JP2006188095A - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】設定針路と検出方位に基づいて命令舵角を出力するために、推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、フィードバックループと、検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器とを有し、波浪同定器は、スペクトル演算部と、スペクトルデータから包絡点群である同定データを抽出する同定データ抽出部28Bと、中心周波数から波浪周波数fwnを求める中心周波数算出部28Cと、その波浪周波数に対応する波浪モデルのスペクトル値(Si)との偏差に基づく評価値を最小にする波浪モデルのスペクトルSの減衰係数を、波浪減衰係数ζwnとする減衰係数算出部28Dと、を備える。
【選択図】図4
Description
はそれぞれ設定針路,検出方位,方位,波浪を、rは角速度を、δcは命令舵角を、νは白色ノイズN(0,1)を、それぞれ示す。方位,舵角及びノイズの単位は[deg]とし、角速度のそれは[deg/s]とする。Ksn,Tsn,Ts3nは、船体パラメータのノミナル値で、それぞれ旋回力ゲイン[1/s],船体時定数[s],舵感度時定数[s]を、ζwn,ωwn,Kwnは波浪パラメータのノミナル値でそれぞれ減衰係数,固有周波数[rad/s],ゲイン[1/s]を、KP,KDはフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲイン[s]を、それぞれ示す。なお添字(・)s,(・)wはそれぞれ船体と波浪とを、(・)n ,(・)aはそれぞれノミナル値と実際値とを、アクセント
は推定値を、それぞれ意味する。
と減衰係数ζeとを設計し、次に波浪モデル有りの推定器として船体パラメータによる推定誤差が波浪モデル無しの場合とほぼ同一になるような船体モデルの状態量を推定するための固有周波数
を設計し、波浪モデルの状態量を推定するための固有周波数ωewと減衰係数ζewとを設計するようにしている。
と命令舵角δcとを入力とし推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、推定器の出力を設定針路にフィードバックするフィードバックループと、検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、を有する船舶用自動操舵装置において、前記波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データをスペクトルデータに変換するスペクトル演算部と、
スペクトルデータから包絡点群である同定データ
(fiは周波数、Si−はスペクトル値を表す)を抽出する同定データ抽出部と、
同定データに基づき中心周波数から波浪周波数fwnを求める中心周波数算出部と、
同定データのスペクトル値(Si−)と、前記中心周波数算出部によって求められた波浪周波数に基づきその波浪周波数に対応する波浪モデルのスペクトル値(Si)との偏差に基づく評価値を最小にする波浪モデルのスペクトルSの減衰係数を、波浪減衰係数ζwnとする減衰係数算出部と、を備えることを特徴とする。
と命令舵角δcとを入力とし推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、推定器の出力を設定針路にフィードバックするフィードバックループと、検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、を有する船舶用自動操舵装置において、前記波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データのスペクトルデータから波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定部と、
時系列データと前記波浪同定部で同定した波浪周波数fwn=ωwn/2πと波浪減衰係数ζwnとを用いて波浪状態を判定し、該波浪状態に適した波浪減衰係数に修正する波浪判定部と、を備えることを特徴とする。
と、ζwnに1/√2を代入したときのGeである
のそれぞれの定数を求める定数設定部と、
前記定数設定部で求めた
に対して、
1 全体概略構成
本発明で対象とする船舶用自動操舵装置10の制御系は、図1に示したように、設定針路と検出方位とに基づいて命令舵角δcを出力する自動操舵装置の制御系において、閉ループを安定化するフィードバックループ15と、検出方位に含まれる波浪成分を除去する推定器20とから構成され、推定器20は、検出方位
と命令舵角δcとを入力とし、検出方位の推定値である推定方位
と旋回角速度の推定値である推定角速度
とを出力し、フィードバックループ15は推定器20の出力
を設定針路にフィードバックする。このとき、推定器20は、波浪同定器22によって同定される波浪周波数ωwnと波浪減衰係数ζwnを利用して、推定方位と推定角速度を求める。
から推定方位
と推定波浪
とを差し引いた
は状態量を、それぞれ示す。波浪モデルの固有周波数ωwn、減衰係数ζwnは、波浪同定器22によって、検出方位
から同定される。波浪モデルの未知入力νは白色ノイズを仮定しているので平均値ゼロになる。したがってψwおよびψwに対応する
もまた平均値ゼロになるから、上式でνの入力の必要はない。上式と前記δcについての船体モデル関係式とを整理すると、4次推定器の伝達関数は、
に波浪周波数ωwnでのノッチフィルタ特性を持たせると共に、推定誤差の悪化を防ぐために、ωew≧ωeを満足するように、波浪モデルが無い(λew=1)としたときの推定器の船体パラメータに対する感度が、波浪モデルが有るときの推定器の船体パラメータに対する感度とほぼ等しくなるときの、ωe=ωwn(ωwn:波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す)を満足するときのωeの値をωx、ωe=ωwnを満足しないときのωeの値をωyとしたときに、波浪周波数ωwnがωxよりも大きいときには、固有周波数ωeをωyに設定し、固有周波数ωewを波浪周波数ωwnと等しく設定し、波浪周波数ωwnがωx以下のときには、固有周波数ωeをωxに設定し、波浪周波数ωwnを修正の波浪周波数ωwn *=ωxに修正し、固有周波数ωewを修正の波浪周波数ωwn *と等しく設定するとよいことが分かっている。
