JP2015063181A - 姿勢角制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水中航行体のサイズや深度及び高度等を考慮した姿勢角で制御できる姿勢角制御装置を提供する。
【解決手段】水中航行体５の速度、深度、高度、姿勢角を含む状態情報を検出する検出ユニット１１と、状態情報に基づき安全に航行できる安全域を設定し、当該安全域で水中航行体が安全に航行できる最大の姿勢角を最大姿勢角として算出する最大姿勢角算出部１２と、最大姿勢角及び状態情報を取得して、予め格納されている水中航行体の運動特性を示す運動特性モデルに従い、当該水中航行体が取り得る最大の舵角を最大横舵舵角として算出する最大舵角算出ユニット１３と、手動操縦又は自動操縦における目標とする姿勢角を横舵命令舵角として出力する目標舵角設定ユニット１４と、最大横舵舵角と横舵命令舵角との内、値の小さい方を姿勢角指令として選択出力する命令舵角選択部１５と、姿勢角指令に基づき舵を駆動する舵駆動部１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、水中航行体の姿勢を制御する姿勢角制御装置に関する。

潜水艦等の水中航行体は、艦尾に推進機構を持ち、その推進力により航行する。このとき、横舵や潜舵により進路変更が行われる。このとき、艦首や艦尾が海底に接触したり、艦尾の露頂による推進力の喪失が発生する事態を避けるためには、進路変更の際の姿勢角は許容される範囲内で行うことが必要である。

例えば、特開２０００−２１１５８３号公報においては、縦舵方向又は横舵方向の優先率に応じてＸ舵の命令舵角を生成して最大舵角を有効活用し、潜水艇の最も有効な移動方向を選択可能にした技術が開示されている。

特開２０００−２１１５８３号公報

しかしながら、操縦者等から要求された姿勢角で姿勢制御を行うと、浅海域における操船による海底接触や海面付近からの深度変換時に推進力を喪失する艦尾が露頂して安全に航行できないことがある。

特に、近年における船体の大型化に伴い船体が長くなり、潜水艦の深度と姿勢角による艦首及び艦尾との位置の違いが大きくなると、かかる問題が顕著化する。

そこで、本発明の主目的は、船体のサイズや深度及び高度等を考慮した姿勢角で制御できるようにした水中航行体の姿勢角制御装置を提供することである。

上記課題を解決するため、水中航行体の姿勢を制御する姿勢角制御装置に係る発明は、水中航行体の速度、深度、高度、姿勢角を含む状態情報を検出する検出ユニットと、状態情報に基づき安全に航行できる安全域を設定し、当該安全域で水中航行体が安全に航行できる最大の姿勢角を最大姿勢角として算出する最大姿勢角算出部と、最大姿勢角及び状態情報を取得して、予め格納されている水中航行体の運動特性を示す運動特性モデルに従い、当該水中航行体が取り得る最大の舵角を最大横舵舵角として算出する最大舵角算出ユニットと、手動操縦又は自動操縦における目標とする姿勢角を横舵命令舵角として出力する目標舵角設定ユニットと、最大横舵舵角と横舵命令舵角との内、値の小さい方を姿勢角指令として選択出力する命令舵角選択部と、姿勢角指令に基づき舵を駆動する舵駆動部と、を備えることを特徴とする。

また、水中航行体の姿勢を制御する姿勢角制御方法に係る発明は、水中航行体の速度、深度、高度、姿勢角を含む状態情報を検出する検出手順と、状態情報に基づき安全に航行できる安全域を設定し、当該安全域で水中航行体が安全に航行できる最大の姿勢角を最大姿勢角として算出する最大姿勢角手順と、最大姿勢角及び状態情報を取得して、予め格納されている水中航行体の運動特性を示す運動特性モデルに従い、当該水中航行体が取り得る最大の舵角を最大横舵舵角として算出する最大舵角算出手順と、手動操縦又は自動操縦における目標とする姿勢角を横舵命令舵角として出力する目標舵角設定手順と、最大横舵舵角と横舵命令舵角との内、値の小さい方を姿勢角指令として選択出力する命令舵角選択手順と、姿勢角指令に基づき舵を駆動する舵駆動手順と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、水中航行体の現在位置に対応した安全域を設定して現在の航行状態から取り得る最大の姿勢角を算出して、操舵者等が指示した姿勢角がこの最大姿勢角内であるか否かを判断するので、水中航行体のサイズや深度及び高度等を考慮した姿勢角で制御できるようになる。

