COLREGs-based Collision Avoidance for ASVs using Modified Timed-Elastic-Band Approach: A Decentralized and Optimal Method

Abstract

Autonome overflatefartøy (ASV-er) er ubemannede fartøy som brukes til ulike formål, inkludert oseanografisk forskning, miljøovervåking og maritim transport. På grunn av sin autonome drift må ASV-er være i stand til å unngå kollisjoner med andre fartøy og statiske hindringer når de følger globale ruter eller veipunkter. Denne masteroppgaven har som mål å utvikle et desentralisert og optimalt kollisjonsunngåelsessystem ved å tilpasse Timed-Elastic-Band (TEB)- metoden til ASV-er. TEB-metoden er en effektiv og robust algoritme for lokal trajektplanlegging for mobile roboter og bil-lignende roboter med ulike fordeler, for eksempel modularitet og fleksibilitet. Imidlertid må den tilpasses for maritim kollisjonsunngåelse ved å ta hensyn til sjøens trafikkregler, International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs). Videre er det utviklet en handlingsutvelgelsesstrategi for komplekse flerfartøyssituasjoner. Systemets gjennomførbarhet og effektivitet vil bli validert gjennom to typer simuleringer, veipunktsporing og den utvidede Imazu-problemet, for å demonstrere den praktiske anvendelsen av den modifiserte TEB-metoden for ASV-er. Den foreslåtte metoden vil bidra til fremgangen innen autonom navigasjonssystemer for ASV-er.

Autonomous Surface Vehicles (ASVs) are unmanned watercraft used for various applications, including oceanographic research, environmental monitoring, and marine transportation. Due to their autonomous operation, ASVs must be capable of safely avoiding collisions with other vessels and static obstacles when following global paths or waypoints. This master thesis aims to develop a decentralized and optimal collision avoidance system by adapting the Timed-Elastic-Band (TEB) approach to ASVs. The TEB approach is an efficient and robust algorithm for local trajectory planning of mobile and car-like robots with various advantages, e.g., modularity and flexibility. However, to utilize it for maritime collision avoidance, it must appropriately accommodate the traffic rules at sea, the International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs). Furthermore, an action selection strategy is designed for complex multi-vessel encounters. The system’s feasibility and effectiveness will be validated through two types of simulations, waypoints tracking and the extended Imazu problem, thus demonstrating the practical application of the modified TEB approach for ASVs. The proposed method will contribute to the advancement of autonomous navigation systems for ASVs.