JP2000211583A - 潜水船の深度保持制御方式 - Google Patents
潜水船の深度保持制御方式Info
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
- B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
- B63G8/14—Control of attitude or depth
- B63G8/18—Control of attitude or depth by hydrofoils
-
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- B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
- B63G—OFFENSIVE OR DEFENSIVE ARRANGEMENTS ON VESSELS; MINE-LAYING; MINE-SWEEPING; SUBMARINES; AIRCRAFT CARRIERS
- B63G8/00—Underwater vessels, e.g. submarines; Equipment specially adapted therefor
- B63G8/14—Control of attitude or depth
- B63G8/20—Steering equipment
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
- G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
- G05D1/04—Control of altitude or depth
- G05D1/048—Control of altitude or depth specially adapted for water vehicles
Abstract
(57)【要約】
【課題】 潜水船の運動状態に則り、しかも、横舵のみ
で深度保持制御を行う潜水船の深度保持制御方式を提供
する。 【解決手段】 潜水船のツリムＭと浮量Ｚとを算出する
潜水船ツリム・浮量算出部１２０と、ツリム・浮量算出
部１２０で算出されたツリムＭ及び浮量Ｚと現深度と目
標深度と船体の速度から船体の目標姿勢角を計算する目
標姿勢角算出部１４０と、目標姿勢角算出部１４０で算
出された目標姿勢角と現姿勢角から横舵の舵角を算出す
る姿勢角制御部１５０とを具備する潜水船の深度保持制
御方式とする。
で深度保持制御を行う潜水船の深度保持制御方式を提供
する。 【解決手段】 潜水船のツリムＭと浮量Ｚとを算出する
潜水船ツリム・浮量算出部１２０と、ツリム・浮量算出
部１２０で算出されたツリムＭ及び浮量Ｚと現深度と目
標深度と船体の速度から船体の目標姿勢角を計算する目
標姿勢角算出部１４０と、目標姿勢角算出部１４０で算
出された目標姿勢角と現姿勢角から横舵の舵角を算出す
る姿勢角制御部１５０とを具備する潜水船の深度保持制
御方式とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、潜水船の深度保持
制御方式に関し、特に、ツリム及び浮量を用いて潜水船
の姿勢角を横舵によって制御することにより深度を保持
する潜水船の深度保持制御方式に関する。
制御方式に関し、特に、ツリム及び浮量を用いて潜水船
の姿勢角を横舵によって制御することにより深度を保持
する潜水船の深度保持制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、潜水船では、深度を一定に保
持する自動深度保持制御方式が採用されている。
持する自動深度保持制御方式が採用されている。
【０００３】図４は、特開平７−１６５１８０号公報で
開示された水中航走体の深度制御方式を示すブロック図
である。この水中航走体の深度制御方式は、目標深度Ｈ
ｃと現在の深度Ｈの差である深度偏差ΔＨ及び深度速度
ｄＨ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により深度制御用の潜舵への潜舵舵角命令βｅｆ
を出力する深度舵制御部１５と、深度偏差ΔＨ及び速力
Ｖを入力とし、ファジィ推論により目標姿勢角θｃを決
定する目標姿勢角推論部１９と、目標姿勢角θｃと現在
の姿勢角θの差である姿勢角偏差Δθ、及び姿勢角速度
ｄθ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により姿勢制御用の横舵への横舵舵角命令βｅａ
を出力する姿勢舵制御部２０から構成されている。
開示された水中航走体の深度制御方式を示すブロック図
である。この水中航走体の深度制御方式は、目標深度Ｈ
ｃと現在の深度Ｈの差である深度偏差ΔＨ及び深度速度
ｄＨ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により深度制御用の潜舵への潜舵舵角命令βｅｆ
を出力する深度舵制御部１５と、深度偏差ΔＨ及び速力
Ｖを入力とし、ファジィ推論により目標姿勢角θｃを決
定する目標姿勢角推論部１９と、目標姿勢角θｃと現在
の姿勢角θの差である姿勢角偏差Δθ、及び姿勢角速度
ｄθ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により姿勢制御用の横舵への横舵舵角命令βｅａ
を出力する姿勢舵制御部２０から構成されている。
【０００４】上記深度舵制御部１５は、大まかな深度制
御を行うための潜舵メイン舵角βｅｆ（ｍ）をファジィ
推論するメイン舵角推論部１６と、目標深度付近での深
度のズレを補正するための舵角の減衰量（潜舵微調整操
舵速度ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔ）をファジィ推論する微調
整操舵速度推論部１７と、ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔを時間
ｔで積分し、潜舵微調整舵角βｅｆ（ｓ）とするための
積分器１８から構成されている。
御を行うための潜舵メイン舵角βｅｆ（ｍ）をファジィ
推論するメイン舵角推論部１６と、目標深度付近での深
度のズレを補正するための舵角の減衰量（潜舵微調整操
舵速度ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔ）をファジィ推論する微調
整操舵速度推論部１７と、ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔを時間
ｔで積分し、潜舵微調整舵角βｅｆ（ｓ）とするための
積分器１８から構成されている。
【０００５】これによって、水中航走体の深度制御を行
う際に、姿勢角も同時に制御することにより、目標深度
へ速やかに到達させるとともに、目標深度への良好な整
定性を実現させようとしている。
う際に、姿勢角も同時に制御することにより、目標深度
へ速やかに到達させるとともに、目標深度への良好な整
定性を実現させようとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の特開平７−１６５１８０号公報の水中航走体の
深度制御方式においては、深度保持制御時の目標姿勢角
を計算する場合に、深度偏差及び速力から計算してお
り、深度・姿勢角の変化に影響を及ぼすツリム及び浮量
を考慮していないため、潜水艦の運動状態に最適な制御
が行えないという問題がある。
た従来の特開平７−１６５１８０号公報の水中航走体の
深度制御方式においては、深度保持制御時の目標姿勢角
を計算する場合に、深度偏差及び速力から計算してお
り、深度・姿勢角の変化に影響を及ぼすツリム及び浮量
を考慮していないため、潜水艦の運動状態に最適な制御
が行えないという問題がある。
【０００７】また、特開平７−１６５１８０号公報の水
中航走体の深度制御方式においては、深度保持制御を行
うためには、深度偏差に対する潜舵の動作、及び深度偏
差により発生する姿勢角偏差に対する横舵の動作が必要
であり、１つの舵では制御が行えないという問題があ
る。
中航走体の深度制御方式においては、深度保持制御を行
うためには、深度偏差に対する潜舵の動作、及び深度偏
差により発生する姿勢角偏差に対する横舵の動作が必要
であり、１つの舵では制御が行えないという問題があ
る。
【０００８】その理由は、水中航走体の深度制御方式に
おいて、潜舵だけを動作させた場合、姿勢角が不安定に
なり深度保持は行えない。また、横舵だけを動作させた
場合、元々横舵は姿勢角を制御するためのものであり、
深度保持は行えないためである。
おいて、潜舵だけを動作させた場合、姿勢角が不安定に
なり深度保持は行えない。また、横舵だけを動作させた
場合、元々横舵は姿勢角を制御するためのものであり、
深度保持は行えないためである。
【０００９】本発明は上記問題点にかんがみてなされた
ものであり、潜水船の深度保持制御を行う場合に、ツリ
ム及び浮量を利用して、潜水船の運動状態に則った潜水
船の深度保持制御方式の提供を目的とする。
ものであり、潜水船の深度保持制御を行う場合に、ツリ
ム及び浮量を利用して、潜水船の運動状態に則った潜水
船の深度保持制御方式の提供を目的とする。
【００１０】また、本発明は、潜水船の深度保持制御を
