JP6878186B2 - Underwater vehicle control device and underwater vehicle control method - Google Patents
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Description
本発明は、水中航走体の制御装置及び水中航走体並びに水中航走体の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a control device for an underwater vehicle, an underwater vehicle, and a method for controlling the underwater vehicle.
従来、水中航走体の制御では、目標値と現在の状態量との差分に対してPID制御(Proportional−Integral−Derivative Controller)を行うことで舵角指令を設定する、いわゆるフィードバック制御が主に行われている。 Conventionally, in the control of an underwater vehicle, so-called feedback control is mainly used in which a steering angle command is set by performing PID control (Proportional-Integral-Derivative Control) for the difference between the target value and the current state quantity. It is done.
舵角指令を設定するためには、船体における深度、ロール角、ピッチ角、方位角等の各軸に対して制御を行っているが、特定の軸間には相互干渉が生ずる。
特に、フィードバック制御系が各制御軸上で独立に設計されている場合には、船体が揺動したとしても、各制御軸にそれぞれ対応するフィードバック制御系が、それぞれ独立して揺動を抑制しようとするため、各制御軸間に干渉力が働いて、揺動の収束にかなりの時間を要するという問題があった。
In order to set the rudder angle command, control is performed for each axis such as depth, roll angle, pitch angle, and azimuth angle in the hull, but mutual interference occurs between specific axes.
In particular, when the feedback control system is designed independently on each control axis, even if the hull swings, the feedback control system corresponding to each control axis will independently suppress the swing. Therefore, there is a problem that an interference force acts between the control axes and it takes a considerable amount of time for the fluctuation to converge.
このため、水中航走体の運動の目標値を変更したときの複数の制御軸間に作用する干渉力を非干渉化するために、各舵に対する操作量の補償値をフィードフォワード制御系で算出し、各制御軸にそれぞれ対応するフィードバック制御系に補償値を与える制御方法が提案されている(特許文献1)。 Therefore, in order to make the interference force acting between the plurality of control axes when the target value of the motion of the underwater vehicle is changed non-interfering, the compensation value of the operation amount for each steering is calculated by the feedforward control system. However, a control method for giving a compensation value to the feedback control system corresponding to each control axis has been proposed (Patent Document 1).
しかしながら、特許文献1に記載の発明では、フィードフォワード制御による補償ため、水中航走体の運動の目標値が変化した場合の各制御軸間で発生する干渉力を抑制することはできるものの、例えば波等の外乱によって船体が揺動し、状態量が変動した場合において発生した各制御軸間の干渉力については抑制されない。
However, in the invention described in
このため、外乱によって船体が揺動した場合には、各制御軸間の相互干渉を効果的に抑制することができず、船体全体の揺動の収束にかなりの時間を要していた。 Therefore, when the hull swings due to disturbance, mutual interference between the control axes cannot be effectively suppressed, and it takes a considerable amount of time for the swing of the entire hull to converge.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、フィードバック系の制御の精度を向上させ、外乱による船体の揺動を効果的に抑制することができる水中航走体の制御装置及び水中航走体並びに水中航走体の制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a control device for an underwater vehicle that can improve the accuracy of control of the feedback system and effectively suppress the swing of the hull due to disturbance. And an underwater vehicle and a method for controlling the underwater vehicle.
本発明の第1態様は、船体のx軸、y軸、z軸からなる3つの直線軸と、前記直線軸の各々に対する3つの回転軸とからなる6軸における制御が可能な水中航走体の制御装置であって、制御対象である少なくとも2軸に対応してそれぞれ設けられたフィードバック系の制御部と、干渉補償演算式を用いて、軸間の相互干渉を打ち消すための干渉補償舵角を演算し、前記制御部に出力するフィードバック系の非干渉制御部と、を備え、前記干渉補償演算式は、前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を前記船体の状態量及び前記船体の操作量の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能なように変化させた線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆問題解析することにより導出された演算式であり、前記非干渉制御部は、前記干渉補償演算式に、時間に応じた状態量と目標値の偏差を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る。 The first aspect of the present invention is an underwater vehicle that can be controlled on six axes including three linear axes including the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull, and three rotation axes with respect to each of the linear axes. Interference compensation steering angle for canceling mutual interference between axes by using the control unit of the feedback system provided corresponding to at least two axes to be controlled and the interference compensation calculation formula. The non-interference control unit of the feedback system that calculates and outputs to the control unit, and the interference compensation calculation formula uses the coefficient matrix of the hull in the linearization state equation near an arbitrary equilibrium point of the hull. Expressed as a function of the state amount and the operation amount of the hull, the linearized state equation changed so as to be adaptable over the entire operating range of the hull, with respect to the parameters related to the steering operation amount required to perform the desired motion. It is an arithmetic expression derived by inverse problem analysis, and the non-interference control unit substitutes the deviation of the state amount and the target value according to the time into the interference compensation arithmetic expression, thereby causing the interference compensation steering angle. To get.
このような構成によれば、船体の全運転範囲において適応可能な時変線形化状態方程式を用いて導出された干渉補償演算式を用いるので、リアルタイムでその時々の平衡点における干渉補償舵角を容易に得ることができ、また、フィードバック系の制御の精度を向上させることが可能となる。そして、この干渉補償舵角を各制御軸上に独立して設計されたフィードバック制御系に反映させることで、各制御軸間の相互干渉を効果的に低減させることが可能となる。
なお、上記線形化状態方程式は、一般的に、非線形で表される状態方程式を、ある平衡点まわりにテーラー展開し、1次近似を行うことにより、得ることが可能である。
また、上記干渉補償演算式は、相互干渉を抑制する対象軸に関する要素の速度や加速度を変数として含むことを特徴としている。これは、線形化状態方程式に基づいて干渉補償演算式が作成されるからである。
According to such a configuration, the interference compensation calculation formula derived by using the time-varying linearization state equation applicable to the entire operating range of the hull is used, so that the interference compensation rudder angle at the equilibrium point at each time can be obtained in real time. It can be easily obtained, and the accuracy of feedback system control can be improved. Then, by reflecting this interference compensation rudder angle in the feedback control system designed independently on each control axis, it is possible to effectively reduce the mutual interference between each control axis.
The linearized equation of state can generally be obtained by Taylor-expanding a non-linear equation of state around a certain equilibrium point and performing a first-order approximation.
Further, the interference compensation calculation formula is characterized in that the velocity and acceleration of the element related to the target axis that suppresses mutual interference are included as variables. This is because the interference compensation calculation formula is created based on the linearized equation of state.
