JP2011189884A - Automatic steering device, automatic steering method, and automatic steering program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主として自動操舵装置に関する。詳細には、自動操舵装置において、制御用のパラメータを同定するための構成に関する。 The present invention mainly relates to an automatic steering apparatus. Specifically, the present invention relates to a configuration for identifying a control parameter in an automatic steering apparatus.
一般的な船舶は、操舵を行ってから船体が旋回を始めるまでには、ある程度の時間が掛かる。また船体がいったん旋回を開始すると、舵を中立位置に戻した後もしばらくのあいだ旋回を続けてしまうため、所望の針路を取るためには早めに舵を戻す必要がある。このように、船舶の操舵には独特の難しさがあり、船首を所望の方位に向けるという操作を確実かつ迅速に行うには相当の熟練を要する。また、洋上では波や風等の外乱の影響があるため、船体を直進させるためには前記外乱を打ち消すように操舵を行う必要がある。しかし、前述のような操舵の難しさがあるため、単に船体を直進させるというだけでも相当の集中力を必要とし、操舵者にとって負担となる。 In general ships, it takes a certain amount of time until the hull starts turning after steering. Further, once the hull starts turning, the turning continues for a while after the rudder is returned to the neutral position. Therefore, the rudder needs to be returned early in order to take a desired course. Thus, there is a unique difficulty in steering a ship, and considerable skill is required to perform the operation of turning the bow in a desired direction reliably and quickly. Further, since there is an influence of disturbances such as waves and winds on the ocean, it is necessary to perform steering so as to cancel the disturbances in order to advance the hull straight. However, because of the difficulty of steering as described above, even if the ship is simply moved straight, a considerable concentration is required, which is a burden on the steering person.
船舶用自動操舵装置(オートパイロット)は、上記のような操舵者の負担を軽減するために船舶に搭載されるものである。一般的な自動操舵装置は、船首を向けるべき方位(設定針路)を目標値として入力するように構成されており、操作要素としての操舵機を操作して舵角を自動的に変更することにより、制御量である船首方位が前記設定針路と一致するように制御を行う。なお、この制御は、フィードフォワード制御やフィードバック制御等の公知の制御手法によって行うことができる。 The marine vessel automatic steering device (autopilot) is mounted on a marine vessel in order to reduce the burden on the steering person as described above. A general automatic steering device is configured to input a heading (setting course) to which the bow should be directed as a target value. By operating a steering machine as an operation element, the steering angle is automatically changed. Then, control is performed so that the heading as a control amount coincides with the set course. This control can be performed by a known control method such as feedforward control or feedback control.
ところで、上記のような自動操舵装置において操舵機が適切に操作されるためには、各種の制御パラメータが適切に設定されている必要がある。しかし、船の運動特性は、船速や積荷状況等によって大きく変化するものである。従って、仮に前記制御パラメータが固定値とされていると、適切な制御を行うことができない状況が発生し得る。そこで、状況に応じて前記制御パラメータを自動的に変更するように構成された、いわゆる適応型の自動操舵装置が提案されている。 By the way, in order to properly operate the steering machine in the automatic steering apparatus as described above, various control parameters need to be appropriately set. However, the kinematic characteristics of the ship vary greatly depending on the ship speed and the load situation. Therefore, if the control parameter is set to a fixed value, a situation where appropriate control cannot be performed may occur. In view of this, a so-called adaptive automatic steering device has been proposed which is configured to automatically change the control parameter in accordance with the situation.
このような自動操舵装置は、例えば特許文献1に記載されている。特許文献1は、参照針路に対する船首方位の偏差に基づいて、船舶の特性を定めるパラメータを演算する同定演算部を備えた構成を開示している。特許文献1は、これにより、船舶の特性を考慮した最適な変針軌道計画が実現可能であるとしている。
Such an automatic steering device is described in
しかし、特許文献1の構成では、旋回力指数及び追従安定性指数の推定値を算出するために、変針中の一期間である変速モードの開始時及び終了時における前記偏差の値が必要となる。従って、特許文献1の構成では、保針時に船体の運動特性が動的に変化したとしても、次に変針動作を行うまでは新しいパラメータを演算することができない。また、特許文献1の構成では、変針時であっても、等速モードで十分長い時間が経過するまでは旋回力指数を正確に求めることができない。従って、特許文献1の構成では、船体の運動特性が動的に変化した場合に、当該変化を各種パラメータに対して即座に反映することができないと考えられる。
However, in the configuration of
また、特許文献1は、推定したパラメータ(旋回性指数及び追従安定性指数)をフィードバック制御器にフィードバックし、この推定パラメータを用いて求めた適当なゲイン又は定数を与える旨を開示している。しかし、これらのゲイン又は定数も前記推定パラメータを用いて求めている以上、船体の運動特性が動的に変化した場合に、当該変化を前記ゲイン又は定数に対して即座に反映することができない。
Further,
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、船体の動的な特性変化に応じて即座に各種パラメータを変更することができる自動操舵装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object of the present invention is to provide an automatic steering device that can immediately change various parameters in accordance with a dynamic characteristic change of a hull. .
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。 The problems to be solved by the present invention are as described above. Next, means for solving the problems and the effects thereof will be described.
本発明の第1の観点によれば、船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵装置であって、以下の構成の自動操舵装置が提供される。即ち、この自動操舵装置は、フルード数算出部と、舵角制御部と、を備える。前記フルード数算出部は、船速と船体長とからフルード数を算出する。前記舵角制御部は、前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する。 According to a first aspect of the present invention, there is provided an automatic steering device that outputs a command rudder angle with respect to a steering machine so that a heading coincides with a set course, and has the following configuration. That is, the automatic steering apparatus includes a fluid number calculation unit and a steering angle control unit. The fluid number calculation unit calculates the fluid number from the ship speed and the hull length. The rudder angle control unit determines a control parameter based on the fluid number, and determines the command rudder angle based on the control parameter.
このように、フルード数に基づいて制御パラメータを決定することにより、船体の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数は船速と船体長から即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数は船体長を利用して船速を無次元化した数であるので、フルード数が同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数を用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角を出力することができる。 Thus, by determining the control parameter based on the number of fluids, it is possible to obtain a control parameter suitable for the state of the hull. Further, since the fluid number can be immediately calculated from the ship speed and the hull length, a control parameter corresponding to the change in the situation can be obtained immediately. Furthermore, since the number of fluids is a number obtained by making the ship speed dimensionless using the hull length, it is considered that ships with the same fluid number have similar motion characteristics even if the size of the hull is different. it can. Therefore, by determining the control parameter using the Froude number, it is possible to output an appropriate command steering angle for any size hull.
前記の自動操舵装置において、前記舵角制御部は、変針時にフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部と、保針時にフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、を備えることが好ましい。 In the automatic steering apparatus, it is preferable that the rudder angle control unit includes a feedforward control unit that performs feedforward control at the time of needle change and a feedback control unit that performs feedback control at the time of needle holding.
即ち、変針時にフィードフォワード制御を行うことにより、変針時の舵角変更の応答性を向上させることができる。また、保針時にはフィードバック制御を行うことにより、針路を安定させて船体の直進性を向上させることができる。 That is, by performing feedforward control at the time of changing the needle, it is possible to improve the responsiveness of changing the steering angle at the time of changing the needle. Further, by performing feedback control during the course of keeping the needle, it is possible to stabilize the course and improve the straightness of the hull.
