Geri Dön

COLREGs-compliant and non-prioritized motion planning for autonomous unmanned surface vehicles

Otonom insansız deniz araçları için COLREG-uyumlu ve önceliksiz hareket planlaması

PDF İndir

  1. Tez No: 815790
  2. Yazar: MUSTAFA BAYRAK
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HALUK BAYRAM
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Medeniyet Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 67

Özet

Bu tezde insansız suüstü araçlarında kullanılmak üzere Denizde Çatışmayı Önleme Tüzüğü'ne (DÇÖT) uyumlu bir rota planlama algoritması geliştirilecektir. DÇÖT 1972'de Uluslararası Denizcilik Organizasyonu (IMO) tarafından yayınlanmıştır. Bu tüzüğün amacı, uluslararası sularda seyreden gemilerin aralarında yaşanabilecek çarpışmaların önüne geçmektir. Otonom suüstü araçları için DÇÖT uyumlu rota planlaması geliştirileceği zaman tüzüğün 13. ile 17. kuralları arası önemlidir. Otonom suüstü araçları sivil ve askeri alanda birçok çözümün üretilmesinde kullanılan robotik platformlarıdır. Son yıllarda otonom suüstü araçlarında hareket planlama algoritmaları üzerine yapılan akademik çalışmaların ve bu alandaki özel sektör girişimlerinin artışı söz konusudur. Otonom suüstü araçlarının kargo taşımacılığı ve toplu ulaşım gibi alanlarda kullanılabilmesi için yalnızca DÇÖT'ye uyumlu olması yeterli olmayabilir. 1972'de ortaya konan tüzük, insanlı komuta edilen gemiler göz önünde bulundurularak tasarlanmıştır. İnsanlı komuta edilen gemilerin çoğunlukta olduğu bir deniz trafiğinde bulunan bir otonom suüstü aracının güvenle seyredebilmesi için olabildiğince güvenli ve temkinli bir hareket planlama algoritmasına ihtiyacı vardır. Suüstü araçlarının otonom kabiliyetlerinin artırılması için insanlı komuta edilen gemilerin çoğunlukta olduğu trafiklerde uzun saha deneylerinin yapılması gereklidir. Bunun yapılabilmesi için de olabildiğince güvenli ve muhafazakâr bir hareket planlama algoritmasına ihtiyacı vardır. Bu tezde ortaya konan önceliksiz hareket planlaması sayesinde otonom suüstü aracı başka bir gemi ile karşılaştığında tüzüğün 13. 14. ve 15. kuralları çerçevesinde yol veren gemi konumuna düşecek, bunun gerçekleşemeyeceği koşullarda karşılaşma durumuna düşmekten kaçınacaktır. Bu sayede otonom suüstü aracı güvenli bir şekilde seyredecek, kritik durumlarda inisiyatifi insanlı kumanda edilen deniz araçlarına bırakmış olacaktır. Literatürde bulunan birçok çalışmada otonom suüstü aracının yol verilen tekne konumunda olduğu ikili etkileşimlere dair çözümler üretilmiştir. Tamamen otonom suüstü araçlarının gerçek dünyaya entegre edilebilmesi, lojistik ve turizmde kullanılabilmesi için diğer insanlı kontrol edilen gemiler ile etkileşimlerden olabildiğince kaçınan, kaçınamadığı durumlarda yol veren tekne konumuna düşerek deniz trafiğini tehlikeye sokmayan bir rota planlaması gereklidir. Hedeflediğimiz bu önceliksiz davranış modeline sahip hareket planlama algoritmasını gerçelkeyebilmek için bazı varsayımlarda bulunduk. Bu varsayımların birincisi otonom suüstü aracının geniş bir görüş alanına sahip olmasıdır. Geniş bir görüş alanı gereksiniminin sebebi diğer gemileri onların etki alanına (ship domain) girmeden önce tespit edebilmek ve diğer gemilerin etki alanına girmeden hareket planlaması yapabilmektir. Yaptığımız diğer varsayım ise gemilerin etki alanı ile ilgilidir. Otonom suüstü aracının bulunduğu deniz trafiğindeki gemilerin her biri için çembersel birer etki alanı tanımladık. Bu