JP2017178052A - Automatic steering device for ship - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To restrain a variation of a nozzle for a water jet propulsion ship by reducing the influence of a dead zone of the nozzle.SOLUTION: An automatic steering device for a ship outputs a command steering angle by using a hull parameter based on a reference azimuth and a bow azimuth to a water jet propulsion ship having a water jet propulsion machine having at least a pair of nozzles, and comprises an identification computing unit for identifying the hull parameter. The identification computing unit comprises an identification model that outputs model output data from predetermined input data provided by the automatic steering device for a ship, and a parameter adjustment unit for adjusting and identifying the hull parameter from a result of comparison between the model output data from the identification model and output data, which is a measured value for the hull. The identification model includes a nozzle model and a hull motion model. The nozzle model incorporates a one-side width of a dead zone of the pair of nozzles and the gain ratio of the dead zone to gain except for the dead zone. The identification computing unit handles the dead zone width and the gain ratio as parameters to be identified together with the hull parameter relating to the hull motion model.SELECTED DRAWING: Figure 8

Description

本発明は、ウォータージェット推進船の制御に関する。   The present invention relates to control of a water jet propulsion ship.

水流を噴射するノズルによって推進力を得るウォータージェット推進船は、プロペラ船と比較して、省エネルギー性が劣るが高速航行に適していると言われている。ウォータージェット推進船においてノズルは左右に対で設けられるものがあり、ウォータージェット推進船はこれらのノズルを傾けることによって変針を行う。   It is said that a water jet propulsion ship that obtains propulsive force by a nozzle that injects a water flow is suitable for high-speed navigation, although it is less energy efficient than a propeller ship. In some water jet propulsion ships, nozzles are provided in pairs on the left and right, and the water jet propulsion ship changes the needle by tilting these nozzles.

ウォータージェット推進船の変針において、ノズルは船を直進させる直進方向から左右に傾く所定角度内に不感帯をもつ。このような不感帯を取り除く技術として、操舵システムの不感帯パラメータを推定し、命令舵角に不感帯逆特性のパラメータを与える、不感帯特性をもつ操舵システムの補償方法、が知られている(特許文献1参照)。   In the course of a water jet propulsion ship, the nozzle has a dead zone within a predetermined angle inclined left and right from the straight direction in which the ship moves straight. As a technique for removing such a dead zone, there is known a compensation method for a steering system having a dead zone characteristic, in which a dead zone parameter of a steering system is estimated and a parameter of a dead zone reverse characteristic is given to a command steering angle (see Patent Document 1). ).

米国特許出願公開第2007/0050113A1号明細書US Patent Application Publication No. 2007 / 0050113A1

しかしながら、上述の補償方法によれば、ウォータージェット推進船のノズルの傾きについて不感帯相当のノズル変化を与えるために、これが大きな負荷となり故障や摩損の原因になりかねない、という問題がある。   However, according to the compensation method described above, there is a problem in that since the nozzle change corresponding to the dead zone is given to the inclination of the nozzle of the water jet propulsion ship, this may become a heavy load and cause failure or wear.

本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ウォータージェット推進船におけるノズルの不感帯の影響をより低減させノズルの変動を抑制させることができる船舶用自動操舵装置を提供することを目的とする。   An embodiment of the present invention is made to solve the above-described problems, and is an automatic steering apparatus for a ship that can further reduce the influence of a dead zone of a nozzle in a water jet propulsion ship and suppress the fluctuation of the nozzle. The purpose is to provide.

