JP2008213681A - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】方位制御系のフィードバック制御系を基にして、航路制御系のフィードバック制御系の設計を行うことにより、閉ループの定量的把握ができる船舶用自動操舵装置を提供する。
【解決手段】参照方位及び参照位置を出力する参照信号発生器１２と、該参照信号発生器１２からの参照方位及び参照位置と、センサで検出された方位及び位置から方位誤差及び位置誤差を演算する軌道航路誤差演算器１４と、該方位誤差及び位置誤差から船体の方位と位置とを追跡させるべく指令舵角を出力するフィードバック制御器１６とを備える。フィードバック制御器１６は、舵角を制御して設定方位に船首方位を追従させる方位制御系であるとしたときの比例ゲインＫ_ψ、微分ゲインＫ_rを用い、舵をとることによって生じる横滑り速度に依存して発生する位置誤差を加味した上で閉ループを安定にする航路ゲインＫ_yを用いて、フィードバック制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、航路制御系の船舶用自動操舵装置に関し、方位制御系を基本にした航路制御系のフィードバック制御系を持つ船舶用自動操舵装置に関する。

船舶用自動操舵装置は、舵角を制御して設定方位に船首方位を追従させる方位制御系（Heading Control System HCS）と、計画航路に船体位置を追跡させる航路制御系（Tracking Control System TCS）とに分けられる。方位制御系の場合は、潮流などによる船舶の移動のために針路修正を必要とするが、航路制御系の場合は針路修正が不要になる。

一般的に航路制御系の船舶用自動操舵装置は、図１に示すように参照信号発生器１２、軌道航路誤差演算器１４、フィードバック制御器１６及び加算器１７を備える。計画航路に基づき参照信号発生器１２が出力する参照方位ψ_Rと参照位置ｘ_R、ｙ_Rと、センサから検出される方位ψと位置ｘ、ｙとの誤差を軌道航路誤差演算器１４で求め、その誤差から保針時にフィードバック制御器１６が、船体の方位と位置とを追跡させるべくフィードバック舵角δ_FBを出力する。フィードバック制御器１６は、図２に示すように、推定器１８と、フィードバックゲイン器２０とからなる。

航路制御系では、航路誤差を直接制御できるアクチュエータを利用しないで船首方位を媒介にして間接的に制御するので劣駆動系である。

このフィードバック制御器の設計にあたっては、次数が大きいために、非特許文献１，２では、ＬＱＧベースで代数リカッチ式に帰着させている。このような方法による設計は全体を見通して行なわれるので解の信頼性が高い半面、閉ループ特性は定性的な把握になり、制御対象の特性を把握しないで、直接的に解を求めているので、制御対象に最適な解であるかは不明である。

例えば、非特許文献２では、船体は操舵によって船体横方向に対水の反力による横滑り速度を発生させるが、従来提案されている設計では、この横滑り速度を積極的に考慮して設計に反映させていない。そのため、横滑り速度が閉ループ系を不安定にして発散する原因になるおそれがある、という問題がある。

一方、本願発明者は、特許文献１、非特許文献３で方位制御系の設計方法を提案している。航路制御系は、基本的に、方位制御系に船体と潮流による横方向位置制御を加えたものであるから、方位制御系の性能は、かなりの部分で方位制御系の性能（方位安定性，外乱除去性など）に依存すると考えられる。

Fossen, T. I., Marine Control Systems, Marine Cybernetics AS, 392/394(2002) Zwierzewicz, Z, On the Ship Guidance Automatic System Design via LQG-Integral Control, Manoeuvring and Control of Marine Craft 2003, IFAC. 羽根，不確かさパラメータの下で閉ループ系代表根の減衰係数を設定する推定器設計，第３４回制御理論シンポジウム，２１１/２１４（２００５） 特開２００６−４４４１１号公報

そこで、本発明の目的は、特許文献１で開示する方位制御系のフィードバック制御系を基礎にして、航路制御系のフィードバック制御系の設計を行うことにより、閉ループの定量的把握ができる船舶用自動操舵装置を提供することである。

かかる目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、船体の参照方位及び参照位置を出力する参照信号発生器と、該参照信号発生器からの参照方位及び参照位置と、センサで検出された船体の方位及び位置から方位誤差及び位置誤差を演算する軌道航路誤差演算器と、該方位誤差及び位置誤差から指令舵角を出力するフィードバック制御器とを備え、該出力される指令舵角によって船体の方位と位置とを追跡させるべく操舵を行わせる船舶用自動操舵装置において、
フィードバック制御器は、横方向の位置誤差（ｙ_e）に対して航路ゲイン（Ｋ_y）を乗算し、方位誤差（ψ_e）に対して比例ゲイン（Ｋ_ψ）と微分ゲイン（Ｋ_r）を乗算し、これらから