前記の自動操舵装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記舵角制御部は、フィードフォワード制御部と、参照針路決定部と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部と、を備える。前記フィードフォワード制御部は、変針時にフィードフォワード制御を行う。前記参照針路決定部は、変針後の設定針路と、前記フルード数と、に基づいて参照針路を決定する。前記フィードフォワード用制御パラメータ決定部は、前記フルード数に基づいて旋回性指数及び追従性指数を決定する。そして、前記フィードフォワード制御部は、前記参照針路と、前記旋回性指数及び追従性指数と、に基づいて、前記フィードフォワード制御を行う。 The automatic steering device is preferably configured as follows. That is, the steering angle control unit includes a feedforward control unit, a reference course determination unit, and a feedforward control parameter determination unit. The feedforward control unit performs feedforward control at the time of a change of needle. The reference course determining unit determines a reference course based on the set course after the course change and the fluid number. The feedforward control parameter determination unit determines a turning index and a tracking index based on the fluid number. The feedforward control unit performs the feedforward control based on the reference course, the turnability index, and the followability index.
このように、フルード数に基づいて各パラメータ(参照針路、旋回性指数及び追従性指数)を決定することにより、船体の状況に応じて適切に旋回動作を行うことができる。 Thus, by determining each parameter (reference course, turning index and followability index) based on the Froude number, it is possible to appropriately perform a turning operation according to the state of the hull.
前記の自動操舵装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記舵角制御部は、フィードバック制御部と、PID制御用制御パラメータ決定部と、PID制御用制御パラメータ補正部と、を備える。前記フィードバック制御部は、保針時にPID制御を行う。前記PID制御用制御パラメータ決定部は、前記フルード数に基づいてPID制御用制御パラメータを決定する。前記PID制御用制御パラメータ補正部は、船体の回頭角速度と、前記フルード数と、に基づいてPID制御の補正パラメータを決定する。そして、前記フィードバック制御部は、前記補正パラメータによって補正された前記PID制御用制御パラメータを用いて、前記PID制御を行う。 The automatic steering device is preferably configured as follows. That is, the rudder angle control unit includes a feedback control unit, a PID control parameter determination unit, and a PID control parameter correction unit. The feedback control unit performs PID control when the needle is held. The control parameter determining unit for PID control determines a control parameter for PID control based on the fluid number. The control parameter correction unit for PID control determines a correction parameter for PID control based on the turning angular velocity of the hull and the fluid number. The feedback control unit performs the PID control using the PID control parameter corrected by the correction parameter.
即ち、PID制御は、外乱によって変動する制御値を目標値に一致させる制御として特に有効であるので、上記のように保針時の制御に用いることが好適である。また、PID制御パラメータをフルード数に基づいて決定することにより、船の状況に適合したPID制御を行うことができる。また、回頭角速度に基づいてPID制御の補正パラメータを算出することにより、例えば波や風などによる外乱を適切に抑圧できる。 That is, since PID control is particularly effective as control for matching a control value that varies due to disturbance to a target value, it is preferable to use it for control during needle holding as described above. Further, by determining the PID control parameter based on the fluid number, PID control suitable for the situation of the ship can be performed. Further, by calculating a correction parameter for PID control based on the turning angular velocity, it is possible to appropriately suppress disturbance due to, for example, waves or winds.
本発明の第2の観点によれば、船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵プログラムであって、以下のステップを含む処理を自動操舵装置に実行させる自動操舵プログラムが提供される。即ち、この自動操舵プログラムは、フルード数算出ステップと、舵角制御ステップと、を含む。前記フルード数算出ステップにおいては、船速と船体長とからフルード数を算出する。前記舵角制御ステップにおいては、前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided an automatic steering program for outputting a command rudder angle for a steering machine so that the heading coincides with a set course, and causes the automatic steering apparatus to execute processing including the following steps: An automatic steering program is provided. That is, the automatic steering program includes a fluid number calculation step and a steering angle control step. In the fluid number calculation step, the fluid number is calculated from the ship speed and the hull length. In the steering angle control step, a control parameter is determined based on the fluid number, and the command steering angle is determined based on the control parameter.
このように、フルード数に基づいて制御パラメータを決定することにより、船体の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数は船速と船体長から即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数は船体長を利用して船速を無次元化した数であるので、フルード数が同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数を用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角を出力することができる。 Thus, by determining the control parameter based on the number of fluids, it is possible to obtain a control parameter suitable for the state of the hull. Further, since the fluid number can be immediately calculated from the ship speed and the hull length, a control parameter corresponding to the change in the situation can be obtained immediately. Furthermore, since the number of fluids is a number obtained by making the ship speed dimensionless using the hull length, it is considered that ships with the same fluid number have similar motion characteristics even if the size of the hull is different. it can. Therefore, by determining the control parameter using the Froude number, it is possible to output an appropriate command steering angle for any size hull.
本発明の第3の観点によれば、船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵方法であって、以下の工程を含む自動操舵方法が提供される。即ち、この自動操舵方法は、フルード数算出工程と、舵角制御工程と、を含む。前記フルード数算出工程においては、船速と船体長とからフルード数を算出する。前記舵角制御工程においては、前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided an automatic steering method for outputting a command rudder angle with respect to a steering machine so that a heading coincides with a set course, which includes the following steps. That is, this automatic steering method includes a fluid number calculation step and a rudder angle control step. In the fluid number calculation step, the fluid number is calculated from the ship speed and the hull length. In the rudder angle control step, a control parameter is determined based on the fluid number, and the command rudder angle is determined based on the control parameter.
このように、フルード数に基づいて制御パラメータを決定することにより、船体の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数は船速と船体長から即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数は船体長を利用して船速を無次元化した数であるので、フルード数が同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数を用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角を出力することができる。 Thus, by determining the control parameter based on the number of fluids, it is possible to obtain a control parameter suitable for the state of the hull. Further, since the fluid number can be immediately calculated from the ship speed and the hull length, a control parameter corresponding to the change in the situation can be obtained immediately. Furthermore, since the number of fluids is a number obtained by making the ship speed dimensionless using the hull length, it is considered that ships with the same fluid number have similar motion characteristics even if the size of the hull is different. it can. Therefore, by determining the control parameter using the Froude number, it is possible to output an appropriate command steering angle for any size hull.
