JP2009179087A - Thrust control method and device for turning type thruster vessel - Google Patents

Thrust control method and device for turning type thruster vessel Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To automate position keeping and steering of a vessel having three or more of turning type thrusters. <P>SOLUTION: The thrust control method determines control inputs F<SB>X</SB>, F<SB>Y</SB>, F<SB>N</SB>requiring application to a vessel body from a deviation (S2) with a state amount of the vessel and an inner product of a feedback gain (S4) when control target of a vessel body is given (S1). Subsequently, thrust distribution of the respective turning type thrusters satisfying the control inputs F<SB>X</SB>, F<SB>Y</SB>, F<SB>N</SB>using an equation solving an inverse problem of a matrix formula indicating transmission of respective components T<SB>1, 2, ..., n</SB>in an x axis direction and a y axis direction of the thrust and control forces F<SB>X</SB>, F<SB>Y</SB>, F<SB>N</SB>regarding longitudinal force X, lateral force Y and turning round moment N given to the vessel body by these by the minimum right conversion based on the geometrical arrangement of the respective turning type thruster (S5) to perform vessel body motion (S6). The state amount feedback (S7) after the vessel body motion and vessel body motion response are successively made linear by an approximate least square method (S8), and the feedback gain is determined by a linear optimum regulator to perform renewal (S9). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、3機以上の旋回式スラスタを備えてなる型式の船の定点保持や操舵を自動制御できるようにするために用いる旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置に関するものである。   The present invention relates to a thrust control method and apparatus for a swivel thruster ship used to enable automatic control of fixed point holding and steering of a ship of a type including three or more swivel thrusters.

作業船や浮体等、高い機動性が要求される船は、機動性を高めるために、推力発生装置(アクチュエータ)として、旋回式スラスタを3機以上装備した型式とすることがある。   Ships that require high maneuverability, such as work vessels and floating bodies, may be of a type equipped with three or more swivel thrusters as thrust generating devices (actuators) in order to improve maneuverability.

この種の3機以上の旋回式スラスタを有する型式の船の動きは、上記各旋回式スラスタで発生させる推力(スラスト)が複合されることによって決定される。   The movement of a ship of this type having three or more swivel thrusters of this type is determined by combining thrusts (thrust) generated by the swivel thrusters.

したがって、上記3機以上の旋回式スラスタを有する型式の船を、周辺の潮流や風等に抗して定点保持させたり、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向へ移動させたり、左右の希望する方向へ回頭させるためには、上記船を船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させるために船体に作用させることが要求される前後方向の力(以下、前後力と云う)及び左右方向の力(以下、横力と云う)と、上記船舶を左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される回頭モーメントとを、各旋回式スラスタで発生させるべき推力に適切に配分する必要がある。   Therefore, the type of ship having three or more swivel thrusters can be held at a fixed point against the surrounding tidal currents and winds, or can be moved back and forth, left and right, diagonally while maintaining the heading, In order to turn in the desired direction on the left and right, it is required to act on the hull in order to move the ship in the desired direction in the forward / backward, left / right and diagonal directions while maintaining the heading. And a forward and backward force (hereinafter referred to as a longitudinal force) and a lateral force (hereinafter referred to as a lateral force), and the ship is caused to act on the hull to turn in the desired turning speed in the left and right desired directions. Therefore, it is necessary to appropriately distribute the required turning moment to the thrust to be generated in each swivel thruster.

ここで、船の動きは平面運動であるため、その自由度は、前後、左右、回転(回頭)の3自由度となっている。これに対し、推力発生装置側の自由度は、1機の旋回式スラスタが推力と首振り角という2つの自由度を有しているため、3機以上の旋回式スラスタを有する形式の船におけるすべての旋回式スラスタによって得られる自由度の数は、旋回式スラスタの数×2となり、上記船に希望する平面運動の自由度に比して過剰になる。したがって、船体全体に作用させることが要求される前後力と横力と回頭モーメントに基いて、上記各旋回式スラスタの最適な操作を行うための解を導こうとしても、変数のほうが未知数よりも少ないため、未知数の解を1つに定めることができないというのが現状である。このため、上記3機以上の旋回式スラスタを有する型式の船に、ある1つの希望する動きを行わせる場合であっても、この1つの動き(出力)を行わせるための各旋回式スラスタの操作の組合せ(入力)、すなわち、個々の旋回式スラスタで発生させる推力の組み合わせが複数組存在することから、制御が多入力多出力系となってしまう。   Here, since the movement of the ship is a plane motion, the degrees of freedom are three degrees of freedom: front and rear, left and right, and rotation (turning). On the other hand, the degree of freedom on the thrust generator side is that in a ship of a type having three or more swivel thrusters because one swivel thruster has two degrees of freedom, thrust and swing angle. The number of degrees of freedom gained by all swirl thrusters is the number of swirl thrusters × 2, which is excessive compared to the degree of freedom of planar motion desired for the ship. Therefore, even if we try to derive a solution for optimal operation of each swivel thruster based on the longitudinal force, lateral force and turning moment required to act on the entire hull, the variable is more than the unknown. Since there are few, it is the present condition that an unknown solution cannot be defined to one. For this reason, even if a ship of the type having three or more swivel thrusters performs one desired motion, each swivel thruster for performing this one motion (output) Since there are a plurality of combinations of operations (inputs), that is, combinations of thrusts generated by the individual swivel thrusters, the control becomes a multi-input multi-output system.

そこで、従来、複数の推力発生装置を備えた船舶における各推力発生装置の制御を行うための手法として、以下に示すような推力配分方法が提案されている。   Therefore, conventionally, a thrust distribution method as described below has been proposed as a method for controlling each thrust generator in a ship having a plurality of thrust generators.