横舵のみ使用することにより行う潜水船の深度保持制御
方式の提供を目的とする。
横舵のみ使用することにより行う潜水船の深度保持制御
方式の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式は、潜水
船のツリムと浮量とを算出する潜水船ツリム・浮量算出
部と、前記ツリム・浮量算出部で算出されたツリム及び
浮量を用いて船体の目標姿勢角を計算する目標姿勢角算
出部と、前記目標姿勢角算出部で算出された目標姿勢角
と現姿勢角から姿勢制御用の舵の舵角を算出する姿勢角
制御部とを具備する構成としてある。
め、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式は、潜水
船のツリムと浮量とを算出する潜水船ツリム・浮量算出
部と、前記ツリム・浮量算出部で算出されたツリム及び
浮量を用いて船体の目標姿勢角を計算する目標姿勢角算
出部と、前記目標姿勢角算出部で算出された目標姿勢角
と現姿勢角から姿勢制御用の舵の舵角を算出する姿勢角
制御部とを具備する構成としてある。
【００１２】このような構成の発明によれば、ツリム、
浮量から目標姿勢角を求めることから、潜水船の運動特
性の結果として、深度が変更する前に、深度保持に必要
な姿勢角を取るための舵角を算出することにより、潜水
船の運動状態に則ったより最適で迅速な深度保持制御を
行うことができる。
浮量から目標姿勢角を求めることから、潜水船の運動特
性の結果として、深度が変更する前に、深度保持に必要
な姿勢角を取るための舵角を算出することにより、潜水
船の運動状態に則ったより最適で迅速な深度保持制御を
行うことができる。
【００１３】請求項２記載の潜水船の深度保持制御方式
は、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式におい
て、前記姿勢角制御部が、横舵のみの舵角を算出する構
成としてある。
は、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式におい
て、前記姿勢角制御部が、横舵のみの舵角を算出する構
成としてある。
【００１４】このような構成の発明によれば、請求項１
記載の深度保持制御方式は、船体の姿勢角による流体力
を利用しているため、潜舵を使用せずに、横舵により姿
勢角を制御し、姿勢角制御により深度保持制御を行うこ
とができる。
記載の深度保持制御方式は、船体の姿勢角による流体力
を利用しているため、潜舵を使用せずに、横舵により姿
勢角を制御し、姿勢角制御により深度保持制御を行うこ
とができる。
【００１５】請求項３記載の潜水船の深度保持制御方式
は、請求項１又は２記載の潜水船の深度保持制御方式に
おいて、前記姿勢角制御部が、船体の速度に応じて舵角
を算出する構成としてある。
は、請求項１又は２記載の潜水船の深度保持制御方式に
おいて、前記姿勢角制御部が、船体の速度に応じて舵角
を算出する構成としてある。
【００１６】このような構成の発明によれば、速度が速
いときは舵効果が大きいため、速度を舵角の算出に組み
入れることにより、最適な深度保持制御を行うことがで
きる。
いときは舵効果が大きいため、速度を舵角の算出に組み
入れることにより、最適な深度保持制御を行うことがで
きる。
【００１７】請求項４記載の潜水船の深度保持制御方式
は、請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の深度保持制
御方式において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、船
体の舵角、速度、深度、姿勢角、及び潜水船の既知の運
動特性に基づいてツリム及び浮量を算出する構成として
ある。
は、請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の深度保持制
御方式において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、船
体の舵角、速度、深度、姿勢角、及び潜水船の既知の運
動特性に基づいてツリム及び浮量を算出する構成として
ある。
【００１８】このような構成の発明によれば、経験者の
勘によらないツリムと浮量とが得られ、自動深度保持制
御方式に利用できる。
勘によらないツリムと浮量とが得られ、自動深度保持制
御方式に利用できる。
【００１９】請求項５記載の潜水船の深度保持制御方式
は、請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の深度保持制
御方式において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、前
記船体の舵角及び速度、並びに潜水船の既知の運動特性
を要素とする運動方程式を線形化する運動方程式係数算
出回路と、前記運動方程式係数算出回路で算出されたシ
ステムモデルと現深度と現姿勢角とからカルマンフィル
タアルゴリズムによってツリム及び浮量を算出するツリ
ム・浮量算出回路とを備える構成としてある。
は、請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の深度保持制
御方式において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、前
記船体の舵角及び速度、並びに潜水船の既知の運動特性
を要素とする運動方程式を線形化する運動方程式係数算
出回路と、前記運動方程式係数算出回路で算出されたシ
ステムモデルと現深度と現姿勢角とからカルマンフィル
タアルゴリズムによってツリム及び浮量を算出するツリ
ム・浮量算出回路とを備える構成としてある。
【００２０】このような構成の発明によれば、経験者の
勘によらないツリムと浮量とが、最適推定として得ら
れ、自動深度保持制御方式に利用できる。
勘によらないツリムと浮量とが、最適推定として得ら
れ、自動深度保持制御方式に利用できる。
【００２１】請求項６記載の潜水船の深度保持制御方式
は、請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の深度保持制
御方式において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、運
動特性が既知の潜水船において、舵角センサによって取
得する舵角信号及び速度センサによって取得する速力を
入力とし、前記潜水船自体の構造に基づいてあらかじめ
既知の第１の係数群と、前記潜水船の運動空間の流体の
塩分及び温度を含む物理的条件によってもたらせる外力
の特性に基づいてあらかじめ既知の第２の係数群と、前
記潜水船の深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、
ツリム及び浮量を含む状態量とを要素とするマトリック
ス式で表現される運動方程式のマトリックス内の全ての
係数を確定して前記運動方程式を線形化する運動方程式
係数算出回路と、前記第１の係数群と前記第２の係数群
とを格納する運動特性メモリと、前記全ての係数を確定
して線形化された運動方程式とシステムノイズに基づい
て線形化されるシステムモデルと、深度センサによって
取得する深度及ぴ姿勢角センサによって取得する姿勢角
を観測量とする観測マトリックスとシステム状態ベクト
ル及び観測ノイズに基づいて形成される観測モデルとに
よって構成されるカルマンフィルタアルゴリズムによっ
て前記状態量の推定を行い前記潜水船のツリム及び浮量
を算出する構成としてある。
は、請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の深度保持制
御方式において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、運
動特性が既知の潜水船において、舵角センサによって取
得する舵角信号及び速度センサによって取得する速力を
入力とし、前記潜水船自体の構造に基づいてあらかじめ
既知の第１の係数群と、前記潜水船の運動空間の流体の
塩分及び温度を含む物理的条件によってもたらせる外力
の特性に基づいてあらかじめ既知の第２の係数群と、前
記潜水船の深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、
ツリム及び浮量を含む状態量とを要素とするマトリック
ス式で表現される運動方程式のマトリックス内の全ての
係数を確定して前記運動方程式を線形化する運動方程式
係数算出回路と、前記第１の係数群と前記第２の係数群
とを格納する運動特性メモリと、前記全ての係数を確定
して線形化された運動方程式とシステムノイズに基づい
て線形化されるシステムモデルと、深度センサによって
取得する深度及ぴ姿勢角センサによって取得する姿勢角
を観測量とする観測マトリックスとシステム状態ベクト
ル及び観測ノイズに基づいて形成される観測モデルとに
よって構成されるカルマンフィルタアルゴリズムによっ
て前記状態量の推定を行い前記潜水船のツリム及び浮量
を算出する構成としてある。
【００２２】このような構成の発明によれば、経験者の
勘によらないツリムと浮量とが、最適推定として得ら
れ、自動深度保持制御方式に利用できる。
勘によらないツリムと浮量とが、最適推定として得ら