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。 Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本発明の一実施形態に係る船舶用自動操舵装置を用いた自動操舵システムを示す。この自動操舵システムは、自動操舵装置1と、操舵機2と、船体3と、方位センサ4と、を含んでいる。なお、自動操舵装置1、操舵機2及び方位センサ4は、船体3に搭載されている。
FIG. 1 shows an automatic steering system using a marine vessel automatic steering apparatus according to an embodiment of the present invention. This automatic steering system includes an
方位センサ4は、船体3の船首方位φを検出し、自動操舵装置1に出力するように構成されている。
The
自動操舵装置1には、操舵者が設定針路φc(船体が進むべき方位)を入力することができるように構成されている。そして、自動操舵装置1は、制御量としての船首方位φを目標値としての設定針路φcに一致させるべく、操舵機2の舵角Uを指定する命令舵角信号(命令舵角)Ucを出力する。
The
操舵機2は、命令舵角信号Ucに応じて舵角Uを変更するように構成されている。この舵角Uを適宜調節することにより、航行中の船体3の船首方位φを制御することができる。
以上の構成により、船体3の船首方位φを設定針路φcに一致させるように制御することができる。
With the above configuration, the heading azimuth φ of the
次に、自動操舵装置1の構成について詳しく説明する。
Next, the configuration of the
本実施形態の自動操舵装置1は、CPU,ROM,RAM等のハードウェア(図略)と、前記ROMに記憶された自動操舵プログラム等のソフトウェアと、から構成されている。
The
前記自動操舵プログラムは、本発明に係る自動操舵方法を、自動操舵装置1によって実現するためのものである。この自動操舵方法は、参照針路決定工程と、フルード数算出工程と、舵角制御工程と、を含んでいる。
The automatic steering program is for realizing the automatic steering method according to the present invention by the
従って、当該自動操舵方法を実現するための前記自動操舵プログラムは、前記各工程に対応して、参照針路決定ステップと、フルード数算出ステップと、舵角制御ステップと、を含んでいる。そして、前記ハードウェアとソフトウェアとが協働して動作することにより、自動操舵装置1を、参照針路決定部5、フルード数算出部6、舵角制御部7等として機能させることができる。
Therefore, the automatic steering program for realizing the automatic steering method includes a reference course determining step, a fluid number calculating step, and a rudder angle control step in correspondence with the respective steps. Then, when the hardware and software operate in cooperation, the
次に、図2を参照して、自動操舵装置1の機能的な構成を説明する。
Next, the functional configuration of the
操舵者が設定した設定針路φcは、参照針路決定部5に入力される。参照針路決定部5は、入力された設定針路φcに基づいて、参照針路rを決定するように構成されている。なお、この参照針路決定部5における処理内容は、前記自動操舵プログラムの参照針路決定ステップに対応している。
The set course φ c set by the steering person is input to the reference
以下、参照針路rについて説明する。例として、設定針路φcがφc0に設定されており、船体の船首方位φがφc0と一致している場合(船体が方位φc0に向けて直進している場合)について考える。この状態で、操舵者が設定針路をφc1に変更したとする。この場合、自動操舵装置1は、船首方位φが速やかにφc1となるように制御を行わなければならない。しかしながら、操舵機2を急激に操作したからといって、船首方位φをφc0からφc1まで即座に変化させることができる訳ではなく、船体3はある程度の時間を掛けて旋回するものである。従って、舵角Uを無駄に大きくしても、エネルギー損失が増大するばかりで合理的ではない。むしろ、時間を掛けて旋回する船体3の運動に合わせ、ある程度時間を掛けて徐々に舵角Uを増減するように操作することが好ましい。また、いったん旋回を開始した船体3には慣性が働くため、急に舵角Uをゼロ(中立位置)に戻したからといって即座に旋回を停止する訳ではない。従って、船首方位φが目標値であるφc1に達する前から、舵角Uをゼロに戻す操作を開始することが好ましい。このような操作をフィードフォワード制御(後述)で実現するために、命令舵角信号Ucを決定する際に参照する参照針路rが必要となるのである。
Hereinafter, the reference course r will be described. As an example, it is set to preset course phi c is phi c0, consider the case where heading phi of the hull is consistent with phi c0 (if the hull is straight toward the azimuth phi c0). In this state, it is assumed that the steering wheel changes the set course to φ c1 . In this case, the
そこで、参照針路決定部5は、設定針路φcが変更された場合に、船体3が追従できる程度の回頭角速度及び回頭角加速度で変化する参照針路rを算出するように構成されている。例えば、上記のように設定針路がφc0からφc1に変更された場合、参照針路決定部5から出力される参照針路rは、図3のグラフに示すようにφc0からφc1まで時間的に連続して滑らかに変化する。このように、参照針路決定部5は、一種のローパスフィルタとして構成されている。このように時間的に滑らかに変化する参照針路rに基づいて命令舵角信号Ucを決定することにより、舵角Uが滑らかに変化するように操舵機2を操作することができる。
Therefore, the reference
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の自動操舵装置1は、変針モードにおいて、参照針路rの値そのものでは無く、参照針路rの回頭角速度r’(参照針路rの時間に関する1次微分)と、参照針路の回頭角加速度r”(参照針路rの時間に関する2次微分)と、に基づいて命令舵角信号Ucを決定するように構成されている。そこで、参照針路決定部5は、参照針路rの回頭角速度r’と、参照針路の回頭角加速度r”と、を随時算出するように構成されている。参照針路の回頭角速度r’及び参照針路の回頭角加速度r”は、舵角制御部7に入力される。
As will be described in detail later, the
また、前記参照針路rは、偏角算出部8に入力される。偏角算出部8には、方位センサ4が出力する船首方位φが入力されている。偏角算出部8は、参照針路rと船首方位φとの差(偏角φerr)を算出して舵角制御部7に出力するように構成されている。
The reference course r is input to the deflection
舵角制御部7では、参照針路の回頭角速度r’、参照針路の回頭角加速度r”及び偏角φerrに基づいて、前記偏角φerrがゼロとなるように(船首方位φを参照針路rに一致させるように)、操舵機2に対する命令舵角信号Ucを出力する。上記の構成により、船首方位φが設定針路φcと一致するように制御することができる。即ち、船体3を、操舵者が意図した針路で航行させることができる。なお、この舵角制御部7における処理内容は、前記自動操舵プログラムの舵角制御ステップに対応している。舵角制御部7における処理の詳細については後述する。
The rudder
フルード数算出部6は、船体長Lと、現在の船速Vと、に基づいて、フルード数Frを算出するように構成されている。前記船体長Lは、ユーザが予め自動操舵装置1に入力しておく。また、船体3は、船速Vをリアルタイムで検出可能な船速測定部9を備えており、フルード数算出部6はこのリアルタイムで変化する船速Vを用いてフルード数Frを随時算出して出力する。なお、フルード数Frは、流体における慣性力と重力の比を表す数値であり、以下の式で定義される。
Fr=V/(gL)1/2
ここで、gは重力加速度である。
The fluid
Fr = V / (gL) 1/2
Here, g is a gravitational acceleration.
