JP2015033997A - Underwater navigation body, and control device and control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水中航走体及びその制御装置並びに制御方法に関するものである。 The present invention relates to an underwater vehicle, its control device, and control method.
従来、水中航走体の姿勢制御では、目標姿勢と現在の姿勢との差分に対してPID制御を行うことで舵角指令を設定する、いわゆるフィードバック制御が主に行われている。 Conventionally, in the attitude control of an underwater vehicle, so-called feedback control is mainly performed in which a steering angle command is set by performing PID control on a difference between a target attitude and a current attitude.
船体における深度、ロール角、ピッチ角、ヨー角等の各軸制御において、特定の軸間には相互干渉が生ずる。例えば、ピッチ角を0度に保持したまま深度のみを変更する場合、深度の変化により、ピッチ角が変動してしまう。フィードバック制御では、ピッチ角の変動を抑制しようと舵が操作されることから、舵駆動系の動力消費が多くなるという問題がある。
また、このような干渉を抑制するために、従来、フィードバック制御に加えて、フィードフォワード制御が用いられている。しかしながら、従来のフィードフォワード制御では、干渉を効果的に解消することができず、相当量の舵駆動系の動力消費が生じていた。
In each axis control such as depth, roll angle, pitch angle, and yaw angle in the hull, mutual interference occurs between specific axes. For example, when only the depth is changed while maintaining the pitch angle at 0 degrees, the pitch angle varies due to the change in depth. In the feedback control, the rudder is operated so as to suppress the fluctuation of the pitch angle, so that there is a problem that the power consumption of the rudder drive system increases.
In order to suppress such interference, conventionally, feedforward control is used in addition to feedback control. However, in the conventional feedforward control, interference cannot be effectively eliminated, and a considerable amount of power is consumed by the rudder drive system.
図20に、フィードフォワード系を含む従来の船体制御による深度変更時のシミュレーション結果の一例を示す。図20において、(a)は船体の速力、(b)は深度、(c)はピッチ角、(d)は深度に関する舵角、(e)はピッチ角に関する舵角の時間的推移を示している。また、図20(d)、(e)において、舵角指令は破線で、実舵角は実線で示されている。この図に示されるように、深度の変化によりピッチ角が影響を受け、ピッチ角に関する舵角成分がゼロを介して前後に振られており、無駄な動力消費が行われているのがわかる。 FIG. 20 shows an example of a simulation result when changing the depth by conventional hull control including a feedforward system. In FIG. 20, (a) shows the speed of the hull, (b) shows the depth, (c) shows the pitch angle, (d) shows the steering angle related to the depth, and (e) shows the temporal transition of the steering angle related to the pitch angle. Yes. In FIGS. 20D and 20E, the steering angle command is indicated by a broken line, and the actual steering angle is indicated by a solid line. As shown in this figure, the pitch angle is affected by the change in depth, and the steering angle component related to the pitch angle is swung back and forth through zero, and it can be seen that useless power consumption is being performed.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、フィードフォワード系の制御の精度を向上させ、舵駆動系の動力消費の低減を図ることのできる水中航走体及びその制御装置並びに制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an underwater vehicle and its control device capable of improving the accuracy of control of the feedforward system and reducing the power consumption of the rudder drive system. An object of the present invention is to provide a control method.
本発明の第1態様は、船体のx軸、y軸、z軸からなる3つの直線軸と、前記直線軸の各々に対する3つの回転軸とからなる6軸のうち、少なくとも2軸における制御が可能な水中航走体の制御装置であって、制御対象である各軸に対応してそれぞれ設けられたフィードバック系の複数の制御部と、干渉補償演算式を用いて、軸間の相互干渉を打ち消すための干渉補償舵角を演算し、前記制御部に出力するフィードフォワード系の非干渉化制御部とを備え、前記干渉補償演算式は、前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を平衡点の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能なように変化させた線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆に解くことにより導出された演算式であり、前記非干渉化制御部は、前記干渉補償演算式に、時間に応じた前記平衡点の値及び状態変数の値を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る水中航走体の制御装置である。 In the first aspect of the present invention, control is performed on at least two axes among six axes including three linear axes including the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull and three rotation axes for each of the linear axes. This is a possible underwater vehicle control device that uses a plurality of feedback control units provided for each axis to be controlled and an interference compensation calculation formula to reduce mutual interference between axes. A feed-forward non-interference control unit that calculates an interference compensation rudder angle for cancellation and outputs to the control unit, and the interference compensation calculation formula is a linearized equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the hull In Fig. 4, the coefficient matrix is expressed as a function of the equilibrium point, and the linearized equation of state changed so as to be adaptive in the entire operating range of the hull is inverted with respect to the parameter relating to the rudder operation amount necessary for performing the desired motion. The non-interacting control unit derives the interference compensation steering by substituting the value of the equilibrium point and the value of the state variable according to time into the interference compensation computation expression. It is an underwater vehicle control device that obtains corners.
本態様によれば、船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を平衡点の関数として表すとともに、各時刻の状態に適応するように変化させることで、船体の全運転範囲において適応可能な時変線形化状態方程式を求め、この時変線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆に解くことにより、導出された干渉補償演算式を用いて、運動軸の相互干渉を抑制するための干渉補償舵角を算出する。
このように、船体の全運転範囲において適応可能な時変線形化状態方程式を用いて導出された干渉補償演算式を用いるので、リアルタイムでその時々の平衡点における干渉補償舵角を容易に得ることができ、また、フィードフォワード系の制御の精度を向上させることが可能となる。そして、この干渉補償舵角を制御部のフィードバック制御に反映させることで、軸間の相互干渉を効果的に低減させることが可能となる。
なお、上記線形化状態方程式は、一般的に、非線形で表される状態方程式を、ある平衡点まわりにテーラー展開し、1次近似を行うことにより、得ることが可能である。
また、上記干渉補償演算式は、相互干渉を抑制する対象軸に関する要素の速度や加速度を変数として含むことを特徴としている。これは、線形化状態方程式に基づいて干渉補償演算式が作成されるからである。例えば、ピッチ角−深度間の相互干渉を抑制する場合には、深度に関する速度及び加速度、並びにピッチ角に関する速度及び加速度の少なくともいずれかが変数として干渉補償演算式に含まれることとなる。
According to this aspect, in the linearized equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the hull, the coefficient matrix is expressed as a function of the equilibrium point, and is changed so as to adapt to the state at each time, so that the entire operating range of the hull The time-varying linearized state equation that can be adapted in the above is obtained, and the time-varying linearized state equation is solved in terms of the parameters related to the rudder operation amount necessary for performing the desired motion. Is used to calculate the interference compensation steering angle for suppressing the mutual interference of the motion axes.
In this way, the interference compensation calculation formula derived using the time-varying linearized equation of state that can be applied over the entire operating range of the hull is used, so that the interference compensation steering angle at the current equilibrium point can be easily obtained in real time. In addition, it is possible to improve the accuracy of control of the feedforward system. Then, by reflecting this interference compensation steering angle in the feedback control of the control unit, it becomes possible to effectively reduce the mutual interference between the axes.
The linearized state equation can be generally obtained by performing a first-order approximation by performing a Taylor expansion of a state equation expressed in a non-linear manner around a certain equilibrium point.
Further, the interference compensation calculation formula is characterized by including, as variables, the speed and acceleration of an element related to a target axis for suppressing mutual interference. This is because an interference compensation calculation formula is created based on the linearized state equation. For example, when the mutual interference between the pitch angle and the depth is suppressed, at least one of the speed and acceleration related to the depth and the speed and acceleration related to the pitch angle are included in the interference compensation calculation formula as variables.
上記水中航走体の制御装置において、前記平衡点及び前記状態変数には、前記船体の運動に関する目標値を用いることとしてもよい。 In the control device for an underwater vehicle, a target value related to the motion of the hull may be used as the equilibrium point and the state variable.
このように、平衡点として目標値を採用しているので、目標値が変更された場合の軸間の相互干渉を効果的に低減させることができる。また、状態変数として目標値自体を用いるので、後述する目標値の微小変化量を用いる場合と比較して、演算処理の負担を軽減することができる。 Thus, since the target value is adopted as the equilibrium point, the mutual interference between the axes when the target value is changed can be effectively reduced. In addition, since the target value itself is used as the state variable, it is possible to reduce the calculation processing load as compared with a case where a minute change amount of the target value described later is used.
上記水中航走体の制御装置において、複数の前記制御部には、前記z軸に対応する深度制御部と、前記y軸に対する回転軸に対応するピッチ角制御部とが含まれ、前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度及びz軸方向の目標速度が含まれ、前記状態変数として、z軸方向の目標速度及び目標加速度、前記y軸に対する回転軸の目標角速度及び目標角加速度、並びに目標ピッチ角が含まれることとしてもよい。 In the underwater vehicle control apparatus, the plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z-axis and a pitch angle control unit corresponding to a rotation axis with respect to the y-axis, and the interference compensation The calculation formula includes the target speed in the x-axis direction and the target speed in the z-axis direction as the equilibrium point, and the target speed and target acceleration in the z-axis direction, the target angular speed of the rotation axis with respect to the y-axis, and the state variables. The target angular acceleration and the target pitch angle may be included.
このような構成によれば、深度とピッチ角との間の相互干渉を低減することが可能となる。 According to such a configuration, it is possible to reduce mutual interference between the depth and the pitch angle.
上記水中航走体の制御装置において、複数の前記制御部には、前記z軸に対応する深度制御部と、前記y軸に対する回転軸に対応するピッチ角制御部と、前記x軸に対する回転軸に対応するロール角制御部と、前記z軸に対する回転軸に対応する方位角制御部とが含まれ、前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度、z軸方向の目標速度、y軸方向の目標速度、x軸周りの目標角速度及び目標角度、y軸周りの目標角速度及び目標角度、z軸周りの目標角速度が含まれ、前記状態変数として、z軸方向の目標速度及び目標加速度、前記y軸に対する回転軸の目標角速度及び目標角加速度、目標ピッチ角、及びx軸周りの目標角加速度、目標角速度及び目標角度、z軸周りの目標角加速度、目標角速度が含まれることとしてもよい。尚、x軸方向の目標速度とy軸方向の目標速度は、観測量を使用してもよい。 In the control device for an underwater vehicle, the plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z axis, a pitch angle control unit corresponding to a rotation axis with respect to the y axis, and a rotation axis with respect to the x axis. And an azimuth angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the z-axis, and the interference compensation calculation formula includes a target speed in the x-axis direction and a target in the z-axis direction as an equilibrium point. Speed, target speed in the y-axis direction, target angular speed and target angle about the x-axis, target angular speed and target angle about the y-axis, target angular speed about the z-axis, and the target speed in the z-axis direction as the state variables And target acceleration, target angular velocity and target angular acceleration of the rotation axis with respect to the y axis, target pitch angle, target angular acceleration around the x axis, target angular velocity and target angle, target angular acceleration around the z axis, and target angular velocity are included. Even There. Note that the observation amount may be used for the target speed in the x-axis direction and the target speed in the y-axis direction.
このような構成によれば、深度、ピッチ角、ロール角、方位角の間の相互干渉を低減することが可能となる。 According to such a configuration, it is possible to reduce mutual interference among depth, pitch angle, roll angle, and azimuth.
上記水中航走体の制御装置において、前記平衡点には、前記船体の運動に関する目標値が用いられ、前記状態変数には、前記船体の運動に関する目標値の微小変化量が用いられることとしてもよい。 In the underwater vehicle control apparatus, a target value related to the motion of the hull is used as the equilibrium point, and a minute change amount of the target value related to the motion of the hull is used as the state variable. Good.