çembersel etki alanlarının yarıçapları geminin ebatları ile orantılı bir şekilde hesaplanmaktadır. Gemiler için tanımladığımız etki alanlarına başka bir geminin girmesi durumunda, diğer geminin bulunduğu bağıl konuma göre uygulanması gereken DÇÖT kuralı değişmektedir. Önceliksiz davranış modeline sahip otonom suüstü aracının diğer geminin rotasını tekrardan planlamasına neden olmaması için diğer geminin etki alanının pruva kısmında veya sancak kısmında kalan bölümüne düşmemelidir. Önceliksiz davranış modeline sahip otonom suüstü aracının diğer gemilerin etki alanına girmesine dair kabullerimiz, DÇÖT'nin aşağıdaki maddelerine dayanmaktadır: Denizde Çatışmayı Önleme Tüzüğü'nde iki geminin KURAL 14: PRUVA PRUVAYA GELİŞ DURUMU başlıklı kuralında tarif edilen senaryoda iki geminin de rotasını sancak yönüne değiştirmesi gerekmektedir. Dolayısıyla otonom suüstü aracının başka bir gemi ile pruva pruvaya gelmemesi gereklidir. Denizde Çatışmayı Önleme Tüzüğü'nde iki geminin KURAL 15: AYKIRI GEÇİŞ başlıklı kuralında tarif edilen senaryoda diğer gemiyi sancak tarafından gören geminin diğer geminin pruvasından geçmemesi gerekir. Dolayısıyla otonom suüstü aracının başka bir geminin sancak tarafında konumlanmaması gereklidir. Bu tezde öne sürdüğümüz hareket planlama algoritmasına ek olarak, insansız suüstü araçları için hareket planlama algoritmalarını gerçek dünyada olduğu gibi birden fazla geminin bulunduğu gerçekçi deniz trafiği senaryoları altında test etme ve doğrulama problemini de ele aldık. İnsansız suüstü araçarı için bir planlama algoritması geliştirildiğinde, bu algoritmayı gerçekçi bir deniz trafiğini içeren ve gerçek dünya koşullarına benzeyen senaryolar altında test etmek çok önemlidir. Bu amaçla, araştırmacıların istenilen sayıda gemi eklemesine ve rotalarını manuel olarak tanımlamasına veya Otomatik Tanımlama Sistemi (AIS) verilerinden otomatik olarak oluşturmasına olanak tanıyan açık kaynaklı bir Virtual RobotX tabanlı simülasyon ortamı tasarladık. Bu simülasyon ortamında bulunacak olan her gemi, DÇÖT'ye uyumlu hareket planlamayı sağlayan algoritmalar ile donatılmıştır. Bu algoritmalar şu şekilde özetlenebilir: Küresel hareket planlayıcı, geriye yönelik Otomatik Tanımlama Sistemi verilerini veya kullanıcının manuel olarak girdiği rotaları kaynak alarak simülasyon ortamında bulunan gemilerin küresel rotalarını belirler. Algılama modülü, simülasyondaki gemilerin üzerinde bulunan Küresel Konumlandırma Sistemi (GPS) sensörlerini kullanarak gemilerin birbirlerine uzaklıklarını esas alarak gemilerin birbirlerini görmesini makul işlem gücü gereksinimi ile simüle eder. Gemi etki alanı, algılama modülünden alınan veriye göre gemilerin karşılaşma durumunda olup olmadığını kontrol eder. Literatürde gemi etki alanı teorisine dair birçok modelleme yapılmıştır. Basit, anlaşılır ve düşük işlem gücü gereksinimine sahip olması adına çalışmamızda çembersel bir gemi etki alanı modelledik. Bu çemberin yarıçapı geminin boyutlarına göre belirlenmekle beraber kullanıcıların tercihine ve yaptıkları kabullere göre değişiklik gösterebilir. Anahtarlama mekanizması, bir geminin yerel rota planlama veya küresel rota planlama durumlarından hangisinde olduğunu kontrol eden bir mekanizmadır. Gemi etki alanından aldığı bilgiye göre geminin bir karşılaşma durumunda olup olmadığını kontrol eder. Karşılaşma durumunda yerel rota planlamayı çalıştırır. Yerel rotanın simülasyon ortamında bulunan diğer gemiler tarafından kesintiye