上記フルード数Frは、参照針路決定部5及び舵角制御部7に出力される。このフルード数Frの役割については、後に詳述する。なお、フルード数算出部6における処理内容は、前記自動操舵プログラムのフルード数算出ステップに対応している。
The fluid number Fr is output to the reference
次に、図4を参照して、自動操舵装置1の構成について更に詳しく説明する。
Next, the configuration of the
まず、参照針路決定部5について更に詳しく説明する。前述のように、参照針路決定部5は、一種のローパスフィルタとして構成されている。具体的には、参照針路決定部5は、フィルタ演算部11と、前記フィルタ演算部11における演算に用いるためのフィルタ定数を決定するフィルタ定数決定部12と、を備えている。
First, the reference
フィルタ演算部11には、操舵者によって設定された設定針路φcと、フィルタ定数決定部12が決定したフィルタ定数と、が入力される。フィルタ演算部11は、入力された設定針路φcに対して、前記フィルタ定数を用いたローパスフィルタ処理を行い、最新の参照針路rを算出する。また、フィルタ演算部11は、最新の参照針路rと、過去に算出した参照針路と、を用いて、参照針路の最新の回頭角速度r’及び参照針路の最新の回頭角加速度r”を算出し、舵角制御部7に出力する。
The
ところで、船舶は一般的に、船速Vが大きいほど舵が効き易いという性質がある。また、船舶は一般的に、船体長Lが短いほど舵が効き易い。即ち、一般的に、船舶は、フルード数Fnが大きいほど舵が効き易いと言える。一方で、船速Vは航行中に随時変化するものであるから、舵の効き易さは動的に変化する。ここで、参照針路rは、船体の舵の効き難さ(あるいは効き易さ)を考慮して算出されるべきものであるから、舵の効き難さ(あるいは効き易さ)が変化するのに応じてフィルタ定数を変化させることが好ましい。 By the way, the ship generally has a property that the rudder is more effective as the ship speed V increases. Further, in general, the rudder is more effective as the hull length L is shorter. That is, in general, it can be said that the rudder is more effective as the Froude number Fn is larger. On the other hand, since the ship speed V changes at any time during navigation, the ease of rudder effectiveness changes dynamically. Here, since the reference course r should be calculated in consideration of the difficulty (or ease) of the rudder of the hull, the difficulty (or ease) of the rudder changes. It is preferable to change the filter constant accordingly.
そこで、フィルタ定数決定部12は、フルード数Frに基づいて前記フィルタ定数を決定するように構成されている。具体的には、フィルタ定数決定部12は、フルード数Frが大きいほど(舵が効き易いほど)、図3のグラフが急激に立ち上がるように(参照針路の回頭角速度r’の絶対値が大きくなるように)フィルタ定数を決定する。逆に、フィルタ定数決定部12は、フルード数Frが小さいほど(舵が効きにくいほど)、図3のグラフが緩やかに立ち上がるように(参照針路の回頭角速度r’の絶対値が小さくなるように)フィルタ定数を決定する。このようにして決定したフィルタ定数に基づいて参照針路rを求めているので、参照針路決定部5は、フルード数Frに基づいて参照針路rを求めていると言うことができる。
Therefore, the filter
このように、舵が効き易いときには参照針路rを速やかに変化させ、舵が効きにくいときには参照針路rを緩やかに変化させることができる。即ち、フルード数Frを用いて制御用のパラメータ(上記の例では参照針路r)を求めることにより、船体の実際の運動特性に適合したパラメータを算出することができる。 Thus, the reference course r can be changed quickly when the rudder is effective, and the reference course r can be changed slowly when the rudder is difficult to work. That is, by obtaining the control parameter (reference course r in the above example) using the Froude number Fr, it is possible to calculate a parameter suitable for the actual motion characteristics of the hull.
また、船速Vとフルード数Frとは単純な比例関係にあるので、船速Vが変化すると即座にフルード数Frを求めることができる。このフルード数Frを用いて制御用のパラメータ(上記の例ではフィルタ定数)を決定するように構成することで、船体3の運動特性の変化に応じたパラメータを即座に決定することが可能となる。
Further, since the ship speed V and the fluid number Fr are in a simple proportional relationship, when the ship speed V changes, the fluid number Fr can be obtained immediately. By configuring the control parameter (in the above example, the filter constant) using this fluid number Fr, it is possible to immediately determine a parameter corresponding to the change in the motion characteristics of the
なお、フルード数Frからフィルタ定数を決定する方法としては、フルード数Frとフィルタ定数との関係をテーブルに記憶しておき、フルード数Frに応じたフィルタ定数を前記テーブルから読み出すように構成することができる。この場合、例えば、フルード数Frを変化させながら船体の運動特性を測定する等の実験を行い、最適なフィルタ定数とフルード数との関係をテーブルとして予め記憶しておけば良い。 As a method for determining the filter constant from the Froude number Fr, the relationship between the Froude number Fr and the filter constant is stored in a table, and the filter constant corresponding to the Froude number Fr is read from the table. Can do. In this case, for example, an experiment such as measuring the motion characteristics of the hull while changing the Froude number Fr may be performed, and the relationship between the optimum filter constant and the Froude number may be stored in advance as a table.
ところで、船舶は、船速Vが同じであっても船体のサイズ等が異なれば運動特性が大きく異なるため、フィルタ定数を決定するための前記テーブルは船体ごとに個別に用意することが理想である。しかしながら、実際には、船体ごとに実験を行って上記のテーブルを作成することは大きな手間であり、現実的ではない。一方で、フルード数Frは、船速Vを船体長Lを用いて無次元化した数値であるため、フルード数Frが同じ状態の船舶は、船体のサイズにかかわらず似たような運動特性を有する。即ち、フルード数Frが同じ状態の船舶は、船体のサイズ等にかかわらず同じフィルタ係数を用いることができると考えられる。 By the way, even if the ship speed V is the same, if the size or the like of the hull is different, the motion characteristics are greatly different. Therefore, it is ideal to prepare the table for determining the filter constant individually for each hull. . However, in practice, it is very troublesome to create the above table by conducting an experiment for each hull, which is not practical. On the other hand, the Froude number Fr is a numerical value obtained by making the ship speed V non-dimensional using the hull length L. Therefore, ships with the same Froude number Fr have similar motion characteristics regardless of the size of the hull. Have. In other words, it is considered that ships with the same Froude number Fr can use the same filter coefficient regardless of the size of the hull.
従って、本実施形態のようにフルード数Frに応じてフィルタ定数を決定するように構成すれば、フィルタ定数を決定するためのテーブルを船体ごとに個別に用意する必要が無くなり、最適なフィルタ定数とフルード数Frとの関係を示すテーブルを1つ用意しておけば足りる。このように、フルード数Frに基づいて制御用のパラメータ(上記の例ではフィルタ定数)を決定するように構成することで、自動操舵装置1を設計する際の手間を大幅に削減することができる。
Therefore, if the filter constant is determined according to the Froude number Fr as in this embodiment, it is not necessary to prepare a table for determining the filter constant for each hull, and the optimum filter constant It is sufficient to prepare one table showing the relationship with the fluid number Fr. In this way, by configuring the control parameter (in the above example, the filter constant) to be determined based on the Froude number Fr, it is possible to greatly reduce the time and effort required when designing the
次に、舵角制御部7について詳しく説明する。舵角制御部7は、フィードフォワード制御部21と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22と、フィードフォワード舵角補正部23と、PID制御部24と、PID制御用制御パラメータ決定部25と、PID制御用制御パラメータ補正部26と、を備えている。
Next, the steering
本実施形態の舵角制御部7は、変針モードと保針モードとで処理内容を異ならせるように構成されている。なお、変針モードとは、船体を旋回させるように制御するモードである。具体的には図3に示すように、変針モードは、設定針路φcが変更された時点から開始し、新しく設定された設定針路に対して参照針路rが一致した時点で終了する。一方、保針モードとは、船体の針路を保って直進させるように制御するモードである。具体的には図3に示すように、参照針路rが設定針路φcと一致している期間(変針モード以外の期間)が保針モードである。
The rudder
まず、変針モードにおける制御について説明する。変針モードにおいて、舵角制御部7は、主にフィードフォワード制御を行う。即ち、変針モードにおいては、参照針路rの時間的な変化に合わせて操舵機2を操作する必要があるため、応答性に優れたフィードフォワード制御を行うことが好適なのである。
First, control in the needle changing mode will be described. In the needle changing mode, the rudder
より具体的には、変針モードにおいては、フィードフォワード制御部21と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22と、フィードフォワード舵角補正部23と、が機能する。一方、この変針モードにおいては、PID制御部24と、PID制御用制御パラメータ決定部25と、PID制御用制御パラメータ補正部26と、は機能しない。
More specifically, the
フィードフォワード制御部21の目的は、時間的に変化する参照針路rに対して船首方位φを一致させるように操舵機2の舵角Uを変更し、船体3を旋回させることである。本実施形態では、いわゆる「野本の一次近似モデル」を用いて舵角Uを決定する。野本の一次近似モデルは、船首方位φの時間変化と舵角Uとの関係を記述するモデルであり、以下の式で表される。
U=(Tφ”+φ’)/K
The purpose of the
U = (Tφ ″ + φ ′) / K
ここで、φ’は船体3の回頭角速度(船首方位φの時間に関する1次微分)、φ”は船体3の回頭角加速度(船首方位φの時間に関する2次微分)である。また、Kは旋回性指数、Tは追従性指数と呼ばれる。 Here, φ ′ is the turning angular velocity of the hull 3 (first derivative with respect to the time of the heading φ), φ ″ is the turning angular acceleration of the hull 3 (secondary derivative with respect to the time of the heading φ), and K is. The turnability index, T, is called the followability index.