によって決められる指令舵角δ_FBを出力しており、その場合において、上式の特性多項式を

とおき、λ_y＝０としたときの特性多項式から決定される方位誤差（ψ_e）に対する比例ゲインＫ_ψと微分ゲインＫ_rを用い、さらに、

を満足するω_yから決定される航路ゲインＫ_ｙを用い、その際に、

の関係を用い、（５）式の右辺第１項Ｐ_yψ_eは、舵をとることによって生じる横滑り速度に依存して発生する位置誤差の項とする、ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の前記Ｐ_s、Ｐ_yが、

と表されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２記載の前記ω_yが、

の解の１つであり、航路ゲインＫ_yは、

から求めることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３記載の前記ω_yが、（８）式の４つの解のうちの負の解と最大の正の解を除き、残りの２つの解のうちの小さい解であることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、船体の参照方位及び参照位置を出力する参照信号発生器と、該参照信号発生器からの参照方位及び参照位置と、センサで検出された船体の方位及び位置から方位誤差及び位置誤差を演算する軌道航路誤差演算器と、該方位誤差及び位置誤差から船体の方位と位置とを追跡させるべく指令舵角を出力するフィードバック制御器とを備えた船舶用自動操舵装置において、
前記フィードバック制御器は、センサで検出された方位ψ及び位置（ｘ、ｙ）、及び指令舵角δ_FBから推定方位

と推定位置

とを出力する推定器を備えており、該推定器は、推定器の制御対象モデルの状態量を推定するための特性多項式として、

として、λ_HCSは方位制御のみを行うときの特性多項式であり、ω_eyを操舵系周波数ω_nのρ_y（＞１）倍に設定し、ω_eoを操舵系周波数ω_nのρ_yo（＜１）倍に設定することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５記載の前記λ_HCSを

とすることができ、ここで、λ_e2は、波浪モデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζ_e、ω_eがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λ_ewは、波浪モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζ_ew、ω_ewがそれぞれ波浪モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λ_eoは、舵角オフセットモデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ω_eoが舵角オフセットモデルの状態量を推定するための固有周波数であり、
固有周波数ω_eoを操舵系周波数ω_nのρ_o（＜１）倍に設定し、
波浪モデル及び舵角オフセットモデルが無い（λ_ewλ_eo＝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、波浪モデル及び舵角オフセット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、ω_e＝ω_wnを満足するときのω_eの値をω_x（ω_wn：波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す）、ω_e＝ω_wnを満足しないときのω_eの値をω_zとしたときに、
波浪周波数ω_wnがω_xよりも大きいときには、固有周波数ω_eをω_zに設定し、固有周波数ω_ewを波浪周波数ω_wnと等しく設定し、
波浪周波数ω_wnがω_x以下のときには、固有周波数ω_eをω_xに設定し、波浪周波数ω_wnを修正の波浪周波数ω_wn ^*＝ω_xに修正し、固有周波数ω_ewを修正の波浪周波数ω_wn ^*と等しく設定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、舵角を制御して設定方位に船首方位を追従させる方位制御系を基礎として、その上に航路制御系を構築しているので、設計工数を削減することができると共に、閉ループの安定性の定量的把握を行うことができるようになり、閉ループの安定性を確保するための適正なゲインの設定を行うことができる。

また、方位制御系の上に航路制御系が成り立っているために、方位制御系と航路制御系との間の動作切換が容易にできる。よって、仮に、センサからの位置が得られない状況になれば、速やかに、方位制御系に切り換えることができて、動作切換による不連続現象を回避することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、船舶用自動操舵装置と制御対象の全体のブロック図である。既述のように、船舶用自動操舵装置１０は、計画航路に船体位置を追跡させるために舵を制御する装置であり、参照信号発生器１２、軌道航路誤差演算器１４、フィードバック制御器１６、加算器１７及び各パラメータを同定する図示しない同定器を備えている。誘導システム２２から計画航路及びセンサ類２６のスピードログから船速Ｕが参照信号発生器１２に入力され、参照信号発生器１２からは参照方位ψ_R、参照位置ｘ_R、ｙ_R及び旋回時にはフィードフォワード舵角δ_FFが出力される。

軌道航路誤差演算器１４には、ジャイロコンパスからの船首方位ψ、ＧＰＳ等からの船体の位置（ｘ，ｙ）といったセンサ類２６からの検出信号が入力され、軌道航路誤差演算器１４は、前記参照方位ψ_R、参照位置ｘ_R、ｙ_Rとの比較を行い方位誤差と位置誤差（航路誤差ともいう）を出力する。

