[論文レビュー] A COLREGs-Compliant Motion Planner for Autonomous Maneuvering of Marine Vessels in Complex Environments

Kristoffer Bergman, Oskar Ljungqvist+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Maritime Navigation and Safety参考文献 21被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、複雑な海上環境におけるCOLREGs準拠を保証する、2段階の最適化ベースの運動計画法を大規模な海洋船舶に適用する。まず、COLREGs状態を拡張したラティスベースの計画法を用いて部分最適な軌道を生成し、次に、再帰的ホライズン最適制御によりそれを最適化することで、局所的最適性を達成する。これにより、エネルギー効率が良く、衝突を避ける、複雑な遭遇状況を事前に回避する軌道が得られる。

ABSTRACT

An enabling technology for future sea transports is safe and energy-efficient autonomous maritime navigation in narrow environments with other marine vessels present. This requires that the algorithm controlling the ship is able to account for the vessel's dynamics, and obeys the rules specified in the international regulations for preventing collision at sea (COLREGs). To account for these properties, this work proposes a two-step optimization-based and COLREGs-compliant motion planner tailored for large vessels. In the first step, a lattice-based motion planner is used to compute a suboptimal trajectory based on a library of precomputed motion primitives. To comply with the rules specified in COLREGs, the lattice-based planner is augmented with discrete states that represent what type of COLREGs situations that are active with respect to other nearby vessels. The trajectory computed by the lattice-based planner is then used as warm-start for the second receding-horizon step based on direct optimal control techniques. The aim of the second step is to solve the problem to local optimality with the discrete COLREGs states remained fixed. The applicability of the proposed motion planner is demonstrated in simulations, where it computes energy-efficient and COLREGs-compliant trajectories. The results also show that the motion planner is able to prevent complex collision situations from occurring.

研究の動機と目的

• 狭く動的な海上環境に他の船舶が存在する中で、安全でエネルギー効率の良い自律航行のニーズに対応すること。
• 特に、大きな船舶が顕著な操舵特性を示す状況下でも、動的遭遇状況におけるCOLREGs規則準拠を保証すること。
• 衝突状況が発生した後に反応するのではなく、複雑な衝突状況を事前に防止する運動計画法の開発。
• 船舶の運動特性を軌道計画に統合しつつ、離散的COLREGs状態モデル化によりCOLREGs準拠を維持すること。
• ラティス計画法による部分最適な軌道を、直接的最適制御技術を用いて改善し、局所的最適性とエネルギー効率を達成すること。

提案手法

• 事前に計算された運動プリミティブのライブラリを用いたラティスベースの運動計画法を用いて、初期の部分最適な軌道を生成する。
• 動的障害物との相対的なCOLREGs状況（例：交差、正面衝突、追越し）を表す離散状態をラティス計画法に追加する。
• 再帰的ホライズン最適制御フレームワークを適用し、COLREGs状態を固定したまま軌道を局所的に最適化する。
• 高精度な船舶操舵モデル（Fossenモデル）を用いて、動的実現可能性とエネルギー効率を確保する。
• 直接的最適制御技術（例：直接トランスcription法や擬スペクトル法）を用いて軌道を改善する。
• 動的障害物の予測が更新された場合にオンラインで再計画を可能にし、安全かつ準拠性を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模な海洋船舶の運動計画法は、複雑で狭い環境において、船舶の運動特性を考慮しつつ、どのようにCOLREGs準拠を確保できるか？
• RQ2 ラティス計画法と直接的最適制御を組み合わせた2段階の最適化フレームワークは、エネルギー効率が良く、COLREGs準拠の軌道を生成し、複雑な衝突状況を防止できるか？
• RQ3 ラティス計画法に離散的COLREGs状態を統合することで、軌道の安全性と規則準拠性はどの程度向上するか？
• RQ4 再帰的ホライズン最適制御ステップは、初期のラティスベースの軌道と比較して、どのように軌道の滑らかさとエネルギー効率を改善するか？
• RQ5 動的障害物の予測不確実性は、リアルタイム動作における計画法の性能と耐障害性にどのような影響を及ぼすか？

主な発見

• すべてのテストシナリオにおいて、運動計画法はCOLREGs準拠の軌道を正常に計算した。交差（P3）や追越し（P4）状況においても、正しいCOLREGs状態遷移が実現された。
• シナリオP2では、動的障害物が通路を遮ったためにヒューリスティックの不正確さが原因でラティスベース計画法に10.2秒を要した。これは、より優れたヒューリスティクスの必要性を示している。
• 改善ステップにより、合計で平均して26.1 MNの推力が削減された（全シナリオで82.5 MNから56.2 MNに）。これは顕著なエネルギー効率の向上を示している。
• ラティスベースの軌道で観察された振動的挙動（例：P3）は、完全な速度制御を許容することで、改善された軌道で効果的に低減され、滑らかで現実的である動きが実現された。
• 反応型アプローチとは異なり、複雑な衝突状況が発生する前にそれを防止した。
• 全軌道実行時間は467〜711秒の範囲にあり、改善ステップによる計算時間の追加は最大1.5秒にとどまり、実時間実行可能性は妥当であるとされた。