[論文レビュー] COLREGs Compliant Collision Avoidance and Grounding Prevention for Autonomous Marine Navigation

Mayur S. Patil, Nataraj Sudharsan+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2026

Maritime Navigation and Safety被引用数 0

ひとこと要約

要約: 本論文は、船舶 MASS のための実時間凹凸最適化フレームワークを提示し、VOベースの制約と ILP-凸化された底曳き図を用いて、COLREGs適合の衝突回避、 grounding prevention、状態不確実性のロバスト性を速度空間の二次計画問題として統合する。浅瀬制約を持つ実船シミュレーションで実時間実現性と安全な機動を示す。

ABSTRACT

Maritime Autonomous Surface Ships (MASS) are increasingly regarded as a promising solution to address crew shortages, improve navigational safety, and improve operational efficiency in the maritime industry. Nevertheless, the reliable deployment of MASS in real-world environments remains a significant challenge, particularly in congested waters where the majority of maritime accidents occur. This emphasizes the need for safe and regulation-aware motion planning strategies for MASS that are capable of operating under dynamic maritime conditions. This paper presents a unified motion planning method for MASS that achieves real time collision avoidance, compliance with International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREGs), and grounding prevention. The proposed work introduces a convex optimization method that integrates velocity obstacle-based (VO) collision constraints, COLREGs-based directional constraints, and bathymetry-based grounding constraints to generate computationally efficient, rule-compliant optimal velocity selection. To enhance robustness, the classical VO method is extended to consider uncertainty in the position and velocity estimates of the target vessel. Unnavigable shallow water regions obtained from bathymetric data, which are inherently nonconvex, are approximated via convex geometries using a integer linear programming (ILP), allowing grounding constraints to be incorporated into the motion planning. The resulting optimization generates optimal and dynamically feasible input velocities that meet collision avoidance, regulatory compliance, kinodynamic limits, and grounding prevention requirements. Simulation results involving multi-vessel encounters demonstrate the effectiveness of the proposed method in producing safe and regulation-compliant maneuvers, highlighting the suitability of the proposed approach for real time autonomous maritime navigation.

研究の動機と目的

• 実時間で衝突回避、COLREGs適合、及び不確実性下での着底防止を達成する、海事自律航走船（MASS）向けの統合運動計画手法を開発する。
• 速度オブスタクル（VO）制約、COLREGsの方向性ルール、底曳き基盤の着底制約を単一の凸最適化フレームワークに組み込む。
• VOを位置・速度の不確実性へ対応させ、凸化されていない浅瀬領域を凸化して最適化へのシームレスな統合を図る。

提案手法

• 線形不等式制約を用いた速度空間の凸二次計画問題として運動計画を定式化する。
• 左/右の支持半平面を用いてVO境界から衝突回避制約を構築する。
• COLREGsの方向要求を取り入れ、適切な衝突回避側（左または右）を選択する。
• 線形制約を保つため、速度制約を内接多角形で近似する。
• bounded position and velocity uncertainties（境界付き位置・速度不確実性）を考慮して衝突円錐を膨張させ、頑健なVOを実現する。
• ILPベースの円カバー近似によって非凸の浅瀬領域を凸化する。
• kinodynamic制約を尊重するため、加速度限界を用いて速度を更新する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実時間の凸最適化フレームワーク内で、COLREGs適合の衝突回避をどう実現するか？
• RQ2 底曳き制約の凸近似を用いて、MASSの動的障害物回避と着底防止を統合できるか？
• RQ3 他船の不確かな sensing が衝突回避にどう影響するか、 bounded position/velocity 誤差に対してVOを頑健化できるか？
• RQ4 VO、COLREGs、着底制約をリアルタイム自動航行へ統合する計算可能性はどうか？

主な発見

• 提案されたQPは、衝突回避、COLREGs、着底制約を満たす安全な速度指令を生み出す。
• 正面衝突・浅瀬領域を含む多船シナリオで、最小分離距離が550 mを超えた。
• 平均VO/QP解法時間は約0.62–0.65 ms、最悪ケースで6 ms未満となり、リアルタイム実現性を支持する。
• 境界付き位置・速度不確実性を考慮した頑健なVO定式は、 sensing誤差下で安全性を確保するため衝突領域を拡張する。
• 浅瀬領域はILPによる有限円カバーで効果的に近似でき、凸計画フレームワークへ統合可能。
• ILPベースの凸化は、報告されたシミュレーションでインスタンスあたり数秒程度であり、リアルタイム用途の実用的な前処理を可能にする。