船舶用自動操舵装置１０の閉ループ系は図１に示すように船体モデルと外乱モデルとからなる制御対象２４と、フィードバック制御器１６とから構成される。

フィードバック制御器１６は、図２に示すように、推定器１８とフィードバックゲイン器２０とからなる。軌道航路誤差演算器１４からの航路誤差は、推定器１８において、外乱が除去された推定航路誤差（推定方位誤差、推定位置誤差）が算出され、フィードバックゲイン器２０でフィードバックゲインを乗じて指令舵角であるところのフィードバック舵角δ_FBを操舵機に出力する。操舵機は指令舵角に比例した舵角を動かすため、船体は舵角によって旋回角速度を生じ方位、位置が変化する。旋回角速度の発生と共に、本発明の航路制御系の設計で重要な斜航角即ち横滑り速度（横滑り角）が発生する。

１．運動方程式
１．１ 座標系
航路制御系で用いる座標系は、図３に示すように、以下の座標系から構成する。
・対地系：緯度経度座標系で、ＧＰＳからの位置出力（ｘ、ｙ）に相当する。
・参照系：対地座標系で、誘導システム２２により生成され指定された対地航路の位置と針路（即ち、計画航路）とからなる。
・船体系：運動座標系で、船体の重心を原点とし、船首方位をＸ軸とし、船体運動を定める。
尚、座標系の回転極性は右ネジ方向を正とし、Ｚ軸方向は重力方向を正とする。座標系はＸ軸、Ｙ軸の２次元を用いる。

図４に示すように、操舵時に旋回角速度と共に発生する横滑り速度ｖは、ｖ＝−Ｕsinβ≒−Ｕβ（β：横滑り角））と表される。

軌道航路誤差演算器１４で算出される位置誤差と方位誤差（添字_e）は図３より参照系に対する対地系の位置ｘ,ｙおよび方位ψの誤差を表し

になる。ｘ_e、ｙ_eは船体重心ＧからＸ_R、Ｙ_R軸にそれぞれ垂線を下ろした距離に、ψ_eは偏差に相当する。航路制御系は、前進方向の位置誤差ｘ_eは制御せず、横方向の位置誤差ｙ_eを制御するものとする。よって、センサからの位置ｘ、ｙの更新の度に、参照位置の更新は、航路誤差ｘ_e＝０にする航路誤差ｙ_eと方位誤差ψ_eとを保持する。参照信号発生器１２における直線航路の更新は、

を満たすｘ_R、ｙ_Rを求めることになる。

１．２ 船体の運動方程式
前記制御対象である船体モデルを定めるために、船体の運動方程式を導出する。船体の運動方程式は、前進方向を除き、横方向と方位軸回りとの運動を扱うので、

を用いる。ここで、Ｍ_x、Ｍ_yは、それぞれｘ、ｙ方向の付加質量を含んだ質量を、Ｉ_zはｚ軸回りの付加慣性モーメントを含んだ慣性モーメントを、Ｙ、Ｎはそれぞれｙ方向の流体力、ｚ軸まわりの流体モーメントを示す。’は時間微分を表し、添字は対応する変数を意味する。変数Ｕ、ｖ、ｒ、δはそれぞれ前進速度、横滑り速度、旋回角速度、舵角を表す。
（１５）式を整理すると、

になり、ラプラス変換すると（ｓはラプラス演算子を示す）、

になる。ここで、横滑り速度と旋回角速度とが舵角を入力とした関係で結ばれる。舵加速度δ”（ｔ）≒０とし、（３）式を整理すると、

を得る。ここで、

とおいている。

（１８）式より、横方向の横流れ速度とヨー軸回りの旋回角速度との運動方程式は同一の形でかつ舵角による入力係数が異なるだけである。ここで、特許文献１で利用する方位制御系における船体モデル、

を参照し（Ｋ_sとＴ_s 、Ｔ_s３は操縦性指数で旋回力ゲインと２つの時定数）、（１８）式において、実用的見地からｓ^２項による影響は無視できるためにｓ^２項を省略する。また、船舶用自動操舵装置は、舵角を通して制御量を入力するので、制御変数は角度単位の方が都合がよいため、横滑り速度ｖを横滑り角βに変換すると、制御対象の船体モデルが

として導出される。ここで、

を示す。（２３）式から航路制御系の船体モデルは、方位制御系のそれに横滑りゲインＫ_βと時定数Ｔ_3βが新たに追加されている。（２２）式から横滑り角βと旋回角速度ｒとの関係を求めると、

となる。つまり、横滑り角βは、旋回角速度ｒにゲインＫ_β／Ｋ_sによってほぼ比例することが分かる。

（１５）式はテーラー展開で１次の項までを考慮しているが、大きな変針角や旋回角速度に対応するためには、非線形項までを考慮する必要がある。その場合には、（２２）式の運動方程式は、