れ、自動深度保持制御方式に利用できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の潜水船の深度保持
制御方式の一実施形態について図面を参照しつつ説明す
る。図１に、本発明の潜水船の深度保持制御方式の一実
施形態のブロック図を示す。この深度保持制御方式は、
潜水船の横舵、潜舵の舵角をそれぞれ検出して信号を送
出する舵角センサ１１１と、潜水船の周囲の環境海水に
対する速度を検出して信号を送出する速度センサ１１２
と、潜水船の深度を検出して信号を送出する深度センサ
１１３と、潜水船のピッチ方向の姿勢角を検出して信号
を送出する姿勢角センサ１１４とを備える。
制御方式の一実施形態について図面を参照しつつ説明す
る。図１に、本発明の潜水船の深度保持制御方式の一実
施形態のブロック図を示す。この深度保持制御方式は、
潜水船の横舵、潜舵の舵角をそれぞれ検出して信号を送
出する舵角センサ１１１と、潜水船の周囲の環境海水に
対する速度を検出して信号を送出する速度センサ１１２
と、潜水船の深度を検出して信号を送出する深度センサ
１１３と、潜水船のピッチ方向の姿勢角を検出して信号
を送出する姿勢角センサ１１４とを備える。
【００２４】また、舵角センサと速度センサの値から現
在の潜水船のツリム及び浮量を計算する潜水船ツリム・
浮量算出部１２０と、操船者が保持したい目標深度Ｈｃ
を設定する目標深度設定器１３０と、潜水船の目標姿勢
角を算出する目標姿勢角算出部１４０と、目標姿勢角と
現姿勢角から横舵を制御する横舵舵角命令信号を送出す
る姿勢角制御部１５０とを備える。
在の潜水船のツリム及び浮量を計算する潜水船ツリム・
浮量算出部１２０と、操船者が保持したい目標深度Ｈｃ
を設定する目標深度設定器１３０と、潜水船の目標姿勢
角を算出する目標姿勢角算出部１４０と、目標姿勢角と
現姿勢角から横舵を制御する横舵舵角命令信号を送出す
る姿勢角制御部１５０とを備える。
【００２５】図２に示すように、潜水船は、３種類の舵
を備えており、船のピッチ角の変化を与えるものとして
は、船尾付近に水平かつ船首尾軸に対称に備えられてい
る２個の横舵と、潜水船の船首又はブリッジに水平かつ
船首尾軸に対称に備えられた２個の潜舵があり、そのほ
か、船尾に方向舵としての縦舵がある。図２では、点線
で示す潜舵と横舵はそれぞれ動作の一例を示すものであ
り、実線の矢印で示す浮量Ｚ及びツリムＭはそれぞれ船
体に影響を及ぼす方向を表している。
を備えており、船のピッチ角の変化を与えるものとして
は、船尾付近に水平かつ船首尾軸に対称に備えられてい
る２個の横舵と、潜水船の船首又はブリッジに水平かつ
船首尾軸に対称に備えられた２個の潜舵があり、そのほ
か、船尾に方向舵としての縦舵がある。図２では、点線
で示す潜舵と横舵はそれぞれ動作の一例を示すものであ
り、実線の矢印で示す浮量Ｚ及びツリムＭはそれぞれ船
体に影響を及ぼす方向を表している。
【００２６】本発明の深度保持制御方式は、潜水船のツ
リムＭと浮量Ｚを考慮する自動深度制御方式であり、制
御においては横舵のみを制御して潜舵を制御しない。
リムＭと浮量Ｚを考慮する自動深度制御方式であり、制
御においては横舵のみを制御して潜舵を制御しない。
【００２７】本発明の深度保持制御方式における潜水船
ツリム・浮量算出部１２０は、特開昭６１−１１１４１
５号公報に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置
を利用することができ、図１の潜水船ツリム・浮量算出
装置１２０は、特開昭６１−１１１４１５号公報に記載
された潜水船ツリム・浮量算出装置を符号を変えてその
まま用いている。
ツリム・浮量算出部１２０は、特開昭６１−１１１４１
５号公報に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置
を利用することができ、図１の潜水船ツリム・浮量算出
装置１２０は、特開昭６１−１１１４１５号公報に記載
された潜水船ツリム・浮量算出装置を符号を変えてその
まま用いている。
【００２８】図３に、特開昭６１−１１１４１５号公報
に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置を示す。
この潜水艦ツリム・浮量算出装置１２０は、運動方程式
係数算出回路１２１と、運動特性メモリ１２２と、ツリ
ム・浮量算出回路１２３と、表示装置１２４とを備え
る。
に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置を示す。
この潜水艦ツリム・浮量算出装置１２０は、運動方程式
係数算出回路１２１と、運動特性メモリ１２２と、ツリ
ム・浮量算出回路１２３と、表示装置１２４とを備え
る。
【００２９】運動方程式係数算出回路１２１は、舵角セ
ンサ１１１によって取得する舵角信号及び速度センサ１
１２によって取得する速度信号とを入力とし、潜水船の
深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、ツリム及び
浮量を含む状態量と、運動特性メモリに記憶されている
潜水船の予め既知の運動特性とを要素とするマトリック
ス式で表される運動方程式のマトリックス内の全ての係
数を確定して運動方程式を線形化する。
ンサ１１１によって取得する舵角信号及び速度センサ１
１２によって取得する速度信号とを入力とし、潜水船の
深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、ツリム及び
浮量を含む状態量と、運動特性メモリに記憶されている
潜水船の予め既知の運動特性とを要素とするマトリック
ス式で表される運動方程式のマトリックス内の全ての係
数を確定して運動方程式を線形化する。
【００３０】運動特性メモリ１２２は、潜水船自体の構
造に基づいて予め既知の運動特性及び潜水船の運動空間
の流体の塩分及び外力の特性に基づいて予め既知の運動
特性が記憶されている。
造に基づいて予め既知の運動特性及び潜水船の運動空間
の流体の塩分及び外力の特性に基づいて予め既知の運動
特性が記憶されている。
【００３１】ツリム・浮量算出回路１２３は、前記全て
の係数を確定して線形化された運動方程式とシステムノ
イズに基づいて線形化されるシステムモデルと、深度セ
ンサ１１３によって取得する深度Ｈ及び姿勢角センサ１
１４によって取得する姿勢角θを観測量とする観測マト
リックスとシステム状態ベクトル及び観測ノイズに基づ
いて形成される観測モデルとによって構成されるカルマ
ンフィルタアルゴリズムによって状態量の推定を行い潜
水船のツリム及び浮量を算出する。
の係数を確定して線形化された運動方程式とシステムノ
イズに基づいて線形化されるシステムモデルと、深度セ
ンサ１１３によって取得する深度Ｈ及び姿勢角センサ１
１４によって取得する姿勢角θを観測量とする観測マト
リックスとシステム状態ベクトル及び観測ノイズに基づ
いて形成される観測モデルとによって構成されるカルマ
ンフィルタアルゴリズムによって状態量の推定を行い潜
水船のツリム及び浮量を算出する。
【００３２】すなわち、このカルマンフィルタによるフ
ィルタリングでは、潜水船の運動状態をツリム、浮量、
深度、深度速度、姿勢角、姿勢角速度などの状態量をパ
ラメータとする状態方程式で表し、また、深度データ、
姿勢角データの観測データを検出誤差などのいわゆるノ
イズを含んだ状態で利用して表現した観測方程式で表現
しある時間にわたって検出した観測データに基づいて状
態を最適推定するものであり、カルマンフィルタと呼ば
れる状態推定方程式を介して運動系の状態の最適推定を
実施することによりツリムと浮量とを算出する。
ィルタリングでは、潜水船の運動状態をツリム、浮量、
深度、深度速度、姿勢角、姿勢角速度などの状態量をパ
ラメータとする状態方程式で表し、また、深度データ、
姿勢角データの観測データを検出誤差などのいわゆるノ
イズを含んだ状態で利用して表現した観測方程式で表現
しある時間にわたって検出した観測データに基づいて状
態を最適推定するものであり、カルマンフィルタと呼ば
れる状態推定方程式を介して運動系の状態の最適推定を
実施することによりツリムと浮量とを算出する。
【００３３】運動方程式係数算出回路１２１は、運動特
性メモリ１２２から運動特性データを、また舵角センサ
１１１から潜舵舵角及び横舵舵角信号δｂ及びδｓ、並
びに速度センサ１１２から速力Ｖを受け、これによって
運動方程式の係数を算出し、これをツリム・浮量算出回
路１２３に供給する。深度センサ１１３、及び姿勢角セ
ンサ１１４からそれぞれ取得した深度Ｈと姿勢角θとが
ツリム・浮量算出回路１２３に供給される。
性メモリ１２２から運動特性データを、また舵角センサ
１１１から潜舵舵角及び横舵舵角信号δｂ及びδｓ、並
びに速度センサ１１２から速力Ｖを受け、これによって
運動方程式の係数を算出し、これをツリム・浮量算出回
路１２３に供給する。深度センサ１１３、及び姿勢角セ
ンサ１１４からそれぞれ取得した深度Ｈと姿勢角θとが
ツリム・浮量算出回路１２３に供給される。
【００３４】ツリム・浮量算出回路１１２３は、これら
入力を利用し、運動方程式によって示される線形制御シ
ステムに対するカルマンフィルタによるフィルタリング
を適用し、最適推定によりツリムと浮量を算出する。ツ
リム・浮量算出回路１２３によって算出されたツリム及
び浮量は表示装置１２４に供給され、表示される。この