上記水中航走体の制御装置において、複数の前記制御部には、前記z軸に対応する深度制御部と、前記y軸に対する回転軸に対応するピッチ角制御部とが含まれ、前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度の微小変化量及びz軸方向の目標速度の微小変化量が含まれ、前記状態変数として、z軸方向の速度の微小変化量及び加速度の微小変化量、前記y軸に対する回転軸の角速度の微小変化量及び角加速度の微小変化量、並びに目標ピッチ角の微小変化量が含まれることとしてもよい。 In the underwater vehicle control apparatus, the plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z-axis and a pitch angle control unit corresponding to a rotation axis with respect to the y-axis, and the interference compensation The arithmetic expression includes the minute change amount of the target velocity in the x-axis direction and the minute change amount of the target velocity in the z-axis direction as the equilibrium point, and the minute change amount of the velocity in the z-axis direction and the acceleration change as the state variables. The minute change amount, the minute change amount of the angular velocity of the rotation axis with respect to the y axis, the minute change amount of the angular acceleration, and the minute change amount of the target pitch angle may be included.
このような構成によれば、深度とピッチ角との間の相互干渉を低減することが可能となる。 According to such a configuration, it is possible to reduce mutual interference between the depth and the pitch angle.
上記水中航走体の制御装置において、複数の前記制御部には、前記z軸に対応する深度制御部と、前記y軸に対する回転軸に対応するピッチ角制御部と、前記x軸に対する回転軸に対応するロール角制御部と、前記z軸に対する回転軸に対応する方位角制御部とが含まれ、前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度、z軸方向の目標速度、y軸方向の目標速度、x軸周りの目標角速度及び目標角度、y軸周りの目標角速度及び目標角度、z軸周りの目標角速度が含まれ、前記状態変数として、z軸方向の速度の微小変化量及び加速度の微小変化量、前記y軸に対する回転軸の角速度の微小変化量及び角加速度の微小変化量、目標ピッチ角の微小変化量、x軸周りの目標角加速度の微小変化量、目標角速度の微小変化量及び目標角度の微小変化量、z軸周りの目標角加速度の微小変化量、目標角速度の微小変化量が含まれることとしてもよい。尚、x軸方向の目標速度とy軸方向の目標速度は、観測量を使用してもよい。 In the control device for an underwater vehicle, the plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z axis, a pitch angle control unit corresponding to a rotation axis with respect to the y axis, and a rotation axis with respect to the x axis. And an azimuth angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the z-axis, and the interference compensation calculation formula includes a target speed in the x-axis direction and a target in the z-axis direction as an equilibrium point. Velocity, target velocity in the y-axis direction, target angular velocity and target angle around the x-axis, target angular velocity and target angle around the y-axis, target angular velocity around the z-axis, and the state variable A minute change amount and a minute change amount of acceleration, a minute change amount of an angular velocity of a rotation axis with respect to the y axis and a minute change amount of an angular acceleration, a minute change amount of a target pitch angle, a minute change amount of a target angular acceleration around the x axis, Minute change in target angular velocity and eye Minute change of angles, small change amount of the target angular acceleration about the z-axis, may be included small amount of change in the target angular velocity. Note that the observation amount may be used for the target speed in the x-axis direction and the target speed in the y-axis direction.
このような構成によれば、深度、ピッチ角、ロール角、及び方位角の間の相互干渉を低減することが可能となる。 According to such a configuration, it is possible to reduce the mutual interference among the depth, pitch angle, roll angle, and azimuth angle.
上記水中航走体の制御装置において、前記非干渉化制御部は、前記船体の操作量の組み合わせに対する状態量の平衡点を予め平衡点マップとして有しており、前記制御周期毎の前記船体の操作量に対応する前記状態量の平衡点を前記平衡点マップから取得し、取得した前記状態量の平衡点を前記干渉補償演算式に用いて、前記干渉補償舵角を演算することとしてもよい。 In the underwater vehicle control device, the non-interacting control unit has in advance an equilibrium point of state quantities with respect to a combination of operation amounts of the hull as an equilibrium point map, and The equilibrium point of the state quantity corresponding to the manipulated variable may be acquired from the equilibrium point map, and the interference compensation steering angle may be calculated using the acquired equilibrium point of the state quantity in the interference compensation calculation formula. .
上記水中航走体の制御装置において、前記干渉補償演算式に含まれる状態変数には、相互干渉が生ずる前記軸に関係する状態変数のみが用いられていることが好ましい。
このように、干渉補償演算式に含まれる状態変数を制限することにより、干渉に関係のない演算を排除することができ、演算処理の低減を図ることができる。
In the control apparatus for an underwater vehicle, it is preferable that only the state variables related to the axis at which mutual interference occurs are used as the state variables included in the interference compensation calculation formula.
As described above, by limiting the state variables included in the interference compensation calculation formula, calculations not related to interference can be eliminated, and calculation processing can be reduced.
本発明の第2態様は、上述の水中航走体の制御装置を備える水中航走体である。 A second aspect of the present invention is an underwater vehicle equipped with the above-described underwater vehicle control device.
本発明の第3態様は、船体のx軸、y軸、z軸からなる3つの直線軸と、前記直線軸の各々に対する3つの回転軸とからなる6軸のうち、少なくとも2軸についてそれぞれ設けられたフィードバック制御系と、軸制御の相互干渉を打ち消すための干渉補償舵角を演算するフィードフォワード系とを有する水中航走体の制御方法であって、前記フィードフォワード系では、前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列が平衡点の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能な時変線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて解くことにより導出された干渉補償演算式に、時間に応じた前記平衡点の値及び状態変数の値を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る水中航走体の制御方法である。 According to a third aspect of the present invention, at least two of the six linear axes including the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull and the three rotational axes for each of the linear axes are provided. A control method for an underwater vehicle having a feedback control system and a feedforward system for calculating an interference compensation rudder angle for canceling mutual interference of axis control, wherein in the feedforward system, any of the hulls In the linearized state equation in the vicinity of the equilibrium point, a coefficient matrix is expressed as a function of the equilibrium point, and a time-varying linearized state equation that can be applied over the entire operating range of the hull is obtained as a rudder necessary for performing a desired motion. By substituting the value of the equilibrium point and the value of the state variable according to time into the interference compensation calculation formula derived by solving the parameter relating to the manipulated variable, the interference A method of controlling the underwater vehicle to obtain 償舵 angle.
本発明によれば、フィードフォワード系の制御の精度を向上させることができ、舵駆動系の動力消費を低減させることができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, there exists an effect that the precision of control of a feedforward system can be improved and the power consumption of a rudder drive system can be reduced.
以下に、本発明の水中航走体及び水中航走体及びその制御装置並びに制御方法の各実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る水中航走体の概略構成を示した図、図2は図1に示した水中航走体を船尾から見たときの舵の配置について模式的に示した図、図3は水中航走体の運動の自由度について説明するための図である。
Embodiments of an underwater vehicle, an underwater vehicle, its control device, and a control method according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an underwater vehicle according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic view of a rudder arrangement when the underwater vehicle shown in FIG. 1 is viewed from the stern. FIG. 3 and FIG. 3 are diagrams for explaining the degree of freedom of movement of the underwater vehicle.
図3に示すように、水中航走体の船体1は、船尾軸線(以下「x軸」という)、左右軸線(以下「y軸」という)、上下軸線(以下「z軸」という)からなる互いに直交する3つの直線軸と、これら各直線軸に対する3つの回転軸とからなる6軸(6自由度)の制御が可能な構成とされている。
As shown in FIG. 3, the
図3に示すように、本実施形態では、船体座標系における上記x軸方向、y軸方向、z軸方向の速度をそれぞれu,v,wとし、それぞれの軸周りの角速度をp,q,rと定義する。更に、絶対座標系(地球座標系)におけるx軸周りの回転角度をロール角φ、y軸周りの回転角度をピッチ角θ、z軸周りの回転角度を方位ψと定義する。
図1、図2に示すように、船体1には、複数の舵3a〜3eが設けられている。舵3a〜3dは、主にロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψに関する制御に用いられ、舵3eは主に深度に関する制御に用いられる。
そして、これらの舵3a〜3eが、後述する各実施形態に係る制御装置において生成される各舵角指令に基づいて操作されることにより、6軸の状態(例えば、主に、z軸方向における位置である深度、ピッチ角、ロール角、及び方位)をそれぞれの目標値に追従させる制御が実現される。
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, the velocities in the x-axis direction, the y-axis direction, and the z-axis direction in the hull coordinate system are u, v, and w, respectively, and the angular velocities around the respective axes are p, q, Define r. Further, the rotation angle around the x axis in the absolute coordinate system (earth coordinate system) is defined as the roll angle φ, the rotation angle around the y axis as the pitch angle θ, and the rotation angle around the z axis as the direction ψ.
As shown in FIGS. 1 and 2, the
And these
〔第1実施形態〕
以下に、本発明の第1実施形態に係る水中航走体の制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る水中航走体の制御装置は、上述した6軸に対してそれぞれ設けられた複数の制御部及びこれら軸間における干渉を抑制するための非干渉化制御部を有するが、以下の説明においては、便宜上、z軸方向の制御(深度制御)及びy軸に対応する回転軸の制御(ピッチ角θ制御)を一例として取り上げ、深度とピッチ角との間に生ずる干渉を低減する場合について説明する。
[First Embodiment]
Hereinafter, an underwater vehicle control apparatus and control method according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The underwater vehicle control apparatus according to the present embodiment includes a plurality of control units provided for the above-described six axes and a non-interacting control unit for suppressing interference between these axes. In the description, for convenience, control in the z-axis direction (depth control) and control of the rotation axis corresponding to the y-axis (pitch angle θ control) are taken as an example, and interference generated between the depth and the pitch angle is reduced. The case will be described.
図4は、本実施形態に係る水中航走体の制御装置(以下、単に「制御装置」という)10aにおいて、深度制御とピッチ角制御に関する機能ブロックについて示した図である。
制御装置10aは、深度zを制御する深度制御部11と、ピッチ角θを制御するピッチ角制御部12と、非干渉化制御部13aとを備えている。
FIG. 4 is a diagram illustrating functional blocks related to depth control and pitch angle control in the underwater vehicle control apparatus (hereinafter simply referred to as “control apparatus”) 10a according to the present embodiment.
The
深度制御部11は、離散的な値である設定深度zsetから連続的な目標深度z*を設定する目標値設定部21、目標値設定部21からの目標深度z*と船体1の実深度zとの差分を算出する差分演算部22、差分演算部22からの差分から深度フィードバック舵角δbFBを設定するフィードバック制御部23、及び深度フィードバック舵角δbFBを後述する非干渉化制御部13aからの干渉補償舵角δbFFを用いて補正し、深度舵角指令δb*を生成する深度舵角設定部24を主な構成として備えている。
目標値設定部21は、例えば、上位装置(図示略)から入力される離散的な値である設定深度zsetに対して所定の応答モデルを用いて、連続的な目標深度z*を得る。応答モデルの一例としては、以下の(1)式に示すような、2次のローパスフィルタが挙げられる。
For example, the target
(1)式において、ζは減衰率[−]、ωnは応答周波数[rad/s]であり、以下の(2)式で表される。例えば、深度制御系においては、オーバーシュートなしとして、ζ=1と設定される。 In the equation (1), ζ is an attenuation rate [−], and ω n is a response frequency [rad / s], which is expressed by the following equation (2). For example, in the depth control system, ζ = 1 is set without overshoot.