実施形態の説明に適用される姿勢角制御装置のブロック図である。 姿勢角制御装置における姿勢角決定手順を示すフローチャートである。 潜水艦が浮上する際の様子を示す図である。 潜水艦が潜行する際の様子を示す図である。 横舵命令舵角信号の生成に用いられるＰＩＤ制御回路を例示した図である。

本発明の実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る姿勢角制御装置２のブロック図である。本実施形態では、水中航行体として、艦尾側に横舵５ｂ、艦首側に潜舵５ｃを備えた船体５ａの潜水艦５を例に説明するが、潜水艦５に限定するものではない。

図２は、この姿勢角制御装置２において姿勢角を決定する際の決定手順を示すフローチャートである。さらに、図３は、潜水艦５が海面Ｆに向かって浮上又は航路変更する（以下、浮上時と記載）際の様子を示す図である。図４は、潜水艦５が海底Ｂに向かって潜水又は航路変更する（以下、潜行時と記載）際の様子を示す図である。

姿勢角制御装置２は、検出ユニット１１、最大姿勢角算出部１２、最大舵角算出ユニット１３、目標舵角設定ユニット１４、命令舵角選択部１５、舵駆動部１６を備える。

検出ユニット１１は、深度センサ１１ａ、速度センサ１１ｂ、姿勢角センサ１１ｃ、高度センサ１１ｄを含んで、潜水艦５の速度、深度、高度、姿勢角を含む状態情報を検出する。最大舵角算出ユニット１３は、最大舵角算出部１３ａ、運動特性モデル部１３ｂを含む。目標舵角設定ユニット１４は、手動操舵部１４ａ、自動操舵部１４ｂ、信号選択器１４ｃを含む。以下、各構成の説明を図２の姿勢角決定手順を参照しながら説明する。

ステップＳ１： 深度センサ１１ａ、速度センサ１１ｂ、姿勢角センサ１１ｃ、高度センサ１１ｄにより潜水艦５の海面Ｆからの距離（深度）、海底Ｂからの距離（高度）、海面（水平として）に対する潜水艦のなす角度（姿勢角）、潜水艦の速度を計測する。深度は、深度センサ１１ａにより計測されて深度信号ｈとして出力される。速度は速度センサ１１ｂにより計測されて、速度信号Ｖとして出力される。また、姿勢角は姿勢角センサ１１ｃにより計測されて、姿勢角信号θとして出力される。高度は、高度センサ１１ｄにより計測されて、高度信号Ａとして出力される。

ステップＳ２： 次に、最大姿勢角算出部１２により最大姿勢角θｍａｘが算出される。この最大姿勢角θｍａｘは、安全域で取り得る姿勢角の最大値である。潜水艦５が海面Ｆの近くを航行していて、急速潜行する場合に、スクリューが水中から露出すると潜行できない。しかし、十分に深いところでは、スクリューの露出は生じない。一方、海底Ｂの近くでは同じ姿勢角で潜行しても、艦首が海底に接触することがあってはならない。従って、操舵者が「急速潜行」や「急速浮上」を指示しても、潜水艦の位置により、安全に潜行又は浮上できる最大姿勢角が異なる。

最大姿勢角算出部１２には、船体の特徴情報が予め登録されており、入力した深度信号ｈと高度信号Ａとに基づき、以下の手順で最大姿勢角θｍａｘを計算する。

なお、最大姿勢角θ_ｍａｘには、浮上時等における艦首上げ方向の最大姿勢角θ_ｍａｘｕ、潜行時における艦首下げ方向の最大姿勢角θ_ｍａｘｄが含まれている。以下、最大姿勢角θ_ｍａｘｕを浮上時最大姿勢角θ_ｍａｘｕ、最大姿勢角θ_ｍａｘｄを潜行時最大姿勢角θ_ｍａｘｄと記載する。