また、例えば、一般的なフィードフォワード制御系と一般的なフィードバック制御系を併用した場合は、目標値が変更されたときに外乱が発生すると、目標値が変更されたことによるフィードフォワード制御系の動作と、外乱が発生したことによるフィードバック制御系の動作とが重複して、制御系が互いに悪影響を及ぼす可能性がある。しかし、本発明の第1態様に係るフィードバック系の非干渉制御部では、干渉補償演算式に、目標値に対する状態量の偏差を代入して干渉補償舵角を得る構成としたため、一般的なフィードフォワード制御系(非干渉機能を有するものに限らない)と併用した場合であっても、それぞれ相互に影響することなく、目標値の変化に対する制御はフィードフォワード制御系が行い、外乱に対する制御は非干渉制御部が行うことができる。このため、フィードフォワード制御系と非干渉制御部との切替が不要であり、それぞれの制御を同時に実行することができる。
また、フィードフォワード制御系を有していない構成であっても、本発明の第1態様に係る非干渉制御部は、干渉補償演算式に、目標値に対する状態量の偏差を代入して干渉補償舵角を得る構成としたため、目標値が変更されたとしても、目標値が変更されたことを外乱として誤検知することなく、正確に非干渉制御を行うことが可能である。
Also, for example, when a general feedforward control system and a general feedback control system are used together, if a disturbance occurs when the target value is changed, the feedforward control system due to the change in the target value There is a possibility that the operation and the operation of the feedback control system due to the occurrence of disturbance overlap, and the control systems adversely affect each other. However, in the non-interference control unit of the feedback system according to the first aspect of the present invention, the interference compensation steering angle is obtained by substituting the deviation of the state quantity with respect to the target value into the interference compensation calculation formula, so that a general feed is obtained. Even when used in combination with a forward control system (not limited to those having a non-interference function), the feedforward control system controls changes in the target value and does not control disturbances without affecting each other. The interference control unit can do this. Therefore, it is not necessary to switch between the feedforward control system and the non-interference control unit, and each control can be executed at the same time.
Further, even if the configuration does not have a feedforward control system, the non-interference control unit according to the first aspect of the present invention substitutes the deviation of the state quantity with respect to the target value into the interference compensation calculation formula to compensate for interference. Since the steering angle is obtained, even if the target value is changed, it is possible to accurately perform non-interference control without erroneously detecting the change in the target value as a disturbance.
上記水中航走体の制御装置において、前記状態量には、前記船体の状態に関する測定値が用いられることとしてもよい。 In the control device for the underwater vehicle, a measured value relating to the state of the hull may be used as the state quantity.
このように、船体の状態に関する測定値を状態量として、干渉補償演算式より干渉補償舵角を得ることができるので、外乱等で船体が揺動しても、各制御軸間の相互干渉を効果的に低減させて、揺動を低減することがでる。 In this way, the interference compensation rudder angle can be obtained from the interference compensation calculation formula using the measured value related to the state of the hull as the state quantity. Therefore, even if the hull swings due to disturbance or the like, mutual interference between the control axes is prevented. It can be effectively reduced to reduce rocking.
上記水中航走体の制御装置において、前記制御部には、深度制御部と、x軸に対する回転軸に対応するロール角制御部と、y軸に対する回転軸に対応するピッチ角制御部と、z軸に対する回転軸に対応する方位角制御部とが含まれ、前記干渉補償演算式には、前記状態量として、x軸方向の実速度、y軸方向の実速度、z軸方向の実速度及び実加速度、x軸に対する回転軸の実角速度及び実角加速度並びに実ロール角、y軸に対する回転軸の実角速度及び実角加速度並びに実ピッチ角、z軸に対する回転軸の実角速度及び実角加速度が含まれることとしてもよい。 In the control device for the underwater vehicle, the control units include a depth control unit, a roll angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the x-axis, a pitch angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the y-axis, and z. The azimuth angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the axis is included, and the interference compensation calculation formula includes the actual velocity in the x-axis direction, the actual velocity in the y-axis direction, the actual velocity in the z-axis direction, and the actual velocity in the z-axis direction. Real acceleration, real angular velocity and real angle acceleration of the rotation axis with respect to the x-axis, real roll angle, real-angle velocity and real-angle acceleration of the rotation axis with respect to the y-axis, real-pitch angle, real-angle velocity and real-angle acceleration of the rotation axis with respect to the z-axis It may be included.
このような構成によれば、深度、ロール角、ピッチ角及び方位角の間の相互干渉を低減することが可能となる。 With such a configuration, it is possible to reduce mutual interference between the depth, the roll angle, the pitch angle and the azimuth angle.
上記水中航走体の制御装置において、前記干渉補償演算式に含まれる状態変数には、相互干渉が生ずる前記軸に関係する状態変数のみが用いられていることとしてもよい。 In the control device for the underwater vehicle, only the state variables related to the axes on which mutual interference occurs may be used as the state variables included in the interference compensation calculation formula.
このように、干渉補償演算式に含まれる状態変数を制限することにより、干渉に関係のない演算を排除することができ、演算処理に係る負荷の低減及び処理速度の向上を図ることができる。 By limiting the state variables included in the interference compensation calculation formula in this way, it is possible to eliminate operations that are not related to interference, and it is possible to reduce the load related to the calculation processing and improve the processing speed.
本発明の第2態様は、上述の水中航走体の制御装置を備える水中航走体である。 A second aspect of the present invention is an underwater vehicle including the above-mentioned control device for the underwater vehicle.
本発明の第3態様は、船体のx軸、y軸、z軸からなる3つの直線軸と、前記直線軸の各々に対する3つの回転軸とからなる6軸のうち、少なくとも2軸に対応してそれぞれ設けられたフィードバック制御部と、軸間の相互干渉を打ち消すための干渉補償舵角を演算するフィードバック系の非干渉制御部とを有する水中航走体の制御方法であって、前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を前記船体の状態量及び前記船体の操作量の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能なように変化させた線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆問題解析することにより導出された干渉補償演算式に、時間に応じた状態量と目標値の偏差を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る。 A third aspect of the present invention corresponds to at least two of the six axes consisting of three linear axes consisting of the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull and three rotation axes with respect to each of the linear axes. This is a control method for an underwater hull having a feedback control unit provided therein and a non-interference control unit of a feedback system for calculating an interference compensation steering angle for canceling mutual interference between axes. In the linearization state equation near an arbitrary equilibrium point, the coefficient matrix is expressed as a function of the state amount of the hull and the operation amount of the hull, and the linearization state is changed so as to be adaptable over the entire operating range of the hull. By substituting the deviation between the state quantity and the target value according to the time into the interference compensation calculation formula derived by performing an inverse problem analysis of the equation with respect to the parameters related to the steering operation amount required to perform the desired motion. The interference compensation steering angle is obtained.