(2)式において、Tsは、整定時間[sec]であり、運転条件に応じて任意に設定される。 In the equation (2), Ts is a settling time [sec], and is arbitrarily set according to operating conditions.
フィードバック制御部23は、例えば、差分演算部22からの差分に対してPID制御を行うことにより、深度フィードバック舵角δbFBを設定する。
深度舵角設定部24は、例えば、深度フィードバック舵角δbFBと干渉補償舵角δbFFとを加算する加算器として実現される。
The
The depth steering
ピッチ角制御部12は、離散的な値である設定ピッチ角θsetから連続的な目標ピッチ角θ*を設定する目標値設定部31、目標値設定部31からの目標ピッチ角θ*と船体1の実ピッチ角θとの差分を算出する差分演算部32、差分演算部32からの差分からピッチ角フィードバック舵角δrFBを設定するフィードバック制御部33、及びピッチ角フィードバック舵角δrFBを後述する非干渉化制御部13aからの干渉補償舵角δrCFFを用いて補正し、ピッチ角舵角指令δrC *を生成するピッチ角舵角設定部34を主な構成として備えている。
ピッチ角制御部12の各構成は、深度制御部11とほぼ同様であるため、詳細説明は省略する。
Pitch
Since each configuration of the pitch
非干渉化制御部13aは、フィードフォワード系であり、線形化された船体1の状態方程式から逆問題解析によって導出された干渉補償演算式を用いて、深度zとピッチ角θとの相互干渉を抑制するための干渉補償舵角δbFF、δrCFFを演算する。ここでは、非干渉化制御部13aの各構成について説明する前に、干渉補償演算式の導出過程について説明する。
The
一般的に、船体1の運動は非線形であるが、平衡点近傍(平衡点まわりの微小区間)では線形化できる。例えば、船体1の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式は、以下の(3)式で表される。ここで、平衡点については、目標値において船体が平衡状態となると仮定し、船体運動の目標値を平衡点としている。
In general, the motion of the
(3)式において、Δuはx軸方向の速度の微小変化[m/s]、Δvはy軸方向の速度の微小変化[m/s]、Δwはz軸方向の速度の微小変化[m/s]、Δpはロール角速度の微小変化[rad/s]、Δqはピッチ角速度の微小変化[rad/s]、Δrはヨー角速度の微小変化[rad/s]、Δφはロール角の微小変化[rad]、Δθはピッチ角の微小変化[rad]、Δnは回転数の微小変化[rps]、Δδbは舵3eの舵角の微小変化、換言すると、深度に関する舵角指令の微小変化[rad]、Δδr1、Δδr2、Δδr3、Δδr4はそれぞれ舵3a、舵3b、舵3c、舵3dの舵角の微小変化、換言すると、ピッチ角θに関する舵角指令の微小変化[rad]である。
In Expression (3), Δu is a minute change [m / s] in the velocity in the x-axis direction, Δv is a minute change [m / s] in the y-axis direction, and Δw is a minute change [m / s] in the z-axis direction. / S], Δp are minute changes in roll angular velocity [rad / s], Δq is minute changes in pitch angular velocity [rad / s], Δr is minute changes in yaw angular velocity [rad / s], and Δφ is minute changes in roll angle. [rad], Δθ is a minute change in pitch angle [rad], Δn is a minute change in rotation speed [rps], Δδb is a minute change in the rudder angle of the rudder 3e, in other words, minute change in a rudder angle command related to depth [rad]. , Δδr1, Δδr2, Δδr3, and Δδr4 are minute changes in the rudder angle of the
続いて、任意の平衡点近傍における線形化状態方程式の係数行列A,Bを平衡点の関数として表現することにより、局所的に成立していた線形化を船体1の全運転領域において連続的に成立するよう変形する。
上記のような係数行列A,Bの要素は、ある任意の平衡点について、線形化したとき、平衡点の関数として表される。従って、船体の平衡点の変化に対して、係数行列A,Bを適応させることで、局所的にのみ成立する線形化状態方程式を全運転領域で成立させることが理論的に可能と考えられる。
Subsequently, by expressing the coefficient matrices A and B of the linearized state equation in the vicinity of an arbitrary equilibrium point as a function of the equilibrium point, linearization that has been established locally is continuously performed in the entire operation region of the
The elements of the coefficient matrices A and B as described above are expressed as a function of the equilibrium point when linearized with respect to an arbitrary equilibrium point. Therefore, it is theoretically possible to establish the linearized equation of state that is established only locally by applying the coefficient matrices A and B to the change in the equilibrium point of the hull in the entire operation region.
続いて、相互干渉が生ずる軸、すなわち、深度zとピッチ角θに関係する状態変数を特定し、特定した状態変数からなる線形化状態方程式となるように、モデルリダクションを行い、行列サイズを低減する。このように、深度・ピッチ角制御系に特化した線形化状態方程式とすることで、相互干渉に関係のない状態変数を除くことができ、処理負担を低減することが可能となる。 Subsequently, the state variable related to the axis causing mutual interference, that is, the state variable related to the depth z and the pitch angle θ is specified, and model reduction is performed to reduce the matrix size so that a linearized state equation consisting of the specified state variable is obtained. To do. In this way, by using a linearized state equation specialized for the depth / pitch angle control system, it is possible to eliminate state variables not related to mutual interference, and to reduce the processing load.
(4)式に、深度・ピッチ角制御系に特化した線形化状態方程式の一例を示す。また、(5)式は、(4)式に含まれる係数行列の各要素を示したものである。(5)式に示されているように、係数行列の各要素は平衡点の関数として数式化されている(なお、一部の要素は定数として表される)。 (4) shows an example of a linearized state equation specialized for the depth / pitch angle control system. Equation (5) shows each element of the coefficient matrix included in Equation (4). As shown in equation (5), each element of the coefficient matrix is expressed as a function of the equilibrium point (note that some elements are expressed as constants).
上記(5)式の各々において、係数Kは、船体固有の運動特性によって決定される定数である。係数Kの添え字は、最初の文字が運動方程式の軸を表し、2番目以降の文字が状態変数を示している。 In each of the above formulas (5), the coefficient K is a constant determined by the motion characteristics unique to the hull. In the suffix of the coefficient K, the first character indicates the axis of the equation of motion, and the second and subsequent characters indicate state variables.
例えば、Kqθは、船体のq軸に関する運動方程式((6)式)における、θ項に係る係数Kqθであることを示している。 For example, K qθ indicates that it is a coefficient K qθ relating to the θ term in the equation of motion (equation (6)) regarding the q-axis of the hull.
同様に、例えば、Kwuudrは、船体のz軸に関する運動方程式((7)式)における、u2・δr項に係る係数Kwuudrであることを示している。 Similarly, for example, K wudr indicates that it is a coefficient K wudr related to the u 2 · δr term in the equation of motion (equation (7)) regarding the z-axis of the hull.
次に、モデルリダクション後の線形化状態方程式を逆問題解析し、干渉を打ち消すための舵角指令について解く。 Next, an inverse problem analysis is performed on the linearized state equation after model reduction, and the steering angle command for canceling the interference is solved.
具体的には、上記(4)式から深度速度wとピッチ角速度qの式を抽出すると、以下の(8)式、(9)式となる。 Specifically, when the expressions of the depth velocity w and the pitch angular velocity q are extracted from the above equation (4), the following equations (8) and (9) are obtained.
ここで、例えば、ピッチ角θが常に0に設定される場合を想定すると、ピッチ角に関するパラメータは全て0、すなわち、dq/dt=0、q=0、θ=0とおける。また、ピッチ角θに関する舵3a〜3dの舵角の微小変化がいずれも等しいとすると、δrc=δr1=δr2=δr3=δr4とおけ、以下の(10)式、(11)式が得られる。
なお、上記想定は一例であり、例えば、ピッチ角θを所定のピッチ角に維持したいのであれば、ピッチ角θには所望の設定値を入力すればよい。
Here, for example, assuming that the pitch angle θ is always set to 0, the parameters related to the pitch angle are all 0, that is, dq / dt = 0, q = 0, and θ = 0. Also, assuming that the minute changes in the rudder angles of the
The above assumption is merely an example. For example, if it is desired to maintain the pitch angle θ at a predetermined pitch angle, a desired set value may be input as the pitch angle θ.
そして、上記(10)式、(11)式の連立方程式を、深度zに関する舵角指令の微小変化Δδb、ピッチ角θに関する舵角指令の微小変化Δδrcについて解くと、以下の(12)式及び(13)式が得られる。
この(12)式及び(13)式が干渉補償演算式の一例であり、Δδbが非干渉化に必要な深度に関する微小干渉補償舵角ΔδbFF、Δδrcが非干渉化に必要なピッチ角に関する微小干渉補償舵角ΔδrcFFとなる。
Then, the equation (10), (11) the simultaneous equations of expression, small changes in the steering angle command regarding the depth z Derutaderutabi, and solving for small changes Derutaderutaaru c of the steering angle command regarding pitch angle theta, the following equation (12) And (13) Formula is obtained.
The (12) and (13) below is an example of an interference compensation calculation expression, Derutaderutabi minute interference compensation steering angle Derutaderutabi FF regarding depth required decoupling, Δδr c relates pitch angle necessary decoupling A small interference compensation steering angle Δδr cFF is obtained.
