepps- och marinindustrin inte alls utvecklats i samma utsträckning. Det är framförallt under de senaste 10 åren som lagkrav och stigande driftskostnader har ökat intresset för effektivitet och säkerhet genom användning av styrsystem. Rederier och den marina industrin är nu intresserade av hur de avancerade styrsystem som används inom andra områden kan tillämpas för marina ändamål. Huvudmålet är typiskt att minska den totala energianvändningen, och därmed också bränsleförbrukningen, genom att hela tiden planera om hur skeppet skall användas med hjälp av ny information samt styra skeppet och dess ingående system på ett sätt som maximerar effektiviteten. För många av dessa avancerade styrsystem är det grundläggande att ha en god förståelse för beteendet hos det systemet som skall styras. Ofta används matematiska modeller av systemet för detta ändamål. Sådana modeller kan skapas genom att observera hur systemet reagerar på yttre påverkan och använda dessa observationer för att finna eller skatta den modell som bäst beskriver observationerna. Observationerna är mätningar som görs med så kallade sensorer och tekniken att skapa modeller från mätningarna kallas för systemidentifiering. Detta är i grunden ett utmanande problem och det kan försvåras ytterligare om de sensorer som behövs inte finns tillgängliga eller är för dyra att installera. I denna avhandling föreslås en ny teknik där de mätningar som finns tillgängliga används på ett nytt och annorlunda sätt. Detta kan minska mängden nödvändiga sensorer eller möjliggöra användandet av alternativa sensorer i modell-framtagningen. Med hjälp av denna nya teknik kan enkla sensorer användas för att skatta en matematisk modell för en del av skeppet på ett sätt som inte är möjligt med traditionella metoder. Genom att skatta denna modell kan fysikaliska egenskaper hos skeppet, så som dess massa och hur massan är fördelad över skeppet, övervakas för att upptäcka förändringar. Just dessa två egenskaper har stor inverkan på hur skeppet beter sig och om skeppet är fellastat kan det i värsta fall kapsejsa. Vetskapen om dessa fysikaliska egenskaper kan alltså utöver effektivisering användas för att varna besättningen eller påverka styrsystemen så att farliga manövrar undviks. För att visa att tekniken fungerar i verkligheten har den använts på mätningar som har samlats in från ett skalenligt modellskepp. Experimenten utfördes i bassäng och resultaten visar att tekniken fungerar. Denna nya teknik är inte specifik för marint bruk utan kan också vara användbar i andra typer av tillämpningar. Även i dessa tillämpningar möjliggörs användandet av färre eller alternativa sensorer för att skatta modeller. Tekniken kan vara speciellt användbar när en modell av ett system eller process som verkar i ett nätverk av många system är av intresse, något som också diskuteras i avhandlingen.

The design and functionality of the controls inside a boat helm are a big part of the user experience for operators. This master thesis focuses on the boat helm and the equipment from Volvo Penta placed in it. The aim is to present solutions to user’s problems revealed from interviews and look at future technology that will change the helm station. This project has been conducted in cooperation with Volvo Penta vehicle controls department. The project was conducted following a four-phase project plan with the phases learn, ideate, build, and launch. The learn phase focused on gaining state of practice information about today’s situation, using interviews to understand the stakeholders and benchmarking to understand the current marine market. The learn phase also focused on state of the art research to learn about future technologies. The ideate phase consisted of creative workshops to ideate around the findings from the learn phase. These ideas or concepts were then prototyped using a 3D printer and evaluated at a prototype evaluation during the build phase. The launch phase finalized the project by implementing the feedback from the prototype evaluation and visualizing the final concepts, highlighting the problems that were found and presenting design opportunities. The outcome of this project is several concepts presenting design opportunities for Volvo Penta when creating the next generation helm. Such as a scroll wheel joystick placed on the throttle, a driving-oriented joystick, and a modular button panel with both visual and haptic buttons. The outcome also presents information about handling increased automation/autonomy gathered from the theoretical framework and the prototype evaluation. / Designen på kontrollerna och instrumenten i förarmiljön för båtar spelar en stor roll för användarupplevelsen. Detta examensarbete fokuserar på förarmiljön i båtar och de instrument av Volvo Penta som finns inom den. Målet är att presentera lösningar till användarproblem som funnits genom intervjuer och undersöka framtida teknologi som kan förändra förarmiljön. Projektet har gjorts i samarbete med Volvo Penta vehicle controls. Projektet följde en projektplan på fyra delar; learn, ideate, build and launch. Learn fasen fokuserar på att samla information kring dagens situation genom användarintervjuer och analysera framtida teknik som måste tas i åtanke. Ideate fasen innehöll kreativa workshops för att skapa idéer kring de problem som hittats i learn fasen. I build fasen användes en 3D printer för att skapa prototyper och dessa testades på en prototyp utvärdering. Projektet avslutades med launch fasen som implementerade feedback från prototyp utvärderingen och visualiserade det slutgiltiga koncepten. Dessa koncept visar på det problem som funnits och på design möjligheter för hur dessa kan förbättras. Projektet resulterade i konceptuella instrument som visar de problem och möjligheter som kommer finnas i nästa generations förarmiljö. Dessa resultat var joystick vinkelgivare placerad på gasreglaget, en joystick inriktad för körning och en modulär knappanel med visuella och haptiska knappar. Information gällande hantering av automatisering och mer autonom körning från den teoretiska referensramen och prototyp utvärderingen presenteras även.