上述した課題を解決するため、本実施形態の船舶用自動操舵装置は、少なくとも一対のノズルを有するウォータージェット推進機を備えるウォータージェット推進船に対し、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、前記同定モデルはノズルモデルと船体運動モデルとを含み、該ノズルモデルは、δを出力舵角、δを命令舵角、δDZをノズルオフセット、Wを前記一対のノズルの不感帯の片側幅、αを不感帯外のゲインに対する不感帯のゲイン比率として、 In order to solve the above-described problem, the marine vessel automatic steering apparatus according to the present embodiment sets a hull parameter based on a reference direction and a heading direction for a water jet propulsion ship including a water jet propulsion device having at least a pair of nozzles. An automatic steering device for a ship that outputs a command rudder angle using an identification calculation unit that identifies the hull parameter, the identification calculation unit being a model based on predetermined input data obtained by the automatic steering device for a ship An identification model for outputting output data, a model output data from the identification model, and a parameter adjustment unit that adjusts and identifies the hull parameters from a comparison result of output data that is actual measurement values related to the hull, identification model includes a nozzle model and ship motion model, the nozzle model outputs steering angle [delta], a [delta] c instruction steering angle, [delta] D The nozzle offsets, W one side width of the dead zone of the pair of nozzles, as a gain ratio of the dead band for the gain outside the dead zone of alpha,

で表され、前記同定演算部は、前記船体運動モデルに関する船体パラメータと共に、前記不感帯幅W、前記ゲイン比率αを同定するべきパラメータとすることを特徴とする。 The identification calculation unit is characterized in that the dead band width W and the gain ratio α are parameters to be identified together with the hull parameters relating to the hull motion model.

本発明の実施形態によれば、ウォータージェット推進船におけるノズルの不感帯の影響をより低減させノズルの変動を抑制させることができる。   According to the embodiment of the present invention, it is possible to further reduce the influence of the dead zone of the nozzle in the water jet propulsion ship and suppress the fluctuation of the nozzle.

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。1 is a block diagram illustrating a system including an automatic marine steering apparatus according to an embodiment. 同定演算部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of an identification calculating part. 航路制御系で用いる座標系を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the coordinate system used with a route control system. 不感帯特性を示す図である。It is a figure which shows a dead zone characteristic. 正規化されたノズルモデルを示す図である。図の修正:横軸 δ ->δcIt is a figure which shows the normalized nozzle model. Correction of figure: Horizontal axis δ-> δc 同定値誤差の影響を示す図である。It is a figure which shows the influence of an identification value error. 同定値誤差の解析結果を示す図である。It is a figure which shows the analysis result of an identification value error. 船体モデルを示す図である。It is a figure which shows a hull model. パラメータ同定に用いるデータの収録時間を示す図である。It is a figure which shows the recording time of the data used for parameter identification. 同定処理の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of an identification process. 同定値誤差を示す図である。It is a figure which shows an identification value error. 誤差係数ε=0.5の場合の同定結果の時系列応答を示す図である。It is a figure which shows the time series response of the identification result in case error coefficient (epsilon) = 0.5. 誤差係数ε=−0.1の場合の同定結果の時系列応答を示す図である。It is a figure which shows the time series response of the identification result in case of error coefficient (epsilon) =-0.1. 装備状態に対応したパラメータ同定のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the parameter identification corresponding to an installation state. 通常状態に対応した初回のパラメータ同定のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the first parameter identification corresponding to a normal state. 通常状態に対応した更新後のパラメータ同定のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the parameter identification after the update corresponding to a normal state.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

1 船舶用自動操舵装置
1.1 全体構成
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。
1. Automatic Ship Steering Device 1.1 Overall Configuration First, a system including an automatic ship steering device according to the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram illustrating a system including the marine vessel automatic steering apparatus according to the embodiment.

図1に示すように、本実施形態におけるシステムは、船舶用自動操舵装置1とその制御対象であるウォータージェット推進船2とを含む。ここでウォータージェット推進船2は、それぞれ対応するアクチュエータによりノズル角が変更される右舷ノズル21a及び左舷ノズル21bを有するウォータージェット推進機21、船体22及びセンサ類23を合わせたものである。   As shown in FIG. 1, the system in the present embodiment includes a marine automatic steering apparatus 1 and a water jet propulsion ship 2 that is a control target thereof. Here, the water jet propulsion ship 2 is a combination of a water jet propulsion device 21, a hull 22 and sensors 23 each having a starboard nozzle 21a and a port nozzle 21b whose nozzle angles are changed by corresponding actuators.