表示値により潜水船のツリムと浮量の調整を行うことに
よって、経験者の勘に頼っていた調整作業の効率化をさ
せようとしている。
入力を利用し、運動方程式によって示される線形制御シ
ステムに対するカルマンフィルタによるフィルタリング
を適用し、最適推定によりツリムと浮量を算出する。ツ
リム・浮量算出回路１２３によって算出されたツリム及
び浮量は表示装置１２４に供給され、表示される。この
表示値により潜水船のツリムと浮量の調整を行うことに
よって、経験者の勘に頼っていた調整作業の効率化をさ
せようとしている。
【００３５】本発明においては、このような潜水船ツリ
ム・浮量算出装置をそのまま利用し、そのツリム・浮量
算出部１２０によって算出されたツリムＭと浮量Ｚを用
いて横舵により姿勢角を制御し、姿勢角制御により深度
保持を行う。
ム・浮量算出装置をそのまま利用し、そのツリム・浮量
算出部１２０によって算出されたツリムＭと浮量Ｚを用
いて横舵により姿勢角を制御し、姿勢角制御により深度
保持を行う。
【００３６】図１における目標姿勢角算出部１４０は、
目標深度設定器１３０によって設定された目標深度Ｈｃ
と深度センサ１１３の深度Ｈとの差である深度偏差ΔＨ
と、潜水船ツリム・浮量算出部１２０の算出結果である
ツリムＭ及び浮量Ｚと、目標深度Ｈｃと、速度センサ１
１２の速度Ｖとを入力し、目標深度保持に必要な姿勢角
となる目標姿勢角θｃを算出する目標姿勢角算出部１４
０は、比例項１４１及び積分項１４２を有する。比例項
１４１は、姿勢角偏差Δθに対して、大まかな目標姿勢
角値を計算し、積分項１４２は比例項１４１だけでは目
標深度Ｈｃに対し深度定常偏差が発生する場合に、その
偏差を打ち消すための目標姿勢角値を発生させる。
目標深度設定器１３０によって設定された目標深度Ｈｃ
と深度センサ１１３の深度Ｈとの差である深度偏差ΔＨ
と、潜水船ツリム・浮量算出部１２０の算出結果である
ツリムＭ及び浮量Ｚと、目標深度Ｈｃと、速度センサ１
１２の速度Ｖとを入力し、目標深度保持に必要な姿勢角
となる目標姿勢角θｃを算出する目標姿勢角算出部１４
０は、比例項１４１及び積分項１４２を有する。比例項
１４１は、姿勢角偏差Δθに対して、大まかな目標姿勢
角値を計算し、積分項１４２は比例項１４１だけでは目
標深度Ｈｃに対し深度定常偏差が発生する場合に、その
偏差を打ち消すための目標姿勢角値を発生させる。
【００３７】ここで、目標姿勢角算出部１４０では、以
下の状態において目標姿勢角θｃがアップ（船首を上げ
る）側になるように計算する。
下の状態において目標姿勢角θｃがアップ（船首を上げ
る）側になるように計算する。
【００３８】（１）深度Ｈが目標深度Ｈｃより深い、
（２）ダウンツリム（船首が下がる方にモーメントが働
く）、（３）浮量Ｚが中立より小さい。
（２）ダウンツリム（船首が下がる方にモーメントが働
く）、（３）浮量Ｚが中立より小さい。
【００３９】逆の状態においては、目標姿勢角θＣがダ
ウン（船首を下げる）側になるように計算する。
ウン（船首を下げる）側になるように計算する。
【００４０】また、速力に対して目標とする姿勢角は変
化し、速力が大きいほど、目標姿勢角θｃが小さくなる
ように計算する。
化し、速力が大きいほど、目標姿勢角θｃが小さくなる
ように計算する。
【００４１】姿勢角制御部１５０は、目標姿勢角θｃと
姿勢角センサ１１４の姿勢角θとの差である姿勢角偏差
Δθと、速度センサ１１２の速度Ｖを入力し、潜水船の
姿勢角θを目標姿勢角θｃにあわせるのに必要な横舵舵
角命令βｅａを算出する。
姿勢角センサ１１４の姿勢角θとの差である姿勢角偏差
Δθと、速度センサ１１２の速度Ｖを入力し、潜水船の
姿勢角θを目標姿勢角θｃにあわせるのに必要な横舵舵
角命令βｅａを算出する。
【００４２】この姿勢角制御部１５０の計算では、以下
の点に従って舵角を求める。 （１）姿勢角偏差Δθが大きいほど舵角βｅａを大きく
取る。 （２）速度Ｖが遅いときは舵効果が大きいので、舵角β
ｅａを小さめにする。 （３）ある一定の舵角βｅａにおいて定常偏差が残る場
合は少しずつ舵角βｅａを大きくする。 （４）姿勢角偏差Δθが減少しているとき、姿勢角変換
速度が速い場合は当て舵を取り、オーバーシュートを小
さくする。
の点に従って舵角を求める。 （１）姿勢角偏差Δθが大きいほど舵角βｅａを大きく
取る。 （２）速度Ｖが遅いときは舵効果が大きいので、舵角β
ｅａを小さめにする。 （３）ある一定の舵角βｅａにおいて定常偏差が残る場
合は少しずつ舵角βｅａを大きくする。 （４）姿勢角偏差Δθが減少しているとき、姿勢角変換
速度が速い場合は当て舵を取り、オーバーシュートを小
さくする。
【００４３】このような潜水船の深度保持制御方式によ
れば、潜水船の姿勢角制御の目標値を計算する場合に、
潜水船のツリム及び浮量をパラメータとして使用してい
るので、潜水船の運動特性の結果として、深度が変更す
る前に、深度保持に必要な姿勢角を取るための舵角を算
出することにより、潜水船の運動状態に則ったより最適
で迅速な自動深度保持制御を行うことができる。
れば、潜水船の姿勢角制御の目標値を計算する場合に、
潜水船のツリム及び浮量をパラメータとして使用してい
るので、潜水船の運動特性の結果として、深度が変更す
る前に、深度保持に必要な姿勢角を取るための舵角を算
出することにより、潜水船の運動状態に則ったより最適
で迅速な自動深度保持制御を行うことができる。
【００４４】また、船体の姿勢角による流体力を利用す
ることにより、潜舵を使用せずに、横舵により姿勢角を
制御し、この姿勢角制御により自動深度保持制御を行う
ことができる。
ることにより、潜舵を使用せずに、横舵により姿勢角を
制御し、この姿勢角制御により自動深度保持制御を行う
ことができる。
【００４５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の潜水船の
深度保持方式によれば、潜水船のツリムと浮量を目標姿
勢角の計算に用いることにより、潜水船の運動状態に削
った深度保持制御が行える。
深度保持方式によれば、潜水船のツリムと浮量を目標姿
勢角の計算に用いることにより、潜水船の運動状態に削
った深度保持制御が行える。
【００４６】また、潜水船のツリム・浮量を考慮し姿勢
角制御することにより、横舵のみを使用して深度保持を
行うことができる。
角制御することにより、横舵のみを使用して深度保持を
行うことができる。
【図１】本発明の潜水船の深度保持制御方式の一実施形
態を示すブロック図である。
態を示すブロック図である。
【図２】潜水船の舵の配置及びツリム、浮量の影響方向
を表す配置図である。
を表す配置図である。
【図３】従来例における潜水船ツリム・浮量算出装置を
示すブロック図である。
示すブロック図である。
【図４】従来例における水中航走体の深度制御方式を示
すブロック図である。
すブロック図である。
１１１ 舵角センサ １１２ 速度センサ １１３ 深度センサ １１４ 姿勢角センサ １２０ 潜水船ツリム・浮量算出部 １２１ 運動方程式係数算出回路 １２２ 運動特性メモリ １２３ ツリム・浮量算出回路 １２４ 表示装置 １３０ 目標深度設定器 １４０ 目標姿勢角算出部 １４１ 比例項 １４２ 積分項 １５０ 姿勢角制御部
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年１１月２２日（１９９９．１１．
２２）
２２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正内容】
【書類名】 明細書
【発明の名称】 潜水船の深度保持制御方式
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、潜水船の深度保持
制御方式に関し、特に、ツリム及び浮量を用いて潜水船
の姿勢角を横舵によって制御することにより深度を保持
する潜水船の深度保持制御方式に関する。
制御方式に関し、特に、ツリム及び浮量を用いて潜水船
の姿勢角を横舵によって制御することにより深度を保持
する潜水船の深度保持制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、潜水船では、深度を一定に保
持する自動深度保持制御方式が採用されている。
持する自動深度保持制御方式が採用されている。
【０００３】図４は、特開平７−１６５１８０号公報で
開示された水中航走体の深度制御方式を示すブロック図
である。この水中航走体の深度制御方式は、目標深度Ｈ
ｃと現在の深度Ｈの差である深度偏差ΔＨ及び深度速度
ｄＨ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により深度制御用の潜舵への潜舵舵角命令βｅｆ
を出力する深度舵制御部１５と、深度偏差ΔＨ及び速力
Ｖを入力とし、ファジィ推論により目標姿勢角θｃを決
定する目標姿勢角推論部１９と、目標姿勢角θｃと現在
の姿勢角θの差である姿勢角偏差Δθ、及び姿勢角速度
ｄθ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により姿勢制御用の横舵への横舵舵角命令βｅａ
を出力する姿勢舵制御部２０から構成されている。
開示された水中航走体の深度制御方式を示すブロック図
である。この水中航走体の深度制御方式は、目標深度Ｈ
ｃと現在の深度Ｈの差である深度偏差ΔＨ及び深度速度
