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自律型海面船舶の航行能力向上のための非線形モデル予測制御


コアコンセプト
本研究では、環境外力を考慮した自律型海面船舶の衝突回避、経路追従、座礁防止のためのアプローチとして、非線形モデル予測制御(NMPC)に基づくソリューションを提案する。人工ポテンシャル場を用いて衝突回避と座礁防止のコスト関数を設定し、NMPC最適化問題を解くことで、環境外乱の影響を受けつつ所望の経路を追従する制御入力を生成する。さらに、非線形外乱オブザーバを組み合わせることで、外力の影響を補正し、より頑健な制御性能を実現する。
抽象
本研究では、自律型海面船舶(ASV)の安全な航行を実現するため、非線形モデル予測制御(NMPC)と人工ポテンシャル場(APF)を組み合わせたアプローチを提案している。 まず、APFを用いて衝突回避と座礁防止のためのコスト関数を定義する。これにより、障害物との距離に応じて反発力が生成され、船舶の運動が制御される。 次に、NMPC最適化問題を定式化する。状態誤差、制御入力、およびスラック変数を最小化する目的関数を設定し、非線形船舶モデルの動特性と制約条件の下で最適化を行う。 さらに、外乱オブザーバを組み合わせることで、風、波、潮流などの環境外乱の影響を推定し、NMPC問題に反映させる。これにより、外乱の影響を補正し、より頑健な制御性能を実現する。 シミュレーション結果から、提案手法が頭衝突、交差航行、追い越しなどの様々な状況下で、COLREGSに準拠しつつ、衝突回避、経路追従、座礁防止を実現できることが示された。また、外乱の影響下でも、経路追従性能が改善されることが確認された。 本研究は、実世界の複雑な状況下でASVの安全な航行を実現する上で有効な手法を提供するものと考えられる。今後の課題としては、他船の予測経路情報の活用や燃費最適化などが挙げられる。
統計
風、波、潮流などの外乱力は最大で500 N、800 N、2000 Nmに達する。 モデルパラメータの不確かさは5%である。
引用
"提案手法は、様々な状況下で、COLREGSに準拠しつつ、衝突回避、経路追従、座礁防止を実現できる。" "外乱の影響下でも、経路追従性能が改善される。"

より深い問い合わせ

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