JP2002145183A - Instrumentation system for wave drift force three components and non-constraint oscillation displacement six components for floating body in ocean waves - Google Patents
Instrumentation system for wave drift force three components and non-constraint oscillation displacement six components for floating body in ocean wavesInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、波浪中の浮体につ
いて、波漂流力および非拘束動揺変位を計測するための
システムに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a system for measuring a wave drift force and an unconstrained oscillating displacement of a floating body in waves.
【０００２】[0002]
【従来の技術】波が浮体に与える力あるいはモーメント
のうち極低周波数の成分は、波漂流力と呼ばれ、難破し
た船の漂流方向を予測する場合などに用いられるが、波
漂流力には前後力と左右力および回頭モーメントの３成
分が存在する。この波漂流力は浮体が波との出会周期の
動揺をしているかどうかによって変化してしまうため、
実際の浮体に働く波漂流力を実験で計測しようとすると
きは波との出会周期の動揺を自由にして計測する必要が
ある。浮体の上下揺れと横揺れ，縦揺れについては復原
力が存在するため浮体の運動を自由にすることが可能で
あるが、波漂流力３成分に対応する前後揺れと左右揺
れ，船首揺れには復原力は存在しないため、これら３成
分については浮体の運動を全く自由にしてしまうことは
できない。これは、浮体が波漂流力によって漂流してし
まうためであり、この場合、力の計測を行うことはでき
ない。2. Description of the Related Art An extremely low frequency component of a force or moment applied to a floating body by a wave is called a wave drifting force, which is used for estimating a drifting direction of a wrecked ship. There are three components: longitudinal force, lateral force, and turning moment. Since this wave drifting force changes depending on whether the floating body is shaking the meeting cycle with the wave,
When trying to measure the wave drifting force acting on an actual floating body in an experiment, it is necessary to freely measure the fluctuation of the meeting cycle with the wave. With respect to the vertical motion, horizontal motion, and vertical motion of the floating body, there is a restoring force, so the motion of the floating body can be made free. Since there is no restoring force, the movement of the floating body cannot be completely free for these three components. This is because the floating body drifts due to the wave drifting force, and in this case, the force cannot be measured.
【０００３】したがって、設定した曳航状態または停止
状態において波漂流力３成分を計測するためには、停止
時においては波漂流力と大きさが同じで方向が反対の力
あるいはモーメント（以下、反波漂流力と呼ぶ。）を、
また曳航時おいてはこれに加えて平水中を曳航するのに
必要な力あるいはモーメントを浮体に与えることによっ
て、浮体の装置に対する平均的な位置および姿勢を中立
状態に保持しつつ、且つ、波との出会周期の動揺を自由
にして力あるいはモーメントを計測する必要がある。と
ころが、その与えるべき反波漂流力が、この場合におけ
るまさに計測すべき未知の量であるので、これまで浮体
の動揺を何らかの形で拘束しないで波漂流力３成分を計
測することは不可能とされていた。[0003] Therefore, in order to measure the three components of the wave drifting force in the set towing state or in the stopped state, it is necessary to measure a force or moment (hereinafter referred to as a counter wave) having the same magnitude and the opposite direction as the wave drifting force in the stopped state. Called drifting force)
In addition, during towing, by applying to the floating body the force or moment necessary for towing in clear water, the average position and attitude of the floating body with respect to the device are maintained in a neutral state, and It is necessary to measure the force or moment by freely swinging the meeting cycle. However, since the countercurrent drifting force to be given is exactly the unknown quantity to be measured in this case, it is impossible to measure the three components of the wave drifting force without restraining the movement of the floating body in any way. It had been.
【０００４】現在のところ、波との出会周期の動揺を極
力拘束しないようにして波漂流力３成分を計測する手段
としては次のようなものが知られている。 （１）前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れのすべてにつ
いて、弱いバネと重りとで平均的位置および姿勢を調整
する。（図１参照） なお、図１において、符号２１はヒービングロッドを示
し、２２はサージング・キャリッジ、２３〜２５はプー
リ、２６，２７はソフトスプリング、２８はウェイト、
２９はスウェイング・キャリッジを示し、３０は波漂流
力検出用ジンバル、３１はロールプローブおよび波漂流
力検出用ジンバルを示す。 （２）前後揺れおよび左右揺れは、弱いバネと重りとで
平均的位置を調整し、船首揺れについては強いバネで船
首方向を調整する。 （３）前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れのすべてにつ
いて、定トルクモーターにバネと重りの役割を持たせ、
それぞれの平均的位置および姿勢を調整する。（図２参
照） なお、図２において、符号４１はサージ用定トルクモー
ター、４２はスウェイ用定トルクモーター、４３はヨー
用定トルクモーター、４４は３分力計、４５は浮体とし
ての模型船を示す。 （４）前後揺れおよび左右揺れは、弱いバネと重りとで
平均的位置を調整し、船首揺れについては舵をとること
によって調整する。At present, the following are known as means for measuring the three components of the wave drifting force while minimizing the fluctuation of the meeting cycle with the waves. (1) Adjust the average position and posture with a weak spring and a weight for all of the forward and backward sway, left and right sway and bow sway. In FIG. 1, reference numeral 21 denotes a heaving rod, 22 is a surging carriage, 23 to 25 are pulleys, 26 and 27 are soft springs, 28 is a weight,
29 indicates a swaying carriage, 30 indicates a gimbal for detecting a wave drifting force, and 31 indicates a gimbal for detecting a roll probe and a wave drifting force. (2) For swaying back and forth and swaying, the average position is adjusted with a weak spring and weight, and the bowing is adjusted with a strong spring for bowing. (3) The constant torque motor has a role of a spring and a weight for all of the forward and backward sway, left and right sway and bow sway,
Adjust their average position and attitude. (See FIG. 2) In FIG. 2, reference numeral 41 denotes a constant torque motor for surge, 42 denotes a constant torque motor for sway, 43 denotes a constant torque motor for yaw, 44 denotes a three-component force meter, and 45 denotes a model ship as a floating body. Is shown. (4) The forward / backward sway and left / right sway are adjusted by adjusting the average position with a weak spring and weight, and the bow is adjusted by steering.