フィードフォワード制御部21においては、参照針路rに対して船首方位φを一致させることが目的であるから、上記の式でφ=rと置くことにより、舵角Uを算出するための式を得ることができる。
U=(Tr”+r’)/K
The
U = (Tr ″ + r ′) / K
上記の式で用いられている参照針路の回頭角速度r’及び参照針路の回頭角加速度r”は、前述のように参照針路決定部5が算出して舵角制御部7に出力している。従って、フィードフォワード制御部21は、これらの値を上記の式に代入することによって、舵角Uを求めることができる。
The reference course turning angular velocity r ′ and the reference course turning angular acceleration r ″ used in the above formula are calculated by the reference
そして、舵角Uを算出すると、フィードフォワード制御部21は、前記舵角Uを操舵機2に実現させるためのフィードフォワード命令舵角信号UFFを生成して出力する。フィードフォワード命令舵角信号UFFは、後述のフィードフォワード舵角補正部23によって補正された後、命令舵角信号Ucとして舵角制御部7から操舵機2に対して出力される。
When calculating the steering angle U, feed-
ところで、上記旋回性指数K及び追従性指数Tは、船体に特有の値であり、実際の船体を用いた試験(例えばZ試験等)によって求められる。一方で、船体の運動特性は船速Vによって変化するから、旋回性指数K及び追従性指数Tも船速Vによって変化する。従って、仮に旋回性指数K及び追従性指数Tを固定値としていると、船体の実際の状況に適合したフィードフォワード制御を行うことができない。船速Vを様々に変化させたZ試験を行って、船速Vごとの旋回性指数K及び追従性指数Tを求めておく方法も考えられるが、非常に手間が掛かってしまう。 By the way, the turning index K and the following index T are values specific to the hull, and are obtained by a test using an actual hull (for example, a Z test). On the other hand, since the motion characteristics of the hull change with the ship speed V, the turning ability index K and the followability index T also change with the ship speed V. Therefore, if the turning ability index K and the following ability index T are fixed values, it is not possible to perform feedforward control adapted to the actual situation of the hull. Although a method for obtaining the turning index K and the tracking index T for each ship speed V by performing a Z test with various changes in the ship speed V is also conceivable, it is very troublesome.
そこで、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22は、フィードフォワード制御に用いる制御パラメータ(旋回性指数K及び追従性指数T)を、フルード数Frに基づいて決定し、フィードフォワード制御部21に出力するように構成されている。以下、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22について説明する。
Therefore, the feedforward control
旋回性指数Kは船速Vにおよそ比例し、追従性指数Tは船速Vにおよそ反比例することが知られている。フルード数Frは船速Vに比例するから、旋回性指数Kはフルード数Frに比例し、追従性指数Tはフルード数に反比例すると言える。そこで、フルード数がFr0のときの旋回性指数K0及び追従性指数T0をZ試験等によって予め求めておけば、フルード数がFrのときの旋回性指数K及び追従性指数Tは以下の式によって求めることができる。
K=K0(Fr/Fr0)
T=T0(Fr0/Fr)
It is known that the turning index K is approximately proportional to the ship speed V, and the followability index T is approximately inversely proportional to the ship speed V. Since the Froude number Fr is proportional to the ship speed V, it can be said that the turning index K is proportional to the Froude number Fr, and the followability index T is inversely proportional to the Froude number. Therefore, if the turning index K 0 and the followability index T 0 when the Froude number is Fr 0 are obtained in advance by a Z test or the like, the turning ability index K and the followability index T when the Froude number is Fr are as follows. It can be calculated by the following formula.