ｄＨ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により深度制御用の潜舵への潜舵舵角命令βｅｆ
を出力する深度舵制御部１５と、深度偏差ΔＨ及び速力
Ｖを入力とし、ファジィ推論により目標姿勢角θｃを決
定する目標姿勢角推論部１９と、目標姿勢角θｃと現在
の姿勢角θの差である姿勢角偏差Δθ、及び姿勢角速度
ｄθ／ｄｔ及び速力Ｖを入力とし、ファジィ推論と簡単
な演算により姿勢制御用の横舵への横舵舵角命令βｅａ
を出力する姿勢舵制御部２０から構成されている。
【０００４】上記深度舵制御部１５は、大まかな深度制
御を行うための潜舵メイン舵角βｅｆ（ｍ）をファジィ
推論するメイン舵角推論部１６と、目標深度付近での深
度のズレを補正するための舵角の減衰量（潜舵微調整操
舵速度ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔ）をファジィ推論する微調
整操舵速度推論部１７と、ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔを時間
ｔで積分し、潜舵微調整舵角βｅｆ（ｓ）とするための
積分器１８から構成されている。
御を行うための潜舵メイン舵角βｅｆ（ｍ）をファジィ
推論するメイン舵角推論部１６と、目標深度付近での深
度のズレを補正するための舵角の減衰量（潜舵微調整操
舵速度ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔ）をファジィ推論する微調
整操舵速度推論部１７と、ｄβｅｆ（ｓ）／ｄｔを時間
ｔで積分し、潜舵微調整舵角βｅｆ（ｓ）とするための
積分器１８から構成されている。
【０００５】これによって、水中航走体の深度制御を行
う際に、姿勢角も同時に制御することにより、目標深度
へ速やかに到達させるとともに、目標深度への良好な整
定性を実現させようとしている。
う際に、姿勢角も同時に制御することにより、目標深度
へ速やかに到達させるとともに、目標深度への良好な整
定性を実現させようとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の特開平７−１６５１８０号公報の水中航走体の
深度制御方式においては、深度保持制御時の目標姿勢角
を計算する場合に、深度偏差及び速力から計算してお
り、深度・姿勢角の変化に影響を及ぼすツリム及び浮量
を考慮していないため、潜水艦の運動状態に最適な制御
が行えないという問題がある。
た従来の特開平７−１６５１８０号公報の水中航走体の
深度制御方式においては、深度保持制御時の目標姿勢角
を計算する場合に、深度偏差及び速力から計算してお
り、深度・姿勢角の変化に影響を及ぼすツリム及び浮量
を考慮していないため、潜水艦の運動状態に最適な制御
が行えないという問題がある。
【０００７】また、特開平７−１６５１８０号公報の水
中航走体の深度制御方式においては、深度保持制御を行
うためには、深度偏差に対する潜舵の動作、及び深度偏
差により発生する姿勢角偏差に対する横舵の動作が必要
であり、１つの舵では制御が行えないという問題があ
る。
中航走体の深度制御方式においては、深度保持制御を行
うためには、深度偏差に対する潜舵の動作、及び深度偏
差により発生する姿勢角偏差に対する横舵の動作が必要
であり、１つの舵では制御が行えないという問題があ
る。
【０００８】その理由は、水中航走体の深度制御方式に
おいて、潜舵だけを動作させた場合、姿勢角が不安定に
なり深度保持は行えない。また、横舵だけを動作させた
場合、元々横舵は姿勢角を制御するためのものであり、
深度保持は行えないためである。
おいて、潜舵だけを動作させた場合、姿勢角が不安定に
なり深度保持は行えない。また、横舵だけを動作させた
場合、元々横舵は姿勢角を制御するためのものであり、
深度保持は行えないためである。
【０００９】本発明は上記問題点にかんがみてなされた
ものであり、潜水船の深度保持制御を行う場合に、ツリ
ム及び浮量を利用して、潜水船の運動状態に則った潜水
船の深度保持制御方式の提供を目的とする。
ものであり、潜水船の深度保持制御を行う場合に、ツリ
ム及び浮量を利用して、潜水船の運動状態に則った潜水
船の深度保持制御方式の提供を目的とする。
【００１０】また、本発明は、潜水船の深度保持制御を
横舵のみ使用することにより行う潜水船の深度保持制御
方式の提供を目的とする。
横舵のみ使用することにより行う潜水船の深度保持制御
方式の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式は、船体
の舵角、速度、深度、姿勢角、及び潜水船の既知の運動
特性に基づいて潜水船のツリムと浮量とを算出する潜水
船ツリム・浮量算出部と、目標深度設定器によって設定
された目標深度と深度センサの深度との差である深度偏
差と、潜水船ツリム・浮量算出部の算出結果であるツリ
ム及び浮量と、目標深度と、速度センサの速度とを入力
し、目標深度保持に必要な姿勢角となる目標姿勢角を算
出する目標姿勢角算出部と、この目標姿勢角算出部で算
出された目標姿勢角と姿勢角センサの姿勢角との差であ
る姿勢角偏差と、速度センサの速度を入力し、潜水船の
姿勢角を目標姿勢角にあわせるのに必要な横舵舵角命令
を算出する姿勢角制御部とを具備する構成としてある。
め、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式は、船体
の舵角、速度、深度、姿勢角、及び潜水船の既知の運動
特性に基づいて潜水船のツリムと浮量とを算出する潜水
船ツリム・浮量算出部と、目標深度設定器によって設定
された目標深度と深度センサの深度との差である深度偏
差と、潜水船ツリム・浮量算出部の算出結果であるツリ
ム及び浮量と、目標深度と、速度センサの速度とを入力
し、目標深度保持に必要な姿勢角となる目標姿勢角を算
出する目標姿勢角算出部と、この目標姿勢角算出部で算
出された目標姿勢角と姿勢角センサの姿勢角との差であ
る姿勢角偏差と、速度センサの速度を入力し、潜水船の
姿勢角を目標姿勢角にあわせるのに必要な横舵舵角命令
を算出する姿勢角制御部とを具備する構成としてある。
【００１２】請求項２記載の潜水船の深度保持制御方式
は、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式におい
て、前記目標姿勢角算出部が、比例項及び積分項を有
し、比例項は姿勢角偏差に対して大まかな目標姿勢角値
を計算し、積分項は比例項だけでは目標深度に対し深度
定常偏差が発生する場合に、その偏差を打ち消すための
目標姿勢角値を発生させる構成としてある。
は、請求項１記載の潜水船の深度保持制御方式におい
て、前記目標姿勢角算出部が、比例項及び積分項を有
し、比例項は姿勢角偏差に対して大まかな目標姿勢角値
を計算し、積分項は比例項だけでは目標深度に対し深度
定常偏差が発生する場合に、その偏差を打ち消すための
目標姿勢角値を発生させる構成としてある。
【００１３】 請求項３記載の潜水船の深度保持制御方式
は、請求項１又は２に記載の潜水船の深度保持制御方式
において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、運動特性
が既知の潜水船において、舵角センサによって取得する
舵角信号及び速度センサによって取得する速力を入力と
し、前記潜水船自体の構造に基づいてあらかじめ既知の
第１の係数群と、前記潜水船の運動空間の流体の塩分及
び温度を含む物理的条件によってもたらされる外力の特
性に基づいてあらかじめ既知の第２の係数群と、前記潜
水船の深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、ツリ
ム及び浮量を含む状態量とを要素とするマトリックス式
で表現される運動方程式のマトリックス内の全ての係数
を確定して前記運動方程式を線形化する運動方程式係数
算出回路と、前記第１の係数群と前記第２の係数群とを
格納する運動特性メモリと、前記全ての係数を確定して
線形化された運動方程式とシステムノイズに基づいて線
形化されるシステムモデルと、深度センサによって取得
する深度及ぴ姿勢角センサによって取得する姿勢角を観
測量とする観測マトリックスとシステム状態ベクトル及
び観測ノイズに基づいて形成される観測モデルとによっ
て構成されるカルマンフィルタアルゴリズムによって前
記状態量の推定を行い前記潜水船のツリム及び浮量を算
出する構成としてある。
は、請求項１又は２に記載の潜水船の深度保持制御方式
において、前記潜水船ツリム・浮量算出部が、運動特性
が既知の潜水船において、舵角センサによって取得する
舵角信号及び速度センサによって取得する速力を入力と
し、前記潜水船自体の構造に基づいてあらかじめ既知の
第１の係数群と、前記潜水船の運動空間の流体の塩分及
び温度を含む物理的条件によってもたらされる外力の特
性に基づいてあらかじめ既知の第２の係数群と、前記潜
水船の深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、ツリ
ム及び浮量を含む状態量とを要素とするマトリックス式
で表現される運動方程式のマトリックス内の全ての係数
を確定して前記運動方程式を線形化する運動方程式係数
算出回路と、前記第１の係数群と前記第２の係数群とを