ウォータージェット推進機21は、不感帯に対応した通常状態と、不感帯を特定するための装備状態との2つの状態に切り替え可能となっている。右舷ノズル21a及び左舷ノズル21bは、それぞれ、通常状態において、その動作位置を、不感帯に対応した修正角であるノズルオフセットδDZ分だけ、ハの字形状となるように外方に傾けられ、これによって不感帯が等価的に相殺されるようになっている。また、右舷ノズル21a及び左舷ノズル21bは、それぞれ、装備状態において、その動作位置にノズルオフセットδDZは適用されない状態となっている。 The water jet propulsion device 21 can be switched between a normal state corresponding to the dead zone and an equipment state for specifying the dead zone. Each of the starboard nozzle 21a and the port nozzle 21b is tilted outward in a normal state so that the operation position thereof becomes a square shape by a nozzle offset δDZ which is a correction angle corresponding to the dead zone. Thus, the dead zone is equivalently offset. Further, the starboard nozzle 21a and the port nozzle 21b are in a state in which the nozzle offset δDZ is not applied to their operating positions in the equipped state.

また、センサ類23は、船体22のsurge速度uを検出するスピードログ、船体22の船首方位ψを検出するジャイロコンパス、GPS等の衛星測位システム(GNSS)からの船体位置(x,y)を検出するGNSSセンサを含む。センサ類23によって検出された船首方位ψ、surge速度u、船体位置(x,y)が船舶用自動操舵装置1の同定演算部12に入力されるものとする。なお、ここで船体位置(x,y)は、後述する局地水平座標系における船体位置であり、x,yはそれぞれ北方向、東方向の船体位置を示す。   The sensors 23 also include a speed log that detects the surge speed u of the hull 22, a gyrocompass that detects the heading ψ of the hull 22, and a hull position (x, y) from a satellite positioning system (GNSS) such as GPS. Includes GNSS sensor to detect. It is assumed that the heading azimuth ψ, the surge speed u, and the hull position (x, y) detected by the sensors 23 are input to the identification calculation unit 12 of the boat automatic steering apparatus 1. Here, the hull position (x, y) is a hull position in a local horizontal coordinate system to be described later, and x and y indicate hull positions in the north direction and the east direction, respectively.

船舶用自動操舵装置1は、軌道演算部11、同定演算部12、減算器13、フィードバック制御器14、フィードフォワード制御器15、加算器16、17a及び17bを備える。軌道演算部11は、設定針路ψを入力し、設定針路ψから軌道計画に基づいた参照方位ψを演算するものである。同定演算部12は、船体パラメータを同定し、同定した船体パラメータを軌道演算部11、フィードバック制御器14及びフィードフォワード制御器15へ出力する。減算器13は、軌道演算部11から出力された参照方位ψと船体22の船首方位ψとの偏差eを出力する。フィードバック制御器14は、減算器13より出力された偏差eに制御ゲインを乗じてフィードバック舵角δFBを出力する。フィードフォワード制御器15は、軌道演算部11により出力された参照方位ψに基づいてフィードフォワード舵角δFFを出力する。加算器16は、フィードバック制御器14により出力されたフィードバック舵角δFBと、フィードフォワード制御器15により出力されたフィードフォワード舵角δFFとを加算して命令舵角δを出力する。加算器17aは、命令舵角δと、正のノズルオフセット+δDZとを加算した命令舵角δcSを右舷ノズル21aへ出力する。加算器17bは、命令舵角δと、負のノズルオフセット−δDZとを加算した命令舵角δcPを左舷ノズル21bへ出力する。 The marine vessel automatic steering apparatus 1 includes a trajectory calculation unit 11, an identification calculation unit 12, a subtractor 13, a feedback controller 14, a feedforward controller 15, and adders 16, 17a and 17b. Trajectory calculation unit 11 inputs the preset course [psi S, is intended for calculating the reference azimuth [psi R based on the trajectory plan from preset course [psi S. The identification calculation unit 12 identifies the hull parameters and outputs the identified hull parameters to the trajectory calculation unit 11, the feedback controller 14, and the feedforward controller 15. The subtracter 13 outputs the difference e between heading [psi reference azimuth [psi R and hull 22 that is output from the track calculation unit 11. The feedback controller 14 multiplies the deviation e output from the subtractor 13 by the control gain and outputs a feedback steering angle δ FB . Feedforward controller 15 outputs the feed-forward steering angle [delta] FF based on the reference orientation [psi R output by the trajectory calculation unit 11. The adder 16 outputs a feedback steering angle [delta] FB output by the feedback controller 14, a command steering angle [delta] C by adding the output feedforward steering angle [delta] FF by the feedforward controller 15. The adder 17a outputs an instruction steering angle [delta] C, the positive nozzle offset + [delta] command steering angle [delta] cS obtained by adding the DZ to starboard nozzle 21a. The adder 17b outputs the command steering angle [delta] C, a command steering angle [delta] cP obtained by adding the negative of the nozzle offset - [delta DZ to port nozzle 21b.