K = K 0 (Fr / Fr 0 )
T = T 0 (Fr 0 / Fr)
フィードフォワード用制御パラメータ決定部22は、フルード数算出部6が算出したフルード数Frを上記の式に代入することにより、旋回性指数K及び追従性指数Tを決定する。そして、フィードフォワード制御部21は、このようにフィードフォワード用制御パラメータ決定部22において決定された制御パラメータに基づいて、フィードフォワード制御を行う。これにより、船体の実際の状況に適合したフィードフォワード制御を行うことができる。
The feedforward control
次に、フィードフォワード舵角補正部23について説明する。一般的に、フィードフォワード制御には、外乱(波や風等)があると、制御量(船首方位φ)が目標値(参照針路r)から外れてしまうという欠点がある。また、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22では、フルード数Frによって船体の状況に応じた制御パラメータを決定しているが、フルード数Frでは積荷状況等を考慮することができないので、船体の実際の状況に完全に一致した制御パラメータを算出することはできない。従って、上記フィードフォワード制御で決定したフィードフォワード命令舵角信号UFFは、必ずしも最適な舵角Uを命令するものでは無いため、船首方位φと参照針路rとの間に差(偏角φerr)が発生し得る。
Next, the feedforward steering
そこで、フィードフォワード舵角補正部23は、前記偏角φerrがゼロとなるように、フィードフォワード命令舵角信号UFFを補正するためのフィードフォワード命令舵角補正値UFF_dを決定するように構成されている。また、フィードフォワード舵角補正部23にはフルード数Frが入力されている。フィードフォワード舵角補正部23は、このフルード数Frと偏角φerrに基づいて、フィードフォワード命令舵角補正値UFF_dを決定する。このように、フルード数Frに基づいてフィードフォワード命令舵角補正値UFF_dを決定することにより、船体の実際の状況に応じてフィードフォワード命令舵角信号UFFを補正することができる。
Therefore, the feedforward steering
フィードフォワード命令舵角信号UFFとフィードフォワード命令舵角補正値UFF_dは加算され、補正済フィードフォワード命令舵角信号UFF_cが生成される。補正済フィードフォワード命令舵角信号UFF_cは、命令舵角信号Ucとして舵角制御部7から出力される。
Feedforward command steering angle signal U FF and feedforward command steering angle correction value U FF_d is added, the corrected feedforward command steering angle signal U FF_c generated. The corrected feedforward command steering angle signal U FF_c is output from the steering
次に、保針モードにおける制御について説明する。保針モードにおいて、舵角制御部7は、主にフィードバック制御(具体的にはPID制御)を行う。即ち、保針モードにおいては、波や風等の外乱を打ち消して船体3を直進させる必要があるため、安定性に優れたPID制御を行うことが好適なのである。
Next, control in the needle holding mode will be described. In the needle holding mode, the rudder
より具体的には、保針モードにおいては、PID制御部(フィードバック制御部)24と、PID制御用制御パラメータ決定部25と、PID制御用制御パラメータ補正部26と、が機能する。一方、この保針モードにおいては、フィードフォワード制御部21と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22と、フィードフォワード舵角補正部23と、は機能しない。
More specifically, the PID control unit (feedback control unit) 24, the PID control
保針モードは船体を直進させるモードであり、参照針路rは一定値である。従って、このモードでの偏角φerrは、もっぱら風や波等の外乱によるものである。PID制御部24の目的は、この偏角φerrがゼロとなるように制御することにより、船体3を直進させることである。
The needle keeping mode is a mode in which the hull moves straight, and the reference course r is a constant value. Therefore, the declination φ err in this mode is solely due to disturbances such as wind and waves. The purpose of the
PID制御部24には、前記偏角φerrが入力されている。また、PID制御部24には、制御パラメータ(比例ゲインKP、積分時間KI、微分時間KD)が、PID制御用制御パラメータ決定部25から入力されている。PID制御部24は、この制御パラメータを用いて、偏角φerrがゼロに近づくようなPID命令舵角信号UPIDを出力する。なお、PID制御は公知であるので、詳細な処理内容については省略する。
The declination angle φ err is input to the
次に、PID制御用制御パラメータ決定部25について説明する。即ち、前記PID制御用の各制御パラメータを仮に固定値とした場合でも、偏角φerrがゼロに近づくように制御することはできる。しかしながら、船体3の運動特性の動的な変化に応じて制御パラメータを変更することができれば、より最適な制御を実現することが可能である。そこで、PID制御用制御パラメータ決定部25は、フルード数Frに基づいて、制御パラメータ(比例ゲインKP、積分時間KI、微分時間KD)を決定するように構成されている。このように、PID制御用の制御パラメータを決定するためにフルード数Frを用いるとで、フィルタ定数決定部12においてフィルタ定数を決定するためにフルード数Frを用いたのと同様の効果を得ることができる。
Next, the control
フルード数Frに基づいて制御パラメータ(比例ゲインKP、積分時間KI、微分時間KD)を決定する方法としては、フィルタ定数決定部12と同様に、予め実際に実験を行って、最適な制御パラメータとフルード数Frとの関係を示すテーブルを記憶しておけば良い。
As a method of determining the control parameters (proportional gain K P , integration time K I , derivative time K D ) based on the Froude number Fr, an experiment is performed in advance in the same manner as the filter
例えば、偏角φerrが同じであっても、舵が効きにくい状況の船舶ほど、舵角Uを大きくしなければならない。従って、フルード数Frが小さいほど(舵が効きにくいほど)比例ゲインKPが大きくなるように、前記テーブルを作成しておく。また、舵が効き難ければ、舵角Uを細かく頻繁に変更しても船体3が反応しないため無駄な舵となってしまう。従って、舵が効きにくい状況にあっては、舵角Uが細かく変動しないように制御パラメータを設定する必要がある。そこで、フルード数Frが小さいほど(舵が効きにくいほど)、積分時間KIは大きく、微分時間KDは小さくなるように、前記テーブルを作成しておく。
For example, even if the declination angle φ err is the same, the rudder angle U has to be increased for a ship in which the rudder is less effective. Therefore, the table is prepared so that the proportional gain K P increases as the Froude number Fr decreases (as the rudder is less effective). Further, if the rudder is difficult to work, the
なお、前記偏角φerrには、波や風等の外乱による高周波の周期的変動が含まれているが、この周期的変動に応答するように舵角Uを変更しても無駄な舵となってしまう。そこで、本実施形態では、上記の周期的変動に応答しないようにするため、PID制御用のパラメータを補正するPID制御用制御パラメータ補正部26を備えている。
The declination φ err includes periodic fluctuations of high frequency due to disturbances such as waves and winds. Even if the steering angle U is changed so as to respond to the periodic fluctuations, the rudder angle φ err turn into. Therefore, in the present embodiment, a PID control
PID制御用制御パラメータ補正部26には、船体3の回頭角速度φ’が入力されている。PID制御用制御パラメータ補正部26は、この回頭角速度φ’に基づいて外乱に基づく偏角φerrの周期的な変動を検出し、この周期的な変動に応答しないように制御パラメータを補正する補正値(比例ゲイン補正値KP_d、積分時間補正値KI_d、微分時間補正値KD_d)を決定する。なお、PID制御用制御パラメータ補正部26は、当該補正値を、フルード数Frに基づいて決定するように構成されている。これにより、船体3の実際の状況に応じた補正値を決定することができる。
The PID control
PID制御用制御パラメータ決定部25が決定した制御パラメータ(比例ゲインKP、積分時間KI、微分時間KD)は、PID制御用制御パラメータ補正部26が出力する補正値(比例ゲイン補正値KP_d、積分時間補正値KI_d、微分時間補正値KD_d)とそれぞれ加算されてPID制御部24に出力される。PID制御部24は、この補正された制御パラメータを用いてPID制御を行い、PID命令舵角信号UPIDを出力する。このPID命令舵角信号UPIDは、そのまま命令舵角信号Ucとして舵角制御部7から出力される。
The control parameters (proportional gain K P , integration time K I , derivative time K D ) determined by the PID control
以上で説明したように、本実施形態の自動操舵方法は、船首方位φを設定針路φcと一致させるように操舵機2に対する命令舵角信号Ucを出力する自動操舵方法であって、以下の工程を含んでいる。即ち、この自動操舵方法は、フルード数算出工程と、舵角制御工程と、を含んでいる。フルード数算出工程においては、船速Vと船体長Lとからフルード数Frを算出する。舵角制御工程においては、フルード数Frに基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて命令舵角信号Ucを決定する。
As described above, the automatic steering method of the present embodiment is an automatic steering method that outputs the command steering angle signal U c for the
また、本実施形態の自動操舵プログラムは、船首方位φを設定針路φcと一致させるように操舵機2に対する命令舵角信号Ucを出力する自動操舵プログラムであって、以下のステップを含んでいる。即ち、この自動操舵プログラムは、フルード数算出ステップと、舵角制御ステップと、を含んでいる。フルード数算出ステップにおいては、船速Vと船体長Lとからフルード数Frを算出する。舵角制御ステップにおいては、フルード数Frに基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて命令舵角信号Ucを決定する。
