Optimal Control-based Docking for Autonomous Ferries

Abstract

Dokking til kai er ansett som en svært krevende operasjon for de fleste marine fartøy. Automatisering av denne prosessen vil kunne føre til bedre sikkerhet, lavere energiforbruk, mindre stress for mannskapet og lavere driftskostnader. Denne oppgaven starter med å oppsummere utviklingen av en energi-effektiv, optimeringsbasert metode for å planlegge dokking-baner som unngår hindringer. Videre utdyper oppgaven hvordan denne metoden er blitt realisert i et fullskala skipssystem, samt demonstrerer metodens effektivitet, gjennomførbarhet og pålitelighet gjennom simuleringer og sjøtester på den eksperimentelle fergen milliAmpere.

Optimeringsbaserte metoder har tidligere gitt gode resultater i forbindelse med dokking av Autonome Overflatefartøy (ASV). I denne oppgaven blir en slik metode brukt for å generere en optimal bane som fartøyet skal følge. Ved å formulere problemet som et Optimalt Kontrolproblem (OCP) blir begrensninger på hastigheter og energiforbruk, samt unngåelse av hindringer inkludert i problemet. Videre blir Multiple Shooting-metoden anvendt for å transkribere OCPet til et Ulineært Program (NLP) slik at en optimal bane kan bli funnet ved hjelp av en interior point-algoritme.

Baneplanleggeren er implementert på det eksperimentelle fartøyet milliAmpere. For å sikre at båtens oppførsel og intensjoner lett kan overvåkes, blir et grafisk brukergrensesnitt presentert. Dette brukergrensesnittet består av en modul som viser følgingen av referanseposisjonen, en visualisering av den planlagte banen, samt en graf som viser fartøyets effektforbruk over tid. For å sikre at hindringer blir unngått har det også blitt utviklet en universell metode som lager OCP-restriksjoner basert på polygonkart, i tillegg til en A*-basert varm-starts algoritme som sørger for at lokale minimumer ikke opptrer og konvergenstiden blir forbedret. Simuleringer og sjøtester med dette systemet på fergen milliAmpere, viser at metoden klarer å lage robuste, gjennomførbare og energi-effektive baner som er godt tilpasset dokking i havneområder.

For any marine vessel, the docking process is an especially demanding task. Automating this process will provide increased safety, less energy-usage, reduced stress for the crew and lowering of costs. This thesis summarises the development of an energy-efficient, optimization-based method for planning docking trajectories with obstacle avoidance. The thesis covers the implementation of this method in a full-scale ship system, and demonstrates the method's feasibility, efficiency and reliability through simulations and sea trials with the experimental ferry milliAmpere.

In the field of automatic docking for Autonomous Surface Vehicles (ASVs), optimization-based methods have provided promising results. In this thesis, such a method is used to generate an optimal trajectory for the ASV to follow. By formulating the problem as an Optimal Control Problem (OCP), operational limitations on velocities, energy usage and obstacle avoidance are added to the problem. By using the multiple shooting method to transcribe the OCP to a Nonlinear Program (NLP), an optimal trajectory is generated through an interior point algorithm.

The trajectory planner is implemented on the experimental platform milliAmpere. To ensure easy monitoring of the vessel's behaviour during sea trials and feasibility of the trajectories, a graphical user interface has been developed. This interface consists of a monitor for reference tracking capabilities, visualizations of the planned trajectory in a map with the possibility of waypoint selection, and a real-time plot showing the instantaneous power consumption. In addition, to ensure obstacle avoidance capabilities, a universal method for creating OCP-constraints from map polygons is developed, along with an A*-based warm-starting algorithm that helps the OCP to avoid local minimums and improve convergence time. Simulations and sea trials with this system using the milliAmpere ferry demonstrate its ability to create robust, feasible and energy-efficient trajectories suitable for harbour docking operations.