格納する運動特性メモリと、前記全ての係数を確定して
線形化された運動方程式とシステムノイズに基づいて線
形化されるシステムモデルと、深度センサによって取得
する深度及ぴ姿勢角センサによって取得する姿勢角を観
測量とする観測マトリックスとシステム状態ベクトル及
び観測ノイズに基づいて形成される観測モデルとによっ
て構成されるカルマンフィルタアルゴリズムによって前
記状態量の推定を行い前記潜水船のツリム及び浮量を算
出する構成としてある。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の潜水船の深度保持
制御方式の一実施形態について図面を参照しつつ説明す
る。図１に、本発明の潜水船の深度保持制御方式の一実
施形態のブロック図を示す。この深度保持制御方式は、
潜水船の横舵、潜舵の舵角をそれぞれ検出して信号を送
出する舵角センサ１１１と、潜水船の周囲の環境海水に
対する速度を検出して信号を送出する速度センサ１１２
と、潜水船の深度を検出して信号を送出する深度センサ
１１３と、潜水船のピッチ方向の姿勢角を検出して信号
を送出する姿勢角センサ１１４とを備える。
制御方式の一実施形態について図面を参照しつつ説明す
る。図１に、本発明の潜水船の深度保持制御方式の一実
施形態のブロック図を示す。この深度保持制御方式は、
潜水船の横舵、潜舵の舵角をそれぞれ検出して信号を送
出する舵角センサ１１１と、潜水船の周囲の環境海水に
対する速度を検出して信号を送出する速度センサ１１２
と、潜水船の深度を検出して信号を送出する深度センサ
１１３と、潜水船のピッチ方向の姿勢角を検出して信号
を送出する姿勢角センサ１１４とを備える。
【００１５】 また、舵角センサと速度センサの値から現
在の潜水船のツリム及び浮量を計算する潜水船ツリム・
浮量算出部１２０と、操船者が保持したい目標深度Ｈｃ
を設定する目標深度設定器１３０と、潜水船の目標姿勢
角を算出する目標姿勢角算出部１４０と、目標姿勢角と
現姿勢角から横舵を制御する横舵舵角命令信号を送出す
る姿勢角制御部１５０とを備える。
在の潜水船のツリム及び浮量を計算する潜水船ツリム・
浮量算出部１２０と、操船者が保持したい目標深度Ｈｃ
を設定する目標深度設定器１３０と、潜水船の目標姿勢
角を算出する目標姿勢角算出部１４０と、目標姿勢角と
現姿勢角から横舵を制御する横舵舵角命令信号を送出す
る姿勢角制御部１５０とを備える。
【００１６】 図２に示すように、潜水船は、３種類の舵
を備えており、船のピッチ角の変化を与えるものとして
は、船尾付近に水平かつ船首尾軸に対称に備えられてい
る２個の横舵と、潜水船の船首又はブリッジに水平かつ
船首尾軸に対称に備えられた２個の潜舵があり、そのほ
か、船尾に方向舵としての縦舵がある。図２では、点線
で示す潜舵と横舵はそれぞれ動作の一例を示すものであ
り、実線の矢印で示す浮量Ｚ及びツリムＭはそれぞれ船
体に影響を及ぼす方向を表している。
を備えており、船のピッチ角の変化を与えるものとして
は、船尾付近に水平かつ船首尾軸に対称に備えられてい
る２個の横舵と、潜水船の船首又はブリッジに水平かつ
船首尾軸に対称に備えられた２個の潜舵があり、そのほ
か、船尾に方向舵としての縦舵がある。図２では、点線
で示す潜舵と横舵はそれぞれ動作の一例を示すものであ
り、実線の矢印で示す浮量Ｚ及びツリムＭはそれぞれ船
体に影響を及ぼす方向を表している。
【００１７】 本発明の深度保持制御方式は、潜水船のツ
リムＭと浮量Ｚを考慮する自動深度制御方式であり、制
御においては横舵のみを制御して潜舵を制御しない。
リムＭと浮量Ｚを考慮する自動深度制御方式であり、制
御においては横舵のみを制御して潜舵を制御しない。
【００１８】 本発明の深度保持制御方式における潜水船
ツリム・浮量算出部１２０は、特開昭６１−１１１４１
５号公報に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置
を利用することができ、図１の潜水船ツリム・浮量算出
装置１２０は、特開昭６１−１１１４１５号公報に記載
された潜水船ツリム・浮量算出装置を符号を変えてその
まま用いている。
ツリム・浮量算出部１２０は、特開昭６１−１１１４１
５号公報に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置
を利用することができ、図１の潜水船ツリム・浮量算出
装置１２０は、特開昭６１−１１１４１５号公報に記載
された潜水船ツリム・浮量算出装置を符号を変えてその
まま用いている。
【００１９】 図３に、特開昭６１−１１１４１５号公報
に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置を示す。
この潜水艦ツリム・浮量算出装置１２０は、運動方程式
係数算出回路１２１と、運動特性メモリ１２２と、ツリ
ム・浮量算出回路１２３と、表示装置１２４とを備え
る。
に記載されている潜水船ツリム・浮量算出装置を示す。
この潜水艦ツリム・浮量算出装置１２０は、運動方程式
係数算出回路１２１と、運動特性メモリ１２２と、ツリ
ム・浮量算出回路１２３と、表示装置１２４とを備え
る。
【００２０】 運動方程式係数算出回路１２１は、舵角セ
ンサ１１１によって取得する舵角信号及び速度センサ１
１２によって取得する速度信号とを入力とし、潜水船の
深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、ツリム及び
浮量を含む状態量と、運動特性メモリに記憶されている
潜水船の予め既知の運動特性とを要素とするマトリック
ス式で表される運動方程式のマトリックス内の全ての係
数を確定して運動方程式を線形化する。
ンサ１１１によって取得する舵角信号及び速度センサ１
１２によって取得する速度信号とを入力とし、潜水船の
深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速度、ツリム及び
浮量を含む状態量と、運動特性メモリに記憶されている
潜水船の予め既知の運動特性とを要素とするマトリック
ス式で表される運動方程式のマトリックス内の全ての係
数を確定して運動方程式を線形化する。
【００２１】 運動特性メモリ１２２は、潜水船自体の構
造に基づいて予め既知の運動特性及び潜水船の運動空間
の流体の塩分及び外力の特性に基づいて予め既知の運動
特性が記憶されている。
造に基づいて予め既知の運動特性及び潜水船の運動空間
の流体の塩分及び外力の特性に基づいて予め既知の運動
特性が記憶されている。
【００２２】 ツリム・浮量算出回路１２３は、前記全て
の係数を確定して線形化された運動方程式とシステムノ
イズに基づいて線形化されるシステムモデルと、深度セ
ンサ１１３によって取得する深度Ｈ及び姿勢角センサ１
１４によって取得する姿勢角θを観測量とする観測マト
リックスとシステム状態ベクトル及び観測ノイズに基づ
いて形成される観測モデルとによって構成されるカルマ
ンフィルタアルゴリズムによって状態量の推定を行い潜
水船のツリム及び浮量を算出する。
の係数を確定して線形化された運動方程式とシステムノ
イズに基づいて線形化されるシステムモデルと、深度セ
ンサ１１３によって取得する深度Ｈ及び姿勢角センサ１
１４によって取得する姿勢角θを観測量とする観測マト
リックスとシステム状態ベクトル及び観測ノイズに基づ
いて形成される観測モデルとによって構成されるカルマ
ンフィルタアルゴリズムによって状態量の推定を行い潜
水船のツリム及び浮量を算出する。
【００２３】 すなわち、このカルマンフィルタによるフ
ィルタリングでは、潜水船の運動状態をツリム、浮量、
深度、深度速度、姿勢角、姿勢角速度などの状態量をパ
ラメータとする状態方程式で表し、また、深度データ、
姿勢角データの観測データを検出誤差などのいわゆるノ
イズを含んだ状態で利用して表現した観測方程式で表現
しある時間にわたって検出した観測データに基づいて状
態を最適推定するものであり、カルマンフィルタと呼ば
れる状態推定方程式を介して運動系の状態の最適推定を
実施することによりツリムと浮量とを算出する。
ィルタリングでは、潜水船の運動状態をツリム、浮量、
深度、深度速度、姿勢角、姿勢角速度などの状態量をパ
ラメータとする状態方程式で表し、また、深度データ、
姿勢角データの観測データを検出誤差などのいわゆるノ
イズを含んだ状態で利用して表現した観測方程式で表現
しある時間にわたって検出した観測データに基づいて状
態を最適推定するものであり、カルマンフィルタと呼ば
れる状態推定方程式を介して運動系の状態の最適推定を
実施することによりツリムと浮量とを算出する。
【００２４】 運動方程式係数算出回路１２１は、運動特
性メモリ１２２から運動特性データを、また舵角センサ
１１１から潜舵舵角及び横舵舵角信号δｂ及びδｓ、並
びに速度センサ１１２から速力Ｖを受け、これによって
運動方程式の係数を算出し、これをツリム・浮量算出回
路１２３に供給する。深度センサ１１３、及び姿勢角セ
ンサ１１４からそれぞれ取得した深度Ｈと姿勢角θとが
ツリム・浮量算出回路１２３に供給される。
性メモリ１２２から運動特性データを、また舵角センサ
１１１から潜舵舵角及び横舵舵角信号δｂ及びδｓ、並
びに速度センサ１１２から速力Ｖを受け、これによって
運動方程式の係数を算出し、これをツリム・浮量算出回
路１２３に供給する。深度センサ１１３、及び姿勢角セ