The automatic steering program according to the present embodiment is an automatic steering program that outputs a command steering angle signal U c for the
また、本実施形態の自動操舵装置1は、船首方位φを設定針路φcと一致させるように操舵機2に対する命令舵角信号Ucを出力する自動操舵装置であって、以下のように構成されている。即ち、この自動操舵装置1は、フルード数算出部6と、舵角制御部7と、を備えている。フルード数算出部6は、船速Vと船体長Lとからフルード数Frを算出する。舵角制御部7は、フルード数Frに基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて命令舵角信号Ucを決定する。
The
このように、フルード数Frに基づいて制御パラメータを決定することにより、船体3の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数Frは船速Vと船体長Lから即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数Frは船体長Lを利用して船速Vを無次元化した数であるので、フルード数Frが同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数Frを用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角信号Ucを出力することができる。
Thus, by determining a control parameter based on the fluid number Fr, a control parameter suitable for the situation of the
また、本実施形態の自動操舵装置1において、舵角制御部7は、変針モードでフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部21と、保針モードでフィードバック制御を行うPID制御部24と、を備えている。
In the
即ち、変針時にフィードフォワード制御を行うことにより、変針時の舵角変更の応答性を向上させることができる。また、保針時にはフィードバック制御を行うことにより、針路を安定させて船体3の直進性を向上させることができる。
That is, by performing feedforward control at the time of changing the needle, it is possible to improve the responsiveness of changing the steering angle at the time of changing the needle. Further, by performing feedback control at the time of keeping the needle, the course can be stabilized and the straightness of the
また、本実施形態の自動操舵装置1は、以下のように構成されている。即ち、舵角制御部7は、フィードフォワード制御部21と、参照針路決定部5と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22と、を備える。フィードフォワード制御部21は、変針モードでフィードフォワード制御を行う。参照針路決定部5は、変針後の設定針路φcと、フルード数Frと、に基づいて参照針路rを決定する。フィードフォワード用制御パラメータ決定部22は、フルード数Frに基づいて旋回性指数K及び追従性指数Tを決定する。そして、フィードフォワード制御部21は、参照針路rと、旋回性指数K及び追従性指数Tと、に基づいて、前記フィードフォワード制御を行う。
Further, the
このように、フルード数Frに基づいて各パラメータ(参照針路r、旋回性指数K及び追従性指数T)を決定することにより、船体の状況に応じて適切に旋回動作を行うことができる。 Thus, by determining each parameter (reference course r, turning index K and followability index T) based on the Froude number Fr, it is possible to perform a turning operation appropriately according to the state of the hull.
また、本実施形態の自動操舵装置1は、以下のように構成されている。即ち、舵角制御部7は、PID制御部24と、PID制御用制御パラメータ決定部25と、PID制御用制御パラメータ補正部26と、を備える。PID制御部24は、保針モードでPID制御を行う。PID制御用制御パラメータ決定部25は、フルード数Frに基づいてPID制御用のパラメータを決定する。PID制御用制御パラメータ補正部26は、船体3の回頭角速度と、フルード数Frと、に基づいてPID制御の補正パラメータを決定する。そして、PID制御部24は、補正パラメータによって補正されたPID制御用制御パラメータを用いて、前記PID制御を行う。
Further, the
即ち、PID制御は、外乱によって変動する制御値を目標値に一致させる制御として特に有効であるので、上記のように保針時の制御に用いることが好適である。また、PID制御パラメータをフルード数Frに基づいて決定することにより、船の状況に適合したPID制御を行うことができる。また、回頭角速度に基づいてPID制御の補正パラメータを算出することにより、例えば波や風などによる外乱を適切に抑圧できる。 That is, since PID control is particularly effective as control for matching a control value that varies due to disturbance to a target value, it is preferable to use it for control during needle holding as described above. Further, by determining the PID control parameter based on the fluid number Fr, PID control suitable for the situation of the ship can be performed. Further, by calculating a correction parameter for PID control based on the turning angular velocity, it is possible to appropriately suppress disturbance due to, for example, waves or winds.
なお、上記実施形態では、フィルタ定数決定部12、フィードフォワード用制御パラメータ決定部22、フィードフォワード舵角補正部23、PID制御用制御パラメータ決定部25には、フルード数Frに加えて、巡航速度とボートタイプを指定する情報が入力されている。上記各構成は、巡航速度と、ボートタイプか否かと、を指定する情報も考慮して、前記各種パラメータを決定するように構成されている。この点について、以下に説明する。
In the above embodiment, the filter
巡航速度とは、船体3を最も効率良く運航させることができる船速であり、通常は最高船速の80%程度である。この巡航速度は、ユーザが予め設定しておく。また、ユーザは、船体3がボートタイプであるか否かも予め設定しておく。
The cruise speed is a ship speed at which the
ボートタイプの船舶は、フルード数が約0.4を超えると、滑走状態となり、非滑走状態の船舶とは異なる運動特性を示す。そこで、本実施形態では、ボートタイプの船舶であって、かつ巡航速度におけるフルード数が0.4を超える船舶(以下、滑走型の船舶と称する)については、それ以外の船舶(以下、排水型の船舶と称する)とは制御パラメータの決定方法を異ならせるように構成している。例えば、フィルタ定数決定部12やPID制御用制御パラメータ決定部25において、各パラメータを決定するためのテーブルを、滑走型の船舶用と排水型の船舶用で別々に設定しておく。そして、ユーザが設定した巡航速度とボートタイプとに基づいて、船体3が滑走型か排水型かを判定し、当該判定結果に応じて前記テーブルを切り替えるように構成すれば良い。
A boat-type vessel is in a sliding state when the fluid number exceeds about 0.4, and exhibits different movement characteristics from a non-sliding vessel. Therefore, in the present embodiment, for a ship of a boat type and having a fluid number at a cruise speed exceeding 0.4 (hereinafter referred to as a sliding ship), the other ship (hereinafter referred to as a drainage type). The control parameter determination method is different from that of the ship. For example, in the filter
例として、図5に、PID制御用の微分時間KDとフルード数Frとの関係を示すテーブルを、グラフの形式で模式的に示す。図5に示すように、排水型の船舶であれば、微分時間KDとフルード数Frとはほぼ比例関係とみなすことができる。一方、滑走型の船舶にあっては、フルード数Frが0.4付近で船体が滑走を開始するため、Fr=0.4の付近で運動特性が大きく変化することになる。従って、滑走型の船舶に関して前記テーブルを作成した場合、図5に示すように、Fr=0.4の付近でグラフの傾きが変化するようなテーブルとすることが好ましい。このように、排水型の船舶と滑走型の船舶とで2種類のテーブルを用意しておき、ユーザが設定した巡航速度とボートタイプに応じて前記テーブルを切り替えることにより、船体3のタイプに応じた舵角制御を実現することができる。 As an example, FIG. 5 schematically shows a table showing the relationship between the differential time K D for PID control and the Froude number Fr in the form of a graph. As shown in FIG. 5, if the waste water type of the ship, can be regarded as substantially proportional to the derivative time K D and fluid number Fr. On the other hand, in the case of a planing type ship, since the hull starts to slide when the Froude number Fr is around 0.4, the motion characteristics greatly change around Fr = 0.4. Therefore, when the table is created for a planing ship, it is preferable that the table has a graph whose slope changes near Fr = 0.4, as shown in FIG. In this way, two types of tables are prepared for the drainage type ship and the sliding type ship, and the table is switched according to the cruise speed and the boat type set by the user. Steering angle control can be realized.