次に、図4に戻り、本実施形態に係る非干渉化制御部13の具体的な構成について、説明する。非干渉化制御部13aは、係数行列算出部41、遅延部42、微分器43a〜43d、微小変化量演算部44、干渉補償舵角算出部45、及び積算部46を主な構成として備えている。
Next, returning to FIG. 4, a specific configuration of the decoupling control unit 13 according to the present embodiment will be described. The
係数行列算出部41には、x軸方向における設定速度=目標速度u*及び目標深度w*が入力される。目標速度u*は、例えば、上位装置から入力される値であり、目標深度w*は、目標値設定部21において設定された目標深度z*を微分器43aで微分した値である。厳密には、深度zから深度速度wへの変換は、絶対座標系から相対座標系への変換となるため、zの微分以外の補正式が必要であるが、ここでは省略している。
係数行列算出部41は、上記(5)式で表される係数行列の各要素の数式を保有しており、これらの数式に目標速度u*及び目標深度w*を代入することにより、現在の平衡点における係数行列A(n),B(n)を算出する。
The coefficient
The coefficient
算出された係数行列A(n),B(n)は、遅延部42に入力される。遅延部42は、今回の制御周期で得られた係数行列A(n),B(n)を記憶するとともに、記憶していた前回の制御周期で得られた係数行列A(n−1)、B(n−1)を干渉補償舵角算出部45に出力する。このように、1周期前の制御周期で得られた係数行列A(n−1)、B(n−1)を出力するのは、後述する微小変化量演算部44から出力される各状態変数との整合をとるためである。
The calculated coefficient matrices A (n) and B (n) are input to the
微小変化量演算部44には、目標深度速度w*及び目標深度加速度dw*/dt、目標ピッチ角θ*に対応する回転軸の目標角速度q*及び目標角加速度dq*/dt、並びに目標ピッチ角θ*が入力される。目標深度速度w*は、目標値設定部21により設定された目標深度z*を微分器43aにより1回微分した値、目標加速度dw*/dtは、目標深度z*を微分器43a、43bにより2回微分した値である。目標角速度q*は、目標値設定部31により設定された目標ピッチ角θ*を微分器43cにより1回微分した値、目標角加速度dq*/dtは目標ピッチ角θ*を微分器43c、43dにより2回微分した値である。
The minute change
なお、上記微分器43a〜43d及び微小変化量演算部44は、後述する干渉補償舵角算出部45において、干渉補償演算式に代入される状態変数を算出するための構成である。したがって、例えば、上記の状態変数のうち、干渉補償演算式に用いられない状態変数については、微分器の一部を省略したり、演算を省略したりすることが可能である。
The
微小変化量演算部44は、これら各目標値の微小変化量Δw*、Δdw*/dt、Δq*、Δdq*/dt、Δθ*を算出して、干渉補償舵角算出部45に出力する。
具体的には、微小変化量演算部44は、各入力値について、制御周期の前回値と今回値との差分を算出することにより、微小変化量を算出する。
Minute change
Specifically, the minute change
干渉補償舵角算出部45は、干渉補償演算式(例えば、上述した(12)式及び(13)式)を保有しており、これらの式に、遅延部42及び微小変化量演算部44からの入力値を代入することで、微小干渉補償舵角ΔδbFF、ΔδrcFFを得る。
積算部46は、干渉補償舵角算出部45で算出された微小干渉補償舵角ΔδbFF、ΔδrcFFを前回の制御周期における干渉補償舵角δbFF、δrcFFに加算することにより、今回の制御周期における深度に関する干渉補償舵角δbFF及びピッチ角に関する干渉補償舵角δrcFFを算出する。すなわち、演算式を表すと以下の通りとなる。
The interference compensation rudder
Integrating
δbFF(今回値)=δbFF(前回値)+ΔδbFF
δrcFF(今回値)=δrcFF(前回値)+ΔδrcFF
δb FF (current value) = δb FF (previous value) + Δδb FF
δr cFF (current value) = δr cFF (previous value) + Δδr cFF
このようにして得られた、深度に関する干渉補償舵角δbFFは、深度制御部11の深度舵角設定部24において、深度フィードバック舵角δbFBに加算されることで、深度舵角指令δb*が得られる。
同様に、ピッチ角に関する干渉補償舵角δrcFFは、ピッチ角制御部12のピッチ角舵角設定部34において、ピッチ角フィードバック舵角δrcFBに加算されることで、ピッチ舵角指令δrc *が算出される。
The depth-related interference compensation steering angle δb FF obtained in this way is added to the depth feedback steering angle δb FB in the depth steering
Similarly, an interference compensation steering angle δr cFF related to the pitch angle is added to the pitch angle feedback steering angle δr cFB in the pitch angle steering
次に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10aの動作について説明する。
上位装置において設定された設定深度zsetおよび設定ピッチ角θset(=0)が入力されると、設定深度zsetは深度制御部11に、ピッチ角設定値θsetはピッチ角制御部12に入力される。
深度制御部11において、設定深度zsetは目標値設定部21に入力され、離散的な値から連続的な値である目標深度z*に変換される。目標深度z*は、非干渉化制御部13a及び差分演算部22に出力される。差分演算部22では、目標深度z*と船体1の実深度zとの差分が算出され、フィードバック制御部23にて、この差分に基づく深度フィードバック舵角δbFBが設定される。
Next, the operation of the underwater
When the set depth z set and the set pitch angle θ set (= 0) set in the host device are input, the set depth z set is input to the
In the
同様に、ピッチ角制御部12において、設定ピッチ角θsetは目標値設定部31に入力され、離散的な値から連続的な値である目標ピッチ角θ*に変換される。目標ピッチ角θ*は、非干渉化制御部13a及び差分演算部32に出力される。差分演算部32では、目標ピッチ角θ*と船体1の実ピッチ角θとの差分が算出され、フィードバック制御部33にて、この差分に基づくピッチ角フィードバック舵角δrcFBが設定される。
Similarly, in the pitch
非干渉化制御部13aでは、目標深度z*及び目標ピッチ角θ*が微分器43a〜43dに入力されることにより、目標深度z*から目標深度速度w*、目標深度加速度dw*/dtが算出されるとともに、目標ピッチ角θ*から目標ピッチ角速度r*、目標ピッチ角加速度dr*/dtが算出さる。目標深度速度w*は、係数行列算出部41及び微小変化量演算部44に出力され、目標深度加速度dw*/dt、目標ピッチ角速度r*、目標ピッチ角加速度dr*/dtは、微小変化量演算部44に出力される。
In the
係数行列演算部41では、上位装置から入力されたx軸方向における設定速度=目標速度u*と目標深度速度w*とを用いて、係数行列A(n)、B(n)が算出され、遅延部42に出力される。遅延部42では今回値が記憶されるとともに、記憶されていた係数行列の前回値A(n−1)、B(n−1)が干渉補償舵角算出部45に出力される。
一方、微小変化量演算部44では、入力された各パラメータに対して前回値との差分がそれぞれ演算されることにより、それぞれのパラメータについて微小変化量が算出される。算出されたそれぞれの微小変化量Δw*、Δdw*/dt、Δr*、Δdr*/dt、Δθ*は、干渉補償舵角算出部45に出力される。
The coefficient
On the other hand, the minute change
干渉補償舵角算出部45では、入力された係数行列の前回値A(n−1)、B(n−1)及び各微小変化量Δw*、Δdw*/dt、Δr*、Δdr*/dt、Δθ*を、予め保有している干渉舵角演算式に代入することにより、微小干渉補償舵角ΔδbFF、ΔδrcFFが算出される。微小干渉補償舵角ΔδbFF、ΔδrcFFは、積算部46において、前回の干渉補償舵角にそれぞれ加算されることにより、今回の干渉補償舵角δbFF、δrcFFが得られる。
In the interference compensation steering
このようにして算出された深度に関する干渉補償舵角δbFFは、深度制御部11の深度舵角設定部24において深度フィードバック舵角δbFBに加算され、深度舵角指令δb*が算出される。
同様に、ピッチ角に関する干渉補償舵角δrcFFは、ピッチ角制御部12のピッチ角舵角設定部34において、ピッチ角フィードバック舵角δrcFBに加算され、ピッチ舵角指令δrc *が算出される。
そして、深度舵角指令δb*及びピッチ舵角指令δrc *に基づいて、船体1に設けられた舵3a〜3eの舵角が制御される。
これにより、ピッチ角θをゼロに保ちながら深度zを目標深度z*に追従させることが可能となり、最終的に深度zを設定深度zsetに一致させることができる。
The interference-compensated steering angle δb FF related to the depth calculated in this way is added to the depth feedback steering angle δb FB in the depth steering
Similarly, the interference compensation steering angle δr cFF related to the pitch angle is added to the pitch angle feedback steering angle δr cFB in the pitch angle steering
Then, the rudder angles of the
As a result, the depth z can be made to follow the target depth z * while the pitch angle θ is kept at zero, and finally the depth z can be matched with the set depth z set .
図5に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10aによる深度変更時のシミュレーション結果を示す。図5において、(a)は船体の速力、(b)は深度、(c)はピッチ角、(d)は深度に関する舵角、(e)はピッチ角に関する舵角の時間的推移を示している。また、図5(d)、(e)において、舵角指令は破線で、実舵角は実線で示されている。この図からわかるように、図15に示した従来のシミュレーション結果と比較して、深度zが設定値まで速やかに変化しているとともに、ピッチ角θの変動が抑制されている。
したがって、本実施形態に係る水中航走体の制御装置及び制御方法によれば、船体制御の精度を向上させることができ、舵駆動系の動力消費を低減させることが可能となる。
In FIG. 5, the simulation result at the time of the depth change by the
Therefore, according to the underwater vehicle control apparatus and control method according to the present embodiment, the accuracy of the hull control can be improved, and the power consumption of the rudder drive system can be reduced.
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態に係る水中航走体及びその制御装置並びに制御方法について図を参照して説明する。
上述した第1実施形態では、干渉補償演算式に用いる状態変数を目標値の微小変化量としていた。これは、線形化が平衡点近傍において局所的に成立するという理論に基づくものである。しかしながら、目標値の微小変化量を状態変数として用いた場合、微分計算が多く、処理負担が大きい。そこで、本実施形態では、干渉補償演算式に用いる状態変数を目標値自体とし、微分計算による処理負担を軽減している。
[Second Embodiment]
Next, an underwater vehicle according to a second embodiment of the present invention, a control device therefor, and a control method will be described with reference to the drawings.
In the first embodiment described above, the state variable used in the interference compensation calculation formula is the minute change amount of the target value. This is based on the theory that linearization is established locally near the equilibrium point. However, when the minute change amount of the target value is used as the state variable, there are many differential calculations and the processing load is large. Therefore, in the present embodiment, the state variable used in the interference compensation calculation formula is set as the target value itself, thereby reducing the processing burden due to differential calculation.
すなわち、本実施形態では、上記(12)式、(13)式における各状態変数Δw*、Δdw*/dt、Δr*、Δdr*/dt、Δθ*に代えて、目標値自体である状態変数w*、dw*/dt、r*、dr*/dt、θ*を用いる。これにより、(12)式、(13)式は、以下の(14)式、(15)式で表される。 That is, in this embodiment, instead of the state variables Δw * , Δdw * / dt, Δr * , Δdr * / dt, and Δθ * in the above equations (12) and (13), the state variable that is the target value itself. w * , dw * / dt, r * , dr * / dt, θ * are used. Thereby, (12) Formula and (13) Formula are represented by the following (14) Formula and (15) Formula.
図6に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10bの機能ブロック図の一例を示す。図6において、図4に示した構成と同一の構成については、同一の符号を付している。図6に示すように、第1実施形態に係る制御装置10aの構成に比べて、遅延部42、微小変化量演算部44、及び積算部46が省略され、構成が簡素化されている。
このように、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10bによれば、第1実施形態に比べて構成を簡素化することができ、演算処理の負担を軽減することが可能となる。
In FIG. 6, an example of the functional block diagram of the
Thus, according to the
図7に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10bによる深度変更時のシミュレーション結果を示す。図7において、(a)は船体の速力、(b)は深度、(c)はピッチ角、(d)は深度に関する舵角、(e)はピッチ角に関する舵角の時間的推移を示している。また、図7(d)、(e)において、舵角指令は破線で、実舵角は実線で示されている。この図からわかるように、図20に示した従来のシミュレーション結果と比較して、深度が設定値まで速やかに変化しているとともに、ピッチ角の変動が抑制されている。
したがって、本実施形態に係る水中航走体の制御装置及び制御方法によれば、船体制御の精度を向上させることができ、舵駆動系の動力消費を低減させることが可能となる。
In FIG. 7, the simulation result at the time of the depth change by the
Therefore, according to the underwater vehicle control apparatus and control method according to the present embodiment, the accuracy of the hull control can be improved, and the power consumption of the rudder drive system can be reduced.
〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態に係る水中航走体及びその制御装置並びに制御方法について図を参照して説明する。
上述した第1又は第2実施形態では、状態方程式における平衡点を目標値としておいていたが、本実施形態では、平衡点を後述する平衡点マップから取得する点で異なる。
平衡点マップは、船体1の舵操作量(例えば、プロペラ回転数や、各直交軸に関する舵角成分など)の組み合わせに対する状態量(例えば、x軸方向の速度u、y軸方向の速度v、z軸方向の速度w、ロール角速度p、ピッチ角速度q、ヨー角速度r、ロール角φ、ピッチ角θ)の平衡点を予め数値解析により求め、数値解析の結果をマップ化したものである。図9に、速力設定2kt相当時の平衡点マップの一例を示す。図9に示した平衡点マップでは、速力設定が2ktの場合に、深度の舵角成分及びピッチ角の舵角成分から速度uを取得することができる。
[Third Embodiment]
Next, an underwater vehicle according to a third embodiment of the present invention, a control device therefor, and a control method will be described with reference to the drawings.
