Development of software simulator for the motion and colreg obstacle avoidance of unmanned ship

Full Text

Введение

В современном мире безэкипажные суда (БЭС) становятся все более популярными, что обусловлено возможностью их применения в широком спектре задач в различных сферах. Они используются для мониторинга состояния окружающей среды, выполнения научных исследований, обеспечивают проведение подводных работ, выполняют спасательные и военные функции [1]. Перспективным направлением являются морские безэкипажные грузоперевозки [2, 3].

Однако разработка безэкипажных судов является сложной и дорогостоящей задачей. Она включает в себя проектирование судна, его изготовление, установку и настройку электроники и программного обеспечения, а также тестирование на воде. Все это требует больших затрат времени и ресурсов.

Для упрощения процесса разработки и тестирования безэкипажных судов программные симуляторы могут быть использованы для создания виртуальных моделей судов и их движения. Эти симуляторы могут быть настроены для воспроизведения различных маршрутов движения, погодных условий, морских течений, волнения и других факторов, которые могут повлиять на движение судна [4, 5].

С помощью программного симулятора разработчики могут тестировать различные сценарии без риска потери судна или нанесения ущерба окружающей среде. Они могут настроить различные параметры судна и его движения, чтобы определить оптимальные настройки для конкретных задач. Также использование программных симуляторов позволяет сократить затраты на разработку и тестирование безэкипажных судов, тем самым снизив их стоимость и время вывода в эксплуатацию.

Задача автоматического расхождения безэкипажного судна с подвижными или неподвижными препятствиями в соответствии с «Международными правилами предупреждения столкновения судов в море (МППСС‑72)» является одной из важнейших [6, 7]. Разработка программного симулятора движения и расхождения позволяет оценить работоспособность и эффективность применяемых алгоритмов и является важным шагом в разработке безопасных и эффективных безэкипажных судов, которые могут успешно выполнять задачи в различных областях.

Основные требования

Разрабатываемый симулятор предназначен в первую очередь для проверки алгоритма движения по заданной траектории и расхождения с представляющими опасность препятствиями в соответствии с МППСС-72. К моделированию динамических характеристик БЭС и подвижных объектов не предъявляется особых требований, и оно допускается в упрощенном виде.

Программный симулятор движения и расхождения безэкипажного судна является сложным инструментом, который должен соответствовать определенным требованиям для обеспечения возможности тестирования различных сценариев движения.

Важнейшим требованием к симулятору является разработка такой структуры программы, базовые элементы которой без изменений возможно использовать в программном обеспечении бортовых систем управления безэкипажных судов. К таким элементам можно отнести программные модули и функции, реализующие алгоритмическую часть движения и принятия решений при маневрах расхождения. Язык программирования также должен быть использован тот, который далее планируется использовать в бортовой системе управления БЭС, или наиболее подходящий и распространенный в данном применении, в том числе позволяющий обрабатывать значительный объем данных и вычислений при ограниченных аппаратных ресурсах.

Симулятор должен обеспечивать гибкость в настройке параметров, таких как размеры и характеристики движения судов, маршруты движения и условия на море, чтобы пользователи могли создавать разнообразные ситуации для тестирования.

Возможности анализа результатов моделирования также являются базовым требованием. К таким возможностям можно отнести отображение траекторий движения и способ отображения или визуализации решений при выполнении манеров расхождения. Это поможет разработчикам и экспертам оценить работоспособность применяемых алгоритмов, доработать и улучшить их производительность.

Реализация

В качестве алгоритмической основы разрабатываемого симулятора используются способы движения и расхождения, предложенные в статье «Система управления движением и расхождением безэкипажного судна в соответствии с МППСС-72» [8].