とするとよい。ここでα_sは非線形係数であり、前記同定器によって与えられる。

１．３ 位置の運動方程式
船体の位置は船体運動と潮流速度とからの対地速度を積分することで求めることができる。船体速度は対水速度を基に前進速度ｕと横流れ速度ｖとからなり、潮流速度は大きさと方向から定める。

船体運動は舵角δを取ると角速度ｒ＝ψ’を生じるが、同時に横流れ速度ｖ＝ｙ’も生じる。その様子を図４を用いて説明する。同図のように定常に旋回しているときまたは参照系が接線方位に一致しているとき、船体系は横すべり角βだけ内側に傾いて釣り合う。このとき船体速度の対地速度成分は

になる。船体速度と横滑り角との関係は、

を用いる。

潮流速度は大きさＵ_Tと方向ψ_Tとによって、

になる。この潮流速度による横滑り角β_Tは船体系に変換すると、

になるから

を得る。船体速度と潮流速度とを合わせた対地速度は、

になる。

対地系の位置と方位は、それぞれ速度Ｕと角速度ｒとを積分して、

を得る。

２．制御対象
制御対象は、非線形項α_sを無視して線形化すると、図５に示すように、（２４）式から得られる船体モデルと、外乱モデルとからなるものとする。外乱モデルはδ_o、ψ_w、ｕ_Tx 、ｕ_Tyで、δ_oは風等による方位軸回りのモーメントの舵角換算したオフセット成分を、ψ_wは白色ノイズνの入力によるフィルタ出力（中心周波数ω_w、減衰係数ζ_w）で近似した波浪成分を、ｕ_Tx，ｕ_Tyは潮流によるそれぞれ北向き，東向きの対地速度を示す。

軌道航路誤差演算器１４によって得られる航路誤差は参照方位ψ_Rおよび参照位置ｘ_R，ｙ_Rに対するものだから、制御対象は偏差系になり、図５におけるψを方位誤差ψ_e=ψ−ψ_Rにｘ，ｙを位置誤差ｘ_e，ｙ_eにそれぞれ置き換えると、ψ_eは微小角として扱え、sinψ_e≒ψ_e、cosψ_e≒１が成り立つ。航路制御系は船首方向のｘ_eを無視し、横方向のｙ_eをゼロに収束させるように作用するので、偏差系の制御対象は、図６に示すように表すことができる。ここで、β_oを潮流による船体横方向速度の横滑り角換算したオフセット成分としている。

ここで、旋回角速度ｒと横滑り角βとの関係は、（２２）式を用い、また、ｒ_x＝Ｋ_s／（Ｔ_sｓ＋１）δ（図５（ｂ）参照）を用いると、

となり、航路誤差ｙ_eの時間微分ｙ_e’は、

となる。ここでＣ_K=Ｋ_β／Ｋ_sとおいている。

（２１）式、（２６）式から、次の式が成り立つ。

外乱成分を除くと、

となり、Ｔ_s3，Ｔ_β3を省けば、航路制御系の制御対象は、２次の方位誤差系と１次の航路誤差系との３次系になる。

３．フィードバック制御
上記３次系の制御対象に対して、フィードバックゲイン器２０を図７に示すように構成する。同図において、Ｋ_yは航路ゲイン、Ｋ_rとＫ_ψとは方位制御系におけるそれぞれ微分ゲインと比例ゲインとすると、

になる。（３０）式に（２９）式を代入して書き換えると、

になり、上式より特性多項式に相当する項を展開して、方位制御系にのみ関連する項をまとめると、特性多項式λは、

になる。ここで、γ＝１／（１＋Ｋ_rＴ_s3Ｋ_s／Ｔ_s)を示す。（３１）式の右辺の第１項の（ｓ²＋２ζω_nｓ＋ω² _n）は、航路ゲインＫ_yを考慮しない方位制御系における閉ループの特性多項式であり、ω_n、ζはその固有周波数、減衰係数を示す。この減衰係数ζ及び固有周波数ω_nは、比例ゲインＫ_ψ及び微分ゲインＫ_rとの関係を定めることができる。よって、設計パラメータを例えば比例ゲインＫ_ψ、減衰係数ζとしたときに（例えばＫ_ψ＝１，ζ＝０．９）、微分ゲインＫ_rと固有周波数ω_nとを設計パラメータＫ_ψ、ζと同定器によって同定される船体パラメータＫ_s,Ｔ_s,Ｔ_s3とから一義的に決定することができ（非特許文献３，特願２００５−３１５１３５参照）、

として得られる。（３１）式の右辺の第２項は、横滑り角に起因した項である。簡略化のためＴ_s3＝Ｔ_β3＝０としたときの（１−Ｃ_Ｋｓ）は閉ループ系を不安定方向に導くため、安定性を確保するように、残りのゲインＫ_yを決定する必要がある。

