Design of a collision avoidance system for unmanned vessels

The idea of autonomous or “intelligent” self-steered robots has been around since the advent of computers and arguably even before that. The first modern prototypes were made for onshore and later underwater applications. Recently, improvements in technology such as digitalization, big data and arti- ficial intelligence have reached a level where commercialization of not only au- tonomous vehicles and aircrafts, but also autonomous ships is imminent. The scope of this thesis is to obtain an autopilot with collision avoidance sys- tem acting in accordance with the “Convention on International Regulations for Preventing Collisions at Sea”, (COLREG, 1972), in open sea navigation and in a single obstacle situation. To do so, the problem has been divided into two main parts: the first one related to the control systems and logics that would allow fully autonomous navigation and collision avoidance, and the second treating the obstacle detection. At first, obtained the state-space model of the vessel, the autopilot was developed. After that, in the second part, radar data are filtered through a Kalman Filter based on the Nearly Constant Velocity (NCV) model, in order to achieve a more accu- rate detection and prediction of the obstacle dynamics. Eventually, the collision avoidance logic was integrated in the overall system. The detection method has been tested through Monte Carlo simulations, while the collision avoidance logic was tested simulating the environment and the possible situations. The results obtained from this work could pave the way for the development of cutting-edge technologies in the naval automation field.

L’idea di robot “intelligente” o autonomo risale all’avvento dei computer e probabilmente anche a prima di questo. I primi prototipi moderni sono stati fatti per applicazioni sulla terraferma e sottacqua. Di recente, le migliorie tecnologiche quali la digitalizzazione, i big data e l’intelligenza artificiale hanno raggiunto un livello tale per cui anche la commercializzazione di navi autonome e` imminente, al fianco di quella di veicoli e velivoli. Lo scopo di questa tesi e` di ottenere un autopilota con sistema anticollisione che agisca rispettando le regole stabilite dalla “Convention on International Regula- tions for Preventing Collisions at Sea”, (COLREG, 1972), in navigazione in mare aperto ed in condizione di ostacolo singolo. Per fare cio`, il problema e` stato diviso in due parti: la prima relativa al rilevamento dell’ostacolo, mentre la seconda inerente le logiche ed i sistemi di controllo per navigazione ed evitamento della collisione in totale autonomia. In primo luogo, dopo aver ottenuto il modello state-space della nave, e` stato sviluppato l’autopilota. Dopodiche ́ , nella seconda parte, i dati radar vengono filtrati attraverso un filtro di Kalman basato un modello Nearly Constant Velocity (NCV), per ottenere un rilevamento ed una predizione della dinamica dell’ostacolo piu` accurata. InfinelalogicaanticollisioneA ̃ ̈stataintegratanelsistema. Il metodo di rilevamento e` stato testato utilizzando delle simulazioni Monte Carlo, mentre il sistema anticollisione e` stato testato simulando le possibili condizioni nell’ambiente reale. I risultati ottenuti tramite questo lavoro possono spianare la strada per lo sviluppo di tecnologie all’avanguardia nel campo dell’automazione navale.