非線形モデル予測制御下における4自由度船舶の自律係留経路追従

安全なドッキングが重要な理由

大型船は最終的に驚くほど繊細な作業を行う必要があります：混雑した埠頭に寄せて、しばしば荒天や狭い空間の中で数十センチメートルの誤差以内に停止させることです。今日ではこれが熟練した乗組員やタグボートによって主に行われていますが、将来の無人船や高度自動化船は自らを安全かつ滑らかに接岸させる必要があります。本研究は、高度な制御アルゴリズムが風や波による外乱がある状況でも高精度に船を入港させる方法を探ります。

桟橋への誘導が抱える課題

係留は単に減速して停止するよりもはるかに複雑です。船は計画した経路をたどり、艦首の向きを適切に保ち、埠頭との穏やかな接触を管理しなければならない一方で、潮流や突風、波が刻々と変化します。従来の制御法は固定ルールや手作業で調整した設定に依存するため、混雑した港や悪天候では苦戦することがあります。これまでの研究は係留を段階に分けたり運動モデルを改良したりしましたが、多くの手法は強く時間変化する外乱や、桟橋近傍の低速域で支配的になる横滑りや横揺れといった微妙な動きに対応するのが難しいままでした。

船舶運動をより詳しく見る

著者らは、接岸に伴う船の運動をより完全に記述することに着目します。前進運動と航向だけを追跡するのではなく、横流とローリング（横揺れ）も含む4自由度モデルを用いています。この枠組みは海事工学でFossenモデルとして知られ、推進器や舵、周囲の水から作用する力、さらに風や波による追加の力を受ける剛体として船を表現します。地球に固定された座標系で船の全体位置を記述し、船体に固定された座標系で局所的な力や速度を捉えるという二つの座標系を同時に用います。このより豊かなモデルは、船が低速で構造物に近いときに重要となる微妙だが重要な影響をとらえます。

先読みする予測的操舵

このモデルに基づき、本研究では非線形モデル予測制御（NMPC）システムを設計しています。これは短時間先を常に見越すデジタル操舵士と考えられます。各時刻でコントローラは船のモデルを用いて推力や舵角の小さな変化といった多数の制御動作をシミュレートし、計画経路に最も近づけつつ速度や操縦力の制限を守る組み合わせを選択します。海況やセンサ読み取りが完全でないため、著者らは移動地平線推定（moving horizon estimation）という推定法を組み合わせています。この手法は最近の位置や運動の計測値を取り込み、モデル予測と比較して、船の最も確からしい真の状態と現在の環境外乱の強さを推定します。

スマート操舵を試験する

この制御と推定の組み合わせは、ハンブルク港で係留する実際のユーティリティ船を精密に模したコンピュータシミュレーションで試験されます。仮想の港には現実的な海図と意図的に厳しい海象が再現され、強い風と動的に変化する波が含まれます。入港経路は慎重な実航路を模した滑らかな二重S字カーブをたどります。コントローラは、開放水域から出て最終的に埠頭に接岸する際のように、操船開始時と終了時に前進速度をゼロに保ちながらこの経路上に船を維持しなければなりません。

システムの性能

これらの厳しいシミュレーション全体で、新しい手法は操船中の経路誤差を概ね2メートル以下に抑え、係留時の最終的な誤差をわずか0.3メートルにまで低減しました。これは、従来の比例–積分–微分（PID）コントローラや追加の状態推定層を持たない予測コントローラと比べて大幅に良好で、後者はより大きなオーバーシュートや不安定な動きを示しました。船速は低く良好に制御され、強い衝突を防ぎ、必要な推力や舵力も急激な変化ではなく滑らかに変化しました。重要なことに、シミュレートされた風や波の外乱が強く実世界に近い範囲で変動しても、システムは性能を維持しました。

将来の港湾にとっての意味

日常的な言葉で言えば、この研究は現実的でコンパクトな運動モデルと予測的で自己修正的な制御戦略を組み合わせることで、無人船を熟練操縦士のような注意深さで桟橋へ誘導できることを示しています。研究は実艦試験ではなくシミュレーションに基づくものですが、特に混雑した港や荒天条件下でより安全で信頼性の高い自動係留に向けた実用的な道筋を示唆しています。さらなる改良と試験を経て、こうしたシステムはタグボート援助の必要性を減らし、人的負荷を軽減し、航海の最も繊細な部分をより安全かつ効率的にする可能性があります。

引用: Song, ., Guo, . & Sui, J. Autonomous berthing path tracking of a 4-DOF ship under nonlinear model predictive control. Sci Rep 16, 12918 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41980-8

キーワード: 自律船, 係留制御, 予測制御, 港湾航行, 海洋ロボティクス