そのためゲインＫ_yの閉ループ系に与える影響を調べるために、簡単化のためＴ_s3＝Ｔ_β3＝０とおき、（３１）式の特性多項式を開ループ伝達関数で表すと、

になる。ゼロ点は不安定根ｓ＝+１/Ｃ_Kに、極は原点と安定な方位制御系の極との３根になる。ゼロ点は横滑り角特性に起因したもので、航路ゲインを大きくすると根がゼロ点に近づくため閉ループが不安定になり発散する（ヨーイング発生）原因になる。

根軌跡の例を図８に示す。ここで、条件はＵ＝２０[knot]，Ｋ_s＝０．０２７[1/s]，Ｔ_s＝１７．５４[s]，Ｃ_K＝３０[s]、ω_n＝０．０３９[rad/s]，ζ＝０．９としている。開ループ伝達関数と３次方程式との性質から特性根は
１．Ｋ_y＝０のとき、根は極（記号×）である方位制御系の共役根と原点根とになり、
２．Ｋ_y＞０が大きくなると、共役根は実軸に向かいBreak-in point になった後左右方向に別れ、原点根は左方向に移動した後共役根から派生した右方向の根とBreakaway pointで重なり共役根になり、
３.さらにＫ_y＞０が大きくなると、方位制御系の共役根から派生した左方向の根はさらに左方に移動し、Breakaway point からの共役根は原点とゼロ点との回りを円弧状に移動した後、正の実軸でBreak-in point になり左右方向に別れる、
という特徴を持つ。

３．１ 航路ゲインの求解
以上の航路ゲインＫ_yの影響を踏まえて、航路ゲインＫ_yを決定する。
閉ループの特性多項式λは前述の（３１）式で表される。一方、設計仕様の特性多項式は

として定める。ここでａは正の実数を、ζ_y,ω_yはそれぞれ減衰係数と固有周波数とを示す。航路制御系の設計パラメータをζ_y として、a，ω_y，Ｋ_yを求める。閉ループと仕様とのそれぞれの特性多項式の係数を比較すると

になる。整理すればω_yに関する４次方程式

を得る。ω_yの４次と１次との係数は負になり、０次の係数は正になるので、少なくとも上式の根のひとつは負になっている。上記（１９）式のω_yは代数解法で解けるから、解いたω_yを用いて、

が順次求まる。

（３６）式のω_yの４次式のうち、微小項Ｔ_s3，Ｔ_β3に関連する高次の近似解はＣ_K＞Ｔ_s3を用いて

になり、（３６）式の解の中で最大値に相当し、すぐに減衰する特性を示す。そのため、特性多項式の特性は４次式から微小項を除いた３次式が支配的になる。ω_yを前述したＴ_s3，Ｔ_β3を省いた３次の開ループ伝達関数の特性を利用して決め、設計パラメータζ_yは所定値、例えば、１／√２≦ζ_y≦１からζ_y＝０．９と決める。

Ｔ_s3，Ｔ_β3を省いた３次系の特性多項式の根軌跡は図８に既に示した通りである。同図において大きさの異なる３つの黒丸は、（３６）式でＴ_s3，Ｔ_β3を省いた

を解いたときの３つのω_yにそれぞれ対応している。ω_yの３根はζ_y＝０．９より異なる実根となり、（３５）式から特性根の共役根は、

と表されるから、ω_yの３根は、図８の原点と共役根との距離に対応する。（４０）式は負の係数を持つため、解の１つは負になり図８において最大の黒丸の共役根に相当し除外される。残りの２つのω_yの解において、大きい方の解は図８の最小の黒丸の共役根、小さい方は中間の黒丸のそれぞれ共役根に相当する。それぞれの場合の閉ループの代表根は、大きい方の解の場合は原点に近い負の実根（厳密には原点になるが僅かに左方にあるとする）になり、小さい方の解の場合が共役根になる。代表根は閉ループの安定性応答性の見地から原点から離れた根が望ましいので、図８の中間の黒丸に対応する小さい方のω_yを選ぶこととする。

以上の手順をまとめると、（３６）式のω_yから航路ゲインＫ_yを求める手順は
１．（３６）式の４つの解の中から負の解と最大の正の解を除いた解を求める
２．残りの２つの解から小さい解を正解として選び、（３７）式、（３８）式を用いてそれぞれ実根ａと航路ゲインＫ_yとを求める
とする。

フィードバックゲイン器２０は、同定器で各係数Ｃ_K、Ｔ_β3、Ｔ_s3、ω_nが与えられる毎に、（３６）式の解を解き、上記手順にて決定された航路ゲインＫ_yにて指令舵角を出力する。