ここで、船体の特徴情報とは、潜水艦５の形状や寸法等の船体特徴を示す情報であり、安全域とは、潜水艦５が海底Ｂに接触したりして推進力の喪失を起こさないで、安全に潜航できる水域である。

図３に示す浮上時最大姿勢角θ_ｍａｘｕは、式１〜式４により算出できる。
θ_{ｍａｘｕｆ}＝arc Sin（ｈ１−ｕｆ１）／Ｌ／２） … （１）
θ_{ｍａｘｕｒ}＝arc Sin（Ａ１−ｕｒ１）／Ｌ／２） … （２）
θ_{ｍａｘｕｆ}＞θ_{ｍａｘｕｒ} のとき θ_ｍａｘｕ＝θ_{ｍａｘｕｒ} … （３）
θ_{ｍａｘｕｆ}≦θ_{ｍａｘｕｒ} のとき θ_ｍａｘｕ＝θ_{ｍａｘｕｆ} … （４）
ここで、θ_{ｍａｘｕｆ}は艦首側の浮上時最大姿勢角であり、θ_{ｍａｘｕｒ}は艦尾側の浮上時最大姿勢角である。Ｌは船体の長さ、ｕｆ１は深度ｈ１に対応する艦首側の安全域、ｕｒ１は高度Ａ１に対応する艦尾側の安全域である。

図３では、艦首側の安全域ｕｆ１を艦首Ｐ１と海面Ｆとの距離とした場合を示している。しかし、潜舵５ｃが海面Ｆから飛び出すと、潜舵５ｃの機能が失われてしまい、安全域とすることができない場合がある。この様な場合には、潜舵５ｃより適宜高い位置Ｐ２と海面Ｆとの距離ｕｆ１’を艦首側の安全域ｕｆ１としてもよい。

同様に、図４に示す潜行時最大姿勢角θ_ｍａｘｄは、式５〜式８により算出できる。
θ_{ｍａｘｄｆ}＝arc Sin（Ａ２−ｄｆ２）／Ｌ／２） … （５）
θ_{ｍａｘｄｒ}＝arc Sin（Ａ２−ｄｒ２）／Ｌ／２） … （６）
θ_{ｍａｘｄｆ}＞θ_{ｍａｘｄｒ} のとき θ_ｍａｘｄ＝θ_{ｍａｘｄｒ} … （７）
θ_{ｍａｘｄｆ}≦θ_{ｍａｘｄｒ} のとき θ_ｍａｘｄ＝θ_{ｍａｘｄｆ} … （８）
ここで、θ_{ｍａｘｄｆ}は艦首側の潜行時最大姿勢角であり、θ_{ｍａｘｕｒ}は艦尾側の潜行時最大姿勢角である。また、ｄｆ２は深度ｈ２に対応する艦首側の安全域、ｄｒ２は高度Ａ２に対応する艦尾側の安全域である。

図４では、艦尾側の安全域ｄｒ２を艦尾Ｐ３と海面Ｆとの間の距離とした場合を示している。しかし、潜舵５ｃが海面Ｆから飛び出すと、横舵５ｂやスクリューの機能が失われてしまい、安全域とすることができない。この様な場合には、例えば横舵５ｂより適宜高い位置Ｐ４と海面Ｆとの距離ｄｒ２’を艦尾側の安全域ｄｒ２としてもよい。

ステップＳ３： 安全域で取り得る最大姿勢角θ_ｍａｘが算出されたが、これは潜水艦の特性や運行状況に関わらない角度である。しかし、航行している潜水艦５は大きな慣性力を持つので、この点を考慮しなければならない。かかる慣性力に対する取り込みは、運動特性モデル部１３ｂに格納されている解析対象（ここでは潜水艦５）の運動モデルに従って行う。運動モデルの一例として下記の式（９）、式（１０）が例示できる。ここでγ_ｅｆは潜舵実舵角、γ_ｅａは横舵実舵角、ａ_１〜ａ_８は係数である。これらの係数や式のデータは、予め運動特性モデル部１３ｂに格納されている。なお、実舵角は、実際の舵角である。

