所定性能を満たすADRCによる複数USVの編隊追従制御

荒れた海で働く賢いボートチーム

小型のロボットボートの群れが港を巡回したり、遭難船を捜索したり、油流出をマッピングしたりしている光景を想像してください。これらは狭い編隊を維持し、互いに安全な距離を保ち、波や風、潮流といった常に押し戻す力に対しても進路を外さずに移動しなければなりません。本論文は、こうした無人水上艇（USV）チームを、海況が荒く機体特性が完全には分かっていない状況でも、正確かつ安全に編隊航行させる新しい制御手法を提示します。

協調するロボットボートが重要な理由

USVは、人の乗った船では危険・退屈・高コストになるような任務—海難救助、資源探索、沿岸警備など—にますます用いられています。単独の艇では十分でないことが多く、複数が協働することで広い領域をカバーし、作業を分担し、1台故障しても冗長性を確保できます。しかし複数艇の協調は難しい問題です。各艇は計画した軌道に従いつつ隣艇との安全距離を保たなければならず、これらは外部力やモデル誤差といった実海域の条件下で性能劣化や最悪は衝突を引き起こしかねません。

編隊を維持するための課題

従来の制御手法—単純な比例・積分・微分（PID）制御、モデル予測制御、あるいはニューラルネットワークを用いたバックステッピングなど—はUSV編隊に適用されてきました。これらは有効な場合もありますがトレードオフが存在します。基本的な制御器は調整が簡単ですが大きく時間変動する摂動に弱い。高度な手法は非線形運動や未知の影響に対応できますが、多くのパラメータや重い計算、詳細な学習データを必要とすることが多い。また、多くの方法は誤差がどれくらい速く収束するか、運動中に安全限界内にどれだけ厳密に留まるかを直接保証しません。

摂動に打ち勝つ制御戦略

著者らは、空気抵抗や波の力、モデル誤差などの未知・望ましくないすべてを「総摂動」として扱い、これをリアルタイムで推定・打ち消すという能動的摂動拒否制御（ADRC）の考え方を基盤とします。彼らはこの総摂動を推定する拡張オブザーバを設計し、USVモデルの知見を用いてオブザーバの負担を軽くし精度を高めています。さらに追従微分器という構成要素を導入して、制御器内での煩雑な高次微分を置き換え、実時間での適用を妨げる複雑化を回避します。バリアに基づく機構は追従誤差の時間発展を整形し、時間変化する制限を課すことで艇同士が近づき過ぎたり遠ざかり過ぎたりするのを防ぎつつ、目標軌道への迅速な収束を許容します。

ボート隊列を試験にかける

手法の有効性を確認するために、研究者らは4隻の同一USVが直線区間と大きな円弧からなる経路を追従するシミュレーションを実施しました。そこでは制御器からは見えない強く時間変動する外力が働きます。提案手法を、ニューラルネットワーク強化型バックステッピング、標準的な摂動拒否制御、PID制御という3つの一般的な代替手法と比較しました。総誤差、最悪誤差、舵角や推力コマンドの平滑性といった指標で、提案法が際立ちます。PIDと比べて累積誤差や二乗平均平方根誤差を半分以上削減し、より洗練されたバックステッピング手法よりも大幅に良好な結果を示しつつ、実機に優しい振動の少ない滑らかな制御信号を生成しています。

今後の海洋ロボットにとっての意味

平たく言えば、この研究は、堅牢で比較的チューニングしやすい制御器を使えば、ロボットボートの群れが乱れやすい海域でも編隊を密に安全に保てることを示しています。波や潮流、モデル誤差の総効果を能動的に推定して打ち消し、誤差の進化を慎重に設計された境界内に包むことで、各艇は衝突を招かずかつ通信リンクを失わずに意図した軌道付近を維持します。著者らは、制御対象をより制約の多い非完全駆動艇へ拡張することやパラメータ自動調整の実現が次の重要課題であると指摘していますが、今回の結果は少ない人手で複雑な任務をこなすより信頼性の高い効率的な海洋ロボット隊の実現に向けた前進を示しています。

引用: Huo, M., Mao, W. & Wang, X. Formation tracking control of multiple USVs using ADRC with prescribed performance. Sci Rep 16, 11417 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37252-0

キーワード: 無人水上艇, 編隊制御, 摂動拒否, 海洋ロボティクス, 軌道追従