本発明によれば、フィードバック系の制御の精度を向上させ、外乱による船体の揺動を効果的に抑制することができるという効果を奏する。 According to the present invention, it is possible to improve the accuracy of the control of the feedback system and effectively suppress the swing of the hull due to the disturbance.
以下に、本発明の水中航走体の制御装置及び水中航走体並びに水中航走体の制御方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る水中航走体の概略構成を示した図、図2は図1に示した水中航走体を船尾から見たときの舵の配置について模式的に示した図、図3は水中航走体の運動の自由度について説明するための図である。
Hereinafter, an embodiment of the control device for the underwater vehicle, the underwater vehicle, and the control method for the underwater vehicle of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an underwater vehicle according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic diagram of a rudder arrangement when the underwater vehicle shown in FIG. 1 is viewed from the stern. The figure and FIG. 3 shown are diagrams for explaining the degree of freedom of movement of the underwater vehicle.
図3に示すように、水中航走体の船体1は、船尾軸線(以下「x軸」という)、左右軸線(以下「y軸」という)、上下軸線(以下「z軸」という)からなる互いに直交する3つの直線軸と、これら各直線軸に対する3つの回転軸とからなる6軸(6自由度)の制御が可能な構成とされている。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、本実施形態では、船体座標系における上記x軸方向、y軸方向、z軸方向の速度をそれぞれu,v,wとし、それぞれの軸周りの角速度をp,q,rと定義する。更に、絶対座標系(地球座標系)におけるx軸周りの回転角度をロール角φ、y軸周りの回転角度をピッチ角θ、z軸周りの回転角度を方位角ψと定義する。
図1、図2に示すように、船体1には、複数の舵3a〜3eが設けられている。舵3a〜3dは、主にロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψに関する制御に用いられ、舵3eは主に深度に関する制御に用いられる。
そして、これらの舵3a〜3eが、後述する各実施形態に係る制御装置10において生成される各舵角指令に基づいて操作されることにより、6軸の状態(例えば、主に、z軸方向における位置である深度、ピッチ角、ロール角、及び方位角)をそれぞれの目標値に追従させる制御が実現される。
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the velocities in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction in the hull coordinate system are u, v, and w, respectively, and the angular velocities around the respective axes are p, q, Defined as r. Further, the rotation angle around the x-axis in the absolute coordinate system (earth coordinate system) is defined as the roll angle φ, the rotation angle around the y-axis is defined as the pitch angle θ, and the rotation angle around the z-axis is defined as the azimuth angle ψ.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
Then, these
以下に、本発明の一実施形態に係る水中航走体の制御装置10及び水中航走体並びに水中航走体の制御方法について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る水中航走体の制御装置10は、上述した6軸に対してそれぞれ設けられた複数の制御部及びこれら軸間における干渉を抑制するための非干渉制御部16を有するが、以下の説明においては、便宜上、z軸方向の制御(深度制御)、x軸に対応する回転軸の制御(ロール角φ制御)、y軸に対応する回転軸の制御(ピッチ角θ制御)及びz軸に対応する回転軸の制御(方位角ψ制御)を一例として取り上げ、深度、ロール角、ピッチ角及び方位角の各制御軸間に生ずる干渉を低減する場合について説明する。なお、制御軸間の干渉については、相互干渉のため、制御軸のうち少なくとも2軸以上を適切に選択することができ、上記の深度、ロール角、ピッチ角及び方位角の組に限定されない。
Hereinafter, the
図4は、本実施形態に係る水中航走体の制御装置(以下、単に「制御装置10」という)において、深度制御、ロール角制御、ピッチ角制御及び方位角制御に関する機能ブロックについて示した図である。
制御装置10は、深度を制御する深度制御部11と、ロール角を制御するロール角制御部12と、ピッチ角を制御するピッチ角制御部13と、方位角を制御する方位角制御部14と、フィードフォワード制御部(以下、単に「FF制御部15」という)と、非干渉制御部16とを備えている。
FIG. 4 is a diagram showing functional blocks related to depth control, roll angle control, pitch angle control, and azimuth angle control in the control device for the underwater vehicle according to the present embodiment (hereinafter, simply referred to as “
The
深度制御部11は、離散的な値である設定深度zsetから連続的な目標深度z*を設定する目標値設定部11a、目標値設定部11aからの目標深度z*と船体1の実深度zとの差分を算出する差分演算部11b、差分演算部11bからの差分から深度フィードバック舵角δbFBを設定するフィードバック制御部11c、及び深度フィードバック舵角δbFBを後述するFF制御部15からの補償舵角δbFF及び非干渉制御部16からの干渉補償舵角δbfbを用いて補正し、深度舵角指令δb*を生成する深度舵角設定部11dを主な構成として備えている。
目標値設定部11aは、例えば、上位装置(図示略)から入力される離散的な値である設定深度zsetに対して所定の応答モデルを用いて、連続的な目標深度z*を得る。応答モデルの一例としては、以下の(1)式に示すような、2次のローパスフィルタが挙げられる。 The target value setting unit 11a obtains a continuous target depth z * by using a predetermined response model for a set depth z set which is a discrete value input from a higher-level device (not shown), for example. An example of the response model is a second-order low-pass filter as shown in the following equation (1).
(1)式において、ζは減衰率[−]、ωnは応答周波数[rad/s]であり、以下の(2)式で表される。例えば、深度制御系においては、オーバーシュートなしとして、ζ=1と設定される。 In the equation (1), ζ is the attenuation factor [−] and ω n is the response frequency [rad / s], which is expressed by the following equation (2). For example, in the depth control system, ζ = 1 is set as no overshoot.
(2)式において、Tsは、整定時間[sec]であり、運転条件に応じて任意に設定される。 In the equation (2), Ts is the settling time [sec] and is arbitrarily set according to the operating conditions.