In the first or second embodiment described above, the equilibrium point in the state equation is set as the target value. However, the present embodiment is different in that the equilibrium point is acquired from an equilibrium point map described later.
The equilibrium point map is a state quantity (for example, a speed u in the x-axis direction, a speed v in the y-axis direction, etc.) for a combination of rudder operation amounts (for example, propeller rotation speed, rudder angle components with respect to the respective orthogonal axes). The equilibrium point of the velocity w in the z-axis direction, the roll angular velocity p, the pitch angular velocity q, the yaw angular velocity r, the roll angle φ, and the pitch angle θ) is obtained in advance by numerical analysis, and the result of the numerical analysis is mapped. FIG. 9 shows an example of an equilibrium point map when the speed setting is equivalent to 2 kt. In the equilibrium point map shown in FIG. 9, when the speed setting is 2 kt, the speed u can be acquired from the steering angle component of the depth and the steering angle component of the pitch angle.
図8に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10cのうち、深度制御とピッチ角制御に関する機能ブロックについて示す。
図6に示した構成と同一の構成については、同一の符号を付している。
図8に示すように、本実施形態に係る制御装置10cは、第2実施形態に係る制御装置10bの構成に対して、平衡点設定部48と、パラメータ変換部49とが追加された構成とされている。
平衡点設定部48は、船体1の舵操作量と状態量とを関連付けた平衡点マップを有し、この平衡点マップと現在の操作量とから状態量の平衡点uep、wepを設定する。
パラメータ変換部49は、設定速度usetを回転数指令n*に換算する。設定速度usetを回転数指令n*に変換する理由は、平衡点マップにおける舵操作量の一つとして、回転数指令n*が用いられているからである。
FIG. 8 shows functional blocks related to depth control and pitch angle control in the underwater
The same components as those shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
As shown in FIG. 8, the
The equilibrium point setting unit 48 has an equilibrium point map that associates the rudder operation amount and the state quantity of the
The
このような制御装置10cによれば、平衡点設定部48には、設定速度usetから換算された回転数指令n*と、深度制御部11により設定された深度舵角指令δb*、ピッチ角制御部12により設定されたピッチ角舵角指令δrc *が入力される。平衡点設定部48は、これら入力値の組み合わせから一義的に特定される平衡点uep、wepを平衡点マップを参照することにより取得し、取得した平衡点uep、wepを係数行列算出部41に出力する。なお、図8では、第2実施形態で説明したように、目標値自体を状態変数として用いた場合の構成例を示しているが、図4に示しように、それぞれのパラメータの微小変化量を状態変数として用いる非干渉制御に適用することとしてもよい。
According to such a
図10に、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10cによる深度変更時のシミュレーション結果を示す。図10において、(a)は船体の速力、(b)は深度、(c)はピッチ角、(d)は深度に関する舵角、(e)はピッチ角に関する舵角の時間的推移を示している。また、図10(d)、(e)において、舵角指令は破線で、実舵角は実線で示されている。この図からわかるように、図20に示した従来のシミュレーション結果と比較して、深度が目標値まで速やかに変化しているとともに、ピッチ角の変動が抑制されている。
したがって、本実施形態に係る水中航走体の制御装置及び制御方法によれば、船体制御の精度を向上させることができ、舵駆動系の動力消費を低減させることが可能となる。
In FIG. 10, the simulation result at the time of the depth change by the
Therefore, according to the underwater vehicle control apparatus and control method according to the present embodiment, the accuracy of the hull control can be improved, and the power consumption of the rudder drive system can be reduced.
〔第4実施形態〕
以下に、本発明の第4実施形態に係る水中航走体の制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。
上述した第1〜第3実施形態に係る水中航走体の制御装置は、深度とピッチ角との間に生ずる干渉を低減する場合について説明したが、本実施形態では、深度z、ピッチ角θ、ロール角φ、及び方位角ψの相互間に生じる干渉を低減する場合について説明する。すなわち、ロール角φ及び方位角ψについてもさらに考慮する点で、上記の各実施形態と異なる。
以下、第2実施形態に係る制御装置10bと同一の構成については同一の符号を付すとともに説明を省略し、第2実施形態と異なる点について主に説明する。
[Fourth Embodiment]
Hereinafter, a control device and a control method for an underwater vehicle according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Although the control apparatus of the underwater vehicle according to the first to third embodiments described above has been described for the case of reducing interference generated between the depth and the pitch angle, in this embodiment, the depth z and the pitch angle θ. A case where the interference generated between the roll angle φ and the azimuth angle ψ is reduced will be described. That is, the embodiment differs from the above embodiments in that the roll angle φ and the azimuth angle ψ are further considered.
Hereinafter, the same components as those of the
図11、12は、本実施形態に係る制御装置10gにおいて、深度制御、ピッチ角制御、ロール角制御、及び方位角制御に関する機能ブロックについて示した図である。
図11、12に示すように、制御装置10gは、深度zを制御する深度制御部11と、ピッチ角θを制御するピッチ角制御部12と、ロール角を制御するロール角制御部70と、方位角を制御する方位角制御部80と、非干渉化制御部90とを主な構成として備えている。
11 and 12 are diagrams illustrating functional blocks related to depth control, pitch angle control, roll angle control, and azimuth angle control in the
As shown in FIGS. 11 and 12, the
ロール角制御部70は、上述した深度制御部11と同様の構成を有し、離散的な値である設定ロール角φsetから連続的な目標ロール角φ*を設定する目標値設定部71、目標値設定部71からの目標ロール角φ*と船体1の実ロール角φとの差分を算出する差分演算部72、差分演算部72からの差分からロール角フィードバック舵角δrrFBを設定するフィードバック制御部73、及びロール角フィードバック舵角δrrFBを後述する非干渉化制御部90からの干渉補償舵角δrrFFを用いて補正し、ロール角舵角指令δrr *を生成するロール角舵角設定部34を主な構成として備えている。
The roll
方位角制御部80も、上記ロール角制御部70と同様に、離散的な値である設定方位角ψsetから連続的な目標方位角ψ*を設定する目標値設定部81、目標値設定部81からの目標方位角ψ*と船体1の実方位角ψとの差分を算出する差分演算部82、差分演算部82からの差分から方位角フィードバック舵角δrlFBを設定するフィードバック制御部83、及び方位角フィードバック舵角δrlFBを後述する非干渉化制御部90からの干渉補償舵角δrlFFを用いて補正し、方位角舵角指令δrl *を生成する方位角舵角設定部84を主な構成として備えている。
Similarly to the roll
非干渉化制御部90はフィードフォワード系であり、線形化された船体1の状態方程式から逆問題解析によって導出された干渉補償演算式を用いて、深度z、ピッチ角θ、ロール角φ、及び方位角ψの相互干渉を抑制するための干渉補償舵角δbFF、δrcFF、δrrFF、及びδrlFFをそれぞれ演算する。ここで、非干渉化制御部90の各構成については、上述した第2実施形態とほぼ同様であるが、本実施形態では、深度z、ピッチ角θ、ロール角φ、及び方位角ψの相互干渉を抑制することから演算に用いる演算式が異なる。以下、各演算式について、説明する。
The
船体1の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式は、以下の(16)式及び(17)式で表される。ここで、平衡点については、目標値において船体が平衡状態となると仮定し、船体運動の目標値を平衡点としている。
The linearized equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the
(16)−(19)式において、u、v、w、p、q、r、φ、θ、ψは、図3において定義した通りであり、nは回転数[rps]、δbは舵3eの舵角、換言すると、深度に関する舵角[rad]、δr1、δr2、δr3、δr4はそれぞれ舵3a、舵3b、舵3c、舵3dの舵角である。
In the equations (16) to (19), u, v, w, p, q, r, φ, θ, and ψ are as defined in FIG. 3, n is the rotational speed [rps], and δb is the rudder 3e. In other words, the steering angles [rad], δr1, δr2, δr3, and δr4 related to the depth are the steering angles of the
続いて、任意の操作量Uに対して、平衡状態での状態量が、あるXに落ち着く平衡点(dX/dt=0)が存在すると仮定すると、以下の(20)式が成立する。 Next, assuming that there is an equilibrium point (dX / dt = 0) where the state quantity in the equilibrium state settles at a certain X with respect to an arbitrary manipulated variable U, the following expression (20) is established.
f(X*,U*)=0 (20) f (X * , U * ) = 0 (20)
この状態からの微小変動量をΔX,ΔUとすると、以下の(21)式が得られる。 When the minute fluctuation amounts from this state are ΔX and ΔU, the following equation (21) is obtained.
上記(21)式を平衡点の近傍でテーラー展開し、1次近似とすると、以下の(22)式で表される平衡点周りの状態方程式が得られる。 If the above equation (21) is Taylor-expanded in the vicinity of the equilibrium point to be a first order approximation, a state equation around the equilibrium point expressed by the following equation (22) is obtained.
(22)式において、Aは以下の(23)式、Bは以下の(24)式で与えらえる。 In the formula (22), A is given by the following formula (23), and B is given by the following formula (24).
上記から線形化状態方程式は、以下の(25)式で表される。 From the above, the linearized state equation is expressed by the following equation (25).
上記A、B行列の各要素a11〜b96は、ある平衡点X*、U*における関数または定数として表現される。例えば、要素a14、a15、a16は、以下の(26)−(28)式で表される。なお、その他の各要素についても上記の(16)〜(22)式から当然のごとく導出される。 The elements a 11 to b 96 of the A and B matrices are expressed as functions or constants at certain equilibrium points X * and U * . For example, the elements a 14 , a 15 and a 16 are represented by the following formulas (26) to (28). The other elements are naturally derived from the above equations (16) to (22).
(26)−(28)式において、係数Kの添え字については、上述した第1実施形態における係数Kの添え字と同様である。 In the equations (26)-(28), the suffix of the coefficient K is the same as the suffix of the coefficient K in the first embodiment described above.
次に、上記線形化状態方程式を逆問題解析し、干渉を打ち消すための舵角指令について解く。すなわち、任意の状態目標値に制御したいときの操作量は、上記(22)式を逆問題解析して、以下の(29)式で演算できる。 Next, an inverse problem analysis is performed on the linearized equation of state, and a steering angle command for canceling the interference is solved. That is, the manipulated variable when it is desired to control to an arbitrary state target value can be calculated by the following equation (29) by performing inverse problem analysis on the above equation (22).
また、ΔUは操作量の指令値の微小変化量、ΔX*は状態量の微小変化量である。上記(29)式に対して、深度、ロール角、ピッチ角、方位角に関するパラメータのそれぞれに、各目標値に基づく値を代入して連立方程式を作成し、この連立方程式を各舵角指令の微小変化Δδb、Δδr1、Δδr2、Δδr3、Δδr4について解くことにより、相互間の干渉を低減させるための干渉補償舵角指令が得られる。
例えば、方位角ψのみを変化させ、深度z、ロール角φ、ピッチ角θについては現在値を維持したい場合には、方位角ψに関するパラメータには目標となる方位角ψに基づく値を代入し、方位角ψ以外のパラメータには全て0を設定する。そして、そのときの連立方程式を各舵角指令の微小変化Δδb、Δδr1、Δδr2、Δδr3、Δδr4について解くことにより、方位角ψを変化による他のパラメータへの影響を回避するための舵角指令を得ることができる。
ΔU is a minute change amount of the command value of the operation amount, and ΔX * is a minute change amount of the state amount. A simultaneous equation is created by substituting a value based on each target value for each of the parameters relating to the depth, roll angle, pitch angle, and azimuth angle with respect to the above equation (29). By solving for the minute changes Δδb, Δδr1, Δδr2, Δδr3, and Δδr4, an interference compensation steering angle command for reducing the mutual interference can be obtained.