2.1 正規化部
波浪モデルの伝達関数Gwは
であるから、Shを最大値
で割った
は波浪モデルのスペクトルSと等価になる。即ち、
の時系列データを高速フーリエ変換(FFT)を用いて変換して得られたスペクトルを正規化して実スペクトルに関するデータを得る。尚、FFT変換した実スペクトルは帯域周波数を網羅していないため、滑らかな山形ではなく凹凸状となっている。凹凸状によるパラメータ同定誤差を低減するためには、適宜、平滑処理を行なうと好ましい。エイリアシング対策として、時系列データの移動平均をとることも可能である。
中心周波数算出部28Cは、同定データから中心周波数を算出する。
とその周波数fi [Hz]とから加重平均により
減衰係数算出部28Dは、同定データから減衰係数を算出する。
3.1 伝達関数の導出
次に、波浪から命令舵角までの伝達関数を検討する。図1及び図3に示した操舵系のブロック図を元にし、簡単化のため操舵機は省き、設定針路(参照針路)、パラメータ不確かさ(船体パラメータのノミナル値と実際値との誤差)及び舵角オフセットなど等はゼロとする。同図において、推定器20は波浪モデルが組み込まれた4次推定器であり、Pは船体モデルを、KP,KDはフィードバックループ15のフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲインとを表している。
また、命令舵角の関連式は
伝達関数Gp、Geのゲイン特性の数値例を図8に示す。同図はKsn=0.047,Tsn=61,Ts3n=8.2,KP=1,ζn=0.9,ωn=0.0246,KD=43.8,ωe=ρωn,ρ=3,ωew=ωwn,ζe=ζew=1/√2とki,i=1〜4を用いて、減衰係数ζwnと波浪周波数ωwnとを変化させる。
海象が凪状態のとき、波浪同定部において波浪スペクトルのSN比が低下するために、波浪パラメータの同定誤差が増加する。その結果凪状態にも拘わらず、上記外乱除去性能の効果が期待できない状況が生じる場合がある。この状況を避けるために、凪またはそれと同等の状態のときは、波浪モデルによるノッチフィルタ特性が働かないようにする。即ち、ζwn=ζew=1/√2とする。このとき式(28)で波浪モデルに関係する項は
15 フィードバックループ
20 推定器
22 波浪同定器
26 スペクトル演算部
28 波浪同定部
28A 正規化部
28B 同定データ抽出部
28C 中心周波数算出部
28D 減衰係数算出部
30 波浪判別部
30A 定数設定部
30B 評価量算出部
30C 減衰係数決定部
Claims (7)
- 設定針路と検出方位に基づいて命令舵角を出力するために、検出方位
と命令舵角δcとを入力とし推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、推定器の出力を設定針路にフィードバックするフィードバックループと、検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、を有する船舶用自動操舵装置において、前記波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データをスペクトルデータに変換するスペクトル演算部と、
スペクトルデータから包絡点群である同定データ
(fiは周波数、Si−はスペクトル値を表す)を抽出する同定データ抽出部と、
同定データに基づき中心周波数から波浪周波数fwnを求める中心周波数算出部と、
同定データのスペクトル値(Si−)と、前記中心周波数算出部によって求められた波浪周波数に基づきその波浪周波数に対応する波浪モデルのスペクトル値(Si)との偏差に基づく評価値を最小にする波浪モデルのスペクトルSの減衰係数を、波浪減衰係数ζwnとする減衰係数算出部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 前記波浪同定器は、さらに、
前記スペクトル演算部で変換されたスペクトルデータを正規化する正規化部を備えることを特徴とする請求項1記載の船舶用自動操舵装置。 - 前記同定データ抽出部は、スペクトルデータの所定の領域において、任意の開始周波数から、その領域において最大スペクトル値をとる周波数に向って、スペクトル値が大きくなるまたは等しくなる包絡点の集まりからなる包絡点群を求め、該最大スペクトル値をとる周波数よりも低域周波数側及び高域周波数側のそれぞれにおいて求めた複数の包絡点群のうちで、包絡点の個数が最大となる包絡点群の中で、開始周波数が最大スペクトル値をとる周波数に最も近い包絡点群を、同定データとして抽出するものであることを特徴とする請求項1または2記載の船舶用自動操舵装置。
- 設定針路と検出方位に基づいて命令舵角を出力するために、検出方位
と命令舵角δcとを入力とし推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、推定器の出力を設定針路にフィードバックするフィードバックループと、検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、を有する船舶用自動操舵装置において、波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データのスペクトルデータから波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定部と、
時系列データと前記波浪同定部で同定した波浪周波数fwn=ωwn/2πと波浪減衰係数ζwnとを用いて波浪状態を判定し、該波浪状態に適した波浪減衰係数に修正する波浪判定部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
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