フィードバック制御部11cは、例えば、差分演算部11bからの差分に対してPID制御を行うことにより、深度フィードバック舵角δbFBを設定する。
深度舵角設定部11dは、深度フィードバック舵角δbFBとFF制御部15からの補償舵角δbFFとを加算し、干渉補償舵角δbfbを減算する加減算器として実現される。
The feedback control unit 11c sets the depth feedback steering angle δb FB by, for example, performing PID control on the difference from the
The depth steering
ロール角制御部12は、離散的な値である設定ロール角φsetから連続的な目標ロール角φ*を設定する目標値設定部12a、目標値設定部12aからの目標ロール角φ*と船体1の実ロール角φとの差分を算出する差分演算部12b、差分演算部12bからの差分からロール角フィードバック舵角δrrFBを設定するフィードバック制御部12c、及びロール角フィードバック舵角δrrFBを後述するFF制御部15からの補償舵角δrrFF及び非干渉制御部16からの干渉補償舵角δrrfbを用いて補正し、ロール角舵角指令δrr *を生成するロール角舵角設定部12dを主な構成として備えている。
ロール角制御部12の各構成は、深度制御部11とほぼ同様であるため、詳細説明は省略する。
Since each configuration of the roll
ピッチ角制御部13は、離散的な値である設定ピッチ角θsetから連続的な目標ピッチ角θ*を設定する目標値設定部13a、目標値設定部13aからの目標ピッチ角θ*と船体1の実ピッチ角θとの差分を算出する差分演算部13b、差分演算部13bからの差分からピッチ角フィードバック舵角δrcFBを設定するフィードバック制御部13c、及びピッチ角フィードバック舵角δrcFBを後述するFF制御部15からの補償舵角δrcFF及び非干渉制御部16からの干渉補償舵角δrcfbを用いて補正し、ピッチ角舵角指令δrc *を生成するピッチ角舵角設定部13dを主な構成として備えている。
ピッチ角制御部13の各構成は、深度制御部11とほぼ同様であるため、詳細説明は省略する。
Since each configuration of the pitch
方位角制御部14は、離散的な値である設定方位角ψsetから連続的な目標方位角ψ*を設定する目標値設定部14a、目標値設定部14aからの目標方位角ψ*と船体1の実方位角ψとの差分を算出する差分演算部14b、差分演算部14bからの差分から方位角フィードバック舵角δrlFBを設定するフィードバック制御部14c、及び方位角フィードバック舵角δrlFBを後述するFF制御部15からの補償舵角δrlFF及び非干渉制御部16からの干渉補償舵角δrlfbを用いて補正し、方位角舵角指令δrl *を生成する方位角舵角設定部14dを主な構成として備えている。
方位角制御部14の各構成は、深度制御部11とほぼ同様であるため、詳細説明は省略する。
Since each configuration of the
FF制御部15は、フィードフォワード系であり、船体1の運動の目標値を変更したときの複数の制御軸間に作用する干渉力を非干渉化するために、各舵に対する操作量の補償舵角δbFF、δrrFF、δrcFF、δrlFFを算出する。例えば、目標深度z*、目標ロール角φ*、目標ピッチ角θ*、目標方位角ψ*等の目標値が入力される。FF制御部15は、船体1の運動の目標値等に基づいて、舵角を補償する制御方法であれば、各制御軸間の干渉力を非干渉化するものでなくてもよく、上記構成に限られない。
The
非干渉制御部16は、フィードバック系であり、線形化された船体1の状態方程式から逆問題解析によって導出された干渉補償演算式に対して、時間に応じた状態量及び目標値に対する状態量の偏差を代入することによって、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψとの相互干渉を抑制するための干渉補償舵角δbfb、δrrfb、δrcfb、δrlfbを演算する。ここでは、非干渉制御部16の各構成について説明する前に、干渉補償演算式の導出過程について説明する。
The
一般的に、船体1の運動は非線形であるが、平衡点近傍では線形化できる。例えば、船体1の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式は、以下の(3)式で表される。
Generally, the motion of the
(3)式において、uはx軸方向の速力[m/s]、vはy軸方向の速力[m/s]、wはz軸方向の速力[m/s]、pはロール角速度 [rad/s]、qはピッチ角速度[rad/s]、rは方位角速度[rad/s]、zは深度[m]、φはロール角[rad]、θはピッチ角[rad]、ψは方位角[rad]、nは回転数[rps]、δbは舵3eの舵角、換言すると、深度に関する舵角指令[rad]、δrφ、δrθ、δrψは舵3a、舵3b、舵3c、舵3dの舵角に関連し、換言すると、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψに関する舵角指令[rad]である。
In equation (3), u is the speed force in the x-axis direction [m / s], v is the speed force in the y-axis direction [m / s], w is the speed force in the z-axis direction [m / s], and p is the roll angular velocity [m / s]. rad / s], q is pitch angular velocity [rad / s], r is azimuth angular velocity [rad / s], z is depth [m], φ is roll angle [rad], θ is pitch angle [rad], ψ is Azimuth [rad], n is the number of revolutions [rps], δb is the steering angle of the steering wheel 3e, in other words, steering angle commands [rad], δr φ , δr θ , δr ψ are the
続いて、任意の平衡点近傍における線形化状態方程式の係数行列A,Bを任意の平衡点の関数として表現することにより、局所的に成立していた線形化を船体1の全運転領域において連続的に成立するよう変形する。ここで、平衡点とは、船体1の現在の状態を表し、現在の状態とは、船体1の現在の深度、ロール角、ピッチ角、方位角といった船体1に設けたセンサ等により測定して取得できる情報(状態量)及び、船体1の現在の深度舵角指令δb*、ロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *といった舵の操作に関する情報(操作量)である。
Subsequently, by expressing the coefficient matrices A and B of the linearization state equation near an arbitrary equilibrium point as a function of an arbitrary equilibrium point, the locally established linearization is continuously performed in the entire operating region of the
上記のような係数行列A,Bの要素は、ある任意の平衡点について、線形化したとき、平衡点における船体1の状態量と操作量の関数として表される。従って、船体1の平衡点の変化に対して、係数行列A,Bを適応させることで、局所的にのみ成立する線形化状態方程式を全運転領域で成立させることができる。
The elements of the coefficient matrices A and B as described above are expressed as a function of the state quantity and the manipulated quantity of the
続いて、相互干渉が生ずる軸、すなわち、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψに関係する状態変数を特定し、特定した状態変数からなる線形化状態方程式となるように、モデルリダクションを行い、行列サイズを低減する。このように、相互干渉が生ずる軸に特化した線形化状態方程式とすることで、相互干渉に関係のない状態変数を除くことができ、処理負担を低減することが可能となる。 Next, the state variables related to the axes where mutual interference occurs, that is, the depth z, the roll angle φ, the pitch angle θ, and the azimuth angle ψ are specified, and the model is formed so as to be a linearized state equation consisting of the specified state variables. Perform reduction to reduce matrix size. In this way, by using a linearized equation of state specialized for the axis in which mutual interference occurs, state variables unrelated to mutual interference can be excluded, and the processing load can be reduced.