В симуляторе реализована подсистема удержания траектории, основанная на алгоритме градиента вспомогательной функции [9]. Суть этого алгоритма заключается в формирование векторного поля – набора векторов, показывающих требуемое направления движения БЭС в конкретной точке. Ниже приведены обобщенные формулы для расчета требуемого курса БЭС при движении по заданному участку маршрута:

${\psi }_{set}=\text{arctg}2\left(\frac{d{F}_i}{d{y}_i}+\alpha w_{yi},\frac{d{F}_i}{d{x}_i}+\alpha w_{xi}\right)$,

$\text{grad}{F}_i=\left(-a\left(a{x}_{usv}+b{y}_{usv}+c\right),-b\left(a{x}_{usv}+b{y}_{usv}+c\right)\right)$,

$a=\left(y_i-y_{i+1}\right)\mu$, $b=\left(x_i-x_{i+1}\right)\mu$, $c=\left(x_i{y}_{i+1}-x_{i+1}{y}_i\right)\mu$,

$\mu =\pm \frac{1}{\sqrt{{\left(y_i-y_{i+1}\right)}^2+{\left(x_{i+1}-x_i\right)}^2}}$,

$w_{xi}=\frac{x_{i+1}-x_i}{\sqrt{{\left(x_{i+1}-x_i\right)}^2+{\left(y_{i+1}-y_i\right)}^2}}$,

$w_{yi}=\frac{y_{i+1}-y_i}{\sqrt{{\left(x_{i+1}-x_i\right)}^2+{\left(y_{i+1}-y_i\right)}^2}}$,

где ψ_set – требуемый курс; F_i – функция, достигающая экстремума на i-ом участке маршрута [9]; (w_xi, w_yi)– вспомогательный вектор единичной длины, направленный вдоль траектории движения БЭС; α – весовой коэффициент, определяющий степень схождения векторного поля к заданному участку маршрута (α > 0); a, b, c– некоторые действительные числа; (x_usv,y_usv) – текущие координаты БЭС; (x_i, y_i)– путевые точки маршрута; μ – нормирующий множитель (берется по знаку, противоположному знаку c).

Необходимый маршрут движения БЭС задается путем создания набора путевых точек, последовательно соединенных прямыми линиями. Таким образом создается кусочно-линейный маршрут движения БЭС.

Подсистема обхода препятствий, используемая в симуляторе, обеспечивает вычисление безопасного курса и скорости БЭС для предотвращения столкновения с угрожающими препятствиями и соблюдения при этом правил МППСС-72. В ней применяется метод скоростных препятствий [10], доработанный с учетом требований МППСС-72 [8]. Для каждого возможного варианта курса и скорости рассчитывается стоимостная функция:

$C=k_1{U}_{i,j}^T{U}_{i,j}+k_2{F}_{collision}\left(V_i,{\psi }_j\right)+k_3{F}_{COLREG}\left(V_i,{\psi }_j\right)$,

$U_{i,j}=\left[\begin{array}{l}{V}_{set}\cos \left({\psi }_{set}\right)-V_i\cos \left({\psi }_j\right)\\ V_{set}\sin \left({\psi }_{set}\right)-V_i\sin \left({\psi }_j\right)\end{array}\right]$,

Где k₁, k₂, k₃ – постоянные коэффициенты; F_collision – логическая функция опасной ситуации [8]; F_COLREG – логическая функция МППСС-72 [8]; V_i, ψ_j – текущая скорость и курс БЭС; U_i,j – вектор ошибки; V_set, ψ_set – заданная пользователем скорость и рассчитанный подсистемой удержания траектории курс.

Далее выбирается вариант курса и скорости с минимальным значением стоимостной функции, что будет соответствовать курсу и скорости БЭС, максимально близким к курсу подсистемы удержания траектории и заданной скорости и при этом позволяющим разойтись с препятствием, соблюдая правила МППСС-72.

Общая логическая схема программного симулятора показана на рис. 1.

 

Рис. 1. Логическая схема программного симулятора движения и расхождения безэкипажного судна

 

Пользователь программного симулятора в полях настроек вводит параметры для расчета симуляции, включая коэффициенты, необходимые для работы подсистемы удержания траектории и подсистемы обхода препятствий, радиусы, описывающие БЭС и препятствия, требуемую скорость движения БЭС и заданные курсы и скорости движения препятствий. Маршрут движения БЭС задается интерактивным способом: пользователь активирует на панели инструментов режим создания путевых точек и отмечает их на виртуальной карте, точкам автоматически присваиваются порядковые номера, и они последовательно соединяются прямыми линиями, тем самым формируя маршрут движения.

