船舶海上操纵的研究长期以来一直是航运界的焦点。随着远程控制、通信技术和人工智能的快速发展，海上自主水面舰艇(MASS)的概念已成为一种有前途的自主海上导航解决方案。这一转变凸显了对自主船舶操纵最优控制模型的需求日益增长。

设计用于高效船舶操纵的控制系统是自主船舶控制中最困难的挑战之一。虽然许多研究已经调查了这个问题并提出了各种控制方法，包括模型预测控制(MPC)，但大多数研究都集中在平静水域的控制，这并不代表真实的操作条件。

在海上，船舶不断受到不同外部载荷的影响，其中海浪载荷是影响操纵性能的最重要因素。

为了解决这一差距，韩国海事与海洋大学导航融合研究部助理教授 Daejeong Kim 领导的一组研究人员为 MASS 设计了一种新颖的时间最优控制方法。“我们的控制模型考虑了作用在船上的各种力，使 MASS 能够在动态海况下更好地导航并跟踪目标，”Kim 博士说。他们的研究发表在《海洋工程》上。

这种创新控制系统的核心是一个全面的数学船舶模型，该模型考虑了海洋中的各种力，包括作用在船体、螺旋桨和舵等船舶关键部件上的波浪载荷。然而，该模型不能直接用于优化机动时间。

为此，研究人员开发了一种新颖的时间优化模型，将数学模型从时间公式转换为空间公式。这成功地优化了操纵时间。

这两个模型被集成到非线性MPC控制器中以实现时间最优控制。他们通过模拟在不同波浪载荷的海上航行的真实船模来测试该控制器。

此外，为了有效进行航向规划和跟踪，研究人员提出了三种控制策略：策略A在规划和跟踪阶段排除波浪载荷，作为参考;策略 B 仅在规划阶段包括波浪载荷，策略 C 在两个阶段都包括波浪载荷，测量它们对推进和转向的影响。

实验表明，波浪载荷增加了策略 B 和 C 的预期操纵时间。比较这两种策略，研究人员发现策略 B 比策略 C 更简单，但性能较低，但后者更可靠。然而，策略 C 在规划阶段包含波浪载荷预测，从而给控制器带来了额外的负担。

“我们的方法提高了自主船舶运营的效率和安全性，并有可能降低运输成本和碳排放，使各个经济部门受益，”金博士强调了这项研究的潜力。“总的来说，我们的研究解决了自主船舶操纵方面的一个关键差距，这可能有助于技术更先进的海运业的发展。”