JP2016078621A - Navigation body control device, navigation body, method for control of navigation body, program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、航行体制御装置、航行体、航行体制御方法、プログラムに関する。 The present invention relates to a navigation body control device, a navigation body, a navigation body control method, and a program.
水中等の3次元空間内を運転者の制御に基づいて自由方向に浮遊して航行する航行体は、進行方向の変更制御が行われると進行方向の慣性力に基づいて、進行方向を変更した航行体に横方向の力が加わり横流れ方向の速度が発生する。またその際、航行体には、進行方向の変更前ベクトルと変更後ベクトルを含んで形成される平面に垂直で、航行体の重心を通る軸を中心として、進行方向の変更による旋回方向と同方向に回転力(モーメント)が生じる。これら横流方向の力や重心を通る軸を中心とする回転力は、進行方向の速度や重心の位置によって変動する。なお、関連する技術として、横加速度に応じて、ハンドルに付与する反トルクを制御し、操作感覚の向上を目的とする技術が特許文献1に開示されている。
A navigation object that floats and navigates in a three-dimensional space such as underwater in a free direction based on the driver's control changes the traveling direction based on the inertial force in the traveling direction when the traveling direction is changed. A lateral force is applied to the navigation body, and a velocity in the transverse direction is generated. At that time, the navigation body has the same direction as the turning direction by changing the traveling direction around the axis passing through the center of gravity of the navigation body and perpendicular to the plane formed by including the vector before and after the change in the traveling direction. A rotational force (moment) is generated in the direction. These forces in the cross flow direction and the rotational force around the axis passing through the center of gravity vary depending on the speed in the traveling direction and the position of the center of gravity. As a related technique,
ところで、上述のような航行体の重心を通る軸を中心に回転する際の回転力は進行方向のオーバシュート(船首の方向が目標方位方向を超えて回転し目標方位方向がずれる等の現象)を生じる。 By the way, the rotational force when rotating around the axis passing through the center of gravity of the navigation body as described above is the overshoot in the traveling direction (a phenomenon such as the bow direction rotating beyond the target azimuth direction and the target azimuth direction deviating). Produce.
そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる航行体制御装置、航行体、航行体制御方法、プログラムを提供することを目的としている。 Therefore, an object of the present invention is to provide a navigation body control device, a navigation body, a navigation body control method, and a program that can solve the above-described problems.
上記目的を達成するために、本発明は、3次元空間内の自由方向に航行する航行体の3次元航行に用いられる目標の航行制御パラメータであって、目標深度、目標ロール角、目標ピッチ角、目標方位角についての目標の航行制御パラメータと該目標の航行制御パラメータに対応する実測値とに基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、前記航行体の進行方向の進行速度と前記進行方向の変更に伴う航行体の横流れ方向の横流れ速度とを取得する速度取得部と、前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正項であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正項を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式を用いて導出した干渉補償演算式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した値、前記進行速度、前記横流れ速度を含む状態変数と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出するフィードフォワード制御部と、前記フィードフォワード制御値を用いて前記フィードバック制御の結果を補正する制御補正部と、を備えることを特徴とすることを特徴とする航行体制御装置である。 In order to achieve the above object, the present invention provides target navigation control parameters used for three-dimensional navigation of a navigation body that navigates in a free direction within a three-dimensional space, and includes a target depth, a target roll angle, and a target pitch angle. A feedback control unit that performs feedback control based on a target navigation control parameter for the target azimuth and an actual measurement value corresponding to the target navigation control parameter; a traveling speed in the traveling direction of the navigation body; A speed acquisition unit that acquires a lateral flow speed in a lateral flow direction of the navigation body associated with the change, and a correction term that corrects an interference with the navigation control parameter associated with the change in the travel direction, wherein the traveling speed and the lateral flow speed are An interference compensation calculation equation derived using a linearized equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the navigation body, including a correction term proportional to a product, and the navigation control parameter A feedforward control unit that calculates a feedforward control value that corrects a result of the feedback control using a value calculated based on a data, a state variable including the traveling speed and the lateral flow speed, and the feedforward control And a control correction unit that corrects a result of the feedback control using a value.
また本発明は、前記干渉補償演算式は、前記航行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、前記航行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、前記航行体が所望の運動を行うために必要な航行制御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、前記フィードフォワード制御部は、前記干渉補償演算式に、前記状態変数を代入することにより干渉補償舵角を算出し、前記制御補正部は、前記フィードバック制御の結果である舵角指令を前記干渉補償舵角とに基づいて補正することを特徴とする。 In the present invention, the equation for calculating the interference compensation can be applied in the entire operating range of the navigation body by expressing a coefficient matrix as a function of the equilibrium point in a linear state equation in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the navigation body. The linearized equation of state changed in this way is an arithmetic expression derived by reversing the parameter relating to the navigation control amount necessary for the navigation body to perform a desired motion, and the feedforward control unit An interference compensation steering angle is calculated by substituting the state variable into the interference compensation calculation formula, and the control correction unit corrects the steering angle command as a result of the feedback control based on the interference compensation steering angle. It is characterized by doing.
また本発明は、前記航行体は水中を航行する航行体であり、カルマンフィルタを用いて前記横流れ速度を推定する横流れ速度推定部と、を備えることを特徴とする。 The present invention is characterized in that the navigation body is a navigation body that navigates underwater, and includes a lateral flow speed estimation unit that estimates the lateral flow speed using a Kalman filter.
また本発明は、上述の航行体制御装置を備えた航行体である。 Moreover, this invention is a navigation body provided with the above-mentioned navigation body control apparatus.