uğratıldığı durumda yeni bir yerel rota planlar. Yerel rota başarılı bir şekilde takip edildiği durumda küresel rotaya geri dönüşü sağlar. Yerel rota planlama, anahtarlama mekanizması tarafından uyarıldığı takdirde gemi için DÇÖT'ye uyumlu bir rota planlamasını sağlar. Bu çalışmada Hızla genişleyen Rastgele Ağaç (RRT) algoritmasının DÇÖT'ye uyumlu bir rota oluşturması için geminin bulunmaması gereken konumlara sanal engeller yerleştirilerek yerel rota oluşturulur. Rota takip mekanizması, geminin küresel rotasını ve o esnada varsa yerel rotasını analiz edip geminin o esnada hangi ara hedef noktaya ulaşması gerektiğini belirler. Kontrolcü mekanizması, geminin ara hedef noktaya ulaşabilmesi için gerekli eyleyici komutlarını üretir. Kontrol algoritması olarak bu çalışmada Saf Takip (Pure Pursuit) algoritmasını kullanmayı tercih ettik. Sabit hızla hareket eden gemilerde dümen açısının kontrolü ile rota takibinin başarılı bir şekilde yapılabilmesi, katsayılarının daha kolay ayarlanabilmesi gibi nedenler bu algoritmayı tercih etmemizde etkili oldu. Bahsedilen simülasyon ortamının yazılım mimarisinde paralel gerçek zamanlı algoritmaların koşturulabildiği, açık kaynaklı yapısı sayesinde sensörler, işlem birimleri için bol ve çeşitli kaynakların bulunabildiği, geniş forum ve yardım ağı bulunan yapısal bir yazılım olan Robot İşletim Sistemi (ROS) kullanılmıştır. Simülasyon deneyleri için ROS ile gerçek zamanlı haberleşebilen 3 Boyutlu simülasyon motoru olan Gazebo tercih edilmiştir. Gazebo simülasyon ortamı, ROS'u üreten ve yürütücülüğünü üstlenen kurum olan Open Robotics'in ürettiği simülasyon ortamıdır. ROS'a uyumlu olması, uluslararası robotik camiasında yaygın kullanımı, gerçekçi fizik motoru ve düşük işlem gücü gereksiniminden dolayı tercih edilmiştir. Gerçek dünyada çalışması için üretilen robotlarda algoritmaların gerçek robot üzerinde denemeden önce bir simülasyon ortamında test edilmesi projenin maliyetini düşürür ve yaşanabilecek olası kırım hadiselerinin önüne geçer. ROS tabanlı yazılım mimarisinde, ROS düğümleri olarak kullanılan Python ve C/C++ dillerinde yazılan algoritmalar kullanılarak simülasyon ortamında bulunan gemilerin kontrolü sağlanmaktadır. VRX simülasyon ortamı, Open Robotics'in düzenlediği RobotX yarışmasının bilgisayar ortamında modellenmiş halidir. VRX simülasyon ortamında üzerinde IMU, lidar, kamera, GPS gibi robotlarda kullanılan temel sensörlerin bulunduğu pervane itkili katamaran bot modeli bulunmaktadır. Dalga, akıntı, rüzgâr, sis gibi gerçek hayatta açık denizlerde seyreden gemilere etki eden bozucu etmenler modellenmiştir. Durağan engellerin modellenmesi için dubalar, işaretçiler ve liman modelleri bulunmaktadır. Geliştirdiğimiz simülasyon ortamı, oldukça gerçekçi olan VRX simülasyon ortamını temel alarak tasarlanmıştır. Gerçek bir otonom insansız suüstü aracı için tasarlanacak yazılımların testinin öne sürdüğümüz simülasyon ortamı ile yapılmasının mümkün olduğunu göstermek adına bu tezde öne sürdüğümüz hareket planlama algoritmasını bu simülasyon ortamı ile test ettik. Bu simülasyon ortamını geliştirmekteki amacımız insansız suüstü araçlarında hareket planlama algoritmaları üzerine çalışan araştırmacıların geliştirdikleri algoritmaları test etmekte kullanabileceği, deniz trafiğinin modellenmesi adına tasarlanan yazılımın parametrelerini değiştirebilecekleri veya diledikleri modülleri ekleyebilecekleri, açık kaynak kodlu ve geliştirmeye müsait bir simülasyon ortamının