【０００５】上述の全ての手段において、少なくとも前
後揺れと左右揺れについて共通にバネを用いているの
は、未知の波漂流力に対応した反波漂流力の発生を、大
まかな部分は重りで、微調節の部分はバネによる浮体の
変位で実現しようとしたものである。[0005] In all of the above means, at least the common use of a spring for the forward and backward sway and the left and right sway is to generate a counter-wave drifting force corresponding to the unknown wave drifting force. The fine adjustment is intended to be realized by displacement of the floating body by a spring.
【０００６】そして、（１）の手段はこの考え方をその
まま実現しようとするものである。しかし、前後揺れと
左右揺れについては波漂流力と反波漂流力の釣り合い位
置が変化しても波と浮体との出会角は変化しないのに対
し、特に船首揺れの平均位置および姿勢の調整を適切に
行わないと波と浮体との出会角が変化してしまうため、
設定した実験状態が実現できないだけでなく、僅かなず
れが前後力や左右力の変化となって現れるため、実験計
測は非常に困難なものとなる。このため、船首揺れにつ
いても弱いバネと重りとで調整しようとする（１）の手
段は、その調整が非常に困難で、特に前進速度のある場
合などはほとんど調整が不可能に近い。このような理由
から、（２）の手段では船首揺れのみについて強いバネ
を使うことが行われている。The means (1) is intended to realize this concept as it is. However, for the forward and backward sway, the angle of encounter between the wave and the floating body does not change even if the balance position of the wave drifting force and the counter wave drifting force changes, but especially the adjustment of the average position and attitude of the bow sway If you do not perform properly, the angle of encounter between the wave and the floating body will change,
Not only the set experimental state cannot be realized, but also a slight deviation appears as a change in the longitudinal force or the lateral force, so that the experimental measurement is very difficult. For this reason, the means (1) for adjusting the bowing with a weak spring and weight is very difficult to adjust, and it is almost impossible to adjust it especially when there is a forward speed. For this reason, the means (2) uses a strong spring only for bowing.
【０００７】また、（３）の手段はバネおよび重りの調
整を電気信号によって連続的に容易に行うことを可能と
するものであるが、基本的には（１）または（２）の手
段と同じ考え方に基づいており、人間が直接調整する場
合は、前進速度のある場合などについて船首揺れに関し
てやはり強いバネを使わざるをえない。適当なフィード
バック系を用いて定トルクモーターへの信号を調整する
ことも可能と考えられるが、バネ系を用いている限り、
目標とする位置からのずれが発生しないと釣り合い点を
見いだすことは原理的に不可能である。さらに、この
（３）の手段では定トルクモーターを移動部に載せて浮
体と一体となって波との出会周期の動揺をさせることに
なるため、付加的な質量が浮体の運動に影響を及ぼす度
合いが（１）あるいは（２）の手段よりも大きくなる。
このように、強いバネを使うこと、あるいは定トルクモ
ーターを使うことは、浮体の動揺をある程度拘束してい
ることにほかならない。したがって、このことが直ちに
波漂流力の計測値にも影響を及ぼしていると言わざるを
えない。また、バネ系を用いる限り、設定したとおりの
浮体の曳航状態または停止状態の実現は原理的に不可能
である。The means (3) makes it possible to adjust the spring and the weight continuously and easily by using an electric signal. However, basically, the means (1) or (2) is used. Based on the same idea, when a human makes a direct adjustment, a strong spring has to be used for bowing when there is a forward speed. It is considered possible to adjust the signal to the constant torque motor using an appropriate feedback system, but as long as a spring system is used,
In principle, it is impossible to find a balance point unless a deviation from the target position occurs. In addition, in the means of (3), since the constant torque motor is mounted on the moving part and integrated with the floating body to sway the meeting cycle with the wave, the additional mass affects the movement of the floating body. The degree of influence is larger than that of the means (1) or (2).
As described above, using a strong spring or using a constant torque motor is nothing less than restricting the movement of the floating body to some extent. Therefore, it must be said that this immediately affects the measured value of the wave drift force. Further, as long as a spring system is used, it is impossible in principle to realize the towing state or the stopped state of the floating body as set.
