小型無人艇はプラットフォームのサイズが小さく、慣性および水力特性が顕著であり、実行機構が制限されるという特徴があるため、曲線軌道追跡時に横滑り、オーバーシュート、推進機制御信号の頻繁な変動といった問題が発生しやすい。従来の視線誘導（LOS）およびフィードバック制御方式は構造が簡単で実装が容易であるが、制御問題解決過程でシステムの制約および将来の運動傾向を明示的に考慮することが難しく、複雑な曲線軌道追跡タスクにおける制御精度と動作の安定性が制限される。これらの問題に対し、小型双発尾推無人艇を対象として、制約付きモデル予測制御に基づく軌道追跡方法を提案し、プラットフォーム構築、動力学モデリング、パラメータ同定、コントローラー設計、屋外実験検証を実施した。ガラス繊維および不飽和樹脂複合材料で小型無人艇実験プラットフォームを構築し、上位タスクコンピューターと下位組込みコントローラーからなる2段階自動運転システムを設計した。双推進器の差動駆動特性を組み合わせ、無人艇の平面3自由度動力学モデルを構築し、静的推力試験およびリモート航行データによってシステムパラメータ同定を行った。予測ホライズン内で参照航向および速度シーケンスを生成し、状態制約、推力制約、推力変化制約をモデル予測制御の最適化問題に組み込み、左右推進器推力のオンラインロール最適化を実現した。数値シミュレーションおよび屋外実験結果から、本提案手法は小型無人艇の曲線軌道追跡性能を効果的に改善することが示された。二重結び目軌跡追跡実験において、モデル予測制御法による位置追跡の二乗平均平方根誤差は0.399 mであり、従来のLOS-PID法の0.851 mに比べて位置追跡誤差が約53.1%低減し、追跡精度が約2.1倍向上した。同時に、本手法は推進機制御入力の急激な変化を抑制し、無人艇の航行過程における安定性を向上させた。研究結果は、小型双発尾推無人艇の軌道追跡タスクにおける制約付きモデル予測制御の有効性と工学的応用可能性を検証した。

小型無人艇;双発尾推;モデル予測制御;軌道追跡;システム同定;屋外実験