また本発明は、3次元空間内の自由方向に航行する航行体の3次元航行に用いられる目標の航行制御パラメータであって、目標深度、目標ロール角、目標ピッチ角、目標方位角についての目標の航行制御パラメータと該目標の航行制御パラメータに対応する実測値とに基づいてフィードバック制御を行い、前記航行体の進行方向の進行速度と前記進行方向の変更に伴う航行体の横流れ方向の横流れ速度とを取得し、前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正項であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正項を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式を用いて導出した干渉補償演算式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した値、前記進行速度、前記横流れ速度を含む状態変数と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出し、前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正係数であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正係数を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した状態変数と、干渉補償演算式と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出し、前記フィードフォワード制御値を用いて前記フィードバック制御の結果を補正することを特徴とすることを特徴とする航行体制御方法である。 The present invention also provides a target navigation control parameter used for three-dimensional navigation of a navigation body that navigates in a free direction within a three-dimensional space, and includes target depth, target roll angle, target pitch angle, and target azimuth angle. Feedback control based on the navigation control parameter of the vehicle and the actual measurement value corresponding to the target navigation control parameter, the traveling speed of the navigation body in the traveling direction and the lateral flow speed of the navigation body in the lateral flow direction associated with the change of the traveling direction And a correction term that corrects an interference with the navigation control parameter associated with the change in the traveling direction, and includes a correction term that is proportional to a product of the traveling speed and the lateral flow speed. An interference compensation calculation formula derived using a linearized state equation in the vicinity of the equilibrium point, a value calculated based on the navigation control parameter, the traveling speed, and the lateral flow speed A feedforward control value that corrects the result of the feedback control using the state variable, and a correction coefficient that corrects interference with the navigation control parameter associated with the change in the traveling direction, the traveling speed and Using a linearized equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the navigation body, including a correction coefficient proportional to the product of the lateral flow velocity, a state variable calculated based on the navigation control parameter, and an interference compensation equation The navigation object control method is characterized in that a feedforward control value for correcting the result of the feedback control is calculated, and the result of the feedback control is corrected using the feedforward control value.
また本発明は、航行体制御装置のコンピュータを、3次元空間内の自由方向に航行する航行体の3次元航行に用いられる目標の航行制御パラメータであって、目標深度、目標ロール角、目標ピッチ角、目標方位角についての目標の航行制御パラメータと該目標の航行制御パラメータに対応する実測値とに基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御手段、前記航行体の進行方向の進行速度と前記進行方向の変更に伴う航行体の横流れ方向の横流れ速度とを取得する速度取得手段、前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正項であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正項を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式を用いて導出した干渉補償演算式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した値、前記進行速度、前記横流れ速度を含む状態変数と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出するフィードフォワード制御手段、前記フィードフォワード制御値を用いて前記フィードバック制御の結果を補正する制御補正手段、として機能させることを特徴とするプログラムである。 The present invention also provides a target navigation control parameter used for three-dimensional navigation of a navigation object that navigates a computer of the navigation control apparatus in a free direction in a three-dimensional space, and includes a target depth, a target roll angle, and a target pitch. Feedback control means for performing feedback control based on the target navigation control parameter for the angle and the target azimuth and the actual measurement value corresponding to the target navigation control parameter, the traveling speed in the traveling direction of the navigation body and the traveling direction A speed acquisition means for acquiring a transverse flow velocity in a transverse flow direction of the navigation body associated with the change, and a correction term for correcting interference with the navigation control parameter associated with the change in the traveling direction, wherein the product of the traveling velocity and the transverse flow velocity An interference compensation equation derived using a linearized equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the navigation body, including a correction term proportional to A feedforward control means for calculating a feedforward control value for correcting a result of the feedback control using a value calculated based on a control parameter, the traveling speed, and a state variable including the lateral flow speed; and the feedforward control value This is a program that functions as a control correction unit that corrects the result of the feedback control.
本発明によれば、航行体の方位方向の変更に基づく横流れに対する干渉項を適用した上述の線形化状態方程式を用いてフィードフォワード制御を行うことにより、ロール角φ、方位角ψの相互干渉を抑制することができ、航行体の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。 According to the present invention, the feedforward control is performed using the above linearized equation of state to which the interference term for the lateral flow based on the change in the azimuth direction of the navigation body is applied, thereby reducing the mutual interference between the roll angle φ and the azimuth angle ψ. Therefore, the accuracy of the hull control of the navigation body can be improved, and the power consumption of the rudder drive system can be reduced.
以下、本発明の一実施形態による航行体及び航行体制御装置、航行体制御方法を図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態による航行体の概略構成を示す図である。
図2は本発明の一実施形態による航行体の後方から見たときの舵の配置について模式的に示した図である。
図3は航行体の運動の自由度について説明するための図である。
Hereinafter, a navigation body, a navigation body control device, and a navigation body control method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a navigation body according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing the arrangement of the rudder when viewed from the rear of the navigation body according to the embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining the degree of freedom of movement of the navigation body.
図1、図2において符号1は航行体の船体を示している。また図1,2に示すように航行体には複数の舵3a〜3eが設けられている。航行体は、舵3a〜3dを、主に航行体のピッチ角θ、ロール角φ、方位角ψに関する制御に用いる。また航行体は、舵3eを、主に深度に関する制御に用いる。
1 and 2,
図3に示すように、航行体において、その船体1は、絶対座標系(地球座標系)における船尾軸線(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)からなる互いに直行する3つの直線軸に基づいて、航行体制御装置によって制御される。
As shown in FIG. 3, in the navigation body, 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軸方向のプラス側への進行速度をそれぞれu,v,wとし、それぞれの軸周りの角速度と角加速度をp、dp/dt、q,dq/dt、r,dr/dtと定義する。なお航行体制御装置10が目標とするそれぞれの軸周りの各速度と各加速度の指令値をp*(目標ロール角速度),dp*/dt(目標ロール角加速度),q*(目標ピッチ角速度),dq*/dt(目標ピッチ角加速度),r*(目標方位角速度=目標ヨー角速度),dr*/dt(目標方位角加速度=目標ヨー角加速度)と定義する。各記号に付される*印は指令値であることを示している。更に、本実施形態においては、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(方位角度)をヨー角ψと定義する。
航行体制御装置は、後述する処理によって舵3a〜3eを制御することにより、航行体の絶対座標系における姿勢や位置、進行方向(方位角)、進行速度、深度を制御する。
なお航行体は水中を走行する水中走行体や、空中を浮遊する空中浮遊体である。
As shown in FIG. 3, in this embodiment, the traveling speeds in the positive direction of the x-axis direction, y-axis direction, and z-axis direction in the hull coordinate system are u, v, and w, respectively, and angular velocities around the respective axes. And angular acceleration are defined as p, dp / dt, q, dq / dt, r, dr / dt. Note that the command values of the respective speeds and accelerations around the respective axes targeted by the
The navigation body control device controls the attitude and position, the traveling direction (azimuth angle), the traveling speed, and the depth of the navigation body in the absolute coordinate system by controlling the
The navigation body is an underwater traveling body that travels underwater or an air floating body that floats in the air.