For example, when only the azimuth angle ψ is changed and it is desired to maintain the current values for the depth z, the roll angle φ, and the pitch angle θ, a value based on the target azimuth angle ψ is substituted for the parameter related to the azimuth angle ψ. All parameters other than the azimuth angle ψ are set to 0. Then, by solving the simultaneous equations at that time for minute changes Δδb, Δδr1, Δδr2, Δδr3, Δδr4 of each steering angle command, a steering angle command for avoiding the influence on the other parameters due to the change of the azimuth angle ψ is obtained. Can be obtained.
ここで、本実施形態では、上記(29)式に示した微小変化量を絶対値に置き換えた逆解析演算式を干渉補償演算式として用いて、干渉補償舵角を演算する。すなわち、本実施形態に係る干渉補償演算式は、以下の(30)式で表される。 Here, in the present embodiment, the interference compensation steering angle is calculated using the inverse analysis calculation formula obtained by replacing the minute change amount shown in the formula (29) with an absolute value as the interference compensation calculation formula. That is, the interference compensation calculation formula according to this embodiment is expressed by the following formula (30).
このように、微小変化量でなく絶対値に置き換えることにより、微小変化量を用いる場合に比べて構成を簡素化することができ、演算処理の負担を軽減することができる。以下、上記(30)式に示した干渉補償演算式を採用して非干渉制御を行う場合の非干渉化制御部90の具体的な構成について主に図11を参照して説明する。
Thus, by replacing with an absolute value instead of a minute change amount, the configuration can be simplified as compared with the case where a minute change amount is used, and the burden of calculation processing can be reduced. Hereinafter, a specific configuration of the
図11に示すように、非干渉化制御部90は、係数行列算出部91、微分器92a〜92h、干渉補償舵角算出部93及び座標変換部94を主な構成として備えている。
As illustrated in FIG. 11, the
係数行列算出部91には、x軸方向における目標速度u*及びy軸方向における目標速度v*が入力される。目標速度u*及びv*は、例えば、上位装置から入力される値である。また、係数行列算出部91には、目標値設定部21において設定された目標深度z*を微分して得られるz軸方向における目標速度w*、目標ロール角設定部71によって設定された目標ロール角φ*及び該目標ロール角φを微分して得られるロール角速度p*、目標値設定部31によって設定された目標ピッチ角θ*及び該目標ピッチ角θ*を微分して得られるピッチ角速度q*、及び目標値設定部81によって設定された目標方位角ψ*を微分して得られる目標方位角速度r*が入力される。厳密には、絶対座標系(z,φ,θ,ψ)から相対座標系(w,p,q,r)への変換は、微分以外の補正式が必要であるが、ここでは省略している。
The
係数行列算出部91は、上記(26)式〜(28)式に例示されるように、係数行列A、Bの各要素を算出するための関数(一部は、定数やゼロである)をそれぞれ保有しており、これらの関数に上記入力値を代入することにより、現在の平衡点における係数行列A(n),B(n)を算出する。
The coefficient
干渉補償舵角算出部93には、係数行列算出部91によって算出された係数行列A(n),B(n)が入力されるとともに、目標深度速度w*及び目標深度加速度dw*/dt、目標ピッチ角θ*、目標ピッチ角速度q*及び目標ピッチ角加速度dq*/dt、目標ロール角φ*、目標ロール角速度p*及び目標ロール角加速度dp*/dt、及び目標方位角速度r*及び目標方位角加速度dr*/dtが入力される。なお、これらを演算するために、それぞれ微分器92a〜92hが設けられている。
The interference compensation steering
干渉補償舵角算出部93は、干渉補償演算式(例えば、上述した(30)式)を保有しており、これらの式に、上記入力値を代入することで、干渉補償舵角δbFF、δr1、δr2、δr3、δr4をそれぞれ得る。
座標変換部94は、干渉補償舵角算出部93によって得られた干渉補償舵角δr1、δr2、δr3、δr4をロール角、ピッチ角、方位角のそれぞれに対応する干渉補償舵角δrrFF、δrcFF、δrlFFに変換する。これは、幾何学的な舵の配置に基づき、4つの舵がロール、ピッチ、方位へ作用する舵力に変換するものである。
The interference compensation rudder
Coordinate
深度に関する干渉補償舵角δbFFは、図12に示す深度制御部11の深度舵角設定部24において、深度フィードバック舵角δbFBに加算されることで、深度舵角指令δb*が得られる。
同様に、ロール角に関する干渉補償舵角δrrFFは、ロール角制御部70のロール角舵角設定部74において、ロール角フィードバック舵角δrrFBに加算されることで、ロール角舵角指令δrr *が算出される。
ピッチ角に関する干渉補償舵角δrcFFは、ピッチ角制御部12のピッチ角舵角設定部34において、ピッチ角フィードバック舵角δrcFBに加算されることで、ピッチ角舵角指令δrc *が算出される。
方位角に関する干渉補償舵角δrlFFは、方位角制御部80の方位角舵角設定部84において、方位角フィードバック舵角δrlFBに加算されることで、方位角舵角指令δrl *が算出される。
The depth-compensated steering angle δb FF is added to the depth feedback steering angle δb FB in the depth steering
Similarly, the roll angle steering angle command δr r is obtained by adding the interference compensation steering angle δr rFF related to the roll angle to the roll angle feedback steering angle δr rFB in the roll angle steering
The pitch angle steering angle command δr c * is calculated by adding the interference compensation steering angle δr cFF related to the pitch angle to the pitch angle feedback steering angle δr cFB in the pitch angle steering
The interference compensation steering angle δr lFF related to the azimuth is added to the azimuth feedback steering angle δr lFB in the azimuth steering
ロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *は、座標変換部85によって各舵3a〜3dへの舵制御指令δr1*、δr2*、δr3*、δr4*にそれぞれ変換される。これにより、舵3eが舵角指令δb*に基づいて、舵3aが舵制御指令δr1*に基づいて、舵3bが舵制御指令δr2*に基づいて、舵3cが舵制御指令δr3*に基づいて、舵3dが舵制御指令δr4*に基づいて、それぞれ駆動制御されることにより、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψ間の相互干渉を抑制しながら、船体姿勢を目標姿勢に追従させることが可能となる。
The roll angle rudder angle command δr r * , pitch angle rudder angle command δr c * , and azimuth angle rudder angle command δr l * are controlled by the coordinate
以上、本実施形態に係る水中航走体の制御装置10gによれば、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、及び方位角ψの相互干渉を抑制することが可能となる。したがって、船体制御の精度を向上させることができ、舵駆動系の動力消費を低減させることが可能となる。
なお、本実施形態においては、干渉補償演算式に用いる状態変数を目標値の絶対値としたが、第1実施形態のように、微小変化量を用いることとしてもよい。この場合、上述した第1実施形態と同様に、遅延部42、微小変化量演算部44、積算部46の機能を有する構成が必要となる。
As described above, according to the underwater
In the present embodiment, the state variable used in the interference compensation calculation formula is the absolute value of the target value, but a minute change amount may be used as in the first embodiment. In this case, as in the first embodiment described above, a configuration having functions of the
〔第5実施形態〕
以下に、本発明の第5実施形態に係る水中航走体の制御装置並びに制御方法について、図面を参照して説明する。
上述した第4実施形態に係る水中航走体の制御装置10gでは、微分器92a〜92hを用いて、速度・角速度及び加速度・角加速度を得ていた。これに代えて、本実施形態では、図13、14に示すように、目標値設定部21´、31´、71´、81´が備える理想応答モデルの内部状態を取り出すことで、速度・角速度及び加速度・角加速度を出力することとしている。
[Fifth Embodiment]
Hereinafter, a control device and a control method for an underwater vehicle according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In the underwater
図13、14は、本実施形態に係る制御装置10hの機能ブロック図を示した図である。図13、14に示すように、本実施形態に係る制御装置10hは、図11、12に示した微分器92a〜92hが省略され、各目標値設定部21´、31´、71´、81´から各速度・角速度及び加速度・角加速度が出力されるような構成とされている。なお、その他の構成については、図11、12に示した構成と同様のため、説明は省略する。
13 and 14 are functional block diagrams of the
図15は、ピッチ角制御部12´が備える目標値設定部31´の一構成例を示した図である。なお、深度制御部11´の目標値設定部21´、ロール角制御部70´の目標値設定部71´、及び方位角制御部80´の目標値設定部81´についても同様の構成とされている。図15に示すように、目標値設定部31´は、減算器101、102、比例器103、104、及び積分器105、106を備えている。この目標値設定部31´にピッチ角設定値θsetが入力された場合、積分器105の入力が目標ピッチ角加速度dq*/dtとなり、積分器106の入力が目標ピッチ角速度q*となり、出力が目標ピッチ角θ*となる。目標ピッチ角加速度dq*/dt、目標ピッチ角速度q*、及び目標ピッチ角θ*は、非干渉化制御部90に出力される。ここで、比例器103の比例ゲインKpは以下の(31)式で、比例器104の比例ゲインKvは以下の(32)式で与えられる。
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a target
Kp=ωn/2ζ (31)
Kv=2ζωn (32)
Kp = ω n / 2ζ (31)
Kv = 2ζω n (32)
(31)、(32)式において、ωnは固有角周波数、ζは減衰率である。固有角周波数ωnは、外部から与える設定値であるが、速力uが変化すると船体の応答性が変わるので、速力uに応じて設定値を変化させることが好ましい。例えば、速力uが比較的遅いときにはピッチ角の応答性が鈍く、速力uが比較的早いときにはピッチ角の応答性がよい。したがって、このような特性に応じて、速力uと固有角周波数ωnとを関連付けたテーブルなどを用意しておき、このテーブルから速力uに応じた固有周波数ωnを逐次設定することとすればよい。また、固有角周波数ωnは、目標値設定部21´、31´、71´、及び81´のそれぞれにおいて、異なる値を設定することとしてもよい。これは、速力uに応じてそれぞれのパラメータの応答性が異なるからである。
減衰率ζは固定値であるが、例えば、比例ゲインKpとKvとで異なる値を設定してもよい。
In equations (31) and (32), ω n is the natural angular frequency, and ζ is the attenuation factor. The natural angular frequency ω n is a set value given from the outside. However, since the responsiveness of the hull changes when the speed u changes, it is preferable to change the set value according to the speed u. For example, when the speed u is relatively slow, the responsiveness of the pitch angle is dull. When the speed u is relatively fast, the responsiveness of the pitch angle is good. Accordingly, a table in which the speed u and the natural angular frequency ω n are associated with each other according to such characteristics is prepared, and the natural frequency ω n corresponding to the speed u is sequentially set from this table. Good. The natural angular frequency ω n may be set to a different value in each of the target
Although the attenuation rate ζ is a fixed value, for example, different values may be set for the proportional gains Kp and Kv.