ortaya konmasıdır. Yaptığımız literatür taramasında araştırmacıların ortaya koydukları hareket planlama algoritmalarının test edilmesi için kendi simülasyon ortamlarını oluşturduklarını gördük. Bunların çoğunluğu iki boyutlu ve bahsettiğimiz çevresel etmenleri içermeyen nispeten daha basittir. Ortaya koyacağımız hareket planlama algoritmasının sanal ortamda test edilmesi için tür bir simülasyon ortamına ihtiyacımız vardır. Akademik literatürde gördüğümüz bu açık kaynak kodlu simülasyon ortamı eksikliğini giderebilmek için modüler, anlaşılabilir bir kaynak koduna sahip, geliştirmeye açık, iyi dokümante edilmiş ve diğer araştırmacıların da kullanabilmesini göz önünde bulundurarak bir simülasyon ortamı tasarladık. Simülasyon ortamında bulunan diğer gemilerin gerçekçi bir deniz trafiği ortamını modelleyebilmesi adına geriye yönelik Otomatik Tanımlama Sistemi (AIS) verilerinden faydalanan MATLAB tabanlı bir çözüm geliştirdik. AIS, gerçek zamanlı gemi pozisyon takibinin yapılabildiği bir servistir. Gemilerde bulunan vericilerin yer istasyonlarına gönderdikleri konum, doğrultu ve gemiye dair detayların bulunduğu sinyaller sayesinde dünya genelinde gemi takibi yapılmaktadır. Bu veri tabanından elde edilen bilgilerde dakika cinsinden gecikmeler yaşanmaktadır. Gemilerin kıyılardan uzaklaşması sonucunda gönderdikleri sinyallerde paket kaybı yaşanabileceği gibi karada bulunan alıcıların menzilinden tamamen çıkabilir. Okyanusta bulunan gemilerin takibinin yapılabilmesi için uydu görüntüsü tabanlı ve yapay zeka destekli sistemler kullanılmaktadır. Gerçek zamanlı AIS verileri ileri bir tarihte kullanmak adına kayıt edilebilir. Bu kayıt edilmiş verilere geriye yönelik AIS verisi denir. Geriye yönelik AIS verisini depolayıp talep eden müşterilere satan servislerin yanında belirli bir bölgenin verisini ücretsiz olarak kullanıma açan devlet kuruluşları mevcuttur. Simülasyonda AIS verisinin kullanılabilmesi için yalnızca verinin edinilmesi yeterli değildir. Edinilen geriye yönelik AIS verisi hem yüzey alanı hem süre olarak simüle edilebilir olmayan çok büyük ölçekte veriler olarak depolanmış olabilir. Dolayısıyla büyük bir AIS verisinden simüle edilebilir küçük veri parçalarının seçilebilmesi ve bu veri parçasının simülasyonda kullanıma uygun formatta kaydedilmesi gerekir. Bu problemi çözmek için MATLAB tabanlı bir analiz yazılımı geliştirdik. Bu yazılım büyük veriyi konum ve zaman dilimine göre ayrıştırır ve ayrıklaştırılmış bu veri parçalarını içinde bulunan gemi sayısı, kat ettikleri mesafe, gönderdikleri AIS verisi gibi parametrelerini hesaplar. Geliştirdiğimiz MATLAB yazılımı sayesinde kullanıcılar simülasyonlarında kullanmak istedikleri deniz trafiği durumuna göre analiz yapıp simülasyonda çalıştırmaya hazır ve gerçekçi deniz trafiği içeren verileri büyük AIS verisinden kolayca seçip kullanabilirler. Önerdiğimiz önceliksiz davranış modeli tabanlı hareket planlama algoritmasını tasarlarken ve test ederken geliştirmiş olduğumuz açık kaynak kodlu simülasyon ortamını kullandık. Gerçekçi bir deniz trafiğinin modellenmesi için geriye yönelik AIS verisini analiz edip trafiğin söz konusu olduğu bir konum ve saat dilimini ayıklamak için MATLAB tabanlı yazılımımızı kullandık. Yapılan simülasyon testleri neticesinde geliştirdiğimiz önceliksiz hareket planlama algoritmasına sahip otonom suüstü aracının deniz trafiğinde mevcut olan diğer gemilerin rotasını değiştirmeye zorlamadan güvenli bir seyir yaptığını gözlemledik.