図4は本実施形態による航行体制御装置の機能ブロックを示す第1の図である。
以下に本発明の一実施形態に係る航行体の制御方法について図を参照して説明する。
図4において符号10は航行体制御装置を示している。当該航行体制御装置10は航行体の船体に設けられ、舵3a〜3eや推進装置(エンジン、プロペラ等を含む装置)による推進速力を制御する。
図4で示すように、航行体制御装置10は、航行制御パラメータ取得部11、フィードバック制御部12、速度取得部13、フィードフォワード制御部14、制御補正部15を少なくとも備えている。これら各制御部は、航行体制御装置10のコンピュータのCPU(Central Processing Unit)がメモリやハードディスクドライブ等の記憶部に記録されているプログラムを読み込んで実行することにより航行体制御装置10に備わる各機能に対応する。
航行体制御装置における制御補正部15からの出力は船体運動制御装置30へ出力される。船体運動制御装置30は、上述した舵3a〜3eや推進装置である。
FIG. 4 is a first diagram illustrating functional blocks of the navigation control apparatus according to the present embodiment.
A navigation body control method according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In FIG. 4, the code |
As shown in FIG. 4, the
The output from the
航行制御パラメータ取得部11は、絶対座標系(地球座標系)内(3次元空間内)の自由方向の自由方向に航行する航行体の3次元航行に用いられる航行制御パラメータであって、深度、ロール角、ピッチ角、方位角についての航行制御パラメータを順次取得する。
フィードバック制御部12は、目標の航行制御パラメータと該目標の航行制御パラメータに対応する実測値とに基づいてフィードバック制御を行う。
速度取得部13は、航行体の進行方向の進行速度と進行方向の変更に伴う航行体の横流れ方向の横流れ速度とを取得する。
フィードフォワード制御部14は、進行方向の変更に伴う航行制御パラメータへの干渉を補正する補正項であって進行速度uと横流れ速度vの積に比例する補正項を含む、航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式を用いて導出した干渉補償演算式と、航行制御パラメータに基づいて算出した値、進行速度u、横流れ速度vを含む状態変数と、を用いてフィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出する。
制御補正部15は、フィードフォワード制御値を用いてフィードバック制御の結果を補正する。
The navigation control
The
The
The
The
なお、干渉補償演算式は、航行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、航行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用いて導出する。具体的には干渉補償演算式は、この線形化状態方程式を、航行体が所望の運動を行うために必要な航行制御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する。
フィードフォワード制御部14は、干渉補償演算式に、状態変数を代入することにより干渉補償舵角を算出し、制御補正部15は、フィードバック制御の結果である舵角指令を前記干渉補償舵角とに基づいて補正する。
It should be noted that the interference compensation equation is a linearity equation in which the coefficient matrix is expressed as a function of the equilibrium point in the linearized equation of state in the vicinity of any equilibrium point of the navigation body, and is changed so as to be adaptive over the entire operating range of the navigation body. Derived using the generalized equation of state. Specifically, the interference compensation calculation formula is derived by reversing the linearized state equation with respect to parameters related to the navigation control amount necessary for the navigation body to perform a desired motion.
The
図5は本実施形態による航行体制御装置の機能ブロックを示す第2の図である。
図6は本実施形態による航行体制御装置の機能ブロックを示す第3の図である。
図5で示す機能ブロック図は、図4の機能ブロック図における航行制御パラメータ取得部11、フィードバック制御部12、制御補正部15を詳細に説明している。
図6で示す機能ブロック図は、図4の機能ブロック図における速度取得部13、フィードフォワード制御部14をさらに詳細に説明している。
図5で示すように、航行制御パラメータ取得部11は、目標深度算出部111、目標ロール角算出部112、目標ピッチ角算出部113、目標方位角算出部114を備えている。
なお、図中のw*,p*,q*,r*の上に付されているドット(・)は、微分値d/dtであることを示している。
FIG. 5 is a second diagram showing functional blocks of the navigation control apparatus according to the present embodiment.
FIG. 6 is a third diagram showing functional blocks of the navigation control apparatus according to the present embodiment.
The functional block diagram shown in FIG. 5 explains in detail the navigation control
The functional block diagram shown in FIG. 6 explains the
As shown in FIG. 5, the navigation control
In addition, the dot (*) attached | subjected on w * , p * , q * , r * in the figure has shown that it is a differential value d / dt.
目標深度算出部111は、取得した設定深度zsetに基づいて、目標深度z*を算出する。当該目標深度z*を図6で示す微分器92aが微分演算して目標深度方向速度w*を算出する。また目標深度方向速度w*を図6で示す微分器92bが微分演算して目標深度方向加速度dw*/dtを算出する。微分器92a,92bの機能を目標深度算出部111が有しており、当該目標深度算出部111が目標深度方向速度w*、目標深度方向加速度dw*/dtを算出するようにしてもよい。
目標ロール角算出部112は、取得した設定ロール角φsetに基づいて、目標ロール角φ*を算出する。当該目標ロール角φ*を図6で示す微分器92cが微分演算して目標ロール角速度p*を算出する。また目標ロール角速度p*を図6で示す微分器92dが微分演算して目標ロール角加速度dp*/dtを算出する。微分器92c,92dの機能を目標ロール角算出部112が有しており、当該目標ロール角算出部112が目標ロール角速度p*、目標ロール角加速度dp*/dtを算出するようにしてもよい。
目標ピッチ角算出部113は、取得した設定ピッチ角θsetに基づいて、目標ピッチ角θ*を算出する。当該目標ピッチ角θ*を図6で示す微分器92eが微分演算して目標ピッチ角速度q*を算出する。また目標ピッチ角速度q*を図6で示す微分器92fが微分演算して目標ピッチ角加速度dq*/dtを算出する。微分器92e,92fの機能を目標ピッチ角算出部113が有しており、当該目標ピッチ角算出部113が、目標ピッチ角速度q*、目標ピッチ角加速度dq*/dtを算出するようにしてもよい。
目標方位角算出部114は、取得した設定方位角ψsetに基づいて、目標方位角ψ*を算出する。当該目標方位角ψ*を図6で示す微分器92gが微分演算して目標方位角速度r*を算出する。また目標方位角速度r*を図6で示す微分器92hが微分演算して目標方位角加速度dr*/dtを算出する。微分器92g,92hの機能を目標方位角算出部114が有しており、当該目標方位角算出部114が、目標方位角速度r*、目標方位角加速度dr*/dtを算出するようにしてもよい。
The target
The target roll
The target pitch
The target azimuth
図5で示すように、フィードバック制御部12は、差分演算部121、122、123、124を備えている。またフィードバック制御部12は、フィードバック制御器(以下、FB制御器)125、126、127、128を備えている。
差分演算部121は、目標深度z*と、前回の実測値を基準とする実測値の深度zとの差分を算出する。