このように、本実施形態に係る水中航走体の制御装置及び制御方法によれば、目標値設定部21´、31´、71´、81´が備える理想応答モデルの演算過程で発生する状態変数である速度(角速度)、加速度(角加速度)を、非干渉化制御部90に入力するので、微分器92a〜92hを省略することができる。
なお、第1〜第3実施形態に係る水中航走体の制御装置においても、目標値設定部21、31に代えて、上記目標値設定部21´、31´を採用することとしてもよい。これにより、微分器43a〜43dを省略することが可能となる。
Thus, according to the control apparatus and control method for an underwater vehicle according to the present embodiment, a state that occurs in the calculation process of the ideal response model included in the target
In the underwater vehicle control apparatus according to the first to third embodiments, the target
〔第6実施形態〕
次に、本発明の第6実施形態に係る水中航走体及びその制御装置並びに制御方法について図を参照して説明する。
上述した各実施形態では、各軸間の制御における干渉を抑制するための非干渉化制御部13a、13b、90を設け、フィードフォワード制御により干渉の影響を抑制していたが、未知の外乱などが発生した場合には、干渉抑制効果が低減してしまう。
[Sixth Embodiment]
Next, an underwater vehicle according to a sixth embodiment of the present invention, a control device therefor, and a control method will be described with reference to the drawings.
In each of the above-described embodiments, the
そこで、本実施形態に係る制御装置10d(図16参照)では、フィードフォワード制御によって補償しきれなかった干渉力、未知の外乱等により発生する制御誤差を低減させるための外乱補償部15aをさらに備えることを特徴としている。
Therefore, the
図16は、本実施形態に係る制御装置10dにおいて、深度制御とピッチ角制御に関する機能ブロックについて示した図である。図16において、上述した第1実施形態と共通する構成要素については、同一の符号を付している。なお、非干渉化制御部13aについては、第2実施形態に係る非干渉化制御部13b、第3実施形態に係る非干渉化制御部13cを採用することも可能であり、また、従来の非干渉化制御部を採用することも可能である。また、非干渉化制御部を省略した構成としてもよい。このように、非干渉化制御部の有無及びその構成については、特に限定されない。
FIG. 16 is a diagram illustrating functional blocks related to depth control and pitch angle control in the
外乱補償部15aは、線形化された船体1の状態方程式から逆問題解析によって導出された外乱補償演算式を用いて、外乱を抑制するための外乱補償舵角を演算する。ここでは、外乱補償部15aの各構成について説明する前に、外乱補償演算式の導出過程について説明する。なお、考え方については、上述した干渉補償演算式とほぼ同様である。
The
まず、任意の平衡点近傍における船体1の線形化状態方程式において、係数行列を平衡点の関数として表現するとともに、船体1の全運転領域において連続的に成立するように適応的に変化させた線形化状態方程式を作成する。ここで、本実施形態においても、船体運動の平衡点として目標値を採用する。
First, in the linearized state equation of the
続いて、相互干渉が生ずる軸に関係する状態変数を特定し、特定した状態変数からなる線形化状態方程式となるように、モデルリダクションを行い、行列サイズを低減する。
たとえば、深度zとピッチ角θとの間に相互干渉が生ずる場合には、深度zとピッチ角θに関連する状態変数を抽出し、深度・ピッチ角制御系に特化した線形化状態方程式にモデルリダクションする。ここで、本実施形態では、外乱を抑制することを目的の一つとしているため、外乱に関する項を線形化状態方程式に含める。
(33)式に、モデルリダクション後の線形化状態方程式の一例を示す。なお、(33)式における係数行列の各要素は、上述した(5)式の通りである。
Subsequently, a state variable related to an axis causing mutual interference is specified, and model reduction is performed so as to obtain a linearized state equation including the specified state variable, thereby reducing the matrix size.
For example, when mutual interference occurs between the depth z and the pitch angle θ, state variables related to the depth z and the pitch angle θ are extracted, and a linearized state equation specialized for the depth / pitch angle control system is extracted. Reduce the model. Here, in the present embodiment, one of the purposes is to suppress the disturbance, so a term related to the disturbance is included in the linearized state equation.
(33) shows an example of the linearized state equation after model reduction. Each element of the coefficient matrix in equation (33) is as described in equation (5) above.
上記(33)式において、d1は外乱の深度方向(z軸方向)に関する成分、d2は外乱のピッチ角に関する成分である。 In the above equation (33), d 1 is a component related to the depth direction (z-axis direction) of the disturbance, and d 2 is a component related to the pitch angle of the disturbance.
次に、外乱を含めたモデルリダクション後の線形化状態方程式を逆問題解析し、外乱d1、d2について解くと、(34)式が得られる。 Next, an inverse problem analysis is performed on the linearized state equation after model reduction including disturbances, and solving for the disturbances d 1 and d 2 yields Equation (34).
このようにして、微小外乱成分Δd1、Δd2が算出されると、算出された外乱を相殺するための微小外乱補償舵角Δbdis、Δrcdisは、変換係数をk1、k2を用いて以下のように得ることができる。 When the minute disturbance components Δd 1 and Δd 2 are calculated in this manner, the minute disturbance compensation steering angles Δb dis and Δr cdis for canceling the calculated disturbance are expressed as follows using conversion coefficients k1 and k2: You can get like that.
Δbdis=k1・Δd1 (35)
Δrcdis=k2・Δd2 (36)
Δb dis = k1 · Δd 1 (35)
Δr cdis = k2 · Δd 2 (36)
(35)式、(36)式において、Δbdisはz軸方向における微小外乱成分Δd1を打ち消すための微小外乱補償舵角、Δrcdisはy軸方向における微小外乱成分Δd2を打ち消すための微小外乱補償舵角である。 In Expressions (35) and (36), Δb dis is a minute disturbance compensation steering angle for canceling the minute disturbance component Δd 1 in the z-axis direction, and Δr cdis is a minute value for canceling the minute disturbance component Δd 2 in the y-axis direction. This is the disturbance compensation rudder angle.
次に、本実施形態に係る外乱補償部15aの構成について、図16を参照して説明する。
外乱補償部15aは、係数行列算出部51、遅延部52、微分器53a〜53d、微小変化量演算部54、外乱補償舵角算出部55及び積算部56を主な構成として備えている。
Next, the configuration of the
The
係数行列算出部51には、x軸方向における実速度u及びz軸方向における実速度wが入力される。実速度uは、例えば、船体1に取り付けられたセンサなどにより検出される値であり、実速度wは、船体1に取り付けられたセンサなどにより検出される実深度zが微分器53aで微分された値が用いられる。
係数行列算出部51は、上記(5)式で表される各要素の数式を保有しており、これらの数式に実速度u及び実深度wを代入することにより、現在の船体1の状態に応じた係数行列A(n)、B(n)を算出する。
The coefficient
The coefficient
算出された係数行列A(n)、B(n)は、遅延部52に入力される。遅延部52は、前回の制御周期で得られた係数行列A(n−1)、B(n−1)を外乱補償舵角算出部55に出力する。このように、1周期前の制御周期で得られた係数行列A(n−1)、B(n−1)を出力するのは、後述する微小変化量演算部54との整合をとるためである。
微小変化量演算部54には、z軸方向の実速度w及び実加速度dw/dt、ピッチ角に対応する回転軸の実角速度q及び実角加速度dq/dt、並びに実ピッチ角θが入力される。実速度wは、実深度zを微分器53aにより1回微分した値、実加速度dw/dtは、実深度zを微分器53a、53bにより2回微分した値である。実角速度qは、船体1に取り付けられたセンサなどによって検出された実ピッチ角θを微分器53cにより1回微分した値、実角加速度dq/dtは実ピッチ角θを微分器53c、53dにより2回微分した値である。
The calculated coefficient matrices A (n) and B (n) are input to the
The minute change
微小変化量演算部54は、これら各入力値の微小変化量Δw、Δdw/dt、Δq、Δdq/dt、Δθを算出して、外乱補償舵角算出部55に出力する。具体的には、微小変化量演算部54は、各入力値について、制御周期の前回値と今回値との差分を算出することにより、微小変化量を算出する。
The minute change
外乱補償舵角算出部55は、上述した手順に従って予め用意した外乱補償演算式を保有しており、これらの式に、遅延部52及び微小変化量演算部54から入力された状態変数を代入することで、深度方向に関する微小外乱成分Δd1及びピッチ角に関する微小外乱成分d2をそれぞれ相殺するための微小外乱補償舵角Δδdis、Δδrcdisを算出する。
The disturbance compensation rudder
積算部56は、微小外乱補償舵角Δbdis、Δrcdisを前回の制御周期で得られた外乱補償舵角に加算することで、今回の制御周期における深度に関する外乱補償舵角δbbis及びピッチ角に関する外乱補償舵角δrcbisを算出する。
積算部56から出力された深度に関する外乱補償舵角δbdisは、深度制御部11の深度舵角設定部24´において、深度フィードバック舵角δbFFに加算されることで、深度舵角指令δb*が算出される。
同様に、積算部56から出力されたピッチ角に関する外乱補償舵角Δδrcdisは、ピッチ角制御部12のピッチ角舵角設定部34´において、ピッチ角フィードバック舵角δrcFBに加算されることで、ピッチ舵角指令δrc *が算出される。
The accumulating
The disturbance compensation steering angle δb dis regarding the depth output from the
Similarly, the disturbance compensation steering angle Δδr cdis regarding the pitch angle output from the integrating
そして、深度舵角指令δb*及びピッチ舵角指令δrc *に基づいて、船体1に設けられた舵3a〜3eの舵角が制御されることにより、未知の外乱等による制御精度の低下を抑制することが可能となる。
Then, based on the depth rudder angle command δb * and the pitch rudder angle command δr c * , the rudder angles of the
なお、本実施形態では、外乱補償演算式に用いる状態変数を検出値の微小変化量としていたが、上述した第2実施形態と同様、検出値自体とし、微分計算による処理負担を軽減することとしてもよい。 In this embodiment, the state variable used in the disturbance compensation calculation formula is the minute change amount of the detected value. However, as in the second embodiment described above, the detected value itself is used to reduce the processing load due to differential calculation. Also good.
また、上述した本実施形態では、係数行列の演算において、x軸方向における実速度u及びz軸方向における実速度wを用いて係数行列を算出したが、図17に示した制御装置10eのように、外乱補償部15bの係数行列算出部51に入力される値を、センサ検出値に代えて、x軸方向における設定速度uset及びz軸方向における目標速度w*としてもよい。
例えば、センサ検出値を使用した場合には、ノイズや波の影響により好ましくない周波数帯域の信号を含んでしまう可能性があり、係数行列の算出精度が低下し、これによって、制御精度が低下するおそれがある。これに対し、設定値や目標値を用いて係数行列を算出することにより、センサ検出値に含まれるノイズ等による制御精度の低下を回避することが可能となる。
In the above-described embodiment, in the calculation of the coefficient matrix, the coefficient matrix is calculated using the actual speed u in the x-axis direction and the actual speed w in the z-axis direction. However, as in the
For example, when a sensor detection value is used, there is a possibility that a signal in an unfavorable frequency band is included due to the influence of noise and waves, and the calculation accuracy of the coefficient matrix is lowered, thereby reducing the control accuracy. There is a fear. On the other hand, by calculating the coefficient matrix using the set value and the target value, it is possible to avoid a decrease in control accuracy due to noise or the like included in the sensor detection value.