(4)式に、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψに関係する制御系に特化した線形化状態方程式の一例を示す。また、(5)−(33)式は、(4)式に含まれる係数行列A、Bの各要素を示したものである。(5)−(33)式に示されているように、係数行列A、Bの各要素は平衡点における船体1の状態量及び操作量の関数として数式化されている(なお、一部の要素は定数として表される)。
Equation (4) shows an example of a linearized equation of state specialized for the control system related to the depth z, the roll angle φ, the pitch angle θ, and the azimuth angle ψ. Further, the equations (5)-(33) show the elements of the coefficient matrices A and B included in the equation (4). As shown in Eqs. (5)-(33), each element of the coefficient matrices A and B is mathematically expressed as a function of the state quantity and the manipulated quantity of the
上記(5)−(33)式の各々において、係数Kは、船体固有の運動特性によって決定される定数である。係数Kの添え字は、最初の文字が運動方程式の軸を表し、2番目以降の文字が状態変数を示している。 In each of the above equations (5)-(33), the coefficient K is a constant determined by the motion characteristics peculiar to the hull. In the subscript of the coefficient K, the first character indicates the axis of the equation of motion, and the second and subsequent characters indicate the state variables.
例えば、(6)式に記載のKwvpは、船体1のz軸方向の深度速力wに関する運動方程式((34)式)における、v・p項に係る係数Kwvpであることを示している。
For example, K wvp described in Eq. (6) indicates that it is a coefficient K wvp related to the v · p term in the equation of motion (Equation (34)) relating to the depth velocity w in the z-axis direction of the
同様に、例えば、(8)式に記載のKwuudbは、船体1のz軸方向の深度速力wに関する運動方程式((35)式)における、u2・δb項に係る係数Kwuudbであることを示している。 Similarly it, for example, K Wuudb according to equation (8) in the z-axis direction of the depth speed w about the equation of motion of the hull 1 ((35)), a coefficient K Wuudb according to u 2 · [delta] b term Is shown.
また、(5)−(33)式で表される係数行列A、Bの各要素において、dr1、dr2、dr3、dr4は、舵3a〜3dのそれぞれの舵角を表している。例えば、舵3aの舵角が変更された場合には、船体のピッチ方向に寄与する横舵成分とヨー方向に寄与する縦舵成分とロール方向に寄与するロール舵成分の3つの成分の力が船体に作用する。このため、係数行列A、Bの各要素において用いられるdr1、dr2、dr3、dr4は、ロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *をベクトル合成することにより算出される。
Further, in each element of the coefficient matrices A and B represented by the equations (5)-(33), dr1, dr2, dr3, and dr4 represent the rudder angles of the
次に、モデルリダクション後の線形化状態方程式を逆問題解析し、干渉を打ち消すための舵角指令について解く。 Next, the linearization equation of state after model reduction is analyzed by an inverse problem, and the rudder angle command for canceling the interference is solved.
具体的には、上記(4)式の状態方程式を、深度に関する舵角指令
δb[rad]、ロール角φに関する舵角指令 δrφ[rad]、ピッチ角θに関する舵角指令δrθ[rad]、方位角ψに関する舵角指令δrψ[rad]について解くと、以下の(36)−(39)式が得られる。なお、(36)−(39)式の導出過程において、状態変数であるz軸方向の深度速力w[m/s]、ロール角速度p[rad/s]、ピッチ角速度q[rad/s]、方位角速度r[rad/s]については、それぞれ、目標値と状態量の偏差に置換した。具体的には、深度速力wを深度速力wと目標深度速力w*との偏差である深度速力偏差ewとし、ロール角速度pをロール角速度pと目標ロール角速度p*との偏差であるロール角速度偏差epとし、ピッチ角速度qをピッチ角速度qと目標ピッチ角速度q*との偏差であるピッチ角速度偏差eqとし、方位角速度rを方位角速度rと目標方位角速度r*との偏差である方位角速度偏差erとしている。なお、深度加速度dw/dt、ロール角加速度dp/dt、ピッチ角加速度dq/dt、方位角加速度dr/dtについても、それぞれ、深度加速度dw/dtと目標深度加速度dw*/dtとの偏差である深度加速度偏差edw、ロール角加速度dp/dtと目標ロール角加速度dp*/dtとの偏差であるロール角加速度偏差edp、ピッチ角加速度dq/dtと目標ピッチ角加速度dq*/dtとの偏差であるピッチ角加速度偏差edq、方位角加速度dr/dtと目標方位角加速度dr*/dtとの偏差である方位角加速度偏差edrに置換した。ロール角φ、ピッチ角θについても、それぞれ、ロール角偏差eφ、ピッチ角偏差eθに置換した。
Specifically, the state equation of the above equation (4) is applied to the steering angle command δb [rad] regarding the depth, the steering angle command δr φ [rad] regarding the roll angle φ, and the steering angle command δr θ [rad] regarding the pitch angle θ. By solving the steering angle command δr ψ [rad] with respect to the azimuth angle ψ, the following equations (36)-(39) can be obtained. In the process of deriving equations (36)-(39), the state variables depth velocity w [m / s] in the z-axis direction, roll angular velocity p [rad / s], pitch angular velocity q [rad / s], The azimuth angular velocity r [rad / s] was replaced with the deviation between the target value and the state quantity, respectively. Roll angular velocity Specifically, the depth speed w and depth speed w and the target depth which is a deviation of the speed w * depth speed deviation e w, which is a deviation of the roll angular velocity p and the roll angular velocity p and the target roll angular velocity p * The deviation e p , the pitch angular velocity q is the pitch angular velocity deviation e q , which is the deviation between the pitch angular velocity q and the target pitch angular velocity q *, and the azimuth angular velocity r is the azimuth angular velocity r *, which is the deviation between the azimuth angular velocity r and the target azimuth angular velocity r *. It is the deviation e r. The depth acceleration dw / dt, roll angular acceleration dp / dt, pitch angular acceleration dq / dt, and azimuth angular acceleration dr / dt are also the deviations between the depth acceleration dw / dt and the target depth acceleration dw * / dt, respectively. A certain depth acceleration deviation edw , a roll angular acceleration dp / dt and a target roll angular acceleration dp * / dt, which is a deviation between the roll angular acceleration deviation edp , a pitch angular acceleration dq / dt and a target pitch angular acceleration dq * / dt. The pitch angular acceleration deviation edq , which is the deviation of, and the azimuth angular acceleration deviation edr , which is the deviation between the azimuth angular acceleration dr / dt and the target angular acceleration dr * / dt, are replaced. The roll angle φ and the pitch angle θ were also replaced with the roll angle deviation e φ and the pitch angle deviation e θ, respectively.