差分演算部122は、目標ロール角φ*と、前回の実測値を基準とする今回の実測値のロール角φとの差分を算出する。
差分演算部123は、目標ピッチ角θ*と、前回の実測値を基準とする実測値のピッチ角θとの差分を算出する。
差分演算部124は、目標方位角ψ*と、前回の実測値を基準とする実測値の方位角ψとの差分を算出する。
FB制御器125は、差分演算部121の出力に基づいてPID制御を行うことにより深度干渉補償舵角のフィードバック制御値(以下、深度フィードバック舵角δbFB)を算出する。
FB制御器126は、差分演算部122の出力に基づいてPID制御を行うことによりロール角干渉補償舵角のフィードバック制御値(以下、ロール角フィードバック舵角δrrFB)を算出する。
FB制御器127は、差分演算部123の出力に基づいてPID制御を行うことによりピッチ角干渉補償舵角のフィードバック制御値(以下、ピッチ角フィードバック舵角δrcFB)を算出する。
FB制御器128は、差分演算部124の出力に基づいてPID制御を行うことにより方位角干渉補償舵角のフィードバック制御値(以下、方位角フィードバック舵角δrlFB)を算出する。
As shown in FIG. 5, the
The
The
The
The
The
The
The
The
図6で示すように、フィードフォワード制御部14は、係数行列算出部141、干渉補償舵角算出部142、座標変換部143を備えている。
係数行列算出部141は、速度取得部13から入力した航行体の進行方向の進行速度u、航行体の横流れ速度v、目標深度方向速度w*、目標ロール角速度p*、目標ロール角φ*、目標ピッチ角速度q*、目標ピッチ角θ*、目標方位角速度r*の値を順次取得し、それらの平衡状態の値に基づいて、A(n)行列、B(n)行列の2つの行列を算出する。当該2つの行列の詳細については後述する。なおA(n)行列、A(n)行列の各要素はある平衡点X ̄,U ̄における関数として表現される。
As shown in FIG. 6, the
The coefficient
干渉補償舵角算出部142は、係数行列算出部141からA(n)行列、B(n)行列の情報を取得する。
また干渉補償舵角算出部142は、微分器92a,92bからそれぞれ目標深度方向速度w*、目標深度方向加速度dw*/dtを取得する。
また干渉補償舵角算出部142は、目標ロール角算出部112から目標ロール角φ*を、微分器92c,92dからそれぞれ目標ロール角速度p*、目標ロール角加速度dp*/dtを取得する。
また干渉補償舵角算出部142は、目標ピッチ角算出部113から目標ピッチ角θ*を、微分器92e,92fからそれぞれ目標ピッチ角速度q*、目標ピッチ角加速度dq*/dtを取得する。
また干渉補償舵角算出部142は、微分器92g,92hからそれぞれ目標方位角速度r*、目標方位角加速度dr*/dtを取得する。
The interference compensation steering
Further, the interference compensation rudder
Further, the interference compensation steering
The interference compensation steering
Further, the interference compensation steering
そして干渉補償舵角算出部142は、取得した各値や行列の情報を用いて、舵角の干渉補償値となるフィードフォワード制御値である干渉補償舵角δbFF *(深度干渉補償舵角)を算出する。
また干渉補償舵角算出部142は、取得した各値や行列の情報を用いて、舵角の干渉補償値となるフィードフォワード制御値である干渉補償舵角δr1*、δr2*、δr3*、δr4*、を算出する。
なお干渉とは、深度、ロール角、ピッチ角、方位角の何れか一つを制御しようとすると、他の値に影響を与えることを言う。例えば、船尾軸線を中心とする楕円状の航行体が水中を航行し、その航行体の進行方向(方位角)を変更した場合、上述したように横流れ速度vが発生する。この時、当該航行体の船尾軸線を中心とする面の縁に図1のような凸形状が存在するような場合には、横流れ速度vに基づく当該凸形状に作用する水の反作用によって航行体が船尾軸線を回転軸として回転する。このような回転を干渉という。
Then, the interference compensation rudder
Further, the interference compensation steering
Interference means that when any one of depth, roll angle, pitch angle, and azimuth is controlled, other values are affected. For example, when an elliptical navigation body centered on the stern axis navigates underwater and the traveling direction (azimuth angle) of the navigation body is changed, the transverse flow velocity v is generated as described above. At this time, when a convex shape as shown in FIG. 1 exists at the edge of the plane centering on the stern axis of the navigation body, the navigation body is caused by a reaction of water acting on the convex shape based on the lateral flow velocity v. Rotates around the stern axis. Such rotation is called interference.
座標変換部143は、干渉補償舵角算出部142によって得られた干渉補償舵角δr1*、δr2*、δr3*、δr4*を用いて、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(ロール角干渉補償舵角δrrFF *、ピッチ角干渉補償舵角δrcFF *、方位角干渉補償舵角δrlFF *)へ変換する。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 coordinate
図5で示すように、制御補正部15は、深度舵角指令算出部151、ロール角舵角指令算出部152、ピッチ角舵角指令算出部153、方位角舵角指令算出部154、座標変換部155を備えている。
深度舵角指令算出部151は、深度フィードバック舵角δbFBと深度干渉補償舵角δbFF *とを加算して深度舵角指令δb*の値を算出して船体運動制御装置30へ出力する。
ロール角舵角指令算出部152は、ロール角フィードバック舵角δrrFBとロール角干渉補償舵角δrrFF *とを加算してロール角舵角指令δrr *の値を算出し、座標変換部155へ出力する。
ピッチ角舵角指令算出部153は、ピッチ角フィードバック舵角δrcFBとピッチ角干渉補償舵角δrcFF *とを加算してピッチ角舵角指令δrc *の値を算出し、座標変換部155へ出力する。
方位角舵角指令算出部154は、方位角フィードバック舵角δrlFBと方位角干渉補償舵角δrlFF *とを加算して方位角舵角指令δrl *の値を算出し、座標変換部155へ出力する。
座標変換部155は、取得したロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δrl *に基づいて、座標変換処理を行い、各舵3a〜3dへの舵制御指令δr1*、δr2*、δr3*、δr4*を算出する。これにより、舵3eが深度舵角指令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、船体姿勢に追従させることが可能となる。
As shown in FIG. 5, the
The depth steering angle
The roll angle steering angle
The pitch angle steering angle
The azimuth steering angle
The coordinate
船体運動制御装置30は、深度舵角指令δb*と、舵制御指令δr1*、δr2*、δr3*、δr4*に基づいて、舵3a〜3eを制御する。
なお船体運動制御装置30の制御の結果、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψが変化する。これら深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψは、航行体に備わる深度計(又は高度計)や、ジャイロセンサ、角速度センサなどのセンサによって計測され、その値を航行体制御装置が取得してフィードバック制御等に用いる。
The hull
As a result of the control of the hull
次に、本実施形態に係る航行体制御装置の処理の詳細について説明する。
まず目標深度算出部111は、上位装置(例えば運転者の操作を出力する装置)から離散的な値である設定深度zsetを取得し、この値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*を算出する。応答モデルの一例としては、以下の式(1)に示すような、2次のローパスフィルタが挙げられる。
Next, details of processing of the navigation control apparatus according to the present embodiment will be described.
