[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种针对大型海洋船舶的两步优化型运动规划器，可在复杂海事环境中确保符合《国际海上避碰规则》（COLREGs）的要求。首先，利用带有COLREGs状态增强的格栅规划器生成次优轨迹；随后，通过模型预测控制（receding-horizon optimal control）对轨迹进行优化，实现局部最优，从而生成节能、防撞且能主动规避复杂会遇场景的路径。

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.

研究动机与目标

• 解决在存在其他船舶的狭窄、动态海事环境中，对安全、节能的自主导航的需求。
• 在动态会遇场景中确保大型船舶具有显著操纵动力学特性时仍符合COLREGs规则。
• 开发一种能主动预防复杂碰撞情形的运动规划器，而非在事故发生后才做出反应。
• 在保持COLREGs合规性的同时，将船舶动力学特性整合到轨迹规划中，通过离散COLREGs状态建模实现。
• 利用直接最优控制技术对格栅规划器生成的次优轨迹进行优化，以实现局部最优与节能性。

提出的方法

• 使用基于格栅的运动规划器，并借助预计算的运动基元库生成初始次优轨迹。
• 通过引入表示与动态障碍物相对的COLREGs会遇状态（如交叉、对遇、追越）的离散状态，增强格栅规划器。
• 应用模型预测控制（receding-horizon optimal control）框架，在保持COLREGs状态不变的前提下对轨迹进行局部优化。
• 采用高保真船舶操纵模型（Fossen模型）以确保动力学可行性与节能性。
• 采用直接最优控制技术（如直接转录法或伪谱法）对轨迹进行精细化处理。
• 在动态障碍物预测更新时支持在线重规划，以维持安全性和合规性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在复杂狭窄环境中，兼顾船舶动力学特性，使大型海洋船舶的运动规划器确保符合COLREGs规则？
• RQ2 结合格栅规划与直接最优控制的两步优化框架，能否生成节能、符合COLREGs规则的轨迹，并有效预防复杂碰撞场景？
• RQ3 将离散COLREGs状态整合到格栅规划器中，在多大程度上提升了轨迹的安全性与规则合规性？
• RQ4 与初始格栅规划轨迹相比，模型预测控制步骤在提升轨迹平滑性与节能性方面表现如何？
• RQ5 动态障碍物预测不确定性对规划器在实时运行中的性能与鲁棒性有何影响？

主要发现

• 该运动规划器在所有测试场景中均成功生成了符合COLREGs规则的轨迹，包括交叉会遇（P3）与追越会遇（P4）情形，且正确实现了COLREGs状态转换。
• 在场景P2中，由于动态障碍物阻塞通行路径，格栅规划器因启发式方法不准确而耗时10.2秒，凸显了改进启发式方法的必要性。
• 优化步骤使总推进力平均降低26.1 MN（从82.5 MN降至56.2 MN），显著提升了节能效率。
• 格栅规划轨迹中观察到的振荡行为（如P3中的情况）通过允许全速度控制在优化轨迹中得到有效缓解，使轨迹更加平滑且更符合实际操纵行为。
• 该规划器成功预防了复杂碰撞情形的发生，而无需像反应式方法那样仅在COLREGs会遇状态已形成后才作出响应。
• 轨迹总执行时间在467至711秒之间，优化步骤最多增加1.5秒计算时间，表明其具备可接受的实时可行性。