JP2015160606A - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents
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Abstract
Description
まず、本発明の船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図1は、実施形態の船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。
ここで、船体運動方程式について説明する。図3は、航路制御系で用いる座標系を示す説明図である。
変針応答は保針応答に比べ信号のダイナミックレンジが大きくSN比が大きいため、本実施の形態においては、パラメータ同定は自動操船における変針応答の時系列データを用いるものとする。なお、時系列データは、手動操船時における変針応答の時系列データを用いてもよい。ここで、自動操船における変針の制御方法について説明する。図4は、自動操船における変針の制御方法を示す概略図である。図5は、参照方位と参照舵角の時間変化を示すグラフである。
次に、パラメータ同定に用いる船体モデルについて説明する。実用時航行中に(1)式の微係数を取得することは極めて難しい。(6)式のパラメータの数は微係数の数より少ないが、6個のパラメータを得ることもまた難しい。そこで、船体モデルはさらに次数を低減した応答モデルを用いる。(6)式において、伝達関数を低周波域で近似したyawおよびsway運動に関する船体モデルは野本の1次モデル(以降、野本モデルと呼称する)と呼ばれ、yawおよびswayそれぞれについて、
として知られている。ここでTr *=T1+T2−Tr3 *,Tv *=T1+T2−Tv3 *である。上式において分母は1次系に低減し、分子は時定数がなくなる。これはT1>Tr3>T2,Tv3≒0.3Tr3の条件を用い、Tr *,Tv *はT1が支配的になる。また、船首方位は、旋回角速度の積分値であるので、(12)式より
次に、上述した船体モデルを含む同定モデルについて説明する。図6は、yaw同定モデル及びsway同定モデルの構成を示すブロック図である。なお、図6において、(a)はyaw同定モデルを示し、(b)はsway同定モデルを示す。以下、まず、yaw同定モデルについて説明し、次に、sway同定モデルについて説明する。
というように、方位変化に連動する舵角オフセットを加えた形になる。ここで、δrψは風などに起因するyawまわりモーメントを舵角換算した方位係数を示し、ψ ̄は検出された船首方位、ψ0は変針前の船首方位である初期方位を示す。このときパラメータは、
になり、(26)式に比べて1つ多い。δrψは変針後の舵角オフセット変動による同定誤差を防止するが、波浪外乱成分がδrψを介して同定値に影響を与える。この同定値への影響について説明する。まず、(24),(25)と(28)式から、
次に、同定したパラメータの評価方法について説明する。評価方法は追従誤差と閉ループ特性とに基づき、より具体的には、同定パラメータと前記船舶用自動操舵装置の制御仕様とに基づいて算出したフィードバックゲインと2次船体モデルとにより構成される閉ループによる閉ループ特性と、1次船体モデルにより構成される閉ループによる閉ループ特性との比較に基づいて行われる。
になる。ここで添字(・)t2は方位2次モデルおよびsway2次モデルを利用した場合、bt2は実数、s=−1/T2から派生したものを示す。よって、同定パラメータは航路モデルのζt,ωtと航路2次モデルのζt2,ωt2との比較から評価する。閉ループ安定性はζt2の変動に影響する。
次に、パラメータの同定処理について説明する。図9は、yaw同定及びsway同定を説明する概略図である。図10は、安定船及び不安定船を示す図である。図11は、同定処理の動作を示すフローチャートである。
次に、上述した同定処理においてパラメータを同定する算法について説明する。同定算法は一回の変針応答から計算する必要があるため、パラメータ同定を多変数関数の最小値問題に帰着させ、最小値を求めるにあたって、SQP(Sequential Quadratic Programming:逐次二次計画法)を採用する。このSQPを採用することにより、データを繰り返し用いてパラメータを調整して同定誤差を減少させることができ、かつ安定船・不安定船の船体パラメータ制約を与えることができる。
になる。ここでJrはyaw同定における同定誤差の評価量、Jvはsway同定における同定誤差の評価量、添字(・) ̄は検出量、nはデータ数を示す。なお、同定モデルの出力ψ,x,yはパラメータの初期値Xr0,Xv0から計算する。評価量は誤差の2乗和で定めるので、その特性は最小二乗法に準じる。