First, the target
式(1)においてξは減衰率[−]、ωnは応答周波数[rad/s]であり、以下の式(2)で表される。例えば、深度制御系においては、オーバシュートなしてとして、ξ=1と設定される。 In Expression (1), ξ is an attenuation rate [−], and ωn is a response frequency [rad / s], which is expressed by the following Expression (2). For example, in the depth control system, ξ = 1 is set without overshoot.
式(2)において、Tsは制定時間[sec]であり、運転条件に応じて任意に設定される。そして、目標深度算出部111は、目標深度z*を差分演算部121、係数行列算出部141、干渉補償舵角算出部142へ出力する。
In Equation (2), Ts is the establishment time [sec], and is arbitrarily set according to the operating conditions. Then, the target
目標ロール角算出部112は、上位装置から離散的な値である設定ロール角φsetを取得し、この値に対して所定の応答モデルを用いて、連続的な目標ロール角φ*を算出する。なお目標ロール角算出部112の目標ロール角φ*の算出処理は、上述した目標深度算出部111における目標深度z*の算出処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。そして、目標ロール角算出部112は、目標ロール角φ*を差分演算部122、係数行列算出部141、干渉補償舵角算出部142へ出力する。
目標ピッチ角算出部113は、上位装置から離散的な値である設定ピッチ角θsetを取得し、この値に対して所定の応答モデルを用いて、連続的な目標ピッチ角θ*を算出する。なお目標ピッチ角算出部113の目標ピッチ角θ*の算出処理は、上述した目標深度算出部111における目標深度z*の算出処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。そして、目標ピッチ角算出部113は、目標ピッチ角θ*を差分演算部123、係数行列算出部141、干渉補償舵角算出部142へ出力する。
目標方位角算出部114は、上位装置から離散的な値である設定方位角ψsetを取得し、この値に対して所定の応答モデルを用いて、連続的な目標方位角ψ*を算出する。なお目標方位角算出部114の目標方位角ψ*の算出処理は、上述した目標深度算出部111における目標深度z*の算出処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。そして、目標方位角算出部114は、目標方位角ψ*を差分演算部124、係数行列算出部141、干渉補償舵角算出部142へ出力する。
The target roll
The target pitch
The target azimuth
係数行列算出部141および干渉補償舵角算出部142を備えたフィードフォワード制御部14では、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干渉補償演算式を用いて、航行体の深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψそれぞれの相互干渉を抑制するための干渉補償値となる深度干渉補償舵角δbFF *、ロール角干渉補償舵角δrrFF *、ピッチ角干渉補償舵角δrcFF *、方位角干渉補償舵角δrlFF *を算出する。
The
ここで、干渉補償演算式の導出について説明する。一般的に、船体1の運動は非線形であるが、船体1の平衡点近傍(平衡点まわりの微小空間)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、以下の式(3)、式(4)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1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。
Here, the derivation of the interference compensation calculation formula will be described. Generally, the motion of the
式(3)から式(6)において、u、v、w、p、q、r、φ、θ、ψは、上述したu*、v*、w*、p*、q*、r*、φ*、θ*、ψ*に対応し、nは推進力を得るために航行体に備わるプロペラの回転数[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、上述したδr1*、δr2*、δr3*、δr4*に対応し、それぞれ舵3a、舵3b、舵3c、舵3dの舵角である。
In the formulas (3) to (6), u, v, w, p, q, r, φ, θ, ψ are the above-described u * , v * , w * , p * , q * , r * , corresponds to φ * , θ * , ψ * , n is the rotation speed [rps] of the propeller provided in the navigation body to obtain propulsive force, δb is the rudder angle of the rudder 3e, in other words, the rudder angle [rad] related to the depth, δr1, δr2, δr3, and δr4 correspond to the above-described δr1 * , δr2 * , δr3 * , and δr4 * , and 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、以下の式(7)が得られる。 Subsequently, assuming that there is an equilibrium point (dx / dt = 0) at which the state quantity in the equilibrium state settles at a certain X with respect to an arbitrary manipulated variable U, the following expression (7) is obtained.
f(X*,U*)=0 (7) f (X * , U * ) = 0 (7)
この状態からの微小変動量をΔX,ΔUとすると、以下の式(8)が得られる。 If the minute fluctuation amounts from this state are ΔX and ΔU, the following equation (8) is obtained.
上記式(8)を平衡点の近傍でテーラー展開し、1次近似とすると、以下の式(9)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 (8) is Taylor-expanded in the vicinity of the equilibrium point to be a first order approximation, a state equation around the equilibrium point represented by the following equation (9) is obtained.
ここで、速度u、v、は制御量ではないこと、回転数nは速度uにのみ影響を与える操作量であること、方位角ψは、船体に復元力として作用しないことから、本発明の目的とは無関係であるため、省略してモデルリダクションすることができる。ただし、任意の推進速力uで航行体が航行しているときに方位変換を行い、横流れ速度vが発生した際に作用する干渉項(補正項)をF・u・vとして定義する。Fは航行体の船体1の特性で定まる係数である。つまり任意の速力uで航行体が航行しているときに方位変換を行い、横流れ速度vが発生した際に作用する干渉力は、推進速力uと横流れ速力vの積に比例する。式(9)ではこの干渉項を考慮した状態方程式である。式(9)において、A(n)行列は以下の式(10)、行列Bは以下の式(11)で与えられる。
Here, the speeds u and v are not control amounts, the rotational speed n is an operation amount that affects only the speed u, and the azimuth angle ψ does not act as a restoring force on the hull. Since it is irrelevant to the purpose, it is possible to omit the model reduction. However, a direction change is performed when the navigation body is navigating at an arbitrary propulsion speed u, and an interference term (correction term) that acts when a lateral flow velocity v is generated is defined as F · u · v. F is a coefficient determined by the characteristics of the
上述の式(10)、(11)と、この干渉項F・u・vを考慮すると、線形化状態方程式は、以下の式(12)で表される。 Considering the above equations (10) and (11) and the interference term F · u · v, the linearized state equation is expressed by the following equation (12).
