AUTO-IceNav: A Local Navigation Strategy for Autonomous Surface Ships in Broken Ice Fields

要約

氷の状況により、船は損傷を避けるために速度を落としたり、本航路から逸れたりする必要がよくあります。
さらに、砕けた氷原が北極で遭遇する氷の状態の主流になりつつあり、氷との衝突の影響は、接触が起こる場所と流氷の特定の特徴に大きく依存します。
本稿では、流氷域で運航する船舶の自律航行のためのフレームワーク「AUTO-IceNav」について紹介します。
軌道は地平線の後退方式で計算され、更新された氷原データを基に頻繁に再計画が行われます。
計画ステップでは、現在の氷の状態に対して安全な公称速度を仮定し、参照経路を計算します。
私たちは、船と氷の衝突による船の運動エネルギー損失を最小限に抑える新しいコスト関数を定式化し、このコストを格子ベースの経路プランナーの一部として組み込みます。
格子計画段階で計算された解は、提案された最適化ベースの改善ステップで初期推定として使用され、局所的に最適なパスが生成されます。
私たちのアプローチを検証するために、シミュレーションと物理テストベッドの両方で広範な実験が行われました。

要約(オリジナル)

Ice conditions often require ships to reduce speed and deviate from their main course to avoid damage to the ship. In addition, broken ice fields are becoming the dominant ice conditions encountered in the Arctic, where the effects of collisions with ice are highly dependent on where contact occurs and on the particular features of the ice floes. In this paper, we present AUTO-IceNav, a framework for the autonomous navigation of ships operating in ice floe fields. Trajectories are computed in a receding-horizon manner, where we frequently replan given updated ice field data. During a planning step, we assume a nominal speed that is safe with respect to the current ice conditions, and compute a reference path. We formulate a novel cost function that minimizes the kinetic energy loss of the ship from ship-ice collisions and incorporate this cost as part of our lattice-based path planner. The solution computed by the lattice planning stage is then used as an initial guess in our proposed optimization-based improvement step, producing a locally optimal path. Extensive experiments were conducted both in simulation and in a physical testbed to validate our approach.

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