【０００８】ところで、（４）の手段のみは、船首揺れ
の調整を当て舵によって実現しており、船首揺れに関す
る限り強いバネで波との動揺を拘束する度合いが少ない
点で、（１）から（３）までの手段よりも優れていると
考えられる。しかし、舵を取ることが横揺れや左右揺れ
を引き起こし、かつ計測された力のデータには舵が発生
する前後力と左右力，回頭モーメントをも考慮して解析
しなくてはならない点を考えると、（４）の手段が必ず
しも（１）から（３）までの手段よりも優れているとは
いえず、これらの現状の各計測手段はいずれも重大な欠
点を持っていると考えられる。By the way, only the means of (4) realizes the adjustment of the bowing motion by the rudder, and as far as the bowing motion is concerned, the degree of restraining the sway with the wave by a strong spring is small. It is considered to be superior to the means up to (3). However, it is considered that turning the steering causes lateral and lateral sway, and the measured force data must be analyzed in consideration of the longitudinal force, the lateral force, and the turning moment generated by the steering. And, the means of (4) is not necessarily superior to the means of (1) to (3), and it is considered that each of these current measuring means has a serious drawback.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の計測
システムにおける定トルクモーターに代えてサーボモー
ターを用いることにより、設定した曳航状態または停止
状態において波浪中浮体の装置に対する平均的な位置お
よび姿勢を中立状態に保持するとともに、波との出会周
期の動揺を自由にして、波漂流力および非拘束動揺変位
を的確に計測できるようにした、波浪中浮体の波漂流力
３成分および非拘束動揺変位６成分の計測システムを提
供することを課題とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention uses a servomotor instead of a constant torque motor in a conventional measurement system to provide an average position of a wave floating body with respect to a device in a set towing state or a stopped state. The wave drift force and the unconstrained oscillating displacement can be accurately measured while maintaining the posture in a neutral state and free to oscillate in the meeting cycle with the waves. An object of the present invention is to provide a measurement system for six components of restrained oscillation displacement.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明の波浪中浮体の波漂流力３成分および非拘束
動揺変位６成分の計測システムは、波浪中の浮体に連結
される機構部と、同機構部の制御を行う制御部とからな
り、上記機構部は、上記浮体の波浪中における６自由度
の動きを拘束しない連結手段により同浮体を連結して、
同浮体の運動変位６成分をそれぞれ計測する６個の変位
計を備えるとともに、上記連結手段による上記浮体への
連結部分に同浮体へ働く前後力，左右力および回頭モー
メントを計測する３分力計を備え、かつ、上記浮体の前
後揺れ，左右揺れおよび船首揺れをそれぞれ制御する３
個のサーボモーターを備えており、上記制御部は、上記
変位計により計測された上記浮体の前後揺れ，左右揺れ
および船首揺れの各変位と上記３分力計により計測され
た前後力，左右力および回頭モーメントの各計測値とを
用いて、上記サーボモーターを介し、設定した曳航状態
または停止状態において装置の付加慣性力の影響を除去
しながら、上記浮体の前後揺れ，左右揺れおよび船首揺
れの装置に対する平均的な位置および姿勢を中立状態に
保持するように制御しうる制御系を備えていることを特
徴としている。SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, a system for measuring three components of wave drifting force and six components of unconstrained oscillating displacement of a floating body in waves according to the present invention is a mechanism connected to a floating body in waves. Unit, and a control unit that controls the mechanism unit, the mechanism unit connects the floating body by a connecting means that does not restrict the movement of the floating body in the waves in six degrees of freedom,
A three-component force meter for measuring six components of movement displacement of the floating body, and for measuring a longitudinal force, a lateral force, and a turning moment acting on the floating body at a portion connected to the floating body by the connecting means. And controls the back and forth sway, the left and right sway and the bow sway of the floating body.
Servo motor, and the control unit is configured to control the displacement of the floating body, which is measured by the displacement meter, such as the longitudinal swing, the lateral swing, and the bow swing, and the longitudinal force, the lateral force measured by the three-component force meter. Using the measured values of the turning moment and the turning moment, the above-mentioned servomotor is used to remove the influence of the added inertial force of the device in the set towing state or the stopped state, and to prevent the floating body from oscillating forward and backward, sideways and bowing. It is characterized by having a control system capable of controlling an average position and posture with respect to the device to be maintained in a neutral state.
【００１１】また本発明の波浪中浮体の波漂流力３成分
および非拘束動揺変位６成分の計測システムは、上記制
御系が、上記変位をｘ（ｔ），計測される力またはモー
メントをＦ（ｔ）とするとき、目標値としての力または
モーメントＦ＊（ｔ）を、［数１］式，［数２］式，
［数３］式，［数４］式および［数５］式により求め、
上記サーボモーターを［数６］式が成立するように変位
ｘ（ｔ）を変化させる制御を行うことを特徴としてい
る。Further, in the measurement system for three components of wave drifting force and six components of unconstrained oscillating displacement of a floating body in a wave according to the present invention, the control system uses the displacement x (t) and the measured force or moment F ( t), the force or moment F * (t) as the target value is expressed by Equations 1 and 2,
Equation 3], Equation 4 and Equation 5
It is characterized in that the servomotor is controlled to change the displacement x (t) so that the equation (6) is satisfied.
