Reactive path-planning for autonomous harbor maneuvering

Abstract

Denne avhandlingen har foreslått to guidemetoder for et autonomt skip som manøvrerer i en havn og satt sammen dette guidesystemet med et navigasjons- og kontrollsystem. Det komplette systemet ble satt sammen med det formål å bringe skipet fra en transittilstand til sin avsluttende dokkingtilstand.

Den første guidemetoden baneplanlegger på en direktekoblet og gjentakende måte basert på det kunstige potensialfelt-rammeverket med en navigasjonsfunksjon. Arbeidsområdet er partisjonert ved å bruke et nett med en tilstrekkelig høy oppløsning for å oppnå reaktiv manøvrering til dynamiske hindringer. Baneplanleggeren er utviklet for å oppnå færre endringer i navigasjonsretning og for å etterkomme konvensjonen om de internasjonale forskriftene for å forhindre kollisjoner til sjøs (COLREGs) regler 14 og 15. En hybrid banegenerasjonsmetode er brukt til å generere en gjennomførbar bane som konkatenerer veipunktene.

Den andre guidemetoden parametriserer arbeidsområdet gjennom en baneparallell referanseramme som følger posisjonen langs med en nominell bane. En bane til destinasjonen er generert ved å reaktivt og kontinuerlig kombinere den nominelle banen med en normalvektorbane ved å bruke to baneparametere og fartsoppdrag. De sistnevnte forsikrer også at et banetangentielt retningssignal kan bli levert og at skipet konvergerer til destinasjonen. Det foreslåtte referansesignalet lar en bane bli lagd i henhold til COLREGs regler 14 og 15 hvis man antar én enkelt hindring.

Navigasjonssystemet består av en ikke-lineær passiv estimator som brukes til å redusere målestøy og lage estimater av tilstandene. Kontrollsystemet løser manøvreringskontrollproblemet gjennom et tilbakestegsdesign i kaskade for hver av guidemetodene.

Det autonome systemet har blitt verifisert gjennom simuleringer ved å bruke en modell av CyberShip Enterprise I med data fra pullertrekktester for å modellere thrusterene og thrusterallokeringen. Resultatene viste at begge guidemetodene klarte å fullføre oppgaven trygt og i henhold til COLREGs regler 14 og 15. Den første guidemetoden klarte å konstruere en kollisjonsfri, men ineffektiv bane på grunn av unødvendige store sikkerhetsmarginer til hinderet. Det ble også vist at den hybride baneparametriseringen resulterte i en bane med for krappe svinger for skipets navigasjonsretning til å følge. Den andre guidemetoden klarte å levere en kollisjonsfri og effektiv bane til destinasjonen som skipet klarte å følge på en bra måte. Fartsoppdragene gjorde at skipet fulgte langs med den nominelle banen på det foreslåtte referansesignalet og konvergerte til destinasjonen.

This thesis has proposed two guidance methods for an autonomous ship maneuvering in a harbor and integrated this guidance system with a navigation and control system. The complete system was put together with the purpose of bringing the ship from a transit state to its final docking state.

The first guidance method path-plans in an online and repeated manner based on the artificial potential field framework with a navigation function. The workspace is partitioned using a grid with a sufficiently high resolution to achieve reactive maneuvering to dynamic obstacles. The path-planner is evolved to achieve fewer changes in navigation direction and to comply with the Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs) rules 14 and 15. A hybrid path generation method is used to generate a feasible path that concatenates the waypoints.

The second guidance method parametrizes the workspace by a path-parallel reference frame that follows the position along a nominal path. A path to the destination is generated by reactively and continuously combining the nominal path with a normal vector path using two path parameters and speed assignments. The latter also ensure that a path-tangential heading signal can be provided and that the ship converges to the destination. The proposed reference signal allows for a path to be made in accordance with COLREGs rules 14 and 15 if one assumes only a single obstacle.

The navigation system consists of a nonlinear passive observer that is used to reduce measurement noise and create state estimates. The control system solves the maneuvering control problem by a cascade-backstepping design for each of the guidance methods.

The autonomous system has been verified through simulations using a model of CyberShip Enterprise I with data from bollard pull tests to model the thrusters and the thruster allocation. The results showed that both guidance methods were able to complete the task safely and in accordance with COLREGs rules 14 and 15. The first guidance method was able to construct a collision-free but inefficient path because of unnecessary large safety margins to the obstacle. It was also shown that the hybrid path parametrization yielded a path with too sharp turns for the ship’s heading to follow. The second guidance method was able to provide a collision-free and efficient path to the destination which the ship was able to follow well. The speed assignments made the ship follow along the nominal path at the proposed reference signal and converge to the destination.