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the above configuration can be modified as follows, for example.
上記実施形態では、自動操舵装置1は、ソフトウェアとハードウェアとから構成されるものとしたが、自動操舵装置1の機能の一部又は全部を専用のハードウェアによって実現しても良い。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、参照針路rをローパスフィルタによって求める構成としたが、特許文献1のように、操舵機2の舵角の作動可能な範囲を考慮して参照針路rを求める構成としても良い。
In the above embodiment, the reference course r is obtained by a low-pass filter. However, as in
上記のフィードフォワード制御では野本の一次近似モデルを用いたが、これに限らず、適宜のモデルを用いることができる。 In the above feedforward control, the Nomoto primary approximation model is used, but the present invention is not limited to this, and an appropriate model can be used.
上記実施形態では、滑走型と排水型とでパラメータの決定方法を異ならせる構成としたが、このように滑走型と排水型とで区別する構成は省略することもできる。 In the above-described embodiment, the parameter determination method is different between the sliding type and the drainage type. However, the configuration that distinguishes between the sliding type and the drainage type can be omitted.
上記実施形態では、フィルタ定数やPID制御用の制御パラメータ等は予め用意したテーブルを用いて決定する構成としたが、これに限らない。即ち、本発明の特徴はフルード数Frに基づいて各種パラメータを決定することにあるので、パラメータの決定方法は特に限定されない。例えば、図5で模式的に示した例のように、制御パラメータ(図5の例では微分時間KD)とフルード数Frとの間に単純な比例関係等が想定できる場合には、テーブルを用意せず、フルード数Frを引数とした数式に基づいて各種パラメータを算出するように構成することができる(なお、上記実施形態では、旋回性指数K及び追従性指数Tをこの種の方法によって決定している)。 In the above embodiment, the filter constant, the control parameter for PID control, and the like are determined using a table prepared in advance, but the present invention is not limited to this. That is, since the feature of the present invention is to determine various parameters based on the fluid number Fr, the parameter determination method is not particularly limited. For example, as in the example schematically shown in FIG. 5, when a simple proportional relationship or the like can be assumed between the control parameter (the differential time K D in the example of FIG. 5) and the fluid number Fr, the table is Without preparing, it can be configured to calculate various parameters based on a mathematical formula with the Froude number Fr as an argument (in the above embodiment, the turning index K and the tracking index T are determined by this type of method). Determined).
1 自動操舵装置
2 操舵機
3 船体
5 参照針路決定部
6 フルード数算出部
7 舵角制御部
21 フィードフォワード制御部
24 PID制御部(フィードバック制御部)
φ 船首方位
φc 設定針路
r 参照針路
U 舵角
Uc 命令舵角信号(命令舵角)
Fr フルード数
DESCRIPTION OF
φ Heading φ c Setting course r Reference course U Steering angle U c Command steering angle signal (command steering angle)
Fr fluid number
Claims (6)
船速と船体長とからフルード数を算出するフルード数算出部と、
前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する舵角制御部と、
を備えることを特徴とする自動操舵装置。 An automatic steering device that outputs a command steering angle with respect to a steering machine so that a heading coincides with a set course,
A fluid number calculation unit for calculating the fluid number from the ship speed and the hull length;
A control parameter is determined based on the fluid number, and a steering angle control unit that determines the command steering angle based on the control parameter;
An automatic steering apparatus comprising:
前記舵角制御部は、
変針時にフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部と、
保針時にフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする自動操舵装置。 The automatic steering device according to claim 1,
The rudder angle control unit
A feed-forward control unit that performs feed-forward control at the time of needle change,
A feedback control unit that performs feedback control at the time of holding,
An automatic steering apparatus comprising:
前記舵角制御部は、
変針時にフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部と、
変針後の設定針路と、前記フルード数と、に基づいて参照針路を決定する参照針路決定部と、
前記フルード数に基づいて旋回性指数及び追従性指数を決定するフィードフォワード用制御パラメータ決定部と、
を備え、
前記フィードフォワード制御部は、前記参照針路と、前記旋回性指数及び追従性指数と、に基づいて、前記フィードフォワード制御を行うことを特徴とする自動操舵装置。 The automatic steering device according to claim 1 or 2,
The rudder angle control unit
A feed-forward control unit that performs feed-forward control at the time of needle change,
A reference course determining unit that determines a reference course based on the set course after the course change and the fluid number;
A feedforward control parameter determining unit that determines a turning index and a following index based on the fluid number;
With
The automatic steering apparatus, wherein the feedforward control unit performs the feedforward control based on the reference course, the turnability index, and the followability index.
前記舵角制御部は、
保針時にPID制御を行うフィードバック制御部と、
前記フルード数に基づいてPID制御用制御パラメータを決定するPID制御用制御パラメータ決定部と、
船体の回頭角速度と、前記フルード数と、に基づいてPID制御の補正パラメータを決定するPID制御用制御パラメータ補正部と、
を備え、
前記フィードバック制御部は、前記補正パラメータによって補正された前記PID制御用制御パラメータを用いて、前記PID制御を行うことを特徴とする自動操舵装置。 The automatic steering device according to any one of claims 1 to 3,
The rudder angle control unit
A feedback control unit for performing PID control at the time of needle holding;
A PID control parameter determining unit that determines a PID control parameter based on the fluid number;
A control parameter correction unit for PID control that determines a correction parameter for PID control based on the turning angular velocity of the hull and the fluid number;
With
The automatic steering apparatus, wherein the feedback control unit performs the PID control using the control parameter for PID control corrected by the correction parameter.
船速と船体長とからフルード数を算出するフルード数算出ステップと、
前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する舵角制御ステップと、
を含む処理を、自動操舵装置に実行させることを特徴とする自動操舵プログラム。 An automatic steering program that outputs a command rudder angle for a steering machine so that the heading coincides with a set course,
A fluid number calculating step for calculating a fluid number from a ship speed and a hull length;
Steering angle control step for determining a control parameter based on the fluid number, and determining the command steering angle based on the control parameter;
An automatic steering program that causes an automatic steering device to execute a process including:
船速と船体長とからフルード数を算出するフルード数算出工程と、
前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する舵角制御工程と、
を含むことを特徴とする自動操舵方法。 An automatic steering method for outputting a command rudder angle with respect to a steering machine so that a heading coincides with a set course,
A fluid number calculating step for calculating a fluid number from a ship speed and a hull length;
Rudder angle control step of determining a control parameter based on the fluid number, and determining the command rudder angle based on the control parameter;
Including an automatic steering method.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2010059328A JP2011189884A (en) | 2010-03-16 | 2010-03-16 | Automatic steering device, automatic steering method, and automatic steering program |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=44795248
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2010059328A Pending JP2011189884A (en) | 2010-03-16 | 2010-03-16 | Automatic steering device, automatic steering method, and automatic steering program |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2011189884A (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2013121935A1 (en) * | 2012-02-14 | 2013-08-22 | 古野電気株式会社 | Automatic steering device and automatic steering method |
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-
2010
- 2010-03-16 JP JP2010059328A patent/JP2011189884A/en active Pending
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