Özet (Çeviri)

In this thesis, we introduce a motion planning algorithm for unmanned surface vehicles that has a non-prioritized behavior. This means that it avoids encounters that might prompt other vessels to re-plan their routes in order to comply with International Regulations for Preventing Collisions at Sea (COLREG). The development of a safe and conservative motion planning algorithm is important for the seamless integration of autonomous vehicles into existing maritime traffic. This algorithm allows autonomous unmanned surface vehicles (USVs) to navigate confidently and responsibly, enhancing overall traffic management and ensuring adherence to maritime regulations. Through this approach, we aim to contribute to the broader vision of achieving a harmonious coexistence between autonomous and manned vessels in shared waterways. To realize this vision, we present a non-prioritized motion planning algorithm. Its core objective is to ensure that when an autonomous surface vehicle encounters another ship, it prioritizes yielding the right of way while meticulously adhering to the 13th, 14th, and 15th rules of COLREGs. This algorithm is designed to avoid encounters that may disrupt the routes of other vessels, ultimately fostering a safer and more efficient maritime traffic environment. For implementation of our non-prioritized motion planning algorithm, we propose a Rapidly-Exploring Random Trees (RRT) based motion planning algorithm ensuring that the generated path does not lead to encounters that trigger the need for other vessels in the environment to revise their own paths. Central to this approach is the utilization of virtual obstacles. We guide the RRT algorithm by defining virtual obstacles it should avoid passing through. By this approach, we prevent the algorithm from generating paths that would cause the re-planning of routes for other vessels. In addition to our proposed motion planning algorithm, we consider the problem of testing and verifying motion planning algorithms for unmanned surface vehicles under realistic scenarios in which multiple vessels travel around as they do in the real world. Once a planning algorithm is developed for USVs, it is crucial to test a planning algorithm under scenarios that closely resemble real world conditions, which include environmental disturbances and real marine traffic. For this purpose, we present an open-source Virtual RobotX-based (VRX) simulation environment that enables researchers to add an arbitrary number of vessels and manually define their routes, or automatically generate them from AIS data. Each vessel is equipped with global and local motion controllers complying with COLREGs.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    837583

    Gemiler için COLREG ile uyumlu otonom çatışmadan kaçınma çalışması

    COLREG compatible autonomous ship collision avoidance study

    HASAN UĞURLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Deniz Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL ÇİÇEK

  2. Tez No

    620615

    İstanbul Boğazı gemi trafiğinde balıkçı teknelerinin seyir emniyetine etkileri

    The fishing vessels which are considered to be potential risks to the vessel traffic and navigational safety of İstanbul Straight

    MERİÇ KARAHALİL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Denizcilikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. YUSUF VOLKAN AYDOĞDU

  3. Tez No

    893126

    İnsansız su üstü deniz araçları için çarpışma regülasyonları ile uyumlu, dinamik, optimal çatışmadan sakınma rotası planlaması

    Dynamic, colregs-compliant, optimal collision avoidance path planning method for unmanned surface vehicle

    BURAK ALPTEKİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    DenizcilikYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NİHAN KAHRAMAN

  4. Tez No

    72922

    Deniz taşımacılığında emniyetli yönetim sistemi ve kuru dökme yük gemilerinde uygulanması

    Safety management system at sea transport and its application on dry bulk carriers

    TEVFİK ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    İşletmeDokuz Eylül Üniversitesi

    Deniz İşletmeleri Yönetimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. Ö. BAYBARS TEK

  5. Tez No

    75558

    Uluslararası güvenlik yönetimi (ISM) kodu ve uygulaması

    Başlık çevirisi yok

    HASAN AYDIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NİL GÜLER

Geri Dön