ンサ１１４からそれぞれ取得した深度Ｈと姿勢角θとが
ツリム・浮量算出回路１２３に供給される。
【００２５】 ツリム・浮量算出回路１１２３は、これら
入力を利用し、運動方程式によって示される線形制御シ
ステムに対するカルマンフィルタによるフィルタリング
を適用し、最適推定によりツリムと浮量を算出する。ツ
リム・浮量算出回路１２３によって算出されたツリム及
び浮量は表示装置１２４に供給され、表示される。この
表示値により潜水船のツリムと浮量の調整を行うことに
よって、経験者の勘に頼っていた調整作業の効率化をさ
せようとしている。
入力を利用し、運動方程式によって示される線形制御シ
ステムに対するカルマンフィルタによるフィルタリング
を適用し、最適推定によりツリムと浮量を算出する。ツ
リム・浮量算出回路１２３によって算出されたツリム及
び浮量は表示装置１２４に供給され、表示される。この
表示値により潜水船のツリムと浮量の調整を行うことに
よって、経験者の勘に頼っていた調整作業の効率化をさ
せようとしている。
【００２６】 本発明においては、このような潜水船ツリ
ム・浮量算出装置をそのまま利用し、そのツリム・浮量
算出部１２０によって算出されたツリムＭと浮量Ｚを用
いて横舵により姿勢角を制御し、姿勢角制御により深度
保持を行う。
ム・浮量算出装置をそのまま利用し、そのツリム・浮量
算出部１２０によって算出されたツリムＭと浮量Ｚを用
いて横舵により姿勢角を制御し、姿勢角制御により深度
保持を行う。
【００２７】 図１における目標姿勢角算出部１４０は、
目標深度設定器１３０によって設定された目標深度Ｈｃ
と深度センサ１１３の深度Ｈとの差である深度偏差ΔＨ
と、潜水船ツリム・浮量算出部１２０の算出結果である
ツリムＭ及び浮量Ｚと、目標深度Ｈｃと、速度センサ１
１２の速度Ｖとを入力し、目標深度保持に必要な姿勢角
となる目標姿勢角θｃを算出する。目標姿勢角算出部１
４０は、比例項１４１及び積分項１４２を有する。比例
項１４１は、姿勢角偏差Δθに対して、大まかな目標姿
勢角値を計算し、積分項１４２は比例項１４１だけでは
目標深度Ｈｃに対し深度定常偏差が発生する場合に、そ
の偏差を打ち消すための目標姿勢角値を発生させる。
目標深度設定器１３０によって設定された目標深度Ｈｃ
と深度センサ１１３の深度Ｈとの差である深度偏差ΔＨ
と、潜水船ツリム・浮量算出部１２０の算出結果である
ツリムＭ及び浮量Ｚと、目標深度Ｈｃと、速度センサ１
１２の速度Ｖとを入力し、目標深度保持に必要な姿勢角
となる目標姿勢角θｃを算出する。目標姿勢角算出部１
４０は、比例項１４１及び積分項１４２を有する。比例
項１４１は、姿勢角偏差Δθに対して、大まかな目標姿
勢角値を計算し、積分項１４２は比例項１４１だけでは
目標深度Ｈｃに対し深度定常偏差が発生する場合に、そ
の偏差を打ち消すための目標姿勢角値を発生させる。
【００２８】 ここで、目標姿勢角算出部１４０では、以
下の状態において目標姿勢角θｃがアップ（船首を上げ
る）側になるように計算する。
下の状態において目標姿勢角θｃがアップ（船首を上げ
る）側になるように計算する。
【００２９】 （１）深度Ｈが目標深度Ｈｃより深い、
（２）ダウンツリム（船首が下がる方にモーメントが働
く）、（３）浮量Ｚが中立より小さい。
（２）ダウンツリム（船首が下がる方にモーメントが働
く）、（３）浮量Ｚが中立より小さい。
【００３０】 逆の状態においては、目標姿勢角θＣがダ
ウン（船首を下げる）側になるように計算する。
ウン（船首を下げる）側になるように計算する。
【００３１】 また、速力に対して目標とする姿勢角は変
化し、速力が大きいほど、目標姿勢角θｃが小さくなる
ように計算する。
化し、速力が大きいほど、目標姿勢角θｃが小さくなる
ように計算する。
【００３２】 姿勢角制御部１５０は、目標姿勢角θｃと
姿勢角センサ１１４の姿勢角θとの差である姿勢角偏差
Δθと、速度センサ１１２の速度Ｖを入力し、潜水船の
姿勢角θを目標姿勢角θｃにあわせるのに必要な横舵舵
角命令βｅａを算出する。
姿勢角センサ１１４の姿勢角θとの差である姿勢角偏差
Δθと、速度センサ１１２の速度Ｖを入力し、潜水船の
姿勢角θを目標姿勢角θｃにあわせるのに必要な横舵舵
角命令βｅａを算出する。
【００３３】 この姿勢角制御部１５０の計算では、以下
の点に従って舵角を求める。 （１）姿勢角偏差Δθが大きいほど舵角βｅａを大きく
取る。 （２）速度Ｖが遅いときは舵効果が大きいので、舵角β
ｅａを小さめにする。 （３）ある一定の舵角βｅａにおいて定常偏差が残る場
合は少しずつ舵角βｅａを大きくする。 （４）姿勢角偏差Δθが減少しているとき、姿勢角変換
速度が速い場合は当て舵を取り、オーバーシュートを小
さくする。
の点に従って舵角を求める。 （１）姿勢角偏差Δθが大きいほど舵角βｅａを大きく
取る。 （２）速度Ｖが遅いときは舵効果が大きいので、舵角β
ｅａを小さめにする。 （３）ある一定の舵角βｅａにおいて定常偏差が残る場
合は少しずつ舵角βｅａを大きくする。 （４）姿勢角偏差Δθが減少しているとき、姿勢角変換
速度が速い場合は当て舵を取り、オーバーシュートを小
さくする。
【００３４】 このような潜水船の深度保持制御方式によ
れば、潜水船の姿勢角制御の目標値を計算する場合に、
潜水船のツリム及び浮量をパラメータとして使用してい
るので、潜水船の運動特性の結果として、深度が変更す
る前に、深度保持に必要な姿勢角を取るための舵角を算
出することにより、潜水船の運動状態に則ったより最適
で迅速な自動深度保持制御を行うことができる。
れば、潜水船の姿勢角制御の目標値を計算する場合に、
潜水船のツリム及び浮量をパラメータとして使用してい
るので、潜水船の運動特性の結果として、深度が変更す
る前に、深度保持に必要な姿勢角を取るための舵角を算
出することにより、潜水船の運動状態に則ったより最適
で迅速な自動深度保持制御を行うことができる。
【００３５】 また、船体の姿勢角による流体力を利用す
ることにより、潜舵を使用せずに、横舵により姿勢角を
制御し、この姿勢角制御により自動深度保持制御を行う
ことができる。
ることにより、潜舵を使用せずに、横舵により姿勢角を
制御し、この姿勢角制御により自動深度保持制御を行う
ことができる。
【００３６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の潜水船の
深度保持方式によれば、潜水船のツリムと浮量を目標姿
勢角の計算に用いることにより、潜水船の運動状態に削
った深度保持制御が行える。
深度保持方式によれば、潜水船のツリムと浮量を目標姿
勢角の計算に用いることにより、潜水船の運動状態に削
った深度保持制御が行える。
【００３７】 また、潜水船のツリム・浮量を考慮し姿勢
角制御することにより、横舵のみを使用して深度保持を
行うことができる。
角制御することにより、横舵のみを使用して深度保持を
行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の潜水船の深度保持制御方式の一実施形
態を示すブロック図である。
態を示すブロック図である。
【図２】潜水船の舵の配置及びツリム、浮量の影響方向
を表す配置図である。
を表す配置図である。
【図３】従来例における潜水船ツリム・浮量算出装置を
示すブロック図である。
示すブロック図である。
【図４】従来例における水中航走体の深度制御方式を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【符号の説明】 １１１ 舵角センサ １１２ 速度センサ １１３ 深度センサ １１４ 姿勢角センサ １２０ 潜水船ツリム・浮量算出部 １２１ 運動方程式係数算出回路 １２２ 運動特性メモリ １２３ ツリム・浮量算出回路 １２４ 表示装置 １３０ 目標深度設定器 １４０ 目標姿勢角算出部 １４１ 比例項 １４２ 積分項 １５０ 姿勢角制御部
Claims (6)
- 【請求項１】 潜水船のツリムと浮量とを算出する潜水
船ツリム・浮量算出部と、 前記ツリム・浮量算出部で算出されたツリム及び浮量を
用いて船体の目標姿勢角を計算する目標姿勢角算出部
と、 前記目標姿勢角算出部で算出された目標姿勢角と現姿勢
角から姿勢制御用の舵の舵角を算出する姿勢角制御部と
を具備することを特徴とする潜水船の深度保持制御方
式。 - 【請求項２】 請求項１記載の潜水船の深度保持制御方
式において、 前記姿勢角制御部が、横舵のみの舵角を算出することを
特徴とする潜水船の深度保持制御方式。 - 【請求項３】 請求項１又は２記載の潜水船の深度保持
制御方式において、前記姿勢角制御部が、船体の速度に
応じて舵角を算出することを特徴とする潜水船の深度保
持制御方式。 - 【請求項４】 請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の
深度保持制御方式において、 前記潜水船ツリム・浮量算出部が、船体の舵角、速度、
深度、姿勢角、及び潜水船の既知の運動特性に基づいて
ツリム及び浮量を算出することを特徴とする潜水船の深
度保持制御方式。 - 【請求項５】 請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の
深度保持制御方式において、 前記潜水船ツリム・浮量算出部が、前記船体の舵角及び
速度、並びに潜水船の既知の運動特性を要素とする運動
