Planning and Motion Control of Autonomous Docking Maneuvers for a RORO Vessel in Confined Waters under the Influence of Wind and Current

Abstract

Dokkingfasen for autonome overflatefartøy i maritime transportoperasjonar byr på betydelege utfordringar. Det må takast omsyn til storleiken på fartøyet og hamna, fartøyet må forhalde seg til områdeavgrensingar og det må kunne handtere miljøforstyrringar, for å sikre trygge dokkingmanøvrar. Det er føreslått ulike metodar for å løyse desse utfordringane i akademia.

Denne oppgåva forklarer implementeringa av ein optimaliseringsbasert baneplanleggjar og ein banefølgjande kontrollar, designa for å sikre trygge og kollisjonsfrie autonome dokkingmanøvrar. Metoden er testa i simuleringar på eit stort rull-på/rull-av-fartøy under påverknad av vind og straum, og demonstrerer vellykka autonome dokkingmanøvrar i to scenario.

Oppgåva startar med ei oversikt over det automatiserte dokking-problemet for autonome overflatefartøy, etterfylgt av den naudsynte teoretiske bakgrunnen for å forstå og implementere den føreslåtte metoden. Implementasjonsmetoden er forklart, og resultata frå to vellykka autonome dokkingimuleringar er presenterte. Desse resultata vert deretter diskuterte, med vekt på både styrkane og svakheitene ved metoden. Oppgåva avsluttar med eit samandrag av funna i oppgåva og gir forslag til framtidig arbeid.

The docking phase of autonomous surface vessels in maritime transportation operations presents significant challenges. Vessel and harbor size considerations have to be made, the vessel needs to adhere to the harbor constraints, and it needs to handle environmental disturbances to ensure safe docking operations. Various methods have been proposed to tackle these challenges in academia.

This thesis details the implementation of an optimization-based trajectory planner and a trajectory-tracking controller designed for safe, collision-free autonomous docking maneuvers. The approach is tested in simulations on a large Roll-on/Roll-off vessel under the influence of wind and current, demonstrating successful autonomous docking maneuvers in two scenarios.

The thesis begins with an overview of the automated docking problem for autonomous surface vessels, followed by the necessary theoretical background to understand and implement the proposed method. The methodology is detailed, and the results from two successful autonomous docking simulations are presented. These results are then discussed, emphasizing both the strengths and limitations of the approach. The thesis concludes with a summary of findings and suggestions for future research.