３．２ 船速の変化
船速が変化した場合の航路ゲインＫ_yの様子を検討する。船体運動の横方向速度は対水速度（船速）Ｕに比例するため、船速が変化したらＫ_yはＵと連動させて適切に更新させる必要がある。速度変化をＵ^＊とすると、船速変化に対する船体パラメータは、

がほぼ成立するとする。Ｔ_s3，Ｔ_β3を省くと、（３１）式は、

となる。航路ゲインの安定限界を求めると、閉ループの根が虚軸上より左側にある条件を与えるためのHurwitzの安定判別法を用いると、

になる。数値例を挙げると、ζ＝０．９、ω_n＝０．０５［rad/s］、Ｃ_K＝３０[s]、Ｕ＝１０[m/s]、速度変化Ｕ^*＝１０、５[m/s]のとき、それぞれ、Ｋ_y＝２．４３、３．８３[rad/m]になる。速度が１０から５[m/s]に低下すると、航路ゲインＫ_yは、１．６倍にする必要がある。

３．３ 外乱による誤差と対策
外乱入力となる舵角オフセットδ_oと横滑り角オフセットβ_oについて考慮する。外乱入力に対しては、航路誤差の定常値を求め、その誤差を修正するようにする。平均値がゼロであるψ_wを省き、定常値に影響しないＴ_s3，Ｔ_β3をそれぞれゼロとする。フィードバック舵角に修正量αを追加すると

になる。このとき舵角オフセットδ_oと横滑り角オフセットβ_oとの外乱入力に対する航路誤差ｙ_eは、（４４）式、（２７）式、（２８）式から

になる。一定値の外乱入力δ_o＝δ_o(0)／s，β_o＝β_o(0)／sに対する定常値は

を用いて

になる．ここで（０）は一定値を意味する。ｙ_eをゼロにする修正量はα（０）＝−δ_o（０）−Ｋ_ψβ_o（０）になるから

として導ける。したがって外乱成分δ_o（ｓ），β_o（ｓ）を推定器１８によって推定し、（４４）式のフィードバックによって、外乱成分に起因した航路誤差は相殺することができる。

また修正量を実施した方位誤差は

になり、定常誤差はψ_e（ｔ＝∞）＝−β_o（０）になる。このことは、方位誤差は舵角オフセット成分による誤差を生じないが、潮流に起因した横滑り角オフセット成分の逆の角度だけ誤差を生じることを意味する。すなわち船首方位ψが参照方位ψ_R基準から見ればβ_oの逆方向に針路を取ることで、船体の横方向におけるβ_o成分と傾けたψとが相殺する関係になることが分かる。

数値例を挙げると、Ｋ_ψ＝１、Ｋ_y＝０．０００７ [rad/m]＝０．０４[deg/m]とすると、β（０）＝１０[deg]のときｙ＝２５０[m]になり、δ_o＝３[deg]のときｙ＝７５[m]になる。

４ 推定器
次に、推定器１８の構成について説明する。まず、特許文献１で開示する方位制御系の５次推定器について説明し、次に、その５次推定器に基づき、航路制御系の推定器を構成することを考える。

４．１ 方位制御系の５次推定器
方位制御系の５次推定器の構成例を図９の上段に示す。この推定器は、波浪モデルと舵角オフセットとを組み込んだものであり、

を用いて、

になる。ここで、ｋ_{ｉ，ｉ＝１〜５}は推定ゲインを、

は推定状態量を、

は推定波浪を、

は推定舵角オフセットを、それぞれ示す。波浪モデルの固有周波数、減衰係数ω_wn、ζ_wnは、図示しない波浪同定器によって、検出方位ψから同定されるものである。
特性多項式を

に定める。ここでλ_eは船体モデルの状態推定に、λ_ewは波浪モデルの状態推定に、そしてλ_eoは舵角オフセットモデルの状態推定にそれぞれ対応する。

ζ_eは船体モデルのみを考慮して設計したものであり、１／√２と設定され、ζ_ewは、ζ_eと等しく設定される。

また、波浪モデルが無い（λ_ew＝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、ω_e＝ω_wn（ω_wn：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ω_eの値をω_x、ω_e＝ω_wnを満足しないときのω_eの値をω_zとしたときに、波浪周波数ω_wnがω_xよりも大きいときには、固有周波数ω_eをω_zに設定し、固有周波数ω_ewを波浪周波数ω_wnと等しく設定し、波浪周波数ω_wnがω_x以下のときには、固有周波数ω_eをω_xに設定し、波浪周波数ω_wnを修正の波浪周波数ω_wn ^*＝ω_xに修正し、固有周波数ω_ewを修正の波浪周波数ω_wn ^*と等しく設定する。
前記ω_x及びω_zは、