すなわち、上記推力配分方法は、操作量に対応する推力を発生する複数の推力発生装置を備える航走体を、与えられた目標推力で航走又は定点保持させるために、それぞれの推力発生装置に与える操作量を演算して、航走体の推力配分を行う推力配分方法において、それぞれの推力発生装置の非線形特性に基いて、それぞれの推力発生装置が発生する推力及び航走体の推力に関する力及びモーメントのバランス関係を予め定めておく一方、推力発生装置が発生する推力を可及的に小さくするための、それぞれの推力発生装置の状態に関する状態量及び/又は発生推力に関する所定の評価関数を規定して、上記バランス関係と評価関数とに基いて、上記目標推力との間で該バランス関係を満たし、且つ上記評価関数に対して所定の条件を満たすそれぞれの推力発生装置の操作量を演算するようにしてある。更に、この手法は、上記推力発生装置を旋回式スラスタとする場合についても適用できるとされている(たとえば、特許文献1参照)。   That is, in the thrust distribution method described above, each thrust generator is provided with a plurality of thrust generators that generate a thrust corresponding to the operation amount in order to cause the traveling body to travel or hold a fixed point with a given target thrust. In the thrust distribution method that calculates the amount of operation to be given and distributes the thrust of the vehicle, the thrust generated by each thrust generator and the force related to the thrust of the vehicle based on the nonlinear characteristics of each thrust generator And a predetermined evaluation function relating to a state quantity and / or a generated thrust for each thrust generator for minimizing the thrust generated by the thrust generator as much as possible. And based on the balance relationship and the evaluation function, satisfying the balance relationship with the target thrust and satisfying a predetermined condition for the evaluation function An operation amount of a thrust generating apparatus respectively are to be computed. Furthermore, this method is also applicable to the case where the thrust generating device is a turning thruster (see, for example, Patent Document 1).

ところで、一般に知られているフィードバック制御の1つとして、最適レギュレータによるフィードバック制御がある。   By the way, there is feedback control by an optimum regulator as one of generally known feedback control.

上記最適レギュレータは、状態量と操作量の変動幅を考慮した評価関数となっているので、極配置法等の他の設計法に比べ、目標とする制御量の変動幅を少なくしたい等、制御上の要求を直接反映させることができる設計手法として知られている。   The optimal regulator is an evaluation function that takes into account the fluctuation range of the state quantity and the manipulated variable. Therefore, compared to other design methods such as the pole placement method, it is desirable to reduce the fluctuation range of the target control quantity. It is known as a design method that can directly reflect the above requirements.

この制御系設計手法により、制御ゲインを求めるためには、制御対象の状態方程式が必要であり、線形近似が必要とされる。又、広い範囲の現象を制御する場合には、制御対象の状態方程式を切換える等の工夫が必要である。   In order to obtain the control gain by this control system design method, the state equation of the controlled object is required, and linear approximation is required. In addition, when controlling a wide range of phenomena, it is necessary to devise such as switching the state equation to be controlled.

一方、制御対象の入出力特性については、逐次近似の最小自乗法で近似することで制御対象の特性が変化しても、逐次入出力特性をモデル化できるようになっている。   On the other hand, the input / output characteristics of the controlled object are approximated by the successive approximation least square method, so that the sequential input / output characteristics can be modeled even if the characteristics of the controlled object change.

なお、本発明者は、先の出願(特願2007−021389号)で、複数の推力発生装置を備えた船の推力制御方法として、ジョイスティック等による操作を可能とするための一入力一出力系の制御系を構築するために、最小右変換により各アクチュエータの推力配分を求める手法、具体的には、バウスラスタと旋回式スラスタを有する2軸船の船体固定座標上における左右両舷側の旋回式スラスタと、バウスラスタの幾何学的な配置を基に、バウスラスタの推力、左右両舷側の旋回式スラスタの推力のx軸方向とy軸方向の各成分と、上記各推力が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式を求め、上記バウスラスタと旋回式スラスタを有する2軸船を、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させたり、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させたりするために船体に作用させることが要求される力の3方向成分としての前後力と、横力と、回頭モーメントが与えられると、該船体に作用させることが要求される前後力と、横力と、回頭モーメントを基に、上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記バウスラスタで発生させるべき推力と、左右両舷側の旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分を求めるようにしたバウスラスタと旋回式スラスタを有する2軸船の推力制御方法を提案している。   The inventor of the present application (Japanese Patent Application No. 2007-021389) has a one-input one-output system for enabling operation with a joystick or the like as a thrust control method for a ship equipped with a plurality of thrust generators. In order to construct a control system, a method of obtaining thrust distribution of each actuator by minimum right conversion, specifically, a swivel thruster on both left and right sides on the hull fixed coordinates of a biaxial ship having a bow thruster and a swivel thruster Based on the geometrical arrangement of the bow thruster, the thrust of the bow thruster, the components in the x-axis direction and the y-axis direction of the thrust of the swivel thruster on the left and right sides, the longitudinal force that each thrust exerts on the hull, Determining the determinant indicating the transmission of force and turning moment, and requesting the biaxial ship with the bow thruster and the swivel thruster in the forward / backward, left / right, and diagonal directions while maintaining the heading A longitudinal force and a lateral force as three-way components of the force required to be applied to the hull in order to move in the desired direction at the desired moving speed, or to move in the desired direction to the left and right at the desired turning speed When a turning moment is given, based on the longitudinal force, lateral force, and turning moment that are required to act on the hull, an equation obtained by solving the inverse problem of the above determinant by minimum right transformation is used. A biaxial ship having a bow thruster and a swivel thruster that obtains each component in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust to be generated by the bow thruster and the thrust thrust to be generated by the swivel thrusters on both the left and right sides. A thrust control method is proposed.

上記の推力制御方法によれば、上記バウスラスタと旋回式スラスタを有する2軸船は、一般には多入力多出力システムであるが、右最小変換法を用いることで、前後、左右、回頭のそれぞれ一軸運動と、それら各軸に対する偏差のフィードバックという1入力1出力系に変換することができる。   According to the above thrust control method, the biaxial ship having the bow thruster and the swivel thruster is generally a multi-input multi-output system. It can be converted to a one-input one-output system of motion and deviation feedback for each axis.

特開2004−42885号公報JP 2004-42885 A

ところが、上記特許文献1に記載されている従来の複数の推力発生装置を備えた船舶における各推力発生装置の推力配分方法は、制御則を導くために、最適問題を解くための複雑な演算制御を行う必要がある。そのため、船舶の実際の運用時に、船舶に所望する動きと、実際の船舶の動きにずれが発生した場合には、このずれを修正するための手間が嵩むため、現場の状況に即応することが困難であるという問題がある。更に、万一、一部の装置に故障が生じた場合にも即応することは困難である。   However, the thrust distribution method for each thrust generator in a ship having a plurality of conventional thrust generators described in Patent Document 1 is a complicated arithmetic control for solving an optimal problem in order to derive a control law. Need to do. Therefore, when there is a deviation between the desired movement of the ship and the actual movement of the ship during the actual operation of the ship, it takes time to correct this deviation, so it can respond immediately to the situation at the site. There is a problem that it is difficult. Furthermore, it is difficult to respond immediately even if a failure occurs in some devices.