次に、本実施形態に係る非干渉制御部16の具体的な構成について説明する。図5は、本発明の一実施形態に係る水中航走体の制御装置10において、非干渉制御部16に関する機能ブロックについて示した図である。非干渉制御部16は、係数行列演算部31、微分部32〜39、座標変換演算部40、偏差演算部41〜48、及び非干渉補償舵角演算部50、を主な構成として備えている。
Next, a specific configuration of the
係数行列演算部31には、航行速度u、横滑り速度v、深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度r、深度舵角指令δb*、ロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *が入力される。係数行列演算部31は、上記(5)−(33)式で表される係数行列A、Bの各要素の数式を保有しており、これらの数式に入力された航行速度u、横滑り速度v、深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度r、深度舵角指令δb*、ロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *を代入することにより、現在の平衡点における係数行列A(n)、B(n)を算出する。そして、現在の平衡点における係数行列A(n)、B(n)を記憶し、前回の制御周期で得られた係数行列A(n−1)、B(n−1)を非干渉補償舵角演算部50へ出力する。
The coefficient
座標変換演算部40は、絶対座標系(地球座標系)におけるロール角φ、ピッチ角θ、微分部32より出力された深度速度dz/dt、微分部33より出力されたロール角速度dφ/dt、微分部34より出力されたピッチ角速度dθ/dt、微分部35より出力された方位角速度dψ/dtを、船体座標系における深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度rに座標変換する。具体的には、座標変換演算部40は、座標変換演算式((40)式)を有しており、入力されるロール角φ、ピッチ角θ、微分部32より出力されたz、微分部33より出力されたロール角速度dφ/dt、微分部34より出力されたピッチ角速度dθ/dt、微分部35より出力された方位角速度dψ/dtを座標変換演算式へ代入することにより、深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度rを得る。
The coordinate
偏差演算部41は、座標変換演算部40から出力された深度速力wと目標深度速力w*との偏差ewを算出する。他の偏差演算部42〜44についても同様に、ロール角速度pと目標ロール角速度p*との偏差ep、ピッチ角速度qと目標ピッチ角速度q*との偏差eq、方位角速度rと目標方位角速度r*との偏差erを算出する。
偏差演算部45は、座標変換演算部40から出力され、微分部36により微分処理された深度加速度dw/dtと目標深度加速度dw*/dtとの偏差edwを算出する。他の偏差演算部46〜48についても同様に、ロール角加速度dp/dtと目標ロール角加速度dp*/dtとの偏差edp、ピッチ角加速度dq/dtと目標ピッチ角加速度dq*/dtとの偏差edq、方位角加速度dr/dtと目標方位角加速度dr*/dtとの偏差edrを算出する。
The
非干渉補償舵角演算部50は、干渉補償演算式(例えば、上述した(36)−(39)式)を保有しており、これらの式に、係数行列演算部31及び偏差演算部41〜48から出力された値を代入することで、干渉補償舵角δbfb、δrrfb、δrcfb、δrlfbを得る。
The non-interference compensation steering
次に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10の動作について説明する。
上位装置において設定された設定深度zset、設定ロール角φset、設定ピッチ角θset、設定方位角ψsetが入力されると、設定深度zsetは深度制御部11に、設定ロール角φsetはロール角制御部12に、設定ピッチ角θsetはピッチ角制御部13に、設定方位角ψsetは方位角制御部14に入力される。
深度制御部11において、設定深度zsetは目標値設定部11aに入力され、離散的な値から連続的な値である目標深度z*に変換される。目標深度z*は、差分演算部11bに出力される。差分演算部11bでは、目標深度z*と船体1の実深度zとの差分が算出され、フィードバック制御部11cにて、この差分に基づく深度フィードバック舵角δbFBが設定される。
Next, the operation of the
When the set depth z set , the set roll angle φ set, the set pitch angle θ set , and the set azimuth angle ψ set set in the host device are input, the set depth z set is sent to the
In the
同様に、ロール角制御部12において、設定ロール角φsetは目標値設定部12aに入力され、離散的な値から連続的な値である目標ロール角φ*に変換される。目標ロール角φ*は、差分演算部12bに出力される。差分演算部12bでは、目標ロール角φ*と船体1の実ロール角φとの差分が算出され、フィードバック制御部12cにて、この差分に基づくロール角フィードバック舵角δrrFBが設定される。
Similarly, in the roll
同様に、ピッチ角制御部13において、設定ピッチ角θsetは目標値設定部13aに入力され、離散的な値から連続的な値である目標ピッチ角θ*に変換される。目標ピッチ角θ*は、差分演算部13bに出力される。差分演算部13bでは、目標ピッチ角θ*と船体1の実ピッチ角θとの差分が算出され、フィードバック制御部13cにて、この差分に基づくピッチ角フィードバック舵角δrcFBが設定される。
Similarly, in the pitch
同様に、方位角制御部14において、設定方位角ψsetは目標値設定部14aに入力され、離散的な値から連続的な値である目標方位角ψ*に変換される。目標方位角ψ*は、差分演算部14bに出力される。差分演算部14bでは、目標方位角ψ*と船体1の実方位角ψとの差分が算出され、フィードバック制御部14cにて、この差分に基づく方位角フィードバック舵角δrlFBが設定される。
Similarly, in the
FF制御部15では、船体1の運動の目標値が入力されることによって、舵角を補償する補償舵角δbFF、δrrFF、δrcFF、δrlFFが算出される。
By inputting the target value of the motion of the
非干渉制御部16では、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψが微分部32〜35に入力されることにより、深度速度dz/dt、ロール角速度dφ/dt、ピッチ角速度dθ/dt、方位角速度dψ/dtが出力される。出力された深度速度dz/dt、ロール角速度dφ/dt、ピッチ角速度dθ/dt、方位角速度dψ/dt並びにロール角φ、ピッチ角θは座標変換演算部40へ入力され、船体座標系における深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度rに座標変換される。
In the
座標変換された深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度rは、偏差演算部41〜44によって、深度速力wと目標深度速力w*との深度速力偏差ew、ロール角速度pと目標ロール角速度p*とのロール角速度偏差ep、ピッチ角速度qと目標ピッチ角速度q*とのピッチ角速度偏差eq、方位角速度rと目標方位角速度r*との方位角速度偏差erが算出される。
Coordinate conversion depth-speed w, the roll angular velocity p, the pitch angular velocity q, azimuth angular velocity r is the
また、座標変換された深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度rは、それぞれ微分部36〜39を介して、偏差演算部45〜48に入力される。そして、偏差演算部45〜48によって、深度加速度dw/dtと目標深度加速度dw*/dtとの偏差edw、ロール角加速度dp/dtと目標ロール角加速度dp*/dtとの偏差edp、ピッチ角加速度dq/dtと目標ピッチ角加速度dq*/dtとの偏差edq、方位角加速度dr/dtと目標方位角加速度dr*/dtとの偏差edrが算出される。
Further, the coordinate-transformed depth velocity w, roll angular velocity p, pitch angular velocity q, and directional angular velocity r are input to the
係数行列演算部31では、上位装置から入力された航行速度u、横滑り速度v、深度速力w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、方位角速度r、深度舵角指令δb*、ロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *を用いて、係数行列A(n)、B(n)が算出される。そして、現在の平衡点における係数行列A(n)、B(n)を記憶し、前回の制御周期で得られた係数行列A(n−1)、B(n−1)を非干渉補償舵角演算部50へ出力する。
In the coefficient
非干渉補償舵角演算部50には、係数行列演算部31で算出された係数行列A(n−1)、B(n−1)、偏差演算部41〜48で算出された深度速力偏差ew、ロール角速度偏差ep、ピッチ角速度偏差eq、方位角速度偏差er、深度加速度偏差edw、ロール角加速度偏差edp、ピッチ角加速度偏差edq、方位角加速度偏差edr、航行速度u、横滑り速度v、ロール角偏差eφ、ピッチ角偏差eθが入力される。入力された各値は、非干渉補償舵角演算部50が保有している干渉補償演算式に代入され、干渉補償舵角δbfb、δrrfb、δrcfb、δrlfbが算出される。
The non-interference compensation steering angular
このようにして算出された深度に関する干渉補償舵角δbfbは、深度制御部11の深度舵角設定部11dにおいて深度フィードバック舵角δbFBにネガティブフィードバックされる。具体的には、深度舵角設定部11dからの深度フィードバック舵角δbFBにFF制御部15からの補償舵角δbFFが加算され、さらに、非干渉制御部16からの干渉補償舵角δbfbが減算されることによって、深度舵角指令δb*が算出される。
