| dc.description.abstract | I denne masteroppgaven utforskes en metode for å muliggjøre ruteplanlegging og kollisjonsunngåelse for overflatefartøy i storskala kystområder uten menneskelig innblanding. Guidingsystemet som er designet og implementert følger en hybridmodell, med en global statisk ruteplanlegger og en lokal strategi for kollisjonsunngåelse i et dynamisk vindu. Ruteplanleggeren søker etter en trygg og optimert rute i det kontinuerlige konfigurasjonsdomenet til fartøyet gjennom å utnytte en spesialisert versjon av algoritmen Hybrid A*. Søkealgoritmens hovedoppgave blir fasilitert av en 3DOF fartøymodell, et spesialisert regionalt Quadtree og en Voronoi skeleton generingsalgoritme. Fartøymodellen blir brukt til å utføre ekspansjon av rutesøket, Quadtreet blir brukt til rask kollisonsjekking og for å approksimere distanse til mål fra en gitt konfigurasjon, og Voronoi skeleton strukturen legger grunnlaget for å utnytte det kunstige Voronoi kraftfeltet som muliggjør relativ sikkerhetsmargin i ruteplanleggingen. Den genererte ruteplanen blir fulgt av en Line-Of-Sight (LOS) følgelov, og kollisjonsunngåelse blir håndtert lokalt ved bruk av predikativ, simulasjonsstøttet kontrollseleksjon og en regel-bevisst kostfunksjon. Både ruteplanleggeren og systemet for kollisjonsunngåelses er utformet for å følge Konvensjon om internasjonale regler til forebygging av sammenstøt på sjøen.
Det fullstendige guidingsystemet er implementert med søkelys på modularitet gjennom C++ noder i ROS Noetic og har blitt testet i et forenklet simulasjonsmiljø. Gjennom testing har systemet utvist optimert og kollisjonsfri oppførsel som følger spesifiserte internasjonale sjøregler i varierte scenarier. Likevel er det ikke uten mangler. Ruteplanleggeren klarer å følge regler for trafikkseparasjon, men progresjonen i planleggingen stagnerer i nærheten av enkelte separasjonselementer. Videre utviser ikke kollisjonssystemet alltid tydelig intensjon om vikemanøver i møte med andre skip, og i sjeldne tilfeller opprettholdes ikke tilstrekkelig sikkerhetsmargin og forutsigbarhetskrav til andre skip. Det konkluderes med at Hybrid A* bevegelsesplanlegging og prediktiv kontrollseleksjon som en basis for kollisjonsfri guiding av maritime overflatefartøy i storskala kystmiljø er en lovende teknologikombinasjon. Selv om implementasjonen som følger denne masteroppgaven ikke er perfekt eller klar for sjøprøver enda, så viser den at et slikt system kan fungere i praksis. Implementasjonen og arbeidet i denne masteroppgaven er også tiltenkt som et grunnlag videre arbeid og forskning om ønskelig kan bygge på. | |
| dc.description.abstract | This thesis explores a method to enable mission planning and collision avoidance for Unmanned Surface Vehicles in vast coastal environments without human intervention. The designed and implemented guidance system follows the hybrid robotic paradigm, with a global static mission planner and a local collision avoidance strategy in a dynamic window. The mission planner searches for a safe and optimized path in the continuous configuration space of the ownship by utilizing a specialized adaptation of the Hybrid A* algorithm. The search algorithm is facilitated by the support of a vessel model with three Degrees of freedom (DOF), a specialized framed region quadtree builder, and a Voronoi skeleton generator relying on a novel generation technique. The vessel model is used for motion sampling, while the quadtree is utilized for fast collision checking and accurate distance-to-goal approximations through specialized A* graph search. Reasonable margin of safety to hazards in the nominal path is ensured by utilization of the Voronoi field, which requires the Voronoi skeleton. The generated mission plan is tracked utilizing a Line-of-sight (LOS) guidance law, and collision avoidance is handled locally using predictive control behavior selection, supported by simulation and a rules-aware cost function. Both the mission planner and collision avoidance systems are designed to comply with the International Regulations for Preventing Collisions at Sea.
The complete guidance system is implemented with modularity in mind using C++ nodes in ROS Noetic, and testing has been conducted in a simplified simulation environment. In testing, the guidance system in general exhibits feasible, optimized, rules-compliant, and collision-free behaviors in mission planning and collision avoidance across a multitude of scenarios. However, some deficiencies do exist. The mission planner, while compliant, struggles with search progression in the presence of some Traffic Separation Scheme elements. Furthermore, the collision avoidance system occasionally does not appropriately state the ownship intent and, in rare cases, fails to act with acceptable predictability and safety margins to obstacle vessels. The thesis concludes that utilizing sample-based motion planning in combination with predictive control behavior selection collision avoidance as a basis for collision-free guidance of maritime vessels, while not without flaws, is a promising combination of technologies with much potential for use in a rules-compliant maritime guidance system for large-scale environments. Furthermore, while the current implementation is by no means perfect and not ready for real-world testing yet, it acts as a proof of viability and a foundation on which future research should be built. | |