【数１】Ｆ＊（ｔ）＝ＦＳ ＊（ｔ）＋ＦＶ ＊（ｔ）[Number 1] F * (t) = F S * (t) + F V * (t)
【数２】 (Equation 2)
【数３】 (Equation 3)
【数４】 (Equation 4)
【数５】 (Equation 5)
【数６】 (Equation 6)
【００１２】上述の本発明の波浪中浮体の波漂流力３成
分および非拘束動揺変位６成分の計測システムでは、設
定した曳航状態または停止状態において船首方位を含め
て浮体の平均的な位置および姿勢を設定したとおりに保
持することができる。その際、本システムがバネ系を備
えていないことにより、従来の装置のようにバネに相当
する力あるいはモーメントが付加されることはなく、か
つ、装置の移動部が持つ付加的な質量の運動に対する影
響もサーボ制御によって除去されるため、波との出会周
期の動揺を拘束することなく計測が行われる。そして、
曳航状態においては最終的な力あるいはモーメントの計
測値Ｆ（ｔ）から平水中の曳航に必要な力あるいはモー
メントの値を差し引けば、計測したい波漂流力が得ら
れ、停止状態においては最終的な力あるいはモーメント
の計測値Ｆ（ｔ）が計測したい波漂流力そのものとな
る。また、同時に非拘束の波との出会周期の動揺６成分
も計測されるようになる。In the above-described measurement system for the three components of the wave drift force and the six components of the unconstrained oscillating displacement of the floating body in a wave according to the present invention, the average position and posture of the floating body including the heading in the set towing state or the stopped state. Can be held as set. At this time, since the present system does not have a spring system, a force or a moment corresponding to a spring is not added unlike the conventional device, and the movement of the additional mass of the moving part of the device is not performed. Is removed by the servo control, so that the measurement is performed without restricting the fluctuation of the meeting cycle with the wave. And
In the towing state, the value of the force or moment required for towing in clear water is subtracted from the final measured value F (t) of the force or moment to obtain the wave drift force to be measured. The measured value F (t) of the force or moment is the wave drift force to be measured. At the same time, the six fluctuation components of the meeting cycle with the unconstrained wave are also measured.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の一実施
形態としての波浪中浮体の波漂流力３成分および非拘束
動揺変位６成分の計測システムについて説明すると、図
３はその機構部を概略的に示す斜視図、図４はその信号
流れ図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing a measuring system for three components of wave drift force and six components of unconstrained oscillating displacement of a floating body in waves according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a signal flow chart of FIG.
【００１４】図３に示すように、曳航台車に設置される
本システムの機構部Ｋにおいて、曳航台車により機構部
Ｋを介して波浪中を曳航されるか、または停止状態とさ
れる浮体としての模型船１は、横揺れＲおよび縦揺れＰ
を自由とする回転機構２に連結されており、同回転機構
２は３分力計３を介して移動部の支柱４に連結されてい
る。この支柱４，４ａは、上下揺れガイド４ｂ内に組み
込まれた車輪により模型船１の上下揺れを拘束しない構
造となっている。As shown in FIG. 3, in the mechanism K of the present system installed on the tow truck, the floating body towed in waves or stopped by the tow truck through the mechanism K by the tow truck. The model ship 1 has a roll R and a pitch P
The rotation mechanism 2 is connected to a support 4 of a moving unit via a three-component force meter 3. The struts 4 and 4a have a structure in which the vertical swing of the model boat 1 is not restricted by the wheels incorporated in the vertical swing guide 4b.
【００１５】支柱４を支える部分には車輪５が設けられ
ており、これにより模型船１の前後揺れが可能となる。
また、前後揺れ移動部の車輪５を支える部分には前後揺
れ用のサーボモーター６が乗っており、前後揺れ移動部
をワイヤー７を介して制御できるようになっている。Wheels 5 are provided on the portions supporting the columns 4, so that the model ship 1 can swing back and forth.
In addition, a servomotor 6 for forward / backward swing is mounted on a portion of the forward / backward movable portion that supports the wheel 5, and the forward / backward movable portion can be controlled via a wire 7.
【００１６】前後揺れ移動部を支える部分はさらに車輪
８を有しており、これが模型船１の左右揺れを可能とす
る。左右揺れ移動部を支える部分には左右揺れ用のサー
ボモーター９が設置されており、左右揺れ移動部をワイ
ヤー１０を介して制御できるようになっている。The portion supporting the forward / backward swinging movement portion further has wheels 8, which enable the model ship 1 to swing left and right. A servomotor 9 for swaying is provided at a portion supporting the swaying movement unit, and the swaying movement unit can be controlled via a wire 10.
【００１７】模型船１の上下揺れを自由とする船首揺れ
ガイド４ａの内部には模型船１の船首揺れを可能とする
支柱４が通っており、同支柱４は支柱上部の連結機構１
１，１２を介してサーボモーター１３に連結されてい
る。また、模型船１の運動変位６成分（前後揺れ，左右
揺れ，船首揺れ，上下揺れ，横揺れおよび縦揺れ）を計
測する６個の変位計１６（図４参照）が設けられる。A support 4 that allows the model ship 1 to swing is passed inside a bow swing guide 4a that allows the model ship 1 to freely swing up and down.
It is connected to a servomotor 13 via 1 and 12. Further, six displacement gauges 16 (see FIG. 4) are provided for measuring six components of the motion displacement of the model ship 1 (back and forth sway, left and right sway, bow sway, up and down sway, roll and pitch).