又、上記複数の推力発生装置を備えた船舶における推力発生装置の制御は、非線形多入力多出力系であるため、そのままでは制御対象の状態方程式の線形近似が必要とされる前述の最適レギュレータによるフィードバック制御を適用することができないというのが実状である。   Moreover, since the control of the thrust generator in a ship equipped with the plurality of thrust generators is a non-linear multi-input multi-output system, the above-described optimum regulator that requires a linear approximation of the state equation to be controlled is used as it is. The reality is that feedback control cannot be applied.

そこで、本発明者は、3機以上の旋回式スラスタを有する型式の船の定点保持や操舵の自動化を図ることができるようにするために、先の出願で提案している多入力多出力系を右最小変換法により1入力1出力系に変換できるようにした推力制御方法を更に発展させて、この推力制御方法によって多入力多出力系を1入力1出力系に変換すれば、最適レギュレータによるフィードバック制御を適用できることを見出して本発明をなした。   Therefore, the present inventor has proposed a multi-input multi-output system proposed in the previous application in order to be able to maintain a fixed point and to automate steering of a ship of a type having three or more turning thrusters. Can be converted to a 1-input 1-output system by the right minimum conversion method, and if a multi-input multi-output system is converted to a 1-input 1-output system by this thrust control method, The present invention was made by finding that feedback control can be applied.

したがって、本発明の目的とするところは、3機以上の旋回式スラスタを有する船の定点保持や操舵を、最適レギュレータによりフィードバック制御することで自動化できるようにするための旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置を提供しようとするものである。   Accordingly, an object of the present invention is to control thrust of a swivel thruster ship so that the fixed point holding and steering of a ship having three or more swivel thrusters can be automated by feedback control using an optimum regulator. It is an object to provide a method and apparatus.

本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に対応して、3機以上の旋回式スラスタを有する船を、定点保持、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させ、更に、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力を求め、次に、上記3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記3軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を一意的に求めて、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することで船体運動を行わせ、この船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新するようにする旋回式スラスタ船の推力制御方法とする。   In order to solve the above-mentioned problems, the present invention corresponds to claim 1 and includes a ship having three or more swivel thrusters in the front-rear, left-right, and diagonal directions while maintaining a fixed point or holding the heading. Given a control target that is required to act on the hull in order to move in the desired direction of the ship at the desired speed of movement and to turn in the desired direction of rotation to the left and right at the desired turning speed, Based on the inner product of the deviation from the state quantity at the time and the feedback gain, the control inputs in the three-axis directions of the longitudinal force, lateral force, and turning force required to act on the hull to make the deviation zero are obtained. Next, based on the geometrical arrangement of each of the swivel thrusters on the hull fixed coordinates of a ship having three or more swivel thrusters, the x-axis direction and y Each component in the axial direction In each of the swivel thrusters to satisfy the control inputs in the three axial directions, using an equation obtained by solving the inverse problem of the determinant representing the transmission of the longitudinal force, lateral force, and turning force applied to the body by the minimum right transformation The thrust distribution of each component in the x-axis direction and the y-axis direction of the thrust to be generated is uniquely determined, and the hull motion is performed by controlling each turning thruster with the calculated thrust distribution. The state quantity of the ship that changes due to the hull motion is fed back to the state quantity for obtaining a deviation from the control target, and the motion response to the control input is linearized by the successive approximation least squares method. Feedback for calculating the feedback gain with the optimal regulator for the converted motion response and performing the inner product with the above deviation by the calculated feedback gain And thrust control method of a slewing type thruster ship so as to update the in.

又、上記構成において、3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式に加えて、1つずつの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた行列式を求めておき、船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力が与えられるときに、所要の1つの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を基に、上記所要の1つの旋回式スラスタを除いた残りの各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を求めるようにする。   Further, in the above configuration, based on the geometrical arrangement of the swivel thrusters on the hull fixed coordinates of a ship having three or more swivel thrusters, the thrust in the x-axis direction and y A matrix that uses a transformation matrix that does not include terms related to the thrust of each swivel thruster in addition to the determinant that shows the transmission of longitudinal force, lateral force, and turning moment that each component in the axial direction gives to the hull A term related to the thrust of one required swirl thruster when the three axial control inputs of longitudinal force, lateral force, and turning moment required to be applied to the hull are given. Thrust to be generated in each of the remaining swirling thrusters excluding the required one swirling thruster, based on a formula obtained by solving the inverse problem of the determinant using the transformation matrix not including the above by minimum right transformation To determine a thrust distribution of each component in the x-axis and y-axis directions.

更に、請求項3に対応して、船体に3機以上の旋回式スラスタを有し、且つ、上記各旋回式スラスタの推力配分を求める制御部を備えて、該制御部は、上記船を、定点保持させるか、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させるか、又は、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力を求めると共に、上記3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記3軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を一意的に求め、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することができるようにしてあり、且つ上記推力配分で上記各旋回式スラスタを制御した場合に生じる船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新する機能を有するようにしてなる構成を有する旋回式スラスタ船の推力制御装置とする。   Further, in accordance with claim 3, the hull has three or more turning thrusters and a control unit for obtaining a thrust distribution of each turning thruster, the control unit comprising: To hold a fixed point, move the head in the desired direction of front / rear, left / right, and diagonal directions at the desired moving speed, or turn the head in the desired direction of left / right at the desired turning speed. Given a control target that is required to be applied to the hull, the deviation from the current state quantity of the ship and the inner product of the feedback gain are applied to the hull to make the deviation zero. The control inputs in the three axial directions of the longitudinal force, lateral force, and turning moment required are calculated, and the geometry of each swivel thruster on the hull fixed coordinates of a ship having three or more swivel thrusters Arrangement Based on the above, the inverse problem of the determinant that shows the transmission of the longitudinal force, lateral force, and turning moment that the components of the thrust of each turning thruster in the x-axis direction and y-axis direction gives to the hull is solved by the minimum right transformation. Is used to uniquely determine the thrust distribution of each component in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust to be generated by each of the swivel thrusters to satisfy the control inputs in the three-axis directions. Each of the swivel thrusters can be controlled with the given thrust distribution, and the state quantity of the ship that changes with the hull motion generated when each of the swivel thrusters is controlled with the thrust distribution is Feedback is made to a state quantity for obtaining a deviation from the control target, and the motion response to the control input is linearized by the successive approximation least square method, and the linearized motion response is optimally regulated. A thrust control device for a swivel thruster ship having a configuration that has a function of calculating a feedback gain using a data and updating a feedback gain for performing an inner product with the deviation based on the calculated feedback gain; To do.