の解とすることができる。

特性多項式の根を極配置することにより求める推定ゲインＬ＝［ｋ₁ｋ₂ｋ₃ｋ₄ｋ₅］^T は、

になる。ここで、添字(・)^-1 は逆行列を意味し、添字(・)^T は転置行列を意味する。

になる。

４．２ 航路制御系の制御対象
制御対象を方位制御系と航路誤差系とに分割したブロック行列で表現すると、

になる。ここで

を用いて

を示す。（２５）、（２６）式から

を利用する。

４．３ 推定ゲイン
航路誤差系を含めた推定器１８の固有値または特性多項式は７次になる。この７つの根を極配置するための推定ゲインを定める。未知数の７×２行列の推定ゲインは特性多項式の７つの係数方程式によって求めることになるが、方程式の数より未知数が多いので不定状態になる。そこで、図９に示したように、前述したブロック行列を用いて航路制御系の推定器を方位制御系の推定器相当部分と航路誤差系の推定器相当部分とに分離して、極配置する推定ゲインを設計する。航路制御系の７次の極配置において、既に特許文献１において方位制御系の５次相当部分は設計されているから、航路誤差系の２次の極配置を設計すればよいことになる。

推定器の構成は（５２）式、（５３）式から２入力１出力７状態量の系で

になる。ここでＬは７×２行列の推定ゲインを，

はＸの推定状態量を示す。推定器の固有値を求めるために

を定める。ここでｓはラプラス演算子を、Ｉは適当な次数の単位行列を示す。特性多項式は上式より

になる。ここで、上式のdet(λ₁₁)は（５０）式で表した方位制御系の特性多項式を表し

である。（５１）式に示すように、推定ゲインＬ₁₁（５×１）は導出されている。det(λ₂₂−λ₂₁λ₁₁ ^-1λ₁₂)が方位制御系に追加された項に相当し、λ₂₁、λ₁₂は余剰な係数行列と見なせる。つまりdet( λ₂₂−λ₂₁λ₁₁ ^-1λ₁₂)の極配置の必要十分あるいは必要最低限はｓを含むdet(λ₂₂)によって構成することができる。λ₂₁λ₁₁ ^-1λ₁₂＝Ｏ（２×２）を満足するための条件はＬ₁₂＝Ｏ（５×１）になり、そのときλ₁₂＝Ｏ（５×２）になる。この際λ₂₁は任意になるので、Ｌ₂₁（２×１）の選びかたも任意になる。ここでＯはゼロ行列を示す。すなわちＬ₂₁（２×１）は極配置に何らの影響も与えないので、Ｌ₂₁＝Ｏ（２×１）を設定する。これより（５９）式は

に定まる。よって、航路制御系の極配置は方位制御系のそれとdet(λ₂₂)とになり、推定ゲインは

のように対角化される。ここでＬ₁₁は方位制御系の推定ゲインを、Ｌ₂₂ は

を推定するための推定ゲインを示す。

は推定位置誤差である。Ｌ₂₂ はdet(λ₂₂) の根を極(-ω_ey，-ω_eo)、つまり

に配置させるように設計する。ここでω_nは方位制御系の操舵系の固有周波数を、ρ_y、ρ_yoは推定係数と呼ぶもので推定速度やパラメータ不確かさに対する許容度から決定され、ρ_y＝ρ、ρ_yo＝ρ_oとする。ここでρ、ρ_oは方位制御系のものを設定する。
即ち、推定係数ρは、ω_eと操舵系の固有周波数ω_nとの間で、

によって設定する。ρの設定は閉ループ安定性を満足する適切な値に選択され、１より大きく、例えば、３〜６程度に設定するとよい。

また、推定係数ρ_oは、推定舵角オフセットの推定係数であり、舵角オフセットの固有周波数ω_eoと操舵系の固有周波数ω_nとの間で、

によって設定する。舵角オフセットの時間変化を考慮して、１未満、例えば、０．１程度に設定する。
det(λ₂₂)は極配置と比較すると

になり、推定ゲイン

として決定される。従って、推定器１８の特性多項式は、

になる。

５ まとめ
以上説明したように、本発明では、閉ループの安定性に影響する横滑り特性を含んだ実用的な制御対象を提案し、フィードバック制御の構成を示し、航路ゲインを決定した。

そして、ブロック行列を用いて、２次の固有値を設定するだけで、構成される航路制御系における推定器を提案した。

基本的に方位制御系を基礎に、航路制御系の設計を行っているために、設計工数を削減することができ、また、航路制御系と方位制御系との間での動作切換による不連続減少の防止をすることができる。

本発明による船舶用自動操舵装置の全体構成を表すブロック図である。 フィードバック制御器の構成を表すブロック図である。 航路制御系で用いる座標系を表す説明図である。 舵を取ったときに発生する横流れ速度を表す説明図である。 制御対象のモデルを表すブロック図である。 制御対象のモデルを偏差系で表したブロック図である。 フィードバックゲイン器の構成を表すブロック図である。 Ｔ_s3＝Ｔ_β3＝０とおいたときの特性多項式の根軌跡を表す図である。 推定器のブロック図である。