【００１８】３分力計３で計測されるのは前後力と左右
力，回頭モーメントの３成分であり、その計測信号は計
測データとして記録されるとともに、図４に示すように
制御部１４に送られる。また、前後揺れと左右揺れ，船
首揺れに関する各サーボモーター６，９，１３は制御部
１４からの信号を受けてそれぞれの運動変位を制御す
る。このほか、計測の開始までと計測の終了後に模型船
１を拘束するクランプ装置１５を備えている。What is measured by the three-component force meter 3 is the three components of the longitudinal force, the lateral force, and the turning moment. The measurement signals are recorded as measurement data and are sent to the control unit 14 as shown in FIG. Sent. The servomotors 6, 9, and 13 relating to forward and backward sway, left and right sway, and bow sway receive signals from the control unit 14 and control the respective movement displacements. In addition, a clamp device 15 for restraining the model ship 1 until the start of the measurement and after the end of the measurement is provided.
【００１９】次に図４により、本システムの制御部１４
における制御の態様について説明する。いま、時間を
ｔ、計測される変位をｘ（ｔ）、計測される力あるいは
モーメントをＦ（ｔ）とすると、目標値としての力ある
いはモーメントＦ＊（ｔ）は［数１］式で計算される。Next, referring to FIG. 4, the control unit 14 of the present system will be described.
Will be described. Now, assuming that the time is t, the displacement to be measured is x (t), and the force or moment to be measured is F (t), the force or moment F * (t) as the target value is calculated by the formula [1]. Is done.
【数１】Ｆ＊（ｔ）＝ＦＳ ＊（ｔ）＋ＦＶ ＊（ｔ） ここで、ｔ：時間[Number 1] F * (t) = F S * (t) + F V * (t) here, t: time
【００２０】ＦＳ＊（ｔ）は［数２］式で計算される。F S * (t) is calculated by the following equation (2).
【数２】 (Equation 2)
【数４】 ここで、Ｔとしては、規則波中の場合は波との出会周期
をとり、不規則波中の場合は主要波成分の出会周期をと
ることとする。ＦＶ＊（ｔ）は［数３］式で計算され
る。(Equation 4) Here, as T, the meeting period with the wave is taken in the case of a regular wave, and the meeting period of the main wave component is taken in the case of an irregular wave. F V * (t) is calculated by Expression 3.
【数３】 ここで、Ｋ２，Ｋ３：浮体の形状や大きさなどにより変
化する制御係数 同様に［数５］式で計算される。(Equation 3) Here, K 2 and K 3 are control coefficients that change depending on the shape and size of the floating body. Similarly, it is calculated by [Equation 5].
【数５】 (Equation 5)
【００２１】サーボモーターは、［数６］式が成り立つ
ように、変位ｘ（ｔ）を変化させる制御を行う。The servo motor performs control to change the displacement x (t) so that the equation (6) is satisfied.
【数６】Ｆ（ｔ）−Ｆ＊（ｔ）＝０## EQU6 ## F (t) -F * (t) = 0
【００２２】次に、計測データの解析と制御目標値の初
期値について説明すると、最終的な計測データは、運動
変位６成分についてはそのまま変位のデータとなるが、
波漂流力については、得られた計測データは［数７］式
のような成分から成り立っている。Next, the analysis of the measurement data and the initial value of the control target value will be described. The final measurement data is the displacement data for the six components of the motion displacement.
Regarding the wave drifting force, the obtained measurement data is composed of components as shown in [Equation 7].
【数７】Ｆ（ｔ）＝Ｆｃａｌｍ＋Ｆｗａｖｅ ここで、Ｆｃａｌｍは平水中を波浪中と同じ平均位置で
曳航した場合に必要な曳航力を表し、Ｆｗａｖｅは波漂
流力を表す。Ｆｗａｖｅが最終的に計測したいデータで
あるから、計測値からＦｃａｌｍを差し引く必要があ
る。したがって、平水中を曳航してＦｃａｌｍをあらか
じめ計測しておく必要がある。F (t) = F calm + F wave Here, F calm represents the towing force required when towing in clear water at the same average position as in waves, and F wave represents the wave drifting force. Since F wave is data to be finally measured, it is necessary to subtract F calm from the measured value. Therefore, it is necessary to measure F calm in advance by towing in clear water.
【００２３】このようにして、波漂流力は［数８］式で
算出される。As described above, the wave drifting force is calculated by the following equation (8).
【数８】Ｆｗａｖｅ＝Ｆ（ｔ）−Ｆｃａｌｍ ここで、形式的にＦｗａｖｅは時間の関数となっている
が、本システムで制御を行う場合は、Ｆ（ｔ）≒ｃｏｎ
ｓｔ．となるから、実際上は［数８］式の平均値をとっ
て最終的な波漂流力データとする。F wave = F (t) −F calm Here, F wave is formally a function of time, but when control is performed by the present system, F (t) ≒ con
st. In practice, the average value of the equation (8) is taken as final wave drifting force data.