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
(1)3機以上の旋回式スラスタを有する船を、定点保持、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させ、更に、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力を求め、次に、上記3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記3軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を一意的に求めて、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することで船体運動を行わせ、この船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新するようにする旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置としてあるので、船体に装備された各旋回式スラスタの船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向とy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換を用いて解くことで、船体を定点保持させたり、船首方向を一定に保持したまま船体を所望の方向へ移動させたり、左右の所望する方向へ船体を回頭させる場合に必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力を変数として、上記各旋回式スラスタにて発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の配分を一意的に定めることができる。これにより、前後、左右、回頭のそれぞれ一軸運動と、それら各軸に対する偏差のフィードバックと云う一入力一出力系に変換することが可能となることから、この一入力一出力系として求められた各旋回式スラスタの推力配分に基いて船体運動を逐次線形近似し、その線形入出力系に対して最適レギュレータ問題を逐次解くことで、上記各旋回式スラスタの運転によって発生させる推力という本来非線形な系に対する最適フィードバックシステムを構築することができる。
(2)更に、上記最小右変換で求められる各旋回式スラスタの推力配分では、それぞれの旋回式スラスタにて発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分のノルムが最小となっているため、各旋回式スラスタでは、最小限の推力の組み合わせを得ることができるようになる。よって、3機以上の旋回式スラスタを装備してなる船を、外乱の影響下にて定点保持させたり、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ移動させたり、左右の希望する方向へ回頭させる場合に最適なフィードバック量を得ることができて、制御の自動化を図ることが可能になる。
(3)3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式に加えて、1つずつの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた行列式を求めておき、船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力が与えられるときに、所要の1つの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を基に、上記所要の1つの旋回式スラスタを除いた残りの各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を求めるようにすることにより、所要の旋回式スラスタが故障等により使用できない場合は、該旋回式スラスタに関連する項を除いた行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、船体に作用させることが要求される前後力と、横力と、回頭モーメントを基に、上記所要の旋回式スラスタを除く残りの正常運転可能な各旋回式スラスタへ推力を配分することができる。したがって、万一、旋回式スラスタのうちのいずれか1つが故障等により使用不能になる事態が生じても、即時対応して、船体の定点保持や希望する動きを確実に行なわせることができる。
According to the present invention, the following excellent effects are exhibited.
(1) A ship having three or more swivel thrusters is moved at a desired moving speed in the desired direction of front / rear, left / right, and diagonal directions while maintaining the fixed point or the heading, and further, Given a control target that is required to act on the hull to turn in the desired direction at the desired turning speed, the deviation from the current state quantity of the ship and the inner product of the feedback gain The control inputs in the three axial directions of the longitudinal force, lateral force, and turning moment that are required to be applied to the hull in order to make the deviation zero are obtained, and then, for a ship having three or more turning thrusters Based on the geometrical arrangement of each of the swivel thrusters on the hull fixed coordinates, the longitudinal force, lateral force, and turning moment that each component of the thrust of the swivel thruster in the x-axis direction and y-axis direction gives to the hull. Communication with Using the formula obtained by solving the inverse problem of the determinant by the minimum right transformation, each of the thrusts to be generated in each of the swivel thrusters for satisfying the control input in the three axis directions is set in each of the x axis direction and the y axis direction. The component thrust distribution is uniquely obtained, and the respective hull motions are controlled by controlling each of the swivel thrusters with the obtained thrust distribution. In addition, the motion response to the control input is linearized by the successive least square method, and the feedback gain is calculated by the optimal regulator for the linear motion response. Thus, the thrust control of the swivel thruster ship is updated so that the feedback gain for performing the inner product with the deviation is updated by the calculated feedback gain. Since there is a method and apparatus, based on the geometrical arrangement of the swivel thrusters equipped on the hull on the hull fixed coordinates, each component of the thrust of each swivel thruster in the x-axis direction and y-axis direction is By solving the inverse problem of the determinant that shows the transmission of longitudinal force, lateral force, and turning moment applied to the hull using minimum right transformation, the hull is desired while holding the hull at a fixed point or keeping the bow direction constant. Generated in each of the above-mentioned swirl thrusters using the three axial control inputs of longitudinal force, lateral force, and turning moment required when moving in the desired direction or turning the hull in the desired left and right directions. The distribution of each component of the thrust to be generated in the x-axis direction and the y-axis direction can be uniquely determined. This makes it possible to convert to a one-input one-output system called uniaxial motion of front and rear, left and right, and turning, and feedback of deviation with respect to each axis. An inherently non-linear system called thrust generated by the operation of each of the above-mentioned swirling thrusters by sequentially linearly approximating the hull motion based on the thrust distribution of the swirling thrusters and solving the optimal regulator problem for each linear input / output system. An optimal feedback system for can be constructed.
(2) Further, in the thrust distribution of each turning thruster obtained by the minimum right conversion, the norm of each component in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust to be generated by each turning thruster is minimized. Therefore, each swivel thruster can obtain a minimum thrust combination. Therefore, a ship equipped with three or more swivel thrusters can be held at a fixed point under the influence of disturbance, or moved in the desired direction of front / rear, left / right and diagonal directions while maintaining the heading, When the head is turned in the desired direction on the left and right, an optimum feedback amount can be obtained, and control can be automated.
(3) Based on the geometrical arrangement of the swivel thrusters on the hull fixed coordinates of a ship having three or more swivel thrusters, the thrust of each swivel thruster in the x-axis direction and y-axis direction In addition to the determinant that shows the transmission of the longitudinal force, lateral force, and turning moment that each component gives to the hull, the determinant is obtained using a transformation matrix that does not include terms related to the thrust of each swivel thruster. It does not include a term related to the thrust of the required single swivel thruster when a control input in the three axial directions of longitudinal force, lateral force, and turning moment required to act on the hull is given. Based on the formula obtained by solving the inverse problem of the determinant using the transformation matrix by the minimum right transformation, the x-axis direction of the thrust to be generated in each of the remaining swirl thrusters except the required one swirl thruster And y By determining the thrust distribution of each component in the direction, if the required swirl thruster cannot be used due to failure, etc., the inverse problem of the determinant excluding the terms related to the swirl thruster is obtained by minimum right conversion. Based on the longitudinal force, lateral force, and turning moment required to be applied to the hull using the solved equations, thrust is applied to each remaining swivel thruster capable of normal operation excluding the required swirl thrusters. Can be allocated. Therefore, even if any one of the swivel thrusters becomes unusable due to a failure or the like, the hull can be held at a fixed point and the desired movement can be reliably performed immediately.