〔第7実施形態〕
次に、本発明の第7実施形態に係る水中航走体及びその制御装置並びに制御方法について図を参照して説明する。
上述した第6実施形態においては、設定値、目標値あるいは検出値を微分器53a〜53dによって微分して、速度や加速度を得ていた。しかしながら、これら微分器53a〜53dが帯域微分であった場合には、遅れが生じることから、位置・速度・加速度の各要素について共通の位相関係を維持することが困難である。また、特に、センサ検出値の微分は、ノイズ成分を含むため、微分信号に含まれるノイズ成分は更に増加してしまうおそれがある。
そこで、本実施形態では、微分器に代えて、理想応答モデルを用いて、速度や加速度を算出することにより、微分に起因する上述の不都合を解消することとしている。
[Seventh Embodiment]
Next, an underwater vehicle according to a seventh embodiment of the present invention, a control device therefor, and a control method will be described with reference to the drawings.
In the sixth embodiment described above, the set value, target value, or detected value is differentiated by the
Therefore, in the present embodiment, the above-mentioned inconvenience due to differentiation is solved by calculating speed and acceleration using an ideal response model instead of a differentiator.
図18は、本実施形態に係る制御装置10fにおいて、深度制御とピッチ角制御に関する機能ブロックについて示した図である。
図18に示すように、本実施形態に係る外乱補償部15cは、微分器53a〜53dに代えて、深度に関する速度及び加速度を算出する速度・加速度演算部58aと、ピッチ角に関する角速度及び角加速度を算出する角速度・角加速度演算部58bとを有している。
FIG. 18 is a diagram illustrating functional blocks related to depth control and pitch angle control in the
As shown in FIG. 18, the
速度・加速度演算部58aは、例えば、図19に示すような理想応答モデルを有し、この理想応答モデルから、位置zが入力された場合の内部状態(位置、速度、加速度)を取り出すことにより、連続位置zm、速度dzm/dt、加速度d2zm/dt2を取得する。ここで、理想応答モデルは、図19に示されるモデルに限られず、2次系でも、制御動特性を模擬したモデルでも、ローパス特性(例えば、1追従モデル等)を有するモデル等であってもよい。
For example, the speed /
同様に、角速度・角加速度演算部58bは、ピッチ角に関する理想応答モデルを用いて、角度、角速度、角加速度を取得する。
このように、微分を用いずに、速度、加速度の情報を得ることにより、ノイズ成分などを低減でき、制御精度を向上させることが可能となる。
Similarly, the angular velocity / angular
As described above, by obtaining information on speed and acceleration without using differentiation, noise components and the like can be reduced, and control accuracy can be improved.
更に、本実施形態に係る制御装置10fでは、深度制御部11´の目標値設定部21´、目標値設定部31´で用いられる応答モデルを上述したような理想応答モデルに変更し、この理想応答モデルから連続的な目標値、速度(角速度)、加速度(角加速度)を得る。このようにすることで、微分器43a〜43dを省略することができるとともに、ノイズによる制御精度の低下を抑制することができる。
Further, in the
以上、本発明の各実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、例えば、上述した各実施形態を部分的または全体的に組み合わせる等して、種々変形実施が可能である。 As mentioned above, although each embodiment of the present invention has been described, the scope of the present invention is not limited only to the above-described embodiment. For example, each of the above-described embodiments is within the scope of the invention. Various modifications can be made, for example, by combining them partially or entirely.
1 船体
10a〜10h 水中航走体の制御装置
11、11´ 深度制御部
12、12´ ピッチ角制御部
13a〜13c、13a´、90 非干渉化制御部
15a、15b、15c 外乱補償部
70、70´ ロール角制御部
80、80´ 方位角制御部
1
Claims (11)
制御対象である各軸に対応してそれぞれ設けられたフィードバック系の複数の制御部と、
干渉補償演算式を用いて、軸間の相互干渉を打ち消すための干渉補償舵角を演算し、前記制御部に出力するフィードフォワード系の非干渉化制御部と
を備え、
前記干渉補償演算式は、前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を平衡点の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能なように変化させた線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆に解くことにより導出された演算式であり、
前記非干渉化制御部は、前記干渉補償演算式に、時間に応じた前記平衡点の値及び状態変数の値を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る水中航走体の制御装置。 Control of an underwater vehicle capable of controlling at least two of six axes including three linear axes including the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull and three rotational axes for each of the linear axes. A device,
A plurality of feedback control units provided corresponding to the respective axes to be controlled;
Using an interference compensation calculation formula, calculating an interference compensation steering angle for canceling the mutual interference between the axes, and providing a non-interference control unit of the feedforward system that outputs to the control unit,
In the linearization equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the hull, the interference compensation calculation formula is expressed by a coefficient matrix as a function of the equilibrium point, and is linearized so as to be adaptive over the entire operating range of the hull. It is an arithmetic expression derived by solving the state equation inversely with respect to a parameter related to the rudder operation amount necessary for performing a desired motion,
The non-interference control unit is an underwater vehicle control apparatus that obtains the interference compensation steering angle by substituting the value of the equilibrium point and the state variable according to time into the interference compensation calculation formula.
前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度及びz軸方向の目標速度が含まれ、前記状態変数として、z軸方向の目標速度及び目標加速度、前記y軸に対する回転軸の目標角速度及び目標角加速度、並びに目標ピッチ角が含まれる請求項1または請求項2に記載の水中航走体の制御装置。 The plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z-axis and a pitch angle control unit corresponding to a rotation axis with respect to the y-axis,
The interference compensation calculation formula includes a target speed in the x-axis direction and a target speed in the z-axis direction as equilibrium points, and the target speed and target acceleration in the z-axis direction as the state variables and the rotation axis relative to the y-axis. The underwater vehicle control apparatus according to claim 1, wherein the target angular velocity, the target angular acceleration, and the target pitch angle are included.
前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度、z軸方向の目標速度、y軸方向の目標速度、x軸周りの目標角速度及び目標角度、y軸周りの目標角速度及び目標角度、z軸周りの目標角速度が含まれ、
前記状態変数として、z軸方向の目標速度及び目標加速度、前記y軸に対する回転軸の目標角速度及び目標角加速度、目標ピッチ角、及びx軸周りの目標角加速度、目標角速度及び目標角度、z軸周りの目標角加速度、目標角速度が含まれる請求項1または請求項2に記載の水中航走体の制御装置。 The plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z-axis, a pitch angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the y-axis, a roll angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the x-axis, an azimuth angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the z axis,
In the interference compensation calculation formula, the target speed in the x-axis direction, the target speed in the z-axis direction, the target speed in the y-axis direction, the target angular speed and target angle around the x-axis, the target angular speed and target around the y-axis as equilibrium points Angle, target angular velocity around the z-axis,
As the state variables, target velocity and target acceleration in the z-axis direction, target angular velocity and target angular acceleration of the rotation axis with respect to the y-axis, target pitch angle, target angular acceleration around the x-axis, target angular velocity and target angle, z-axis The control apparatus for an underwater vehicle according to claim 1 or 2, wherein the surrounding target angular acceleration and target angular velocity are included.
前記状態変数には、前記船体の運動に関する目標値の微小変化量が用いられる請求項1に記載の水中航走体の制御装置。 For the equilibrium point, a target value related to the motion of the hull is used,
The underwater vehicle control device according to claim 1, wherein a minute change amount of a target value related to the motion of the hull is used as the state variable.
前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度及びz軸方向の目標速度が含まれ、前記状態変数として、z軸方向の速度の微小変化量及び加速度の微小変化量、前記y軸に対する回転軸の角速度の微小変化量及び角加速度の微小変化量、並びに目標ピッチ角の微小変化量が含まれる請求項1または請求項5に記載の水中航走体の制御装置。 The plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z-axis and a pitch angle control unit corresponding to a rotation axis with respect to the y-axis,
The interference compensation calculation formula includes a target speed in the x-axis direction and a target speed in the z-axis direction as equilibrium points, and the state variables include a minute change amount in speed in the z-axis direction and a minute change amount in acceleration, 6. The underwater vehicle control apparatus according to claim 1 or 5, wherein a minute change amount of angular velocity and a minute change amount of angular acceleration of the rotation axis with respect to the y axis and a minute change amount of the target pitch angle are included.
前記干渉補償演算式には、平衡点としてx軸方向の目標速度、z軸方向の目標速度、y軸方向の目標速度、x軸周りの目標角速度及び目標角度、y軸周りの目標角速度及び目標角度、z軸周りの目標角速度が含まれ、
前記状態変数として、z軸方向の速度の微小変化量及び加速度の微小変化量、前記y軸に対する回転軸の角速度の微小変化量及び角加速度の微小変化量、目標ピッチ角の微小変化量、x軸周りの目標角加速度の微小変化量、目標角速度の微小変化量及び目標角度の微小変化量、z軸周りの目標角加速度の微小変化量、目標角速度の微小変化量が含まれる請求項1または請求項5に記載の水中航走体の制御装置。 The plurality of control units include a depth control unit corresponding to the z-axis, a pitch angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the y-axis, a roll angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the x-axis, an azimuth angle control unit corresponding to the rotation axis with respect to the z axis,
In the interference compensation calculation formula, the target speed in the x-axis direction, the target speed in the z-axis direction, the target speed in the y-axis direction, the target angular speed and target angle around the x-axis, the target angular speed and target around the y-axis as equilibrium points Angle, target angular velocity around the z-axis,
As the state variables, the minute change amount of the velocity in the z-axis direction and the minute change amount of the acceleration, the minute change amount of the angular velocity of the rotation axis with respect to the y axis and the minute change amount of the angular acceleration, the minute change amount of the target pitch angle, x The minute change amount of the target angular acceleration around the axis, the minute change amount of the target angular velocity and the minute change amount of the target angle, the minute change amount of the target angular acceleration around the z axis, and the minute change amount of the target angular velocity are included. The underwater vehicle control apparatus according to claim 5.
前記船体の操作量の組み合わせに対する状態量の平衡点を予め平衡点マップとして有しており、
前記制御周期毎の前記船体の操作量に対応する前記状態量の平衡点を前記平衡点マップから取得し、取得した前記状態量の平衡点を前記干渉補償演算式に用いて、前記干渉補償舵角を演算する請求項1に記載の水中航走体の制御装置。 The non-interacting control unit is
It has an equilibrium point of state quantity for the combination of the manipulated variables of the hull as an equilibrium point map in advance.
The balance point of the state quantity corresponding to the manipulated variable of the hull for each control cycle is acquired from the balance point map, and the acquired balance point of the state quantity is used in the interference compensation calculation formula, and the interference compensation steering The underwater vehicle control device according to claim 1, wherein the control unit calculates an angle.
前記フィードフォワード系では、前記船体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式において、係数行列を平衡点の関数として表して、前記船体の全運転範囲において適応可能なように変化させた線形化状態方程式を、所望の運動を行うために必要な舵操作量に関するパラメータについて逆に解くことにより導出された干渉補償演算式に、時間に応じた前記平衡点の値及び状態変数の値を代入することにより、前記干渉補償舵角を得る水中航走体の制御方法。
A feedback control system provided for each of at least two of six axes including three linear axes including the x-axis, y-axis, and z-axis of the hull and three rotation axes for each of the linear axes; A control method for an underwater vehicle having a feedforward system for calculating an interference compensation rudder angle to cancel the mutual interference of control,
In the feedforward system, in the linearization state equation in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the hull, the linearization state is expressed so that the coefficient matrix is expressed as a function of the equilibrium point and is adaptively changed over the entire operating range of the hull. Substituting the value of the equilibrium point and the value of the state variable according to time into the interference compensation equation derived by reversing the equation with respect to the parameters related to the rudder operation amount necessary to perform the desired motion The control method of the underwater vehicle which obtains the interference compensation rudder angle by.
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