4CCEIMCP Design: Making a Connection

Individual Coursework Project

Autonomous Control Design of a Ship for Environmental Clean-up

Throughout 4CCE1MCP    Design:Making     a     Connection, you  will  investigate  innovative solutions for the collection of floating marine debris.You will combine simulation-driven analysis with hardware experimentation to deliver a scaled-down prototype of your design at the end of the  semester.We  encourage  you  to   explore  multiple   design  solutions  and  reflect   on  what improves your design.

In  this  document,you  are  provided  with  information  to  complete  the  individual  coursework assessment for the course.This short project will be an opportunity to gain intuition about the system you will build and to compete with your classmates on a control design solution.

Context

Problem:   Each  year,millions  of tonnes  of waste  and  pollutants  enter  the  ocean(The   Ocean Clean-up 2021).This waste causes significant environmental impact as it washes on our beaches, deposits on the ocean floor,and gets consumed by marine wildlife.A substantial portion of waste floats  and  accumulates  in  rotating  ocean  currents(NOAA 2021).The  biggest  accumulation  of marine debris is the Great Pacific Garbage Patch that is located between Hawaii and California (see Figure  1)and expands over  1.6 million square kilometres(The Ocean Clean-up 2021).

Figure   1:A close-up photograph of the Great Pacific Garbage Patch.

Source:  Forbes (2019)

Proposed     Engineering      Solutions:Several organisations are examining how to minimise and remove non-degradable waste that is being inappropriately  disposed  of in the  ocean(Oceana, The  Ocean  Cleanup,River  Cleaning,Ichthion).While  international  waste   directives  recognise the necessity of reducing and collecting waste at source(EU Waste Directive 2018,UK Waste

Directive Amendments 2020),these organisations recognise that the clean-up of existing debris is an important strategy to safeguarding the health of oceans and marine wildlife.

Popular collection strategies involve collecting waste directly at accumulation points(see Figure 2).River estuaries have been identified as a viable collection point(The Ocean Cleanup 2021).  Debris collects in river catchment areas and acts as a conveyor belt that disperses waste into the ocean.Waste is intercepted and sorted at the estuary.

Floating waste dispersed into the ocean can sink to the floor or float away into oceanic currents. While most of the floating debris gets deposited on the coastline,a portion of the floating debris collects in rotating ocean currents.The resulting waste deposits contain millions of tonnes of waste(see Figure 1)and have also been identified as a viable collection point.

Figure   2:(left)The  interceptor  collects  effluents  from  a  river,(right)waste  collection  in Ocean

Source: The Ocean Cleanup 2021

Autonomous        Operation: It  is  desirable  to  have machines that can replace humans in dull, dirty,difficult,and   dangerous   tasks.While   automation   has    served   this   purpose    since   the Industrial Revolution,in recent years there has been a surging interest in intelligent,autonomous systems that can operate with little to no human intervention.

Autonomous machines are playing an increasingly important role in environmental restoration. We are seeing new designs that allow robots to sort and recycle household waste,drones that can re-plant forests by dropping seeds over unprecedentedly large areas and autonomous tractors that can farm the land.In this project,you will investigate how to incorporate autonomy in the ship collection system that you design.

Brief

For the individual coursework assessment,you will develop an autonomous control algorithm and test the algorithm in simulation for the clean-up scenario provided (see Figure 2).This will help you prepare for the design,build and test group project.

Starter files can be downloaded from the KEATS module page.

Figure 2: Simulation scenario ship_template.slx

You are responsible for:

designing  a digital motor controller that can  autonomously  collect  all  floating  objects in

the provided scenario and return them to the home collection point(see Figure 2);

optimising  design  dimensions  (length  and  width   of  components)for  the   ship  collector

relative to your controller design;

testing the effectiveness of your design through simulation;

submitting a version of your design for assessment;

competing for the quickest clean-up time for the provided scenario.

Your  controller  must   work  for  at  least  three  randomised  scenarios,which  you  can  select using  the  features  illustrated  below:

Figure 2:Choose object location scenarios using the mask of the System block.

ship_template.slx

Deliverables

You should submit:

a  1-page  report(excluding  supporting  figures)on  your  control  design  which  includes:

-    a  section that explains the rationale for your controller design

-    a   section   that   discusses  the  benefits  and  drawbacks  of  using   feedback  vs feedforward strategy for this control design

-    an analysis of your controller system response and its effectiveness at collecting the floating objects,including plots of motor commands and ship response.

a   screenshot   of   your   control   logic,as   implemented   in   a   Stateflow   chart,MATLAB function or equivalent method

a simulation submission file that is compliant with the specification outlines specified in the Instruction for Submission Section.

a video recording of the ship simulation as it collects the objects,recorded at playback speed of x8,see instructions below.

a zipped folder where the project model and data can be shared with assessors.

Your report should be a marimum of 1 written page+2 pages  of appendix that contains your worked solutions,screenshots  of code  and  images  of any plots  you generate.The page  limit includes figures,all plots should have a title,labelled axis and units.You should use a 12pt Sans Serif  font,e.g.Calibri.

Learning    objectives

● Implement a logic-driven controller to define operating modes for the ship and to sweep an  area

Implement  and  tune  an  open-loop  controller  to  control  ship  motion  and  steering

Specify  component  parameters  for  the  collector  based  on  a  simulation-driven  design analysis

●  Test  controller  design  in  simulation

Marking Criteria

Individual coursework submission accounts for 25%of module grade.

Simulation     Performance: 40%of your  grade  will  be  awarded  based  on  how  quickly  you managed to complete the scenario in simulated time.