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1乃至図2は本発明の旋回式スラスタ船の制御方法及び装置を示すもので、以下のようにしてある。   1 and 2 show a control method and apparatus for a swivel thruster ship according to the present invention, which are as follows.

すなわち、先ず、図2に示す如く、船体1の所要個所に3機以上の旋回式スラスタ2を備えてなる船の船体1上に、重心Gを原点として船首尾方向をx軸方向とし且つ左右船幅方向をy軸方向とする船体固定座標を定め、該船体固定座標上における上記各旋回式スラスタ2について、それぞれの推力のx軸方向成分をT1,3,5,…,n−1、y軸方向成分をT2,4,6,…,nと設定する。 That is, first, as shown in FIG. 2, on the hull 1 of a ship provided with three or more turning thrusters 2 at a required portion of the hull 1, the center of gravity G is the origin, the bow-tail direction is the x-axis direction, and left and right Hull fixed coordinates with the ship width direction as the y-axis direction are defined, and the x-axis direction components of the thrusts of each of the turning thrusters 2 on the hull fixed coordinates are T 1, 3, 5,. , Y-axis direction components are set as T 2, 4, 6,..., N.

次に、図1に示す如く、制御目標として、保持すべき状態量もしくは希望する移動方向に関する、位置(X,Y)と、方位(ψ)と、回頭速度(r)と、前後速度(u)と、左右速度(v)が与えられると(ステップ1:S1)、調節部3にて、その時点でGPS、ジャイロコンパス、流速計等の各種のセンサーから得られる状態量としての位置(Xk+1,Yk+1)と、方位(ψk+1)と、回答速度(rk+1)と、前後速度(uk+1)と、左右速度(vk+1)との偏差をそれぞれとり(ステップ2:S2)、その偏差をゼロとするための状態量ベクトルについて、
k+1→k
とおいて、X(k),Y(k),ψ(k),r(k),u(k),v(k)を更新する(ステップ3:S3)。
Next, as shown in FIG. 1, as a control target, a position (X S , Y S ), a direction (ψ S ), a turning speed (r S ), and a state quantity to be held or a desired moving direction, When the longitudinal speed (u S ) and the left and right speed (v S ) are given (step 1: S 1), the adjustment unit 3 is a state obtained from various sensors such as GPS, gyrocompass, and current meter at that time. Deviations of position (X k + 1 , Y k + 1 ), direction (φ k + 1 ), answer speed (r k + 1 ), front-rear speed (u k + 1 ), and left-right speed (v k + 1 ) as quantities are taken (steps). 2: S2), about the state quantity vector for making the deviation zero,
k + 1 → k
Then, X (k), Y (k), ψ (k), r (k), u (k), v (k) are updated (step 3: S3).

次いで、上記偏差とフィードバックゲインの内積から、船体1に作用させる前後力X、横力Y、回頭モーメントNの3軸方向の制御入力F,F,Fを、以下の式で求める(ステップ4:S4)。

Figure 2009179087
Next, from the inner product of the deviation and the feedback gain, the control inputs F X , F Y , and F N in the three axial directions of the longitudinal force X, lateral force Y, and turning moment N applied to the hull 1 are obtained by the following equations ( Step 4: S4).
Figure 2009179087

その後、上述したように船体1の重心Gを原点とする船体固定座標上における上記各旋回式スラスタ2の推力のx軸方向成分T1,3,…,n−1及びy軸方向成分をT2,4,…,nとを設定した条件の下で、本発明者が先の出願(特願2007−021389号)で提案している手法と同様の手法により、上記各旋回式スラスタ2の船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタ2の推力のx軸方向とy軸方向の各成分T1,2,…,nと、これらの推力が船体1に与える前後力X、横力Y、回頭モーメントNのそれぞれに関する制御力F,F,Fとの伝達を示す以下の行列式を求め、

Figure 2009179087
この式から最小右変換により、各旋回式スラスタ1の推力配分を求める式を導出する。 After that, as described above, the x-axis direction components T 1, 3,..., N−1 and y-axis direction components of the thrust of each of the swivel thrusters 2 on the hull fixed coordinates with the center of gravity G of the hull 1 as the origin are expressed as T Under the conditions where 2, 4,..., N are set, the above-described swirl thrusters 2 are formed by the same method as the method proposed by the present inventor in the previous application (Japanese Patent Application No. 2007-021389). .., N in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust of each swivel thruster 2 and these thrusts are applied to the hull 1 based on the geometrical arrangement on the hull fixed coordinates. seeking longitudinal force X, lateral force Y, the control force F X for each turning moment N, F Y, the following matrix equation showing the transmission of the F N to give,
Figure 2009179087
From this equation, an equation for obtaining the thrust distribution of each swivel thruster 1 is derived by minimum right conversion.

具体的には、上記行列式を、
F=PT
と置いた場合に、最小右変換により
T=P(PP−1
となる行列式を導出することで、上記F、すなわち、3軸方向の制御入力F,F,Fについて或る値が与えられると、上記T、すなわち、各旋回式スラスタ2の推力のx軸方向及びy軸方向の各成分T1,2,…,nの配分を、1つの組合せとして定められるようにする(ステップ5:S5)。
Specifically, the above determinant is
F = PT
, T = P t (PP t ) −1 F
By deriving a determinant such that, given a certain value for F, that is, control inputs F X , F Y , and F N in the three-axis directions, T, that is, the thrust of each swivel thruster 2 , N in the x-axis direction and y-axis direction are determined as one combination (step 5: S5).