式(12)において、Δwはz軸方向の速度の微小変化[m/s]である。Δpは目標ロール角速度の微小変化[rad/s]である。Δqは目標ピッチ角速度の微小変化[rad/s]である。Δrはヨー角速度の微小変化[rad/s]である。Δφはロール角の微小変化[rad]である。Δθはピッチ角の微小変化[rad]である。Δδbは舵3e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]である。Δδrr、Δδrc、Δδrlはそれぞれロール舵、ピッチ舵、方位(ヨー)舵の微小変化、換言すると、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角(ヨー角)ψに関する舵角指令の微小変化[rad]である。 In Expression (12), Δw is a minute change [m / s] in the z-axis direction. Δp is a minute change [rad / s] of the target roll angular velocity. Δq is a minute change [rad / s] of the target pitch angular velocity. Δr is a minute change [rad / s] of the yaw angular velocity. Δφ is a minute change [rad] in the roll angle. Δθ is a minute change [rad] in the pitch angle. Δδb is a minute change of the rudder 3e, in other words, a minute change [rad] of the rudder angle command related to the depth. Δδrr, Δδrc, and Δδrl are small changes in the roll rudder, pitch rudder, and azimuth (yaw) rudder, in other words, small changes in the rudder angle command regarding the roll angle φ, pitch angle θ, and azimuth (yaw angle) ψ [rad]. It is.
上記A(n)行列、B(n)行列の各要素a11〜a66、b11〜b65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、以下の式(13)〜式(15)で表される。なお、その他の各要素についても上記の式(3)〜(9)から当然のごとく導出される。 The elements a11 to a66 and b11 to b65 of the A (n) matrix and B (n) matrix are expressed as functions or constants at certain equilibrium points X * and U * . For example, the elements a14, a15, and a16 are represented by the following formulas (13) to (15). Note that the other elements are naturally derived from the above formulas (3) to (9).
式(13)から式(15)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の添え字については、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。例えば、Kuprrは、「u」が航行体の船体1の進行速度uが示す方向の軸(x軸)を表し、「prr(pr2)」が状態変数を示している。
In the equations (13) to (15), the coefficient K is a constant determined by the kinematic characteristic of the hull. As for the subscript of the coefficient K, the first character indicates the axis of the equation of motion, and the second and subsequent characters indicate state variables. For example, in K uprr , “u” represents an axis (x axis) in the direction indicated by the traveling speed u of the
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、上記式(9)を逆問題解析して、以下の式(16)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 (16) by analyzing the above equation (9) for the inverse problem.
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。上記式(16)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、その時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の変化による他のパラメータへの影響(干渉)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. For the above equation (16), a simultaneous equation is created by substituting values based on each target value for each of the parameters relating to depth, roll angle, pitch angle, and azimuth, and this simultaneous equation is used for each steering angle command. 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 the minute changes Δδb, Δδr1, Δδr2, Δδr3, Δδr4 of each steering angle command, the steering angle for avoiding the influence (interference) on the other parameters due to the change of the azimuth angle ψ. A command can be obtained.
ここで、本実施形態では、上記式(16)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、以下の式(17)で表される。
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、演算処理の負荷を軽減することができる。なお、式(17)において、U*は操作量の指令値、X*は状態量の目標値、dX*/dt(式中はX*の上にドット付き)は微分状態量の目標値を示している。
Here, in the present embodiment, the interference compensation steering angle is calculated using an inverse analysis calculation formula obtained by replacing the minute change amount shown in the formula (16) with an absolute value as an interference compensation calculation formula. That is, the interference compensation calculation formula according to this embodiment is expressed by the following formula (17).
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 processing load can be reduced. In equation (17), U * is the command value for the manipulated variable, X * is the target value for the state quantity, and dX * / dt (with a dot on X * in the formula) is the target value for the differential state quantity. Show.
係数行列算出部141には、x軸方向の進行速度u、横流れ方向(y軸方向)の横流れ速度vが入力される。進行速度u、横流れ速度vは、上位装置から取得する値である。上位装置は進行速度を計測する速度センサや、横流れ速度を計測する速度センサである。または上位装置は、横流れ速度vを、進行速度やその他のパラメータ(航行体の深度方向速度、ロール方向角速度、ピッチ方向角速度、方位方向角速度、ロール角、ピッチ角、前記進行方向速度)を用いて、カルマンフィルタによる内部推定値として算出する装置であってもよい。また航行体制御装置10に備わる横流れ速度推定部が、同様の処理により横流れ速度vを算出するようにしてもよい。
The
係数行列算出部141は、取得した進行速度uに基づいてその平衡状態の値を示すu ̄を算出する。
係数行列算出部141は、取得した横流れ速度vに基づいてその平衡状態の値を示すv ̄を算出する。
係数行列算出部141は、微分器92aにおいて算出された目標深度方向速度w*を取得してその値に基づいてその平衡状態の値を示すw ̄を算出する。
係数行列算出部141は同様に、微分器92c目標ロール角算出部112において算出された目標ロール角速度p*に基づいてその平衡状態の値を示すp ̄を算出する。
係数行列算出部141は同様に、目標ロール角算出部112において算出された目標ロール角φ*に基づいてその平衡状態の値を示すφ ̄を算出する。
係数行列算出部141は同様に、微分器92eにおいて算出された目標ピッチ角速度q*に基づいてその平衡状態の値を示すq ̄を算出する。
係数行列算出部141は同様に、目標ピッチ角算出部113において算出された目標ピッチ角θ*に基づいてその平衡状態の値を示すθ ̄を算出する。
係数行列算出部141は同様に、微分器9292gにおいて算出された目標方位角速度r*に基づいてその平衡状態の値を示すr ̄を算出する。
The coefficient
The coefficient
The coefficient
Similarly, the coefficient
Similarly, the coefficient
Similarly, the coefficient
Similarly, the coefficient
Similarly, the coefficient
係数行列算出部141は、上記式(13)〜式(15)に例示されるように、係数行列A(上述のA(n)行列)、B(上述のB(n)行列)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、上記平衡状態の値を示すu ̄,v ̄,w ̄,p ̄,φ ̄,q ̄,θ ̄,r ̄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
なお、上記の線形化状態方程式における干渉項中の干渉係数(補正係数)Fは、以下の式(18)により表される。 Note that the interference coefficient (correction coefficient) F in the interference term in the above linearized state equation is expressed by the following expression (18).
当該干渉係数Fは、主に進行方向とロール角φの回転方向に作用するため、式(18)のようにロール角φの回転方向についての係数fpと、進行方向についての係数frとにより設定される。 Since the interference coefficient F mainly acts in the traveling direction and the rotation direction of the roll angle φ, the interference coefficient F is set by a coefficient fp for the rotation direction of the roll angle φ and a coefficient fr for the traveling direction as shown in Equation (18). Is done.