1.2 同定演算部
同定演算部の構成について説明する。図2は、同定演算部の構成を示すブロック図である。
1.2 Identification Calculation Unit The configuration of the identification calculation unit will be described. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of the identification calculation unit.

図2に示すように、同定演算部12は、出力データ記憶部121、入力データ記憶部122、同定モデル123、減算器124、パラメータ調節部125を備える。出力データ記憶部121は、船体22の船首方位ψ、船体位置(x,y)を出力データとして蓄積する。入力データ記憶部122は、加算器16により出力された命令舵角δ、センサ類23によって検出されたsurge速度u及び船首方位ψを入力データとして蓄積する。なお、出力データ記憶部121、入力データ記憶部122は、いずれもリングバッファ型メモリとすることができる。同定モデル123は、船体モデル、初期値及びオフセット成分から構成され、入力データ記憶部122に蓄積された入力データとしての命令舵角δ,船首方位ψとsurge速度uを入力し、モデル出力データとしてモデル船首方位、モデル船体位置を出力する。減算器124は、同定モデル123により出力されたモデル出力データと、出力データ記憶部121に記憶された出力データとの差異である同定誤差を算出する。パラメータ調節部125は、減算器124により算出された同定誤差に基づいて、同定モデル123を構成するパラメータを調節する。なお、このパラメータの調節については、後に詳述する。 As shown in FIG. 2, the identification calculation unit 12 includes an output data storage unit 121, an input data storage unit 122, an identification model 123, a subtractor 124, and a parameter adjustment unit 125. The output data storage unit 121 stores the heading ψ and the hull position (x, y) of the hull 22 as output data. The input data storage unit 122 stores the command steering angle δ C output from the adder 16, the surge speed u detected by the sensors 23 and the heading ψ as input data. Note that both the output data storage unit 121 and the input data storage unit 122 can be ring buffer memories. The identification model 123 includes a hull model, an initial value, and an offset component, and inputs a command rudder angle δ C , a bow direction ψ, and a surge speed u as input data stored in the input data storage unit 122, and model output data Model heading and model hull position are output. The subtractor 124 calculates an identification error that is a difference between the model output data output from the identification model 123 and the output data stored in the output data storage unit 121. The parameter adjustment unit 125 adjusts parameters constituting the identification model 123 based on the identification error calculated by the subtractor 124. The adjustment of this parameter will be described later in detail.

1.3 航路座標系
航路座標系について説明する。図3は、航路制御系で用いる座標系を示す説明図である。
1.3 Route coordinate system The route coordinate system will be explained. FIG. 3 is an explanatory diagram showing a coordinate system used in the route control system.