Начальные положения БЭС и препятствий также задаются пользователем на карте интерактивно. Динамика безэкипажного судна (динамика изменения курса и скорости) в симуляторе реализована в упрощенной форме. Переход судна с одной скорости на другую определяется ускорением, задаваемым пользователем. Также задается угловая скорость для реализации изменения курса БЭС. При нажатии на кнопку начала симуляции производится выполнение алгоритмов подсистемы удержания траектории и подсистемы обхода препятствий, расчет и отрисовка перемещения безэкипажного судна и препятствий на карте.

Для анализа работы алгоритмов движения и расхождения в симуляторе предусмотрена функция отображения пройденной траектории БЭС и подвижных препятствий в течение заданного интервала времени. Также в отдельном окне возможен вывод сетки вариантов курсов и скоростей с весовыми коэффициентами в графическом виде. Это позволяет оценить корректность работы алгоритма расхождения с угрожаемыми подвижными препятствиями в соответствии с МППСС-72 в реальном времени. Дополнительно возможен вывод рассчитываемых в реальном времени параметров, интересующих пользователя. Например, вывод дистанции и времени кратчайшего сближения БЭС с подвижным препятствием [11].

Наиболее распространенными языками программирования в робототехнике, к которой в том числе можно отнести безэкипажные суда, являются MATLAB, Python, C++ [12, 13].

MATLAB [14] – это язык программирования, который часто используется в робототехнике для моделирования и анализа динамических систем. Он имеет богатую библиотеку инструментов для решения различных задач. MATLAB больше ориентирован на математические расчеты и имеет ограниченные возможности для создания сложных систем управления. Также он может быть очень ресурсоемким при работе с большими объемами данных и вычислений, что может привести к проблемам с памятью и производительностью.

Python [15] широко используется в робототехнике для создания высокоуровневых систем управления, обработки изображений, анализа данных и машинного обучения. Python отличается простотой и легкостью в изучении и использовании. Основным его недостатком является невысокая скорость работы. Он является интерпретируемым языком, что означает, что его скорость выполнения ниже, чем у компилируемых языков. Это может быть проблемой при выполнении задач, требующих высокой производительности.

С++ [16] – один из наиболее популярных языков в робототехнике. C++ позволяет написать очень эффективный и быстрый код, что может быть важно для систем управления роботами с высокими требованиями к скорости и производительности. C++ является стандартным языком программирования для различных аппаратных платформ, что обеспечивает широкую совместимость и переносимость кода между различными системами. Недостатком С++ является его сложность. У него более сложный синтаксис и более сложные концепции, такие как управление памятью и указатели, что может затруднить разработку программ.

Исходным языком программирования для программного симулятора движения и расхождения безэкипажного судна выбран C++ как наиболее подходящий под требования к разработке. Для разработки графического интерфейса программы (рис. 2) используется Qt Framework [17] – кроссплатформенная библиотека разработки GUI на С++.

 

Рис. 2. Графический интерфейс программного симулятора (1 – панель инструментов; 2 – виртуальная карта с расположенными на ней БЭС, препятствием и заданным маршрутом движения БЭС; 3 – панель ввода параметров БЭС, препятствий и алгоритмов движения и расхождения; 4 – графическое отображение стоимостной функции сетки вариантов курсов и скоростей БЭС)

 

На рис. 3 более подробно продемонстрирована сетка вариантов, показывающая, какой курс и какую скорость выбирает БЭС в текущий момент времени.

 

Рис. 3. Сетка вариантов курсов и скоростей безэкипажного судна

 

Представленная сетка вариантов показывает, какие области движения являются безопасными, а какие приводят к угрозе столкновения. Она представляет собой окружность, где градусная мера – курс движения судна, а радиус – скорость движения судна, как показано в области 1. Фиолетовые оттенки показывают области, которые являются приоритетными для БЭК, а желтые оттенки показывают области, которые приводят к угрозе столкновения, к нарушению правил МППСС-72 или к отклонению от траектории движения. Цвета определяются значением стоимостной функции, где наименьшее значение показывает наиболее подходящие курс и скорость движения безэкипажного судна.

Подсистемы удержания траектории и обхода препятствий реализованы в виде отдельных классов и функций, что позволяет использовать эти элементы программного обеспечения, отлаженного и оптимизированного в симуляторе, в дальнейшем в бортовом программном обеспечении систем управления безэкипажных судов.