他方、干渉補償舵角算出部142は、係数行列算出部141の算出した係数行列A(n),B(n)を取得する。また干渉補償舵角算出部142は、微分器92a,92bそれぞれから目標深度方向速度w*、目標深度方向加速度dw*/dtを取得する。
また干渉補償舵角算出部142は、目標ロール角算出部112から目標ロール角φ*を、微分器92c,92dそれぞれから目標ロール角速度p*、目標ロール角加速度dp*/dtを取得する。
また干渉補償舵角算出部142は、目標ピッチ角算出部113から目標ピッチ角θ*を、微分器92e,92fそれぞれから目標ピッチ角速度q*、目標ピッチ角加速度dq*/dtを取得する。
また干渉補償舵角算出部142は、微分器92g,92hそれぞれから目標方位角速度r*、目標方位角加速度dr*/dtを取得する。
On the other hand, the interference compensation steering
Further, the interference compensation steering
In addition, the interference compensation steering
Further, the interference compensation rudder
干渉補償舵角算出部142は、干渉補償演算式(例えば、上述した式(17))をメモリ等に記憶しており、これらの式の情報を読み込んで、当該式に取得した各値を代入して演算することで、深度干渉補償舵角δbFF *、ロール角干渉補償舵角δrrFF *、ピッチ角干渉補償舵角δrcFF *、方位角干渉補償舵角δrlFF *を算出する。
The interference compensation rudder
次に、上述したように、座標変換部143が、干渉補償舵角算出部142によって得られた干渉補償舵角δr1*、δr2*、δr3*、δr4*を、干渉補償舵角(ロール角干渉補償舵角δrrFF *、ピッチ角干渉補償舵角δrcFF *、方位角干渉補償舵角δrlFF *)へ変換する。
Next, as described above, the coordinate
そして、深度舵角指令算出部151は、深度フィードバック舵角δbFBと深度干渉補償舵角δbFF *とを加算して深度舵角指令δb*の値を算出して船体運動制御装置30へ出力する。
またロール角舵角指令算出部152は、ロール角フィードバック舵角δrrFBとロール角干渉補償舵角δrrFF *とを加算してロール角舵角指令δrr *の値を算出し、座標変換部155へ出力する。
またピッチ角舵角指令算出部153は、ピッチ角フィードバック舵角δrcFBとピッチ角干渉補償舵角δrcFF *とを加算してピッチ角舵角指令δrc *の値を算出し、座標変換部155へ出力する。
また方位角舵角指令算出部154は、方位角フィードバック舵角δrlFBと方位角干渉補償舵角δrlFF *とを加算して方位角舵角指令δl*の値を算出し、座標変換部155へ出力する。
Then, the depth steering angle
The roll angle steering angle
The pitch angle steering angle
Further, the azimuth steering angle
座標変換部155は、取得したロール角舵角指令δrr *、ピッチ角舵角指令δrc *、方位角舵角指令δl*に基づいて、座標変換処理を行い、各舵3a〜3dへの舵制御指令δr1*、δr2*、δr3*、δr4*を算出し、船体運動制御装置30へ出力する。
The coordinate
船体運動制御装置30は、深度舵角指令δb*と、舵制御指令δr1*、δr2*、δr3*、δr4*に基づいて、主に舵3a〜3eを制御する。
船体運動制御装置30の制御の結果、深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψが変化し、これら深度z、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角ψをセンサが計測して、それぞれの値を、差分演算部121、122、123、124へ出力する。
The hull
As a result of the control of the hull
図7は航行体制御装置の進行方向制御時におけるシミュレーション結果を示す第1の図である。
図8は航行体制御装置の進行方向制御時におけるシミュレーション結果を示す第2の図である。
図7は、上述の線形化状態方程式で示した干渉項を当該線形化状態方程式に適用せずにフィードフォワード制御した場合のシミュレーション結果である。また図8は上述の線形化状態方程式を用いてフィードフォワード制御した場合のシミュレーション結果である。図8で示すシミュレーション結果によれば、図7で示すシミュレーション結果と比較して、方位角およびロール角について実測値が目標値に精度よく追従していることがわかる。
FIG. 7 is a first diagram illustrating a simulation result when the traveling body control device controls the traveling direction.
FIG. 8 is a second diagram showing a simulation result during the traveling direction control of the navigation control apparatus.
FIG. 7 shows a simulation result when the feed-forward control is performed without applying the interference term shown in the above-described linearized state equation to the linearized state equation. FIG. 8 shows a simulation result when feedforward control is performed using the above linearized state equation. According to the simulation result shown in FIG. 8, it can be seen that the actually measured values follow the target value with high accuracy with respect to the azimuth angle and the roll angle as compared with the simulation result shown in FIG. 7.
以上、本実施形態に係る航行体制御装置10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、航行体の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。
そして、本実施形態に係る航行体制御装置10によれば、上述した干渉項を適用した上述の線形化状態方程式を用いてフィードフォワード制御を行うことにより、さらにロール角φ、方位角ψの相互干渉を抑制することができ、航行体の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。
As described above, according to the
And according to the navigation
なお上述の航行体制御装置10は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、DVD−ROM、半導体メモリ等をいう。
In addition, the above-mentioned navigation
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。 The program may be for realizing a part of the functions described above. Furthermore, what can implement | achieve the function mentioned above in combination with the program already recorded on the computer system, and what is called a difference file (difference program) may be sufficient.
1・・・船体(航行体)
3a,3b,3c,3d,3e・・・舵
10・・・航行体制御装置
11・・・航行制御パラメータ取得部
12・・・フィードバック制御部
13・・・速度取得部
14・・・フィードフォワード制御部
15・・・制御補正部15
30・・・船体運動制御装置
111・・・目標深度算出部
112・・・目標ロール角算出部
113・・・目標ピッチ角算出部
114・・・目標方位角算出部
121,122,123,124・・・差分演算部
125、126、127、128・・・FB制御器
151・・・深度舵角指令算出部
152・・・ロール角舵角指令算出部
153・・・ピッチ角舵角指令算出部
154・・・方位角舵角指令算出部
155・・・座標変換部
92a〜92h・・・微分器
141・・・係数行列算出部
142・・・干渉補償舵角算出部
143・・・座標変換部
1 ... hull (navigation body)
3a, 3b, 3c, 3d, 3e ...