図3に示すように、航路制御系で用いる座標系は、局地水平座標系O−XYとボディ座標系O−Xからなり、いずれも右手系3軸直交座標系である。座標系においてZ軸は重力方向を正とし、回転極性は右ねじ方向を正とする。なお、座標系はX軸、Y軸の2次元を用いるため、図3においてZ軸は省略される。また、局地水平座標系はX軸を北向きにとり、ボディ座標系はX軸を船首方位にとる。また、図3において、uはsurge速度、vはsway速度、rは旋回角速度、ψは船首方位を示す。 As shown in FIG. 3, the coordinate system used in route control system consists local horizontal coordinate system O-XY and the body coordinate system O B -X B Y B, both of which are right-handed three-axis orthogonal coordinate system. In the coordinate system, the Z-axis is positive in the direction of gravity, and the rotation polarity is positive in the right-hand screw direction. Since the coordinate system uses two dimensions, the X axis and the Y axis, the Z axis is omitted in FIG. Also, local horizontal coordinate system of the X-axis is taken up north, the body coordinate system taking the X B axis heading. In FIG. 3, u represents a surge speed, v represents a sway speed, r represents a turning angular speed, and ψ represents a bow direction.

2 船体運動モデル
ウォータージェット推進船の船体運動モデル(船体モデル)、及び不感帯の修正方法について説明する。船体モデルは、後述するように、ノズルモデル、yaw運動、sway運動に関する船体モデルとにより構成される。ノズルモデルは、一対のウォータージェットであり、不感帯(DZ:Dead−Zone)をもつ。
2 Hull Motion Model The hull motion model (hull model) of the water jet propulsion ship and the dead zone correction method will be described. As will be described later, the hull model is composed of a nozzle model, a yaw motion, and a hull model relating to the sway motion. The nozzle model is a pair of water jets and has a dead zone (DZ: Dead-Zone).

2.1 ノズルモデル
ノズルモデルについて説明する。図4は、不感帯特性を示す図である。図5は、正規化されたノズルモデルを示す図である。なお、図4において、縦軸はyaw角速度、横軸は命令舵角を示し、図5において、縦軸はノズルモデルによる出力角、横軸は命令舵角を示す。
2.1 Nozzle model The nozzle model will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating the dead zone characteristics. FIG. 5 is a diagram illustrating a normalized nozzle model. In FIG. 4, the vertical axis represents the yaw angular velocity, the horizontal axis represents the command steering angle, and in FIG. 5, the vertical axis represents the output angle based on the nozzle model, and the horizontal axis represents the command steering angle.

右舷ノズル21a及び左舷ノズル21bは、互いに同一の不感帯特性をもつ。ノズルモデルは、図4に示すように、不感帯特性は点対象であり、不感帯はyaw角速度とsway速度のゲインに現れ、ノズルの応答は船体運動の応答に比べて十分に早い、と仮定する。一対のノズルを単一のノズルの和として表すと、   The starboard nozzle 21a and the port nozzle 21b have the same dead zone characteristics. In the nozzle model, as shown in FIG. 4, it is assumed that the dead zone characteristic is a point object, the dead zone appears in the gain of the yaw angular velocity and the sway velocity, and the response of the nozzle is sufficiently faster than the response of the hull motion. Expressing a pair of nozzles as the sum of a single nozzle,

になる。ここでδは仮想的な舵角で通常舵の舵角に相当し、添え字は右舷方向Starboard、添え字は左舷方向Port、δnozはノズルモデルの出力角を示す。このδnozは、図5に示すように、命令舵角δを用いて、 become. Here, δ is a virtual rudder angle, which corresponds to the rudder angle of the normal rudder, the subscript S is the starboard direction Starboard, the subscript P is the port direction Port, and δ noz is the output angle of the nozzle model. As shown in FIG. 5, this δ noz is obtained by using a command steering angle δ c .

と定める。ここでWは不感帯の片側幅、αは不感帯外を1とした場合の不感帯のゲイン比率を示す。 It is determined. Here, W represents the width of one side of the dead zone, and α represents the gain ratio of the dead zone when the outside of the dead zone is 1.

