An Area-Time Trajectory Planning Approach to Collision Avoidance for Confined-Water Vessels

Abstract

Denne masteroppgaven presenterer en baneplannleggingsmetode for Collision Avoidance (COLAV) for en Autonomous Surface Vehicle (ASV) i trange farvann og med andre fartøy i nærheten. Metoden baserer seg på å representere arbeidsområdet og alle relevante objekter i et tredimensjonalt rom som spennes av arbeidsområdet og tid. Ved å gjøre dette blir COLAV-problemet redusert til et baneplanleggingsproblem i en ekstra dimensjon. En graf som representerer et sett med kollisjonsfrie baner som er følgbare gitt karakteristikken til fartøyet blir laget. Hver kant i grafen blir evaluert ved hjelp av en kostnadfunksjon og banen med den laveste kostnaden blir valgt. Kostnadsfunksjon tar hensyn til flere aspekter av omgivelsene og prøver å evaluere hvor kompatibel med The International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREG) en bane er. Ved å gjøre dette forsøker algoritmen å lage en trygg bane fra startposisjonen til målposisjonen. Gjennom simuleringer evalueres den foreslåtte metoden og den sammenlignes med to andre metoder, Velocity Obstacle (VO) og Single Path Velocity Planner (SP-VP). Simuleringene viser at den foreslåtte metoden klarer å generere trygge og intuitive baner i mange av tilfellene. Den foreslåtte metoden gjør det bedre enn metodene det sammenlignes med med tanke på trygghet på bekostning av økt kompleksitet. I noen situasjoner, spesielt der antagelsene om oppførselen til hindringene ikke gjelder, yter metoden suboptimalt. Endringer i omgivelsene kan føre til hyppig replanlegging hvor banen kan endres på måter andre ikke forventer.

This master’s thesis presents a trajectory planning approach to Collision Avoidance (COLAV) for an Autonomous Surface Vehicle (ASV) operating in confined space and in the presence of other vessels. The proposed approach is based on representing all static and dynamic features of the operational area in a three dimensional space, spanned by the area and time. By doing this, the task of planning a collision free trajectory is reduced to a path-planning problem in three dimensions. A graph which represents a set of collision free trajectories that are feasible for the vessel is built. Each edge of the graph is then evaluated according to a cost function and the lowest cost trajectory is chosen. The cost function considers several aspects of the surroundings, in addition to a cost related to how compliant that edge is with respect to the The International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREG). By doing this the algorithm attempts to create a safe trajectory from the start position to the destination. Through simulations the proposed method is evaluated and compared to two other methods for COLAV, namely Velocity Obstacle (VO) and Single Path Velocity Planner (SP-VP). It is seen that the proposed method is able to create a safe and intuitive path in many of the situations, and improves on the compared methods in terms of safety at the cost of increased complexity. In some situations, notably where the assumptions about the behavior of the obstacles does not hold, the performance of the method is suboptimal. Changing environments can lead to frequent replanning where the trajectory may change in ways other seafarers do not expect.