【００２４】特別な場合として、停止時の波漂流力を計
測する場合は、曳航する力あるいはモーメントがゼロ、
すなわちＦｃａｌｍ＝０であるから、計測された力ある
いはモーメントのデータを平均することで直ちに波漂流
力が得られる。サーボモーター制御の初期値であるＦ＊
（０）については、制御の収束を早めるために、波漂流
力データの算出に不可欠であるＦｃａｌｍを用いて、Ｆ
＊（０）＝Ｆｃａｌｍとすればよい。As a special case, when measuring the wave drifting force when stopping, the towing force or moment is zero,
That is, since F calm = 0, the wave drifting force can be immediately obtained by averaging the measured force or moment data. F * which is the initial value of servo motor control
Regarding (0), in order to speed up the convergence of the control, F calm which is indispensable for calculating the wave drifting force data is used.
* (0) = F calm may be set.
【００２５】このようにして、本システムによれば、設
定した曳航状態または停止状態において船首方位を含め
て模型船１の装置に対する平均的な位置および姿勢を中
立状態に保持することができる。その際、本システムが
バネ系を備えていないことから従来の装置のようにバネ
に相当する力あるいはモーメントが付加されることはな
く、かつ装置の移動部が持つ付加的な質量の運動に対す
る影響もサーボ制御によって除去されるため、波との出
会周期の動揺を拘束することなく計測が行われる。As described above, according to the present system, the average position and posture of the model ship 1 with respect to the apparatus including the heading can be maintained in the neutral state in the set towing state or the stopped state. At this time, since the present system does not have a spring system, a force or a moment corresponding to a spring is not added unlike the conventional device, and the influence of the moving mass of the moving part of the device on the movement of the additional mass. Is also removed by the servo control, so that the measurement is performed without restraining the fluctuation of the meeting cycle with the wave.
【００２６】そして、最終的な力あるいはモーメントの
計測値から平水中の曳航に必要な力あるいはモーメント
の値を差し引けば、計測したい波漂流力データが得られ
る。また、同時に非拘束の波との出会周期の動揺６成分
も計測される。Then, by subtracting the value of the force or moment required for towing in clear water from the final measured value of the force or moment, the wave drifting force data to be measured can be obtained. At the same time, the six fluctuation components of the meeting cycle with the unconstrained wave are also measured.
【００２７】なお、［数１］式による制御によって、設
定した曳航状態または停止状態において模型船１の前後
揺れと左右揺れ、船首揺れの装置に対する平均的な位置
および姿勢を中立状態に保持しながら、また模型船１の
波との出会周期の動揺に対する移動部やサーボモーター
等の付加的な質量の慣性力の影響を除去しながら、模型
船１の波との出会周期の動揺に影響を及ぼすその他の外
力を加えず、曳航状態の場合は設定したとおりの曳航に
必要な力およびモーメントすなわち平水中の曳航に必要
な力およびモーメントと波漂流力との和に相当する力お
よびモーメントを、また停止状態の場合は波漂流力に相
当する力およびモーメントを発生することができ、した
がって、模型船１の波との出会周期の動揺を拘束せずに
６自由度の波周期の動揺を計測しつつ波漂流力の計測が
行えることは、次のように説明できる。By the control according to the equation (1), the model boat 1 is held in a neutral state while maintaining the average position and attitude of the model boat 1 in the set towing state or the stopped state in the forward and backward and left and right directions, and the bow and sway. In addition, the influence of the inertial force of the additional mass of the moving part and the servo motor on the fluctuation of the cycle of the encounter with the waves of the model ship 1 is removed, and the fluctuation of the cycle of the encounter with the waves of the model ship 1 is removed. In the case of towing, the force and moment required for towing as set, i.e., the force and moment corresponding to the sum of the force and moment required for towing in clear water and the wave drifting force, are not applied. In the stationary state, a force and a moment corresponding to the wave drifting force can be generated. Therefore, the wave cycle of six degrees of freedom can be generated without restraining the fluctuation of the meeting cycle of the model ship 1 with the wave. It can be performed the measurement of the wave drift force while measuring the upset can be explained as follows.
【００２８】［数１］式の収束した状態を考えると［数
９］式，［数１０］式および［数１１］式のような関係
が得られる。Considering the converged state of the equation (1), the following equations (9), (10) and (11) are obtained.
【数９】 Ｆ＊（ｔ）＝Ｆ＊（ｔ−Δｔ）＝Ｆ＊ ｃｏｎｓｔ F * (t) = F * (t−Δt) = F * const
【数１０】 (Equation 10)
【数１１】 [Equation 11]
【００２９】［数９］式は模型船１に与える力が或る一
定値になっていることを示しており、［数１０］式と
［数１１］式はそれぞれ模型船１の平均的な変位および
速度がゼロであることを示している。ここで注意すべき
は、［数９］式の意味するところは、サーボモーターが
一定の力を発生しているのではなく、あくまで模型船１
に与えられた力あるいはモーメントが制御の結果として
一定値になっていることである。[Equation 9] indicates that the force applied to the model ship 1 has a certain constant value, and [Equation 10] and [Equation 11] respectively represent the average of the model ship 1. It shows that the displacement and velocity are zero. It should be noted here that the expression [9] means that the servo motor does not generate a constant force, but the model ship 1
Is a constant value as a result of the control.
