MPC-based and COLREGs-aware Trajectory Planning and Collision Avoidance for both Low-Speed and High-Speed ASVs

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer to fremgangsmåter for mellom-nivå baneplanlegging for maritime autonome fartøy som unngår kollisjon med dynamiske og statiske hindringer, på en måte som delvis følger trafikkreglene til sjøs gitt av Convention on the International Regulations for Preventing Collision at Sea (COLREG). En av fremgangsmåtene er rettet mot fullt aktuerte, autonome passasjerferger, hvor fartøyene har lav fart. Den andre fremgangsmåten er rettet mot underaktuerte fartøy med høyere fart, hvor manøvrerbarheten til fartøyet er begrenset sammenlignet med fullt aktuerte passasjerferger, en faktor som må tas hensyn til når fartøyets bane planlegges.

Begge baneplanleggerne er basert på Model Predictive Control (MPC), og bruker forskjellige modeller internt i MPC-algoritmen, samt forskjellige objektivfunksjoner som skal minimeres av planleggeren. En del av COLREG-reglene er ansett som relevant når det skal planlegges bane, og begrensningene lagt til i MPC-algoritmen er formulert på en slik måte at den optimale banen følger de valgte reglene.

Som en del av dette arbeid er to verktøy introdusert for å insentivere forskjellige typer adferd underveis i planleggingshorisonten til baneplanleggerne. Det første verktøyet er vinduer med redusert kostnad i planleggingshorisonten til MPCen, og ideen presentert og implementert i dette arbeidet generaliserer til andre MPC-baserte baneplanleggings-applikasjoner, samt andre MPC-applikasjoner hvor det kan være nyttig å ha forskjellige typer adferd i forskjellige deler av planleggingshorisonten. Det andre verktøyet er et sett med begrensninger som kan brukes til å forbedre COLREGs-kompitabiliteten til baneplanleggerene, og begrensningen som er introdusert i dette arbeidet er en spesifikk begrensning plassert på babord side av målfartøyet, som forbedrer ytelsen til baneplanleggerene sammenlignet med tidligere arbeid. Begge verktøyene er ment å insentivere baneplanleggerne til å planlegge tidlige og tydelige manøvre for å unngå kollisjon med andre fartøy på en måte som følger Regel 8 i COLREG-reglene.

De foreslåtte baneplanleggerne og verktøyene er testet gjennom simuleringer, hvor en modell av passasjerfergen milliAmpere1 er brukt for lav-hastighets simuleringer, samt en skalert modell av Otter USVen for høy-hastighets simuleringer. Gjennom en omfattende simuleringsstudie og bruk av relevante metrikker er baneplanleggerne vist å planlegge baner som i stor grad følger det valgte settet med regler fra COLREG, mens man også unngår kollisjoner med alle statiske og dynamiske hindringer. Simuleringsresultater viser også at bruk av kostreduksjonsvinduer effektivt fører til at baneplanleggerne planlegger tidligere og tydeligere manøvre for å unngå kollisjon. Begrensningen plassert på babord side av målfartøyet er også vist å føre til at tydeligere manøvre blir planlagt av baneplanleggerne i én-til-én møter, samtidig som den også fører til at riktig manøvreringsside for eget fartøy blir valgt på en mer robust måte. Denne begrensningen er derimot også vist å trenge mer jobb hvis verktøyet skal kunne brukes mer generelt med både statiske og flere dynamiske hindringer. Begge verktøyene er også gjennom bruk av relevante metrikker vist å føre til høyere reguleringsfeil i reguleringssystemet, høyere energiforbruk av fartøyet, økt bruk av aktuatorer samt høyere akselerasjon.

This masters thesis presents two approaches for mid-level trajectory planning for maritime autonomous vessels that avoids collision with dynamic and static obstacles, in a way that complies with a subset of the Convention on the International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREG). One of the approaches is intended for fully actuated autonomous passenger ferries, where the transit is performed at low speeds. The other approach is intended for underactuated high-speed vessels, where the maneuverability of the vessel is limited compared to the fully actuated passenger ferry, which needs to be considered when planning a trajectory.

Both trajectory planners are based on Model Predictive Control (MPC), and differ in the models used internally by the MPC algorithm and the objective function to be minimized. A subset of the COLREGs is considered relevant for the task of trajectory planning, and the constraints of the MPC algorithm are formulated such that the optimal trajectory complies with the chosen subset of the COLREGs.

As part of this work, two tools are introduced in order to incentivize different types of behaviour during the planning horizon of the trajectory planners. The first tool is windows of reduced cost in the planning horizon of the MPC, and the idea presented and implemented in this work generalizes to other MPC-based trajectory-planning applications, as well as other MPC-applications where different types of behaviour is deemed useful in different parts of the planning horizon. The second tool is a set of constraints that enforce the relevant subset of the COLREGs, where the tool proposed in this work is a specific linear constraint placed on the port side of target ships, in order to improve the compliance with some of the COLREGs compared to previous work. Both tools are intended to incentivize the trajectory planner to plan early and readily apparent maneuvers to avoid collision with other vessels, in compliance with Rule 8 of the COLREGs.

The trajectory planners and the proposed tools are tested through simulations, where a model of the milliAmpere1 passenger ferry is used for low-speed transit simulations, and a scaled model of the Otter USV is used for high-speed transit simulations. Through an extensive simulation study using relevant performance metrics, the trajectory planners are shown to plan trajectories that to a large degree complies with the chosen subset of the COLREGs, while also avoiding collision with all static and dynamic obstacles. Results from the simulations also shows that introducing windows of reduced cost in the planning horizon of the MPC-based trajectory planners effectively makes the trajectory planners plan earlier and more apparent action to avoid collision. The port-side constraint is also seen to incentivize the planners to plan more apparent action in single-vessel encounters and to more robustly enforce the vessel to maneuver to the correct side in compliance with the COLREGs. This constraint is however shown to need more work if the tool is to be used in the general sense including static obstacles and multiple target ships. While these tools are shown to effectively enforce the relevant set of rules, it is also shown through a set of metrics that the increased COLREGs-compliance comes at the cost of increased control error, power consumption, actuator usage and acceleration.