同様に、ロール角に関する干渉補償舵角δrrfbは、ロール角制御部12のロール角舵角設定部12dにおいて、ロール角フィードバック舵角δrrFBにネガティブフィードバックされる。具体的には、ロール角設定部からのロール角フィードバック舵角δrrFBにFF制御部15からの補償舵角δrrFFが加算され、さらに、非干渉制御部16からの干渉補償舵角δrrfbが減算されることによって、ロール角舵角指令δrr *が算出される。
同様に、ピッチ角に関する干渉補償舵角δrcfbは、ピッチ角制御部13のピッチ角舵角設定部13dにおいて、ピッチ角フィードバック舵角δrcFBにネガティブフィードバックされる。具体的には、ピッチ角設定部からのピッチ角フィードバック舵角δrcFBにFF制御部15からの補償舵角δrcFFが加算され、さらに、非干渉制御部16からの干渉補償舵角δrcfbが減算されることによって、ピッチ角舵角指令δrc *が算出される。
同様に、方位角に関する干渉補償舵角δrlfbは、方位角制御部14の方位角舵角設定部14dにおいて、方位角フィードバック舵角δrlFBにネガティブフィードバックされる。具体的には、方位角舵角設定部14dからの方位角フィードバック舵角δrlFBにFF制御部15からの補償舵角δrlFFが加算され、さらに、非干渉制御部16からの干渉補償舵角δrlfbが減算されることによって、方位角舵角指令δrl *が算出される。
The interference compensation rudder angle δb fb with respect to the depth calculated in this way is negatively fed back to the depth feedback rudder angle δb FB in the depth steering
Similarly, the interference compensation steering angle δr rfb regarding the roll angle is negatively fed back to the roll angle feedback steering angle δr rFB in the roll angle steering
Similarly, the interference compensation rudder angle δr cfb regarding the pitch angle is negatively fed back to the pitch angle feedback rudder angle δr cFB in the pitch angle rudder
Similarly, the interference compensation rudder angle δr lfb regarding the azimuth angle is negatively fed back to the azimuth feedback rudder angle δr lFB in the azimuth angle rudder
そして、船体運動系において、深度舵角指令δb*、ロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *基づいて、船体1に設けられた舵3a〜3dの舵角が制御される。
Then, the ship motion system, depth steering angle command [delta] b *, roll angle steering angle command [delta] r r *, pitch rudder angle command [delta] r c *, based azimuth steering angle command [delta] r l *, provided the
図6に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10による波外乱印加時の深度に関するシミュレーション結果を示す。図6において、(a)は深度と時間の関係を示し、(b)は舵角と時間の関係を示している。一点鎖線が目標値を示しており、深度は目標値として一定値が設定されている。外乱が印加されると、従来制御(点線)では深度が目標値に対して大きく上下に振られてしまっているのに対し、本実施形態に係る制御では、舵角が適切に制御されることによって揺動が大きく抑制されていることがわかる。なお、従来制御とは、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10において、非干渉制御部16を有していない場合の制御である。つまり、従来制御では、各制御軸間の干渉力を非干渉化せず、各制御軸上で独立に設計されたフィードバック制御系のみで、外乱による揺動に対して制御を行う。
FIG. 6 shows a simulation result regarding the depth when wave disturbance is applied by the
図7に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10による波外乱印加時のピッチ角に関するシミュレーション結果を示す。図7において、(a)はピッチ角と時間の関係を示し、(b)は舵角と時間の関係を示している。一点鎖線が目標値を示しており、ピッチ角は目標値として一定値が設定されている。外乱が印加されると、従来制御(点線)ではピッチ角が目標値に対して大きく振られてしまっているのに対し、本実施形態に係る制御では、舵角が適切に制御されることによって揺動が大きく抑制されていることがわかる。
FIG. 7 shows a simulation result regarding a pitch angle when a wave disturbance is applied by the
図8に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10による波外乱印加時の方位角に関するシミュレーション結果を示す。図8において、(a)は方位角と時間の関係を示し、(b)は舵角と時間の関係を示している。一点鎖線が目標値を示しており、方位角は目標値として一定値が設定されている。外乱が印加されると、従来制御(点線)ではピッチ角が目標値に対して大きく振られてしまっているのに対し、本実施形態に係る制御では、舵角が適切に制御されることによって揺動が抑制されていることがわかる。
FIG. 8 shows a simulation result regarding the azimuth angle when the wave disturbance is applied by the
シミュレーション結果により、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10は、各制御軸上で独立に設計されたフィードバック制御系に対して、非干渉制御部16にて算出した各舵角の補償値をフィードバックさせることによって、各制御軸間で発生した干渉力を効果的に抑制し、船体全体として、外乱に対して揺動を低減することができる。
Based on the simulation results, the underwater
以上説明してきたように、本実施形態に係る水中航走体の制御装置及び水中航走体並びに水中航走体の制御方法によれば、船体1の任意の平衡点において線形化した線形化状態方程式から、各制御軸毎に干渉量を推定し、干渉量を打ち消すための操作量を推定する。つまり、船体1の現在の状態に応じて、線形化状態方程式を逐次得ることができるため、どんな船体1の状態においても、各制御軸間の干渉量を非干渉化する操作量を推定することができる。よって、非線形な運動特性にも対応でき、各制御軸間の干渉を抑制することが可能である。
As described above, according to the control device for the underwater vehicle, the underwater vehicle, and the control method for the underwater vehicle according to the present embodiment, the linearized state linearized at an arbitrary equilibrium point of the
このため、波等の外乱によって船体1が揺動したとしても、各制御軸間の干渉を抑制しつつ、舵制御を行うことができ、効果的に船体1の揺動を抑制することができる。この効果により、荒天時においても安定した姿勢で船体の自動航行が実現でき、運動制御性能の向上に大きく寄与できる。
Therefore, even if the
また、例えば、一般的なフィードフォワード制御系と一般的なフィードバック制御系を併用した場合は、目標値が変更されたときに外乱が発生すると、目標値が変更されたことによるフィードフォワード制御系の動作と、外乱が発生したことによるフィードバック制御系の動作とが重複して、制御系が互いに悪影響を及ぼす可能性がある。しかし、本実施形態に係るフィードバック系の非干渉制御部16では、干渉補償演算式に、目標値に対する状態量の偏差を代入して干渉補償舵角を得る構成としたため、一般的なフィードフォワード制御系(非干渉機能を有するものに限らない)と併用した場合であっても、それぞれ相互に影響することなく、目標値の変化に対する制御はフィードフォワード制御系が行い、外乱に対する制御は非干渉制御部16が行うことができる。このため、フィードフォワード制御系と非干渉制御部16との切替が不要であり、それぞれの制御を同時に実行することができる。
また、フィードフォワード制御系を有していない構成であっても、本実施形態に係る非干渉制御部16は、干渉補償演算式に、目標値に対する状態量の偏差を代入して干渉補償舵角を得る構成としたため、目標値が変更されたとしても、目標値が変更されたことを外乱として誤検知することなく、正確に非干渉制御を行うことが可能である。
Also, for example, when a general feedforward control system and a general feedback control system are used together, if a disturbance occurs when the target value is changed, the feedforward control system due to the change in the target value There is a possibility that the operation and the operation of the feedback control system due to the occurrence of disturbance overlap, and the control systems adversely affect each other. However, the
Further, even if the configuration does not have a feedforward control system, the
1 :船体
3a〜3e :舵
10 :制御装置
11 :深度制御部