方程式を線形化する運動方程式係数算出回路と、前記運
動方程式係数算出回路で算出されたシステムモデルと現
深度と現姿勢角とからカルマンフィルタアルゴリズムに
よってツリム及び浮量を算出するツリム・浮量算出回路
とを備えることを特徴とする潜水船の深度保持制御方
式。 - 【請求項６】 請求項１〜３いずれかに記載の潜水船の
深度保持制御方式において、 前記潜水船ツリム・浮量算出部が、 運動特性が既知の潜水船において、舵角センサによって
取得する舵角信号及び速度センサによって取得する速力
を入力とし、前記潜水船自体の構造に基づいてあらかじ
め既知の第１の係数群と、前記潜水船の運動空間の流体
の塩分及び温度を含む物理的条件によってもたらせる外
力の特性に基づいてあらかじめ既知の第２の係数群と、
前記潜水船の深度、垂直方向速度、姿勢角、姿勢角速
度、ツリム及び浮量を含む状態量とを要素とするマトリ
ックス式で表現される運動方程式のマトリックス内の全
ての係数を確定して前記運動方程式を線形化する運動方
程式係数算出回路と、前記第１の係数群と前記第２の係
数群とを格納する運動特性メモリと、前記全ての係数を
確定して線形化された運動方程式とシステムノイズに基
づいて線形化されるシステムモデルと、深度センサによ
って取得する深度及び姿勢角センサによって取得する姿
勢角を観測量とする観測マトリックスとシステム状態ベ
クトル及び観測ノイズに基づいて形成される観測モデル
とによって構成されるカルマンフィルタアルゴリズムに
よって前記状態量の推定を行い前記潜水船のツリム及び
浮量を算出することを特徴とする潜水船の深度保持制御
方式。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11013540A JP3033571B1 (ja) | 1999-01-21 | 1999-01-21 | 潜水船の深度保持制御方式 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11013540A JP3033571B1 (ja) | 1999-01-21 | 1999-01-21 | 潜水船の深度保持制御方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP3033571B1 JP3033571B1 (ja) | 2000-04-17 |
| JP2000211583A true JP2000211583A (ja) | 2000-08-02 |
Family
ID=11835995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11013540A Expired - Lifetime JP3033571B1 (ja) | 1999-01-21 | 1999-01-21 | 潜水船の深度保持制御方式 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3033571B1 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015016826A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-01-29 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2015033997A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-02-19 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2016078621A (ja) * | 2014-10-16 | 2016-05-16 | 三菱重工業株式会社 | 航行体制御装置、航行体、航行体制御方法、プログラム |
| JP2016088348A (ja) * | 2014-11-06 | 2016-05-23 | 三菱重工業株式会社 | 舵制御装置、水中航走体及び舵制御方法 |
| GB2551123A (en) * | 2016-06-02 | 2017-12-13 | Saab Seaeye Holdings Ltd | System, method and computer program for determining ballast for an underwater vehicle |
| CN109933080A (zh) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种具有浮力调节功能的水下机器人潜浮运动控制方法 |
| KR20200075506A (ko) * | 2018-12-18 | 2020-06-26 | 한국전기연구원 | 선수각 제어 방법 |
| JP2022543428A (ja) * | 2019-08-07 | 2022-10-12 | レイセオン カンパニー | オブジェクトの深度を決定する方法及びシステム |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102017200470B4 (de) * | 2017-01-12 | 2019-02-21 | Thyssenkrupp Ag | Vorrichtung und Verfahren zur Steuerung eines Unterwasserfahrzeugs |
| CN111208840B (zh) * | 2020-01-17 | 2023-05-02 | 哈尔滨工程大学 | 一种深海水下机器人的悬停控制方法 |
| CN113247223B (zh) * | 2021-06-15 | 2022-08-05 | 西北工业大学 | 一种回转体型auv水平鳍后向弹出增稳装置 |
-
1999
- 1999-01-21 JP JP11013540A patent/JP3033571B1/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2015016826A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-01-29 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2015033997A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-02-19 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2016078621A (ja) * | 2014-10-16 | 2016-05-16 | 三菱重工業株式会社 | 航行体制御装置、航行体、航行体制御方法、プログラム |
| JP2016088348A (ja) * | 2014-11-06 | 2016-05-23 | 三菱重工業株式会社 | 舵制御装置、水中航走体及び舵制御方法 |
| GB2551123A (en) * | 2016-06-02 | 2017-12-13 | Saab Seaeye Holdings Ltd | System, method and computer program for determining ballast for an underwater vehicle |
| GB2551123B (en) * | 2016-06-02 | 2019-08-07 | Saab Seaeye Ltd | System, method and computer program for determining ballast for an underwater vehicle |
| CN109933080A (zh) * | 2017-12-15 | 2019-06-25 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种具有浮力调节功能的水下机器人潜浮运动控制方法 |
| CN109933080B (zh) * | 2017-12-15 | 2021-07-27 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种具有浮力调节功能的水下机器人潜浮运动控制方法 |
| KR20200075506A (ko) * | 2018-12-18 | 2020-06-26 | 한국전기연구원 | 선수각 제어 방법 |
| KR102623952B1 (ko) | 2018-12-18 | 2024-01-10 | 한국전기연구원 | 선수각 제어 방법 |
| JP2022543428A (ja) * | 2019-08-07 | 2022-10-12 | レイセオン カンパニー | オブジェクトの深度を決定する方法及びシステム |
| JP7342244B2 (ja) | 2019-08-07 | 2023-09-11 | レイセオン カンパニー | オブジェクトの深度を決定する方法及びシステム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3033571B1 (ja) | 2000-04-17 |
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