最大舵角算出部１３ａには、深度信号ｈ、速度信号Ｖ、最大姿勢角信号θ_ｍａｘ、横舵５ｂの現在舵角を示す横舵舵角γ_ｅａ、潜舵５ｃの現在舵角を示す潜舵舵角γ_ｅｆ、及び、運動特性モデル部１３ｂから上述したような運動特性データが入力する。そして、深度信号ｈ、速度信号Ｖ、最大姿勢角信号θ_ｍａｘ等を式（９）、式（１０）の運動特性モデルに代入して、潜水艦５を最大姿勢角に制御するための最大横舵舵角を計算する。これにより、深度等に応じて定義される安全域で、潜水艦等の航行体の特徴情報に対応し、かつ、その運動特性に対応して許容される最大横舵舵角が求まる。

ステップＳ４： ところで、潜水艦を操縦する操舵者が指示した姿勢角は手動操舵部１４ａから出力される。また、自動操縦のような場合には、自動操舵部１４ｂから出力される。このように、要求された姿勢角を横舵命令舵角と記載する。

即ち、手動操舵部１４ａは、潜水艦５の操縦桿等に設けられた図示しない設定器により横舵命令舵角信号を生成する。

一方、自動操舵部１４ｂは、入力した速度信号Ｖ，姿勢角信号θ、及び、実舵角信号γが入力して、これらに基づき横舵命令舵角信号を算出する。

横舵命令舵角信号の生成には、例えば図５に示すような公知のＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御回路３０を用いることができる。図５においては、横舵命令舵角信号をβで示している。

このＰＩＤ制御回路３０は、姿勢角信号θと実舵角信号γとを減算して差分信号Δθ（＝γ−θ）を算出する減算器３１、姿勢角信号θを微分した微分信号ｄθ／ｄｔを出力する微分器３２、微分信号ｄθ／ｄｔをゲインＫｄで増幅する微分側増幅器３３、差分信号Δθを比例ゲインＫｐで増幅する比例側増幅器３４、差分信号Δθを積分ゲインＫｉで増幅する積分側増幅器３５、増幅された信号を時間微分する積分側積分器３６、微分側増幅器３３と比例側増幅器３４と積分側増幅器３５との出力を加算して横舵命令舵角信号を出力する加算器３７を備える。なお、各ゲインＫｄ，Ｋｐ，Ｋｉは、速度信号Ｖに基づき設定される。

これにより手動操舵部１４ａからの横舵命令舵角信号と自動操舵部１４ｂからの横舵命令舵角信号とのいずれかが出力される。そこで、信号選択器１４ｃは命令舵角選択部１５に入力する横舵命令舵角信号を選択する。即ち、手動操舵部１４ａから横舵命令舵角信号が出力されている場合には、この横舵命令舵角信号を命令舵角選択部１５に入力させ、自動操舵部１４ｂから横舵命令舵角信号とのいずれかが出力されている場合には、この横舵命令舵角信号を命令舵角選択部１５に入力させる。

ステップＳ５： 命令舵角選択部１５には、信号選択器１４ｃからの横舵命令舵角信号と最大舵角算出部１３ａから現在取り得る最大の最大姿勢角とが入力する。そこで、命令舵角選択部１５は、横舵命令舵角が最大姿勢角に含まれる場合には、最大姿勢角を姿勢角指令とし、横舵命令舵角が最大姿勢角に含まれない場合には、横舵命令舵角を姿勢角指令とする。この姿勢角指令は、舵駆動部１６に出力される。

従って、例え、操舵者が急速潜行を指示した場合であっても、そのときの安全域、運行速度等を勘案して常に安全航行ができる姿勢角の姿勢角指令を出力することが可能になる。

舵駆動部１６は、命令舵角選択部１５からの姿勢角命令により、横舵５ｂを駆動する。

以上説明したように、横舵命令舵角に対して最大横舵舵角を考慮した姿勢角指令を出力するので、深度や潜行、浮上時においても安全潜航が確保できるようになる。特に、操舵者が操舵ミスを犯した場合でも、許容できる姿勢角範囲の姿勢角で潜水艦が駆動されるので、安全性が向上する。