上記ステップ5(S5)にて、3軸方向の所望の制御入力F,F,Fを満足させるべく上記各旋回式スラスタ2の推力のx軸方向成分T1,3,…,n−1及びy軸方向成分をT2,4,…,nの配分が1つに定められると、各旋回式スラスタ2にて、要求される推力のx軸方向成分T1,3,…,n−1及びy軸方向成分をT2,4,…,nを与えるための首振り角と、該首振り角方向への推力が1つに定まるため、この決定された首振り角と推力が得られるように上記各旋回式スラスタ2の運転を制御することで、船体運動を行わせるようにする(ステップ6:S6)。 In step 5 (S5), the x-axis direction components T 1, 3,..., N of the thrust of each swivel thruster 2 to satisfy desired control inputs F X , F Y , F N in the three axial directions. −1 and y-axis direction components T 2, 4,..., N are determined to be one, the respective thrust thrusters 2 have x-axis direction components T 1, 3,. Since the swing angle for giving the n-1 and y-axis direction components T 2, 4,..., n and the thrust in the swing angle direction are determined as one, this determined swing angle and thrust Is controlled by controlling the operation of each of the swivel thrusters 2 (step 6: S6).

上記ステップ6(S6)にて船体運動を行わせた後は、GPS、ジャイロコンパス、流速計等の各種センサーから船体運動後の位置(Xk+1,Yk+1)と、方位(ψk+1)と、回頭速度(rk+1)と、前後速度(uk+1)と、左右速度(vk+1)の状態量を得て(ステップ7:S7)、この得られた船体運動後の状態量を、上記ステップ2(S2)にフィードバックすることで、上記調節部3にて、ステップ1(S1)で保持すべき状態量もしくは希望する移動方向に関する状態量との偏差を導くための状態量を更新させる。 After performing the hull motion in the above step 6 (S6), the position (X k + 1 , Y k + 1 ) and the direction (ψ k + 1 ) after the hull motion from various sensors such as GPS, gyrocompass, and current meter, The state quantities of the turning speed (r k + 1 ), the front-rear speed (u k + 1 ), and the left-right speed (v k + 1 ) are obtained (step 7: S7). By feeding back to (S2), the adjusting unit 3 updates the state quantity for deriving the deviation from the state quantity to be held in step 1 (S1) or the state quantity relating to the desired moving direction.

更に、上記ステップ3(S3)で更新された状態量ベクトルX(k),Y(k),ψ(k),r(k),u(k),v(k)と、上記ステップ4(S4)で求められる3軸方向の制御入力F,F,F、及び、上記ステップ7(S7)で得られる船体運動後の状態量から、制御入力F,F,Fに対する運動応答を表すモデル(A,B等)を、逐次近似最小自乗法により以下のように更新し(ステップ8:S8)、

Figure 2009179087
しかる後、最適レギュレータの計算によりフィードバックゲインを更新するようにする(ステップ9:S9)。 Further, the state quantity vectors X (k), Y (k), ψ (k), r (k), u (k), v (k) updated in step 3 (S3), and step 4 ( From the control inputs F X , F Y , F N in the three-axis directions obtained in S4) and the state quantity after the hull movement obtained in Step 7 (S7), the control inputs F X , F Y , F N A model (A X , B X, etc.) representing the motion response is updated by the successive approximation least square method as follows (step 8: S8),
Figure 2009179087
Thereafter, the feedback gain is updated by calculation of the optimum regulator (step 9: S9).

具体的には、一例として、たとえば、前後方向軸については、

Figure 2009179087
を、
Figure 2009179087
とするとき、評価関数J
Figure 2009179087
を最小とする入力のためのフィードバックゲインは、
Figure 2009179087
となる。
ここで、Rはリカッチ方程式
Figure 2009179087
の解である。 Specifically, for example, for the longitudinal axis, for example,
Figure 2009179087
The
Figure 2009179087
If the evaluation function J r :
Figure 2009179087
The feedback gain for the input that minimizes
Figure 2009179087
It becomes.
Where R is the Riccati equation
Figure 2009179087
Is the solution.

上記のようにしてステップ9(S9)にて最適レギュレータにより更新されたフィードバックゲインが求められると、これを上記ステップ4(S4)へ戻して、次回、該ステップ4(S4)にて、偏差とフィードバックゲインの内積から、船体1に作用させる前後力X、横力Y、回頭モーメントNの3軸方向の制御入力F,F,Fを求める際における上記フィードバックゲインの値を更新させるようにする。 When the feedback gain updated by the optimum regulator is obtained in step 9 (S9) as described above, this is returned to step 4 (S4), and next time in step 4 (S4), the deviation and From the inner product of the feedback gain, the value of the feedback gain is updated when the control inputs F X , F Y , and F N in the three axial directions of the longitudinal force X, the lateral force Y, and the turning moment N that are applied to the hull 1 are obtained. To.

したがって、その後は、上記ステップ2(S2)で、上記ステップ7(S7)で得られる船体運動後の状態量と、ステップ1(S1)にて与えられている船体1の保持すべき状態量もしくは船体1の希望する移動方向に関する状態量との偏差を再び求め、その偏差に基いて上記ステップ3(S3)からステップ9(S9)を経て、船の移動方向と各旋回式スラスタ2に要求される推力とを1対1に対応させて、この要求された推力で該各旋回式スラスタを運転することで船体運動を行わせると共に、該船体運動後の状態量のフィードバックと、逐次近似最小自乗法による運動応答の線形化及び線形最適レギュレータにより演算されるフィードバックゲインの更新とを行う手順を順次繰り返すことで、上記ステップ1(S1)にて与えられている制御目標に一致させるための各旋回式スラスタ2への推力配分が行われて、該各旋回式スラスタ2の運転が制御されるようにしてある。   Therefore, after that, in the step 2 (S2), the state quantity after the hull movement obtained in the step 7 (S7) and the state quantity to be held in the hull 1 given in the step 1 (S1) or The deviation from the state quantity relating to the desired moving direction of the hull 1 is obtained again, and the moving direction of the ship and each swivel thruster 2 are requested based on the deviation through the above step 3 (S3) to step 9 (S9). The corresponding thrust is made to correspond one-to-one, and each hull-type thruster is operated with the required thrust to cause the hull motion, and the feedback of the state quantity after the hull motion and the successive approximation minimum It is given in the above step 1 (S1) by sequentially repeating the procedure of linearizing the motion response by multiplication and updating the feedback gain calculated by the linear optimum regulator. And thrust allocation is performed for each pivoting thrusters 2 to match the control target, the operation of the respective swiveling thruster 2 are to be controlled.