符号の説明

１０ 船舶用自動操舵装置
１２ 参照信号発生器
１４ 軌道航路誤差演算器
１６ フィードバック制御器
１８ 推定器

Claims (6)

1. 船体の参照方位及び参照位置を出力する参照信号発生器と、該参照信号発生器からの参照方位及び参照位置と、センサで検出された船体の方位及び位置から方位誤差及び位置誤差を演算する軌道航路誤差演算器と、該方位誤差及び位置誤差から指令舵角を出力するフィードバック制御器とを備え、該出力される指令舵角によって船体の方位と位置とを追跡させるべく操舵を行わせる船舶用自動操舵装置において、
   フィードバック制御器は、横方向の位置誤差（ｙ_e）に対して航路ゲイン（Ｋ_y）を乗算し、方位誤差（ψ_e）に対して比例ゲイン（Ｋ_ψ）と微分ゲイン（Ｋ_r）を乗算し、これらから
   

   

   によって決められる指令舵角δ_FBを出力しており、その場合において、上式の特性多項式を
   

   

   とおき、λ_y＝０としたときの特性多項式から決定される方位誤差（ψ_e）に対する比例ゲインＫ_ψと微分ゲインＫ_rを用い、さらに、
   

   

   を満足するω_yから決定される航路ゲインＫ_ｙを用い、その際に、
   

   

   の関係を用い、（５）式の右辺第１項Ｐ_yψ_eは、舵をとることによって生じる横滑り速度に依存して発生する位置誤差の項とする、ことを特徴とする船舶用自動操舵装置。
2. 前記Ｐ_s、Ｐ_yは、
   

   

   と表され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。
3. 前記ω_yは、
   

   

   の解の１つであり、航路ゲインＫ_yは、
   

   

   から求めることを特徴とする請求項２記載の船舶用自動操舵装置。
4. 前記ω_yは、（８）式の４つの解のうちの負の解と最大の正の解を除き、残りの２つの解のうちの小さい解であることを特徴とする請求項３記載の船舶用自動操舵装置。
5. 船体の参照方位及び参照位置を出力する参照信号発生器と、該参照信号発生器からの参照方位及び参照位置と、センサで検出された船体の方位及び位置から方位誤差及び位置誤差を演算する軌道航路誤差演算器と、該方位誤差及び位置誤差から船体の方位と位置とを追跡させるべく指令舵角を出力するフィードバック制御器とを備えた船舶用自動操舵装置において、
   前記フィードバック制御器は、センサで検出された方位ψ及び位置（ｘ、ｙ）、及び指令舵角δ_FBから推定方位
   

   

   と推定位置
   

   

   とを出力する推定器を備えており、該推定器は、推定器の制御対象モデルの状態量を推定するための特性多項式として、
   

   

   として、λ_HCSは方位制御のみを行うときの特性多項式であり、ω_eyを操舵系周波数ω_nのρ_y（＞１）倍に設定し、ω_eoを操舵系周波数ω_nのρ_yo（＜１）倍に設定することを特徴とする船舶用自動操舵装置。
6. 前記λ_HCSは
   

   

   とすることができ、ここで、λ_e2は、波浪モデルが仮に無いとしたときの船体モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζ_e、ω_eがそれぞれ船体モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λ_ewは、波浪モデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ζ_ew、ω_ewがそれぞれ波浪モデルの状態量を推定するための減衰係数、固有周波数であり、λ_eoは、舵角オフセットモデルの状態量を推定するための特性多項式であり、ω_eoが舵角オフセットモデルの状態量を推定するための固有周波数であり、
   固有周波数ω_eoを操舵系周波数ω_nのρ_o（＜１）倍に設定し、
   波浪モデル及び舵角オフセットモデルが無い（λ_ewλ_eo＝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、波浪モデル及び舵角オフセット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、ω_e＝ω_wnを満足するときのω_eの値をω_x（ω_wn：波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す）、ω_e＝ω_wnを満足しないときのω_eの値をω_zとしたときに、
   波浪周波数ω_wnがω_xよりも大きいときには、固有周波数ω_eをω_zに設定し、固有周波数ω_ewを波浪周波数ω_wnと等しく設定し、
   波浪周波数ω_wnがω_x以下のときには、固有周波数ω_eをω_xに設定し、波浪周波数ω_wnを修正の波浪周波数ω_wn ^*＝ω_xに修正し、固有周波数ω_ewを修正の波浪周波数ω_wn ^*と等しく設定する、ことを特徴とする請求項５記載の船舶用自動操舵装置。
   

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