２ 姿勢角制御装置
５ 潜水艦
５ｂ 横舵
５ｃ 潜舵
５ａ 船体
１１ 検出ユニット
１１ａ 深度センサ
１１ｂ 速度センサ
１１ｃ 姿勢角センサ
１１ｄ 高度センサ
１２ 最大姿勢角算出部
１３ 最大舵角算出ユニット
１３ａ 最大舵角算出部
１３ｂ 運動特性モデル部
１４ 目標舵角設定ユニット
１４ａ 手動操舵部
１４ｂ 自動操舵部
１４ｃ 信号選択器
１５ 命令舵角選択部
１６ 舵駆動部
３１ 減算器
３２ 微分器
３３ 微分側増幅器
３４ 比例側増幅器
３５ 積分側増幅器
３６ 積分側積分器

Claims (5)

1. 水中航行体の姿勢を制御する姿勢角制御装置であって、
   前記水中航行体の速度、深度、高度、姿勢角を含む状態情報を検出する検出ユニットと、
   前記状態情報に基づき安全に航行できる安全域を設定し、当該安全域で水中航行体が安全に航行できる最大の姿勢角を最大姿勢角として算出する最大姿勢角算出部と、
   前記最大姿勢角及び前記状態情報を取得して、予め格納されている前記水中航行体の運動特性を示す運動特性モデルに従い、当該水中航行体が取り得る最大の舵角を最大横舵舵角として算出する最大舵角算出ユニットと、
   手動操縦又は自動操縦における目標とする姿勢角を横舵命令舵角として出力する目標舵角設定ユニットと、
   前記最大横舵舵角と前記横舵命令舵角との内、値の小さい方を姿勢角指令として選択出力する命令舵角選択部と、
   前記姿勢角指令に基づき舵を駆動する舵駆動部と、
   を備えることを特徴とする姿勢角制御装置。
2. 請求項１に記載の姿勢角制御装置であって、
   前記最大姿勢角算出部は、前記水中航行体が潜行又は浮上する際の、当該水中航行体の艦首側と艦尾側との前記安全域における取り得る姿勢角を算出し、そのうち小さい方を前記最大姿勢角とすることを特徴とする姿勢角制御装置。
3. 請求項２に記載の姿勢角制御装置であって、
   前記最大舵角算出ユニットは、
   前記水中航行体の運動特性データを格納する運動特性モデル部と、
   前記運動特性データ、前記状態情報、及び、前記最大姿勢角を用いて、前記水中航行体の現状における航行状態で許容される姿勢角を算出して、前記最大横舵舵角として出力する最大舵角算出部と、
   を備えることを特徴とする姿勢角制御装置。
4. 水中航行体の姿勢を制御する姿勢角制御方法であって、
   前記水中航行体の速度、深度、高度、姿勢角を含む状態情報を検出する検出手順と、
   前記状態情報に基づき安全に航行できる安全域を設定し、当該安全域で水中航行体が安全に航行できる最大の姿勢角を最大姿勢角として算出する最大姿勢角算出手順と、
   前記最大姿勢角及び前記状態情報を取得して、予め格納されている前記水中航行体の運動特性を示す運動特性モデルに従い、当該水中航行体が取り得る最大の舵角を最大横舵舵角として算出する最大舵角算出手順と、
   手動操縦又は自動操縦における目標とする姿勢角を横舵命令舵角として出力する目標舵角設定手順と、
   前記最大横舵舵角と前記横舵命令舵角との内、値の小さい方を姿勢角指令として選択出力する命令舵角選択手順と、
   前記姿勢角指令に基づき舵を駆動する舵駆動手順と、
   を含むことを特徴とする姿勢角制御方法。
5. 請求項４に記載の姿勢角制御方法であって、
   前記最大姿勢角手順は、前記水中航行体が潜行又は浮上する際の、当該水中航行体の艦首側と艦尾側との前記安全域における取り得る姿勢角を算出し、そのうち小さい方を前記最大姿勢角とすることを特徴とする姿勢角制御方法。

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