となる。ここで∧r,∧vはラグランジェの未定乗数の横ベクトル、Br,Bvはパラメータ制約の横ベクトルを示す。パラメータ制約内の同定値はJr,Jvの代わりに上式のJrλ,Jvλによって求められる。そのため∧r,∧vが同定変数として追加される。
次に、以上に説明した同定モデルによる同定の効果をシミュレーションによって検証する。図12は、変針応答及び同定誤差を示す図である。図13は、波浪外乱なしの場合の同定誤差を定量的に調べた結果を示す図である。図14は、波浪外乱ありの場合の同定誤差を定量的に調べた結果を示す図である。
12 同定演算部
22 船体
123 同定モデル
125 パラメータ調節部
Claims (5)
- 参照方位と船首方位とに基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、
前記船体パラメータを同定する同定演算部を備え、
前記同定演算部は、
前記船舶用自動操舵装置で得られる所定の入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
前記同定モデルからのモデル出力データと、船体に係る実測値である出力データとの比較結果から前記船体パラメータを調整して同定するパラメータ調節部とを備え、
前記同定モデルは、船体モデルとオフセットとを含み、該オフセットは、前記船体の船首方位の影響を受けない舵角オフセットを組み入れており、前記同定演算部は、前記船体パラメータと共に、前記舵角オフセットを同定するべきパラメータとすることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 参照方位と船首方位とに基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、
前記船体パラメータを同定して出力する同定演算部を備え、
前記同定演算部は、
前記船体パラメータで表される船体モデルを含み、前記船舶用自動操舵装置で得られる入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
前記同定モデルからのモデル出力データと、船体に係る実測値である出力データとの比較結果から前記船体パラメータを調整して同定するパラメータ調節部とを備え、
前記船体モデルは、前記船体のyaw運動に関するyaw同定モデルと前記船体のsway運動に関するsway同定モデルとを含み、
前記yaw同定モデルの伝達関数は、
sをラプラス演算子、Kr、Tr、Tr3を同定するべき船体パラメータとして、
で表され、
前記sway同定モデルの伝達関数は、
sをラプラス演算子、Kv、Tvを同定するべき船体パラメータとして、
で表され、Tv=Trであることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 参照方位と船首方位とに基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、
前記船体パラメータを同定して出力する同定演算部を備え、
前記同定演算部は、
前記船体パラメータで表される船体モデルを含み、前記船舶用自動操舵装置で得られる入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
前記同定モデルからのモデル出力データと、船体に係る実測値である出力データとの比較結果から前記船体パラメータを調整して同定するパラメータ調節部とを備え、
前記船体モデルは、前記船体のsway運動に関するsway同定モデルを含み、
前記入力データは、前記船体について検出された船首方位及びsurge速度、前記船舶用自動操舵装置により出力された命令舵角であり、
前記モデル出力データは、前記入力データを入力として、前記船体のボディ座標系における速度成分を局地水平座標系における速度成分に変換して積分することによって得られる局地水平座標系における前記船体の位置であり、
前記出力データは、前記船体について検出された局地水平座標系における前記船体の位置であることを特徴とする船舶用自動操舵装置。 - 2次系の船体モデルである2次船体モデルを1次系に低次元化した1次船体モデルを含む同定モデルの同定パラメータを用いて、参照方位と船首方位とに基づいて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置の同定値評価方法であって、
前記同定パラメータと前記船舶用自動操舵装置の制御仕様とに基づいてフィードバックゲインを算出し、
算出したフィードバックゲインと前記2次船体モデルとにより構成される閉ループによる閉ループ特性と、前記1次船体モデルにより構成される閉ループによる閉ループ特性との比較に基づいて、前記同定パラメータを評価することを特徴とする同定値評価方法。 - 前記閉ループ特性は、減衰係数及び固有周波数であることを特徴とする請求項4に記載の同定値評価方法。
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