30 ... hull
Claims (6)
前記航行体の進行方向の進行速度と前記進行方向の変更に伴う航行体の横流れ方向の横流れ速度とを取得する速度取得部と、
前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正項であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正項を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式を用いて導出した干渉補償演算式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した値、前記進行速度、前記横流れ速度を含む状態変数と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出するフィードフォワード制御部と、
前記フィードフォワード制御値を用いて前記フィードバック制御の結果を補正する制御補正部と、
を備えることを特徴とすることを特徴とする航行体制御装置。 A target navigation control parameter used for three-dimensional navigation of a navigation body that navigates in a free direction in a three-dimensional space, the target navigation control parameters for target depth, target roll angle, target pitch angle, and target azimuth angle; A feedback control unit that performs feedback control based on an actual measurement value corresponding to the target navigation control parameter;
A speed acquisition unit that acquires a traveling speed in a traveling direction of the navigation body and a lateral flow speed in a lateral flow direction of the navigation body according to the change in the traveling direction;
A linear term in the vicinity of any equilibrium point of the navigation body, including a correction term that corrects an interference with the navigation control parameter associated with the change in the traveling direction and is proportional to a product of the traveling speed and the lateral flow speed. A feed that corrects the result of the feedback control using an interference compensation arithmetic expression derived using a generalized state equation, and a state variable including a value calculated based on the navigation control parameter, the traveling speed, and the lateral flow speed A feedforward control unit for calculating a forward control value;
A control correction unit that corrects the result of the feedback control using the feedforward control value;
A navigation body control device characterized by comprising:
前記フィードフォワード制御部は、前記干渉補償演算式に、前記状態変数を代入することにより干渉補償舵角を算出し、
前記制御補正部は、前記フィードバック制御の結果である舵角指令を前記干渉補償舵角とに基づいて補正する
ことを特徴とする請求項1に記載の航行体制御装置。 In the linearized equation of state in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the navigation body, the interference compensation calculation formula is changed so as to be adaptable over the entire operating range of the navigation body by expressing a coefficient matrix as a function of the equilibrium point. An equation derived by reversing a linearized equation of state with respect to a parameter relating to a navigation control amount necessary for the navigation body to perform a desired motion,
The feedforward control unit calculates an interference compensation steering angle by substituting the state variable into the interference compensation calculation formula,
The navigation control apparatus according to claim 1, wherein the control correction unit corrects a steering angle command that is a result of the feedback control based on the interference compensation steering angle.
を備えることを特徴とする請求項1に記載の航行体制御装置。 The navigation body is a navigation body that navigates underwater, and a lateral flow speed estimation unit that estimates the lateral flow speed using a Kalman filter;
The navigation body control device according to claim 1, comprising:
前記航行体の進行方向の進行速度と前記進行方向の変更に伴う航行体の横流れ方向の横流れ速度とを取得し、
前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正項であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正項を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式を用いて導出した干渉補償演算式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した値、前記進行速度、前記横流れ速度を含む状態変数と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出し、
前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正係数であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正係数を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した状態変数と、干渉補償演算式と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出し、
前記フィードフォワード制御値を用いて前記フィードバック制御の結果を補正する
ことを特徴とすることを特徴とする航行体制御方法。 A target navigation control parameter used for three-dimensional navigation of a navigation body that navigates in a free direction in a three-dimensional space, the target navigation control parameters for target depth, target roll angle, target pitch angle, and target azimuth angle; Feedback control based on the actual measurement value corresponding to the target navigation control parameter,
Obtaining the traveling speed in the traveling direction of the navigation body and the lateral flow speed in the lateral direction of the navigation body in accordance with the change in the traveling direction;
A linear term in the vicinity of any equilibrium point of the navigation body, including a correction term that corrects an interference with the navigation control parameter associated with the change in the traveling direction and is proportional to a product of the traveling speed and the lateral flow speed. A feed that corrects the result of the feedback control using an interference compensation arithmetic expression derived using a generalized state equation, and a state variable including a value calculated based on the navigation control parameter, the traveling speed, and the lateral flow speed Calculate the forward control value,
Linearity in the vicinity of an arbitrary equilibrium point of the navigation body, including a correction coefficient that corrects interference with the navigation control parameter due to the change in the traveling direction and is proportional to a product of the traveling speed and the lateral flow speed Calculating a feedforward control value for correcting the result of the feedback control using a state equation, a state variable calculated based on the navigation control parameter, and an interference compensation calculation formula,
The navigation object control method, wherein the result of the feedback control is corrected using the feedforward control value.
3次元空間内の自由方向に航行する航行体の3次元航行に用いられる目標の航行制御パラメータであって、目標深度、目標ロール角、目標ピッチ角、目標方位角についての目標の航行制御パラメータと該目標の航行制御パラメータに対応する実測値とに基づいてフィードバック制御を行うフィードバック制御手段、
前記航行体の進行方向の進行速度と前記進行方向の変更に伴う航行体の横流れ方向の横流れ速度とを取得する速度取得手段、
前記進行方向の変更に伴う前記航行制御パラメータへの干渉を補正する補正項であって前記進行速度と前記横流れ速度の積に比例する補正項を含む、前記航行体の任意の平衡点近傍における線形化状態方程式を用いて導出した干渉補償演算式と、前記航行制御パラメータに基づいて算出した値、前記進行速度、前記横流れ速度を含む状態変数と、を用いて前記フィードバック制御の結果を補正するフィードフォワード制御値を算出するフィードフォワード制御手段、
前記フィードフォワード制御値を用いて前記フィードバック制御の結果を補正する制御補正手段、
として機能させることを特徴とするプログラム。 The computer of the navigation control device,
A target navigation control parameter used for three-dimensional navigation of a navigation body that navigates in a free direction in a three-dimensional space, the target navigation control parameters for target depth, target roll angle, target pitch angle, and target azimuth angle; Feedback control means for performing feedback control based on an actual measurement value corresponding to the target navigation control parameter;
Speed acquisition means for acquiring a traveling speed in the traveling direction of the navigation body and a lateral flow speed in the lateral flow direction of the navigation body in accordance with the change in the traveling direction;
A linear term in the vicinity of any equilibrium point of the navigation body, including a correction term that corrects an interference with the navigation control parameter associated with the change in the traveling direction and is proportional to a product of the traveling speed and the lateral flow speed. A feed that corrects the result of the feedback control using an interference compensation arithmetic expression derived using a generalized state equation, and a state variable including a value calculated based on the navigation control parameter, the traveling speed, and the lateral flow speed Feed forward control means for calculating a forward control value;
Control correction means for correcting the result of the feedback control using the feedforward control value;
A program characterized by functioning as
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- 2014-10-16 JP JP2014211551A patent/JP6380951B2/en active Active
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