Autonomy for Unmanned Surface Vehicle

Abstract

Autonomous navigation has been successfully presented and developed both on ground and air. Though, autonomy on maritime surface vehicles has proven to be more challenging. In order to have an Autonomous Surface Vehicle (ASV), it ought to have a completely functional Guidance, Navigation and Control (GNC) system.This work presents part of the GNC system for the ASV giving special emphasis on collision avoidance and as the main focus the COLlision REGulationS (COLREGS) mode detection and it's application. For collision avoidance, two submodules were implemented, being the Dynamic Window Approach (DWA) for static obstacles, and a COLREGS compliant algorithm for multi-vehicle encounters, which are set with perimeters of safety.Slights modifications to the original DWA algorithm were introduced in order to better suit the conditions presented, such as the reset of the array of obstacles, when thus are outside of the inner perimeter, in order to reduce computational effort.The COLREGS algorithm implemented is able to detect the COLREGS rule to follow and to generate a new combination of heading and velocity to both, avoid collision and to correspond to the rules requirements.Sensors, such as an IMU and a GNSS system, were responsible to provide total knowledge of the vehicle's position and state, whereas a Lidar and an AIS system, were responsible for the representation of the obstacles and it's attributes. ROS has been employed as the middleware for the ASV, which avoids the need to develop your own code for many aspects of robot control.The computer simulations with Gazebo showed that the collision avoidance system could handle static and dynamic obstacles, with the condition that such dynamic obstacles were vessels with an AIS system integrated. It was demonstrated that the algorithm was capable of detecting the respective rule to follow and thus proceed with a new course which would lead to avoid collision.

Navegação autónoma tem sido desenvolvida e apresentada tanto para a terra como ar. No entanto, autonomia para veículos de superfície marítima tem provado algumas dificuldades. Para desenvolver um veículo autónomo de superfície aquático (ASV), é necessário um sistema de orientação, navegação e controlo (GNC) totalmente operacional. Esta tese apresenta uma parte deste sistema GNC para o ASV com um enfase em algoritmos para evitar colisão, com o maior foco na deteção das regras do mar a seguir, COLREGS, e da sua aplicação.Para os algoritmos para evitar colisão, dois sub-módulos foram implementados, sendo o Dynamic Window Approach (DWA) para obstáculos estáticos, e um algoritmo que segue as regras COLREGS para situações de cruzamento de veículos, sendo definidos com perímetros de segurança. Algumas modificações foram introduzidas relativamente ao algoritmo original de DWA, de modo a melhor responder às condições apresentadas, como um reset da variável de obstáculos, quando estes se encontram fora do perímetro interno, de modo a reduzir o esforço computacional requerido. O algoritmo que segue as regras COLREGS implementado, é capaz de detetar qual a regra a seguir e gera o novo conjunto de orientações e velocidades de modo a evitar colisão e cumprir as regras do mar. Sensores, como um IMU e um sistema GNSS, são responsáveis pela representação das posições e estados do veículo, em que por outro lado, o Lidar e um sistema AIS, são responsáveis pela representação dos obstáculos e seus atributos. ROS foi introduzido como o middleware para o ASV, o que evita a necessidade de desenvolver código para muitos aspetos do controlo do veículo. As simulações realizadas no Gazebo demonstraram que o sistema de evitar colisão consegue dar resposta a obstáculos estáticos e dinâmicos, na condição que os obstáculos dinâmicos sejam veículos com sistemas AIS integrados. Foi demonstrado que este algoritmo é capaz de detetar a respetiva regra a seguir e proceder com uma nova trajetória de modo a evitar colisão.