このように、本発明の3機以上の旋回式スラスタを有する船の制御方法及び装置によれば、上記ステップ5(S5)にて、船体1に装備された各旋回式スラスタ2の船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタ2の推力のx軸方向とy軸方向の各成分T1,2,…,nと、該推力が船体1に与える前後力X、横力Y、回頭モーメントNのそれぞれに関する制御力F,F,Fとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換を用いて解くことで、船体1を定点保持させたり、船首方向を一定に保持したまま船体1を所望の方向へ移動させたり、左右の所望する方向へ船体1を回頭させる場合に必要とされる3軸方向の制御入力F,F,Fを変数として、上記各旋回式スラスタ2にて発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分(T,T,・・・T)の配分を一意に定めることができるため、前後、左右、回頭のそれぞれ一軸運動と、それら各軸に対する偏差のフィードバックと云う一入力一出力系に変換することができる。したがって、この一入力一出力系として求められた各旋回式スラスタ2の推力配分について、短時間内の運動であれば、物理現象は線形化できるという性質を基に、或る短時間内での船体1の運動を逐次線形近似し、その線形入出力系に対して最適レギュレータ問題を逐次解くことで、上記各旋回式スラスタ2の運転によって発生させる推力という本来非線形な系に対する最適フィードバックシステムを構築することができて、上記船の定点保持や操舵を自動化することが可能になる。 Thus, according to the control method and apparatus for a ship having three or more swivel thrusters according to the present invention, the hull fixed coordinates of each swivel thruster 2 mounted on the hull 1 in step 5 (S5). Based on the geometrical arrangement above, each component T 1, 2,..., N in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust of each swivel thruster 2 and the longitudinal force X applied to the hull 1 by the thrust By solving the inverse problem of the determinant indicating the transmission with the control forces F X , F Y , and F N regarding the lateral force Y and the turning moment N using the minimum right transformation, the hull 1 is held at a fixed point, Triaxial control inputs F X , F Y , F N required for moving the hull 1 in a desired direction while keeping the bow direction constant or turning the hull 1 in a desired direction on the left and right As a variable, the thrust to be generated by each of the swivel thrusters 2 x-axis and y-axis directions of the components (T 1, T 2, ··· T n) for the distribution of can be uniquely determined, before and after, left and right, respectively uniaxial movement of the stem turning, deviation for each of those axes Can be converted into a one-input one-output system called feedback. Therefore, with regard to the thrust distribution of each swivel thruster 2 obtained as this one-input one-output system, if the movement is within a short time, the physical phenomenon can be linearized based on the property that it can be linearized. Establish an optimal feedback system for the inherently nonlinear system of thrust generated by the operation of each swivel thruster 2 by sequentially linearly approximating the motion of the hull 1 and solving the optimal regulator problem for the linear input / output system This makes it possible to automate the fixed point holding and steering of the ship.

又、上記ステップ5(S5)における最小右変換で求められる各旋回式スラスタ2の推力配分では、それぞれ定められる上記各旋回式スラスタ2にて発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分(T,T,・・・T)のノルムが最小となっているため、各旋回式スラスタ2の最小限の推力の組み合わせを得ることができるようになる。 Further, in the thrust distribution of the respective turning thrusters 2 obtained by the minimum right conversion in the step 5 (S5), the thrusts to be generated by the respective turning thrusters 2 respectively determined in the x-axis direction and the y-axis direction are determined. Since the norm of the components (T 1 , T 2 ,... T n ) is minimized, it becomes possible to obtain a minimum thrust combination of each swivel thruster 2.

以上により、上記3機以上の旋回式スラスタ2を装備してなる船を、外乱の影響下にて定点保持させたり、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ移動させたり、左右の希望する方向へ回頭させる場合に最適なフィードバック量を得ることができるようになる。   As described above, a ship equipped with three or more swivel thrusters 2 can be held in a fixed point under the influence of a disturbance, or moved in the desired direction of front, back, left, right, and diagonal while maintaining the heading. Or an optimum amount of feedback can be obtained when the head is turned in the desired direction on the left and right.

なお、上記ステップ5(S5)では、すべての旋回式スラスタが正常運転可能であることを前提として、上記各旋回式スラスタ2の船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、上記各旋回式スラスタ2の推力のx軸方向とy軸方向の各成分T1,2,…,nと、これらの推力が船体1に与える前後力X、横力Y、回頭モーメントNのそれぞれに関する制御力F,F,Fとの伝達を示す変換マトリックスPを用いた行列式を求め、この逆問題を最小右変換法で解くことで、すべての旋回式スラスタ2の推力配分を求めるようにしているが、1つずつの旋回式スラスタ2について、その旋回式スラスタ2に関連する項を除いた状態で、残りの旋回式スラスタ2の推力のx軸方向とy軸方向の各成分Tと、これらの推力が船体1に与える前後力X、横力Y、回頭モーメントNのそれぞれに関する制御力F,F,Fとの伝達を示すマトリックスPを予め用意しておくことにより、故障等により使用不能な旋回式スラスタ2が生じた場合には、上記ステップ5(S5)で用いる変換マトリックスPを、該使用不能な旋回式スラスタ2に関連する項を除いた状態で予め求めてある変換マトリックスPと入れ替えることにより、上記使用不能な旋回式スラスタ2を除く残りの正常運転可能な各旋回式スラスタ2を対象とする推力配分を容易に求めることができる。よって、故障等による使用不能な旋回式スラスタ2が生じた場合であっても、直ちに且つ容易に対応することが可能になる。 In step 5 (S5), on the assumption that all the swivel thrusters can be operated normally, each swivel thruster 2 is based on the geometrical arrangement on the hull fixed coordinates. , N in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust of the thruster 2, and the control forces relating to the longitudinal force X, lateral force Y, and turning moment N applied to the hull 1 by these thrusts By obtaining a determinant using a transformation matrix P indicating transmission with F X , F Y , and F N and solving this inverse problem by the minimum right transformation method, the thrust distribution of all the swivel thrusters 2 is obtained. However, for each swivel thruster 2, each component T in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust of the remaining swirl thruster 2 is excluded, except for the terms related to the swirl thruster 2. These thrusts are applied to the hull 1. Longitudinal force X, lateral force Y, the control force F X for each turning moment N, F Y, by previously preparing a matrix P that indicates the transmission of the F N, non swiveling thruster used due to a failure or the like that When 2 occurs, the conversion matrix P used in step 5 (S5) is replaced with the conversion matrix P obtained in advance in a state excluding the terms related to the unusable swivel thruster 2. It is possible to easily determine the thrust distribution for the remaining swivel thrusters 2 that can be operated normally except for the unusable swivel thrusters 2. Therefore, even when the unusable swivel thruster 2 occurs due to a failure or the like, it is possible to cope with it immediately and easily.

