Asynchronous distributed collision avoidance with intention consensus for inland autonomous ships

📄 arXiv: 2501.15899v1 📥 PDF

作者: Hoang Anh Tran, Nikolai Lauvås, Tor Arne Johansen, Rudy R. Negenborn

分类: eess.SY

发布日期: 2025-01-27

DOI: 10.1109/TCST.2025.3587842

💡 一句话要点

提出基于意图共识的异步分布式碰撞避免算法，用于内河自主船舶

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 自主船舶 碰撞避免 分布式MPC ADMM 异步通信 协同控制 内河航运

📋 核心要点

  1. 现有船舶避碰方法难以应对复杂内河环境下的协同问题，尤其是在通信受限的情况下。
  2. 论文提出基于分布式模型预测控制（MPC）和异步非线性ADMM的算法，实现船舶间的意图协商和异步通信。
  3. 仿真和现场实验验证了算法在复杂场景下的有效性，能够防止船舶碰撞并遵循交通规则。

📝 摘要（中文）

本文关注自主内河船舶的协同避碰问题，提出了两种分布式解决方案。首先，提出了一种分布式模型预测控制（MPC）算法，该算法允许船舶在同步通信框架中直接协商其避碰意图。此外，我们引入了一种新方法来塑造船舶行为，使其遵循水道交通规则。交替方向乘子法（ADMM）理论保证了该算法条件收敛到静止解。为了克服船舶之间异步通信的问题，我们采用了一种新的异步非线性ADMM，并在此基础上提出了一种异步分布式MPC算法。多个仿真和现场实验表明，所提出的算法即使在复杂场景中也能防止船舶碰撞。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决内河自主船舶在分布式场景下的协同避碰问题。现有方法在处理船舶间通信异步性以及复杂水域交通规则时存在不足，容易导致碰撞风险，难以保证航行安全。

核心思路：论文的核心思路是利用分布式模型预测控制（MPC）进行船舶运动规划，并通过交替方向乘子法（ADMM）实现船舶间的意图共识和协同。针对异步通信问题，引入异步非线性ADMM，允许船舶在不同步的情况下进行信息交互和决策。

技术框架：整体框架包含以下几个主要模块：1) 船舶运动模型：描述船舶的动力学特性。2) 分布式MPC：每个船舶运行一个MPC控制器，负责生成局部最优轨迹。3) 意图协商：通过ADMM算法，船舶之间交换避碰意图，并达成共识。4) 交通规则约束：设计约束条件，引导船舶行为符合内河交通规则。5) 异步通信处理：采用异步非线性ADMM，处理船舶间通信延迟和丢包问题。

关键创新：论文的关键创新在于：1) 提出了一种基于ADMM的分布式MPC算法，用于船舶间的意图协商和协同避碰。2) 引入异步非线性ADMM，解决了船舶间异步通信的问题，提高了算法的鲁棒性。3) 设计了一种新的方法来塑造船舶行为，使其遵循水道交通规则。

关键设计：在分布式MPC中，每个船舶的控制器需要优化自身的轨迹，同时考虑其他船舶的意图。ADMM算法用于解决分布式优化问题，通过迭代更新局部变量和全局变量，最终达成共识。异步非线性ADMM的关键在于处理接收到的旧信息，通常采用一定的权重衰减或信息过滤机制。交通规则约束通常以不等式约束的形式加入到MPC的优化问题中。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

仿真结果表明，所提出的算法能够有效防止船舶碰撞，即使在复杂的交通场景下也能保证航行安全。现场实验进一步验证了算法的实际可行性。与传统的集中式控制方法相比，分布式算法具有更好的可扩展性和鲁棒性，能够适应动态变化的内河环境。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于内河自主航运领域，提高船舶航行的安全性、效率和智能化水平。通过实现船舶间的协同避碰和智能决策，可以减少人为事故，降低运营成本，并促进内河航运的可持续发展。此外，该技术也可推广到其他多智能体协同控制领域，如无人机集群、自动驾驶车辆等。

📄 摘要（原文）

This paper focuses on the problem of collaborative collision avoidance for autonomous inland ships. Two solutions are provided to solve the problem in a distributed manner. We first present a distributed model predictive control (MPC) algorithm that allows ships to directly negotiate their intention to avoid collision in a synchronous communication framework. Moreover, we introduce a new approach to shape the ship's behavior to follow the waterway traffic regulations. The conditional convergence toward a stationary solution of this algorithm is guaranteed by the theory of the Alternating Direction Method of Multipliers (ADMM). To overcome the problem of asynchronous communication between ships, we adopt a new asynchronous nonlinear ADMM and present an asynchronous distributed MPC algorithm based on it. Several simulations and field experiments show that the proposed algorithms can prevent ship collisions even in complex scenarios.