【００３０】模型船１の平均的な変位がゼロになってい
ること、すなわち装置に対する平均的な位置および姿勢
が中立状態にあることは、直ちに模型船１が設定したと
おりに曳航されている、あるいは平均的に停止状態にあ
ることを意味している。また、模型船１が或る一定の力
あるいはモーメントをかけられている、すなわち、かけ
られている力あるいはモーメントに変動成分が無いとい
うことは、模型船１に付加的に連結された移動部やサー
ボモーター６，９，１３の質量に起因する付加的な慣性
力の影響が除去されていることを意味する。なぜなら、
これら付加的な質量の影響は模型船１の波との出会周期
の動揺に伴う加速度によって変動成分としてしか現れな
いからである。The fact that the average displacement of the model ship 1 is zero, that is, that the average position and attitude with respect to the device is in a neutral state, means that the model ship 1 is immediately towed as set. Or it means that it is in a stopped state on average. The fact that the model ship 1 is subjected to a certain constant force or moment, that is, that the applied force or moment has no fluctuation component means that the moving part additionally connected to the model ship 1 This means that the effect of the additional inertial force due to the mass of the servomotors 6, 9, 13 has been eliminated. Because
This is because the influence of these additional masses appears only as a fluctuation component due to the acceleration accompanying the fluctuation of the meeting cycle of the model ship 1 with the waves.
【００３１】さらに、曳航に必要な力およびモーメント
は平水中を曳航するのに必要な力およびモーメントと波
漂流力との和であって、これ以外の力あるいはモーメン
トの成分が仮に存在した場合は明らかに模型船１の平均
的な位置および姿勢を設定通りに保持することはできな
いことから、模型船１にかけられている力およびモーメ
ントは、まさに曳航あるいは停止に必要な力およびモー
メントだけ、すなわち曳航の場合は平水中を曳航するの
に必要な力およびモーメントと波漂流力との和であり、
また停止の場合は波漂流力そのものであることになる。
そして、この曳航のみに必要な力およびモーメントは模
型船１の波との出会周期の動揺に影響を与えない。Further, the force and moment required for towing is the sum of the force and moment required for towing in clear water and the wave drifting force, and if any other force or moment component exists, Obviously, the average position and attitude of the model ship 1 cannot be maintained as set, so that the forces and moments applied to the model ship 1 are just the forces and moments necessary for towing or stopping, that is, towing. Is the sum of the force and moment required to tow in clear water and the wave drifting force,
In the case of a stop, it is the wave drifting force itself.
The force and moment required only for this towing do not affect the fluctuation of the cycle of the model ship 1 with the waves.
【００３２】以上によって、本システムが模型船１の６
自由度の波との出会周期の動揺を拘束せずにその変位を
計測し、同時に波漂流力も計測できるシステムであるこ
とが理解できる。なお、上述の実施形態における各サー
ボモーター６，９，１３は、変位制御を実現するための
位置決め手段であり、本発明におけるサーボモーターの
概念には、ステッピングモーターを用いる位置決め手段
も含むものとする。As described above, the present system is used for the model ship 1
It can be understood that the system can measure the displacement without restraining the fluctuation of the meeting cycle with the wave of the degree of freedom and at the same time the wave drifting force. The servo motors 6, 9, and 13 in the above-described embodiment are positioning means for realizing displacement control, and the concept of the servo motor in the present invention includes positioning means using a stepping motor.
【００３３】[0033]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の波浪中浮
体の波漂流力３成分および非拘束動揺変位６成分の計測
システムによれば次のような効果が得られる。 （１）設定した曳航状態または停止状態において、船首
方位を含めて浮体の平均的な位置および姿勢を設定した
通りに保持することができる。その際、本システムがバ
ネ系を備えていないことから、従来の装置のようにバネ
に相当する力あるいはモーメントが付加されることは無
く、かつ装置の移動部が持つ付加的な質量の運動に対す
る影響もサーボ制御によって除去されるため、波との出
会周期の動揺を拘束することなく計測が行われる。そし
て、曳航状態においては最終的な力あるいはモーメント
の計測値Ｆ（ｔ）から平水中の曳航に必要な力あるいは
モーメントの値を差し引けば、計測したい波漂流力が得
られ、停止状態においては最終的な力あるいはモーメン
トの計測値Ｆ（ｔ）が計測したい波漂流力そのものとな
る。 （２）同時に非拘束の波との出会周期の動揺６成分も計
測される。As described above in detail, the following effects can be obtained by the system for measuring the three components of the wave drifting force and the six components of the unconstrained oscillating displacement of the floating body in waves according to the present invention. (1) In the set towing state or the stopped state, the average position and attitude of the floating body including the heading can be maintained as set. At this time, since the present system does not include a spring system, a force or a moment corresponding to a spring is not added unlike the conventional device, and an additional mass movement of the moving portion of the device is not performed. Since the influence is also removed by the servo control, the measurement is performed without restricting the fluctuation of the meeting cycle with the wave. Then, in the towing state, by subtracting the value of the force or moment required for towing in clear water from the final measured value F (t) of the force or moment, the wave drifting force to be measured is obtained. The final measured value F (t) of the force or moment is the wave drift force itself to be measured. (2) Simultaneously, the six fluctuation components of the meeting cycle with the unconstrained wave are also measured.
【図１】従来のバネと重りを用いた波漂流力測定装置を
模式的に示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory view schematically showing a conventional wave drifting force measuring device using a spring and a weight.
