Velocity-Obstacle and COLREGs-Based Safety Control for Underactuated USVs with a Fixed-Time Fuzzy Observer: Theory and Experiment
Questo articolo propone e valida sperimentalmente un sistema di controllo per il seguito di waypoint sicuro per USV sottovolanti che integra una strategia di guida basata su ostacoli di velocità derivata analiticamente e conforme ai COLREGs con un osservatore fuzzy a tempo fisso per garantire l'evitamento delle collisioni e il rigetto robusto dei disturbi in ambienti marittimi dinamici.
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L'oceano è un ambiente di lavoro vasto e imprevedibile dove le macchine devono imparare a navigare senza mani umane al volante. I veicoli di superficie non presidiati, spesso chiamati USV, sono barche robotiche progettate per pattugliare le coste, monitorare l'inquinamento o consegnare rifornimenti. Sono costruiti per essere semplici ed economici, il che spesso significa che mancano della capacità di muoversi lateralmente come un granchio; possono solo spingere in avanti e girare. Questa limitazione rende la guida attraverso rotte trafficate un puzzle complesso. La sfida è complicata dal fatto che l'oceano non è mai immobile. Vento, onde e correnti spingono costantemente queste barche fuori rotta, mentre altre navi si muovono lungo i propri percorsi. Per operare in sicurezza, questi robot non devono solo seguire una rotta pianificata, ma devono anche reagire istantaneamente per evitare collisioni, il tutto rispettando un rigoroso insieme di regole internazionali note come le "regole del gioco" del mare. Queste regole stabiliscono esattamente chi deve dare la precedenza a chi in situazioni come approcci frontali o incroci, garantendo che ogni imbarcazione conosca il proprio dovere per prevenire incidenti.
Un team di ricercatori della Dalian Maritime University ha sviluppato un nuovo modo per insegnare a queste barche robotiche come navigare in modo sicuro attraverso tali condizioni affollate e turbolente. Il loro lavoro combina un metodo matematico per prevedere il pericolo con un sistema intelligente che impara a ignorare la spinta e il tiro dell'oceano. Il cuore della loro soluzione è una strategia chiamata metodo dell'ostacolo di velocità (velocity obstacle method). Immaginate una barca robotica che guarda avanti e disegna un cono invisibile nell'acqua che rappresenta tutte le velocità e le direzioni che potrebbe prendere e che porterebbero inevitabilmente a uno scontro con un'altra nave. Se la barca rimane al di fuori di questo cono, è al sicuro. Tuttavia, evitare semplicemente uno scontro non è sufficiente; la barca deve anche rispettare le regole del gioco marittime. I ricercatori hanno perfezionato questo metodo in modo che il robot non scelga semplicemente una direzione sicura, ma scelga specificamente quella che è conforme alle regole, come ad esempio girare a destra quando incontra un'altra nave frontalmente. Ciò assicura che il robot si comporti come un responsabile capitano umano, non solo come una macchina che schiva ostacoli.
Per gestire la realtà fisica dell'oceano, il team ha aggiunto un "osservatore fuzzy" al cervello del robot. Questo è un tipo di stimatore intelligente che indovina costantemente quanto siano forti il vento e le onde che spingono la barca in ogni momento. A differenza dei sistemi più vecchi che potrebbero impiegare molto tempo per capire queste forze, questo nuovo osservatore calcola il disturbo e corregge la rotta della barca in un tempo fisso e molto breve, indipendentemente da quanto sia stata forte la spinta iniziale. Ciò consente alla barca di rimanere sulla sua rotta prevista anche quando l'ambiente è agitato. I ricercatori hanno testato questo sistema in due modi. Prima, hanno eseguito simulazioni informatiche dettagliate in cui la barca robotica doveva navigare un percorso mentre altre quattro navi virtuali si muovevano intorno a essa, creando scenari di incontro frontale, incrocio e sorpasso. I risultati hanno mostrato che la barca si muoveva fluidamente, evitando le virate brusche e improvvise che spesso affliggono altri sistemi di evitamento delle collisioni, e rispettava sempre le regole di sicurezza.
La vera prova, tuttavia, è avvenuta in mare aperto. Il team ha portato una barca robotica di 4,9 metri in mare aperto per eseguire una missione reale. Poiché non era facile portare con sé altre navi in movimento per ragioni di sicurezza e logistica, hanno creato una flotta "virtuale". Il computer della barca è stato programmato per credere che altre tre navi si stessero dirigendo verso di essa, e che dovesse reagire a queste minacce invisibili come se fossero reali. La barca ha identificato con successo questi incontri virtuali ed ha eseguito le manovre corrette: girare a destra per passare dietro una nave che incrociava la rotta, sterzare per evitare un approccio frontale e sorpassare un'imbarcazione più lenta. Durante l'esperimento, la barca ha mantenuto una distanza di sicurezza di almeno 10 metri da tutte le minacce virtuali. I dati hanno confermato che la barca poteva seguire il suo percorso con precisione, recuperare rapidamente dopo una virata e gestire le forze fisiche del mare senza perdere il controllo.
Sebbene le parti di evitamento delle collisioni e di guida del sistema siano state provate durante le prove in mare, i ricercatori hanno notato una piccola limitazione nel loro test sul campo. Lo specifico osservatore a "tempo fisso", progettato per stimare il vento e le onde, non è stato testato completamente in acqua perché i motori della barca non fornivano i dati precisi sulla velocità necessari per far girare quella specifica parte del modello. Inveve, hanno utilizzato un controllore leggermente diverso e già collaudato per il test in mare. Ciò significa che l'intero pacchetto teorico è ancora in fase di perfezionamento per l'impiego nel mondo reale, ma la logica di sicurezza centrale ha funzionato perfettamente. Lo studio dimostra che è possibile costruire una barca robotica che possa navigare in ambienti complessi e regolati da norme con un livello di fluidità e affidabilità che si avvicina alla competenza umana. Combinando il rigoroso rispetto delle leggi marittime con una matematica avanzata e a rapida reazione, i ricercatori hanno compiuto un passo significativo verso la rendere le navi autonome una realtà pratica per il futuro dell'ingegneria marina.
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