11a :目標値設定部
11b :差分演算部
11c :フィードバック制御部
11d :深度舵角設定部
12 :ロール角制御部
12a :目標値設定部
12b :差分演算部
12c :フィードバック制御部
12d :ロール角舵角設定部
13 :ピッチ角制御部
13a :目標値設定部
13b :差分演算部
13c :フィードバック制御部
13d :ピッチ角舵角設定部
14 :方位角制御部
14a :目標値設定部
14b :差分演算部
14c :フィードバック制御部
14d :方位角舵角設定部
15 :FF制御部
16 :非干渉制御部
31 :係数行列演算部
32〜39 :微分部
40 :座標変換演算部
41〜48 :偏差演算部
50 :非干渉補償舵角演算部
1:
Claims (6)
制御対象である少なくとも2軸に対応してそれぞれ設けられたフィードバック系の制御部と、
干渉補償演算式を用いて、軸間の相互干渉を打ち消すための干渉補償舵角を演算し、前記制御部に出力するフィードバック系の非干渉制御部と、
を備え、
前記干渉補償演算式は、前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を前記船体の状態量及び前記船体の操作量の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能なように変化させた線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆問題解析することにより導出された演算式であり、
前記非干渉制御部は、前記干渉補償演算式に、時間に応じた状態量と目標値の偏差を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る水中航走体の制御装置。 A control device for an underwater vehicle that can be controlled on six axes consisting of three linear axes consisting of the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull and three rotation axes for each of the linear axes.
A feedback system control unit provided corresponding to at least two axes to be controlled, and
Using the interference compensation calculation formula, the non-interference control unit of the feedback system that calculates the interference compensation steering angle for canceling the mutual interference between the axes and outputs it to the control unit,
With
The interference compensation calculation formula is applied to the entire operating range of the hull by expressing the coefficient matrix as a function of the state quantity of the hull and the operation amount of the hull in the linearized state equation near an arbitrary equilibrium point of the hull. It is an arithmetic expression derived by performing an inverse problem analysis of the linearized state equation changed as possible for the parameters related to the steering operation amount required to perform the desired motion.
The non-interference control unit is a control device for an underwater vehicle that obtains the interference compensation steering angle by substituting the deviation between the state quantity and the target value according to the time into the interference compensation calculation formula.
前記干渉補償演算式には、前記状態量として、x軸方向の実速度、y軸方向の実速度、z軸方向の実速度及び実加速度、x軸に対する回転軸の実角速度及び実角加速度並びに実ロール角、y軸に対する回転軸の実角速度及び実角加速度並びに実ピッチ角、z軸に対する回転軸の実角速度及び実角加速度が含まれる請求項1または請求項2に記載の水中航走体の制御装置。 The control unit includes a depth control unit, a roll angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the x-axis, a pitch angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the y-axis, and an azimuth angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the z-axis. Includes parts,
In the interference compensation calculation formula, the state quantities include the actual velocity in the x-axis direction, the actual velocity in the y-axis direction, the actual velocity and the actual acceleration in the z-axis direction, the actual angular velocity and the actual angular acceleration of the rotation axis with respect to the x-axis, and the actual angular velocity. The underwater vehicle according to claim 1 or 2, which includes the real roll angle, the real angular velocity and the real angular acceleration of the rotation axis with respect to the y-axis, and the real pitch angle, the real angular velocity and the real angle acceleration of the rotation axis with respect to the z-axis. Control device.
前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を前記船体の状態量及び前記船体の操作量の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能なように変化させた線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆問題解析することにより導出された干渉補償演算式に、時間に応じた状態量と目標値の偏差を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る水中航走体の制御方法。 A feedback control unit provided corresponding to at least two of the six axes consisting of three linear axes consisting of the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull and three rotation axes for each of the linear axes. It is a control method of an underwater vehicle having a non-interference control unit of a feedback system that calculates an interference compensation steering angle for canceling mutual interference between axes.
In the linearized state equation near an arbitrary equilibrium point of the hull, the coefficient matrix is expressed as a function of the state quantity of the hull and the manipulated quantity of the hull, and is changed so as to be adaptable over the entire operating range of the hull. Substitute the deviation between the state quantity and the target value according to time into the interference compensation calculation formula derived by inverse problem analysis of the linearized state equation for the parameters related to the steering operation amount required to perform the desired motion. A method of controlling an underwater hull to obtain the interference compensation steering angle.
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