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、船体1に3機以上の旋回式スラスタ2を有する船であれば旋回式スラスタ2の数は任意でよく、又、作業船、浮体、その他いかなる型式の船にも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。   Note that the present invention is not limited to the above embodiment, and any number of swivel thrusters 2 may be used as long as the ship has three or more swivel thrusters 2 in the hull 1. Needless to say, the present invention can be applied to a ship, a floating body, and any other type of ship, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、制御操作のフローを示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a flow of control operation according to an embodiment of a thrust control method and apparatus for a turning thruster ship of the present invention. 図1の推力制御方法の対象となる3機以上の旋回式スラスタを装備した船の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the ship equipped with the 3 or more turning type thruster used as the object of the thrust control method of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 船体
2 旋回式スラスタ
X 前後力
Y 横力
N 回頭モーメント
,T,・・・,T 旋回式スラスタの推力のx軸方向とy軸方向の各成分
1 hull 2 pivoting thruster X longitudinal force Y lateral force N turning moment T 1, T 2, ···, T n pivoting each component of the x-axis and y-axis directions of the thrust of the thruster

Claims (3)

3機以上の旋回式スラスタを有する船を、定点保持、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させ、更に、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力を求め、次に、上記3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記3軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を一意的に求めて、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することで船体運動を行わせ、この船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新するようにすることを特徴とする旋回式スラスタ船の推力制御方法。   Move a ship with three or more swivel thrusters at a desired moving speed in the desired direction of front / rear, left / right, and diagonal while maintaining the fixed point or holding the heading, and also in the left / right desired direction Given a control target that is required to act on the hull to turn at the desired turning speed, the deviation is reduced to zero from the deviation from the current state quantity of the ship and the inner product of the feedback gain. To obtain the control inputs in the three axial directions of longitudinal force, lateral force, and turning moment that are required to be applied to the hull, and then to the hull fixed coordinates of a ship having three or more swivel thrusters Based on the geometrical arrangement of each of the swivel thrusters above, transmission of the longitudinal force, lateral force, and turning moment that the components of the thrust of each swivel thruster in the x-axis direction and y-axis direction exert on the hull Line indicating Using the formula obtained by solving the inverse problem of the formula by the minimum right transformation, each component of the thrust in the x-axis direction and y-axis direction of the thrust to be generated by each of the swivel thrusters to satisfy the control input in the three-axis direction is calculated. The thrust distribution is uniquely obtained, and the respective hull motions are performed by controlling each of the swivel thrusters with the obtained thrust distribution, and the state quantity of the ship that is changed by the hull movement is determined with respect to the control target. Feed back to the state quantity to obtain the deviation, and further linearize the motion response to the control input by the successive approximation least square method, and calculate the feedback gain by the optimal regulator for the linear motion response, A swiveling thruster characterized in that a feedback gain for performing an inner product with the deviation is updated by a calculated feedback gain. Thrust control method of. 3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式に加えて、1つずつの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた行列式を求めておき、船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力が与えられるときに、所要の1つの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を基に、上記所要の1つの旋回式スラスタを除いた残りの各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を求めるようにする請求項1記載の旋回式スラスタ船の推力制御方法。   Based on the geometrical arrangement of each swivel thruster on the fixed hull coordinates of a ship having three or more swivel thrusters, each component of the thrust of each swivel thruster in the x-axis direction and y-axis direction is In addition to the determinant that shows the transmission of longitudinal force, lateral force, and turning moment applied to the hull, a determinant using a transformation matrix that does not include terms related to the thrust of each swivel thruster, A conversion matrix that does not include a term related to the thrust of one required swivel thruster when given three-axis control inputs of longitudinal force, lateral force, and turning moment required to be applied to the hull. Based on an equation obtained by solving the inverse problem of the determinant used by the minimum right transformation, the x-axis direction and the y-axis of the thrust to be generated in each of the remaining swirl thrusters except the required one swirl thruster direction Thrust control method according to claim 1, wherein the pivoting thruster vessels to determine a thrust distribution of each component. 船体に3機以上の旋回式スラスタを有し、且つ、上記各旋回式スラスタの推力配分を求める制御部を備えて、該制御部は、上記船を、定点保持させるか、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させるか、又は、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの3軸方向の制御入力を求めると共に、上記3機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のx軸方向及びy軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記3軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のx軸方向及びy軸方向の各成分の推力配分を一意的に求め、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することができるようにしてあり、且つ上記推力配分で上記各旋回式スラスタを制御した場合に生じる船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新する機能を有するようにしてなる構成を有することを特徴とする旋回式スラスタ船の推力制御装置。   The hull has three or more swivel thrusters and a control unit for obtaining thrust distribution of each of the swivel thrusters. The control unit holds the ship at a fixed point or changes the heading. It is required to move in the desired direction of front / rear, left / right and diagonal directions while holding it, or to act on the hull to turn at the desired turning speed in the left / right desired direction. Given a control target, the longitudinal force and lateral force required to be applied to the hull to make the deviation zero from the deviation between the state quantity of the ship at that time and the inner product of the feedback gain In addition to obtaining control inputs in three axial directions of the turning moment, each swivel type is determined based on the geometrical arrangement of the swivel thrusters on the hull fixed coordinates of a ship having three or more swivel thrusters. Suras Using the formula obtained by solving the inverse problem of the determinant that shows the transmission of the longitudinal force, lateral force, and turning moment that the components of the thrust of the x-axis and y-axis give to the hull by the minimum right transformation, the three axes The thrust distribution of each component in the x-axis direction and the y-axis direction of the thrust to be generated by each of the swivel thrusters for satisfying the direction control input is uniquely obtained, and each of the swivel formulas is determined by the obtained thrust distribution. The thruster can be controlled, and the state quantity of the ship that changes due to the hull motion that occurs when each turning thruster is controlled by the thrust distribution is obtained to obtain a deviation from the control target. In addition, the motion response to the control input is linearized by the successive least square method, and the linear motion response is fed back by an optimal regulator. Thrust control of a swivel thruster ship, which has a function of updating a feedback gain for performing an inner product with the deviation based on the calculated feedback gain apparatus.
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