2.2 不感帯修正の影響
船舶用自動操舵装置による不感帯への対策について説明する。図6は、不感帯オフセットの影響を示す図である。図7は、同定値誤差の解析結果を示す図である。
2.2 Influence of dead zone correction This section explains how to deal with the dead zone using the automatic steering system for ships. FIG. 6 is a diagram illustrating the influence of the dead band offset. FIG. 7 is a diagram illustrating the analysis result of the identification value error.

不感帯はウォータージェット推進機21の機構に起因して発生するものであるため、制御信号によってそれ自体を除去することは難しい。そこで、ノズルへの入力である命令舵角δに不感帯オフセットδDZを与えて、ノズル角の動作条件を変更することで、見かけ上、等価的に不感帯を相殺することができる。(1),(2)式において、右舷ノズル21aに命令舵角と正のノズルオフセットを、左舷ノズル21bの命令舵角に負のノズルオフセットをそれぞれ加える。ノズルオフセットに誤差を加えて、 Since the dead zone is generated due to the mechanism of the water jet propulsion device 21, it is difficult to remove the dead zone by the control signal. Therefore, by giving the dead zone offset δ DZ to the command rudder angle δ c that is an input to the nozzle and changing the operating condition of the nozzle angle, the dead zone can be apparently canceled out equivalently. In the formulas (1) and (2), a command rudder angle and a positive nozzle offset are added to the starboard nozzle 21a, and a negative nozzle offset is added to the command rudder angle of the port nozzle 21b. Add error to nozzle offset,

とおく。ここで添え字^は同定値、ΔWは誤差、εは誤差係数、(3)式は不感帯の同定値に誤差がある場合に相当する。このときノズルオフセットを(1),(2)式に代入すると、舵角は、 far. Here, the subscript ^ is an identification value, ΔW is an error, ε is an error coefficient, and Equation (3) corresponds to a case where there is an error in the identification value of the dead zone. At this time, if the nozzle offset is substituted into the equations (1) and (2), the steering angle is

のように得られる。上式を模式的に示すと図6になる。上式及び図6よりΔWは横軸δ及び横軸δに影響を与える。ΔW=0の場合と比較して、ΔW>0の場合には不感帯は生じず、線形域は2Wになり変わらない。また、ΔW<0の場合には不感帯が生じ、線形域が2W−2|ΔW|になり狭くなる。ここで、線形域は、ΔW=0での2Wの範囲を示す。これより、ノズルオフセットはδDZ≧Wとなる。ただし、その際、δDZ>Wによる推力低下に注意が必要になる。W=4deg,α=0.1とした図7において、δDZ=W,ΔW=0の場合は、不感帯の2倍の範囲で不感帯が相殺され、αWの影響が現れず、傾斜0.5(1+α)になる。 Is obtained as follows. The above formula is schematically shown in FIG. From the above equation and FIG. 6, ΔW affects the horizontal axis δ c and the horizontal axis δ. Compared to the case of ΔW = 0, when ΔW> 0, no dead zone is generated, and the linear region is 2 W and does not change. Further, when ΔW <0, a dead zone is generated, and the linear region becomes 2W−2 | ΔW | and becomes narrower. Here, the linear region indicates a range of 2 W when ΔW = 0. Accordingly, the nozzle offset is δ DZ ≧ W. However, attention must be paid to the thrust drop due to δ DZ > W. In FIG. 7 where W = 4 deg and α = 0.1, when δ DZ = W and ΔW = 0, the dead zone is canceled out in a range twice as large as the dead zone, the influence of αW does not appear, and the slope is 0.5 (1 + α).

2.3 船体運動モデル
船体運動モデル(船体モデル)について説明する。図8は、船体モデルを示す図である。
2.3 Hull movement model The hull movement model (hull model) is explained below. FIG. 8 is a diagram showing a hull model.

