Iterative method for ship motion planning in unpredictable navigational environment

Abstract

Рассматривается задача гарантированного предотвращения столкновений судов на неограниченном горизонте планирования в условиях непредсказуемого движения судов-целей. Множества достижимости судов-целей с учетом зоны навигационной безопасности определяют области возможных столкновений. Безопасные управления определяются в пространстве скоростей в виде совокупности векторов скорости управляемого судна. Гарантированное предотвращение всех возможных столкновений достигается выбором управления, ведущего за пределы областей возможных столкновений каждого судна-цели. Информация о движении судов-целей ограничена координатами и курсом в текущий момент времени. Суда-цели движутся непредсказуемым образом, но имеют динамические ограничения. Обеспечение безопасности плавания на неограниченном горизонте планирования в условиях непредсказуемости движения судов-целей является приоритетной задачей управления судном. Предварительный маршрут перехода требует коррекции в зависимости от текущей навигационной обстановки. Предлагаемый итеративный метод планирования движения судна в реальном времени обеспечивает гарантированное предотвращение столкновений и минимизирует отклонения от предварительного маршрута перехода. Ожидаемое движение судна-цели определяется на основе текущих параметров. Множества достижимости судов-целей остаются ограниченными в пространстве скоростей даже при увеличении горизонта планирования до бесконечности. Множества достижимости судов-целей дополняются зоной навигационной безопасности и образуют области возможных столкновений. Управления, приводящие вектор скорости управляемого судна за пределы области возможных столкновений в пространстве скоростей, гарантированно предотвращают столкновения даже в условиях непредсказуемости движения судов-целей. Гарантированно безопасные состояния управляемого судна зависят от множеств достижимости судов-целей. Выполненные исследования способствуют совершенствованию перспективных для практического применения в современных навигационных комплексах методов управления судном. The problem of guaranteed prevention of ship collisions on an unlimited planning horizon under conditions of unpredictable motion of target ships is considered. The reachable sets of target ships, taking into account the navigational safety zone, determine the areas of possible collisions. Safe controls are defined in the speed space as a set of speed vectors of the controlled vessel. Guaranteed avoidance of all possible collisions is achieved by choosing a control that leads outside the areas of possible collisions of each target ship. Information about the movement of target ships is limited to the coordinates and course at the current time. Target ships move in unpredictable ways, but have dynamic limitations. Ensuring the safety of navigation on an unlimited planning horizon in the conditions of unpredictable movement of target ships is a priority task of ship handling. The preliminary passage route requires correction depending on the current navigation situation. The proposed iterative real-time ship motion planning method provides guaranteed collision avoidance and minimizes deviations from the preliminary passage route. The expected motion of the target vessel is determined based on the current parameters. The reachable sets of target ships remain bounded in speed space even as the planning horizon increases to infinity. The reachable sets of target ships are supplemented by a navigational safety zone and form areas of possible collisions. Controls that bring the speed vector of the controlled vessel beyond the limits of the area of possible collisions in the speed space are guaranteed to prevent collisions even in conditions of unpredictable motion of target ships. The guaranteed safe states of the controlled ship depend on the reachable sets of the target ships. The performed research contributes to the improvement of ship control methods that are promising for practical use in modern navigation systems.