【図２】従来の定トルクモーターを用いた波漂流力測定
装置を模式的に示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a conventional wave drifting force measuring device using a constant torque motor.
【図３】本発明の一実施形態としての波浪中浮体の波漂
流力３成分および非拘束動揺変位６成分の計測システム
における機構部を模式的に示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view schematically showing a mechanism in a measurement system of three components of a wave drift force and six components of an unconstrained oscillating displacement of a floating body in a sea as one embodiment of the present invention.
【図４】図３のシステムにおける制御の態様を示す信号
流れ図である。FIG. 4 is a signal flow chart showing a mode of control in the system of FIG. 3;
１ 模型船（浮体） ２ 回転機構 ３ ３分力計 ４ 支柱 ５ 車輪 ６ サーボモーター ７ ワイヤー ８ 車輪 ９ サーボモーター １０ ワイヤー １１ 連結機構 １２ 連結機構 １３ サーボモーター １４ 制御部 １５ クランプ装置 １６ 変位計 Ｋ 機構部 Ｐ 縦揺れ Ｒ 横揺れ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Model ship (floating body) 2 Rotation mechanism 3 3 Component force meter 4 Prop 5 Wheel 6 Servo motor 7 Wire 8 Wheel 9 Servo motor 10 Wire 11 Connection mechanism 12 Connection mechanism 13 Servo motor 14 Control part 15 Clamp device 16 Displacement meter K mechanism Part P Pitch R Roll
Claims (2)
機構部の制御を行う制御部とからなり、上記機構部は、
上記浮体の波浪中における６自由度の動きを拘束しない
連結手段により同浮体を連結して、同浮体の運動変位６
成分をそれぞれ計測する６個の変位計を備えるととも
に、上記連結手段による上記浮体への連結部分に同浮体
へ働く前後力，左右力および回頭モーメントを計測する
３分力計を備え、かつ、上記浮体の前後揺れ，左右揺れ
および船首揺れをそれぞれ制御する３個のサーボモータ
ーを備えており、上記制御部は、上記変位計により計測
された上記浮体の前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れの
各変位と上記３分力計により計測された前後力，左右力
および回頭モーメントの各計測値とを用いて、上記サー
ボモーターを介し、設定した曳航状態または停止状態に
おいて装置の付加慣性力の影響を除去しながら、上記浮
体の前後揺れ，左右揺れおよび船首揺れの装置に対する
平均的な位置および姿勢を中立状態に保持するように制
御しうる制御系を備えていることを特徴とする、波浪中
浮体の波漂流力３成分および非拘束動揺変位６成分の計
測システム。1. A mechanical unit connected to a floating body in waves and a control unit for controlling the mechanical unit.
The floating bodies are connected by connecting means that does not restrict the movement of the floating bodies in the waves in six degrees of freedom.
In addition to the six displacement gauges for measuring the respective components, the three-component force gauge for measuring the longitudinal force, the lateral force and the turning moment acting on the floating body at a portion connected to the floating body by the connecting means, and The control unit is provided with three servomotors for respectively controlling the forward / backward swing, the left / right swing, and the bowing of the floating body. Using the measured values of the longitudinal force, lateral force, and turning moment measured by the three-component force meter, the influence of the added inertial force of the device in the set towing state or stopped state is removed via the servomotor. Meanwhile, a control system capable of controlling the above-mentioned swaying body, the swaying sideways and the bowing swaying device so as to maintain an average position and posture in a neutral state is provided. Wherein the are, wave drift force ternary Waves floating and unconstrained upset displacement six components of the measurement system.
３成分および非拘束動揺変位６成分の計測システムにお
いて、上記制御系は、上記変位をｘ（ｔ），計測される
力またはモーメントをＦ（ｔ）とするとき、目標値とし
ての力またはモーメントＦ＊（ｔ）を、［数１］式，
［数２］式，［数３］式，［数４］式および［数５］式
により求め、上記サーボモーターを［数６］式が成立す
るように変位ｘ（ｔ）を変化させる制御を行うことを特
徴とする、波浪中浮体の波漂流力３成分および非拘束動
揺変位６成分の計測システム。 【数１】Ｆ＊（ｔ）＝ＦＳ ＊（ｔ）＋ＦＶ ＊（ｔ） 【数２】 【数３】 【数４】 【数５】 【数６】 2. The system according to claim 1, wherein the control system determines the displacement as x (t), the force to be measured, or the three components of the drifting force of the floating body in waves. Assuming that the moment is F (t), the force or moment F * (t) as the target value is represented by the following equation (1).
Equation (2), Equation (3), Equation (4) and Equation (5) are obtained, and the servo motor is controlled to change the displacement x (t) so that the equation (6) is satisfied. A system for measuring three components of a wave drifting force and six components of an unconstrained oscillating displacement of a floating body in waves. [Number 1] F * (t) = F S * (t) + F V * (t) [number 2] (Equation 3) (Equation 4) (Equation 5) (Equation 6)
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|---|---|---|---|
| JP2000389538A JP3385474B2 (en) | 2000-11-16 | 2000-11-16 | Measurement system of three components of wave drift force and six components of unconstrained oscillating displacement of floating body in waves |
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-
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- 2000-11-16 JP JP2000389538A patent/JP3385474B2/en not_active Expired - Lifetime
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