船体モデルは、図8に示すように、ノズルモデルと、yaw運動、sway運動に関する船体モデルとにより構成される。
ウォータージェット推進船2のyaw運動、sway運動に関する船体モデルは、それぞれ、
As shown in FIG. 8, the hull model includes a nozzle model and a hull model related to yaw motion and sway motion.
The hull models related to the yaw motion and the sway motion of the water jet propulsion ship 2 are respectively

になる。ここで、sはラプラス演算子、r,R(s)は旋回角速度、v,V(s)は横流れ速度、ψ,Ψ(s)は船首方位、δ,Δ(s)は舵角を示し、 become. Here, s is a Laplace operator, r and R (s) are turning angular velocities, v and V (s) are transverse flow velocities, ψ and Ψ (s) are bow headings, and δ and Δ (s) are steering angles. ,

である。ここでKは旋回力ゲイン、Kは横流れゲイン、T,Tr3,Tはそれぞれ時定数を示す。また、添え字は旋回(yaw)運動に関することを示し、添え字は横流れ(sway)運動に関することを示す。なお、本実施形態においては安定船を制御対象とする。 It is. Here K r is swirling force gain, K v represents the cross flow gain, T r, T r3, T v during each constant. Further, the subscript r indicates that it relates to a turning motion, and the subscript v indicates that it relates to a lateral flow (sway) motion. In the present embodiment, a stable ship is a control target.

3 制御動作
3.1 船体パラメータ
船舶用自動操舵装置による制御システムは、(1),(2)式の不感帯による非線形項を含めず、(9),(10)式の線形モデルに基づいて設計される。この際、非線形項の影響を無視できなくなる状況が生じるが、このような状況を回避するためにノズルオフセットが用いられる。上述したように、不感帯において、命令舵角の線形範囲は2Wに、ゲイン傾斜は不感帯外側のゲイン傾斜の約半分となる。制御ゲインはその検討を考慮して、船体パラメータから算出するものとする。船体パラメータは以下のように設定される。
3 Control action 3.1 Hull parameters The control system using the automatic steering system for ships does not include the nonlinear terms due to the dead zones of (1) and (2), and is designed based on the linear model of (9) and (10). Is done. At this time, there is a situation in which the influence of the nonlinear term cannot be ignored. In order to avoid such a situation, a nozzle offset is used. As described above, in the dead zone, the linear range of the command rudder angle is 2 W, and the gain slope is about half of the gain slope outside the dead zone. The control gain is calculated from the hull parameters in consideration of the consideration. The hull parameters are set as follows.

ウォータージェット推進機21は、装備状態から通常状態へ切り替え可能となっており、同定前において、初期値(添え字)は The water jet propulsion device 21 can be switched from the equipped state to the normal state. Before the identification, the initial value (subscript 0 ) is

に設定される。また、ウォータージェット推進機21が装備状態である場合、同定値(添え字^)は、 Set to When the water jet propulsion device 21 is in the equipped state, the identification value (subscript ^) is

に設定される。また、ウォータージェット推進機21が通常状態である場合、同定値は、 Set to When the water jet propulsion device 21 is in a normal state, the identification value is

に設定される。 Set to

同定前においては、不感帯でKが小さくなるが、微分ゲインの過減衰による不安定が生じなければ安定性は保持される。装備状態においては、通常状態の船体パラメータを想定してこれを予め設定する。通常状態においては、不感帯特性を同定しないので、船体パラメータ同定値を更新する。 Before identification is K r becomes smaller dead zone, stability if instability occurs due to excessive attenuation of the differential gain is maintained. In the equipped state, the hull parameters in the normal state are assumed and set in advance. In the normal state, the dead zone characteristic is not identified, so the hull parameter identification value is updated.