Тестирование

Проверка работоспособности программного симулятора проводилась при моделировании основных ситуаций расхождения, регламентированных МППСС-72. К ним относятся: обгон, расхождение на встречных курсах и пересечение курсов [18]. Использовались следующие коэффициенты стоимостной функции: k₁ = 1, k₂ = 2000, k₃ = 1000.

 

Рис. 4. Движение и расхождение БЭС с препятствием на встречных курсах (траектория движения БЭС – синяя, траектория движения препятствия – красная, путевые точки заданного маршрута БЭС – зеленые, длина заданного маршрута = 550 м)

 

На рис. 4 показана смоделированная ситуация расхождения БЭС с препятствием на встречных курсах. БЭС обходит подвижное препятствие слева, соблюдая МППСС-72 и учитывая радиусы, описывающие БЭС и препятствие.

 

Рис. 5. Движение и расхождение БЭС с препятствием при обгоне (траектория движения БЭС – синяя, траектория движения препятствия – красная, путевые точки заданного маршрута БЭС – зеленые, длина заданного маршрута = 550 м)

 

Моделирование ситуации, при которой БЭС совершает обгон препятствия, показано на рис. 5. Здесь БЭС совершает обгон, оставляя препятствие справа.

 

Рис. 6. Движение и расхождение БЭС с препятствием при пересечении курсов, препятствие справа (траектория движения БЭС – синяя, траектория движения препятствия – красная, путевые точки заданного маршрута БЭС – зеленые, длина заданного маршрута = 550 м)

 

Расхождение БЭС в ситуации пересечения курсов, когда препятствие находится справа, показано на рис. 6. При движении препятствия справа БЭС сбавляет скорость и меняет курс, уступая дорогу и обходя препятствие через корму, соблюдая МППСС-72 и учитывая радиусы, описывающие БЭС и препятствие.

 

Рис. 7. Движение и расхождение БЭС с препятствием при пересечении курсов, препятствие слева (траектория движения БЭС – синяя, траектория движения препятствия – красная, путевые точки заданного маршрута БЭС – зеленые, длина заданного маршрута = 550 м)

 

На рис. 7 показано моделирование ситуации пересечения курсов, когда препятствие находится слева от БЭС. В данном случае согласно правилам уступить дорогу должно препятствие, что не реализовано в его программе движения. Безэкипажное судно пытается пройти, не уступая препятствию, но при этом незначительно меняет курс для уклонения от столкновения.

Заключение

Разработанный программный симулятор движения и расхождения БЭС позволяет оценить корректность работы алгоритмов движения с учетом правил МППСС-72. Функционал симулятора дает возможность смоделировать различные сценарии движения, включая заданный маршрут движения и требуемую скорость БЭС, курс и скорость движения препятствия, начальные позиции участников движения и их размеры. Возможно введение пользователем произвольных коэффициентов для расчета используемых алгоритмов движения и расхождения.

Отображение траектории движение БЭС и препятствия, а также графическая визуализация стоимостной функции сетки вариантов курсов и скоростей позволяют проанализировать работу применяемых алгоритмов.

Описание подсистем движения и расхождения в виде отдельных программных элементов на языке С++ после их окончательного тестирования и отладки позволяет применить их в бортовых системах управления безэкипажных судов практически без изменений.

В дальнейшем планируется усовершенствование разработанного программного симулятора путем введения возможностей формирования более разнообразных сценариев движения и расхождения с использованием группы подвижных препятствий со сложными траекториями. Возможно моделирование воздействий условий внешней среды – ветра и течений, проведение исследований быстродействия используемых алгоритмов и изучение возможности их оптимизации.

About the authors

Alexander A. Duda

Maritime State University named after admiral G.I. Nevelskoy

Email: adyda@mail.ru

Dr. Sci. (Techn.), Professor at the Department of Automatic and Information Systems

Russian Federation, 50a, Verhneportovaya st., Vladivostok, 690003

Igor I. Pushkarev

Maritime State University named after admiral G.I. Nevelskoy

Email: B_r_i_g88@mail.ru
SPIN-code: 1035-4648

Postgraduate Student

Russian Federation, 50a, Verhneportovaya st., Vladivostok, 690003

Anna F. Krasavina

Maritime State University named after admiral G.I. Nevelskoy

Author for correspondence.
Email: ankras2004@mail.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, 50a, Verhneportovaya st., Vladivostok, 690003

References

Supplementary files