3.2 パラメータ同定
船体モデルのパラメータ同定は、同定演算部12、具体的にはパラメータ調節部125によって行われる。同定モデル123は、上述した、ノズルモデル、yaw運動に関する船体モデル、sway運動に関する船体モデルから構成する。不感帯特性としての不感帯の片側幅W、不感帯のゲイン比率αは、装備状態におけるyaw同定から推定される。同定値W^,α^は、通常状態におけるyaw同定及びsway同定において、既知として用いられる。
3.2 Parameter Identification Parameter identification of the hull model is performed by the identification calculation unit 12, specifically, the parameter adjustment unit 125. The identification model 123 is composed of the nozzle model, the hull model related to the yaw motion, and the hull model related to the sway motion described above. The dead band one-sided width W as the dead band characteristic and the dead band gain ratio α are estimated from the yaw identification in the equipped state. The identification values W ^ and α ^ are used as known in the yaw identification and the sway identification in the normal state.

3.2.1 同定モデル
yaw同定モデルは、(1),(2)式のノズルモデルと(9)式のyaw運動モデルから構成する。すなわち、
3.2.1 Identification Model The yaw identification model is composed of a nozzle model of equations (1) and (2) and a yaw motion model of equation (9). That is,

と定める。ここで、δroは風力に起因する舵角オフセットを示す。これにより同定されるパラメータは次式となる。 It is determined. Here, δro indicates a steering angle offset caused by wind power. The parameters identified by this are as follows.

ここでXrDZは装備状態において同定されるパラメータを示し、Xは通常状態において同定値W^,α^を用いて同定されるパラメータである。 Where X RDZ represents the parameters identified in armed state, X r is identified value W in the normal state ^ is a parameter which is identified using alpha ^.

このように、装備状態と通常状態とは、同定モデルは互いに同様であるが、同定パラメータが互いに異なる。sway同定モデルは、W^,α^を用いたノズルモデルからの舵角δを入力にして、swayモデルから構成する。すなわち、   As described above, the equipment state and the normal state have the same identification model but different identification parameters. The sway identification model is composed of the sway model with the steering angle δ from the nozzle model using W ^, α ^ as input. That is,


と定める。ここで、W^,α^はyaw同定からの同定値、x,yはそれぞれ、北方向、東方向の船体位置、ψは検出方位を示し、δvoは潮流に起因する局地水平座標系の速度オフセット成分を示す。よって、同定するパラメータは次式になる。

It is determined. Here, W ^, alpha ^ identification value from the yaw identification, x, y, respectively, north, east direction of the hull position, [psi - represents a detection direction, [delta] vo is local horizontal coordinate caused by the tide Indicates the velocity offset component of the system. Therefore, the parameters to be identified are as follows:

3.2.2 同定計算
同定計算について説明する。図9は、パラメータ同定に用いるデータの収録時間を示す図である。なお、図9において、(a)は装備状態におけるデータの収録時間を示し、(b)は通常状態におけるデータの収録時間を示す。
3.2.2 Identification calculation The identification calculation will be described. FIG. 9 is a diagram showing the recording time of data used for parameter identification. In FIG. 9, (a) shows the data recording time in the equipment state, and (b) shows the data recording time in the normal state.

同定演算部12によるデータのサンプル時間は、ウォータージェット推進線の船体運動が速いことを考慮して0.4秒とし、出力データ記憶部121及び入力データ記憶部122に蓄積される収録データは、図9(a)に示すように、装備状態において左舷右舷変針、通常状態において片舷変針(現行)の時系列になる。また、同定演算部12は、装備状態において不感帯特性(W,α)と船体パラメータとを推定し、通常状態において船体パラメータを推定する。パラメータの初期値、制限値を以下の表1に示す。   The data sampling time by the identification calculation unit 12 is set to 0.4 seconds in consideration of the fast hull movement of the water jet propelling line, and the recorded data accumulated in the output data storage unit 121 and the input data storage unit 122 are As shown in FIG. 9A, the time series of the left and right side changing needles in the equipped state and the one side changing needle (current) in the normal state is obtained. In addition, the identification calculation unit 12 estimates the dead zone characteristics (W, α) and the hull parameters in the equipped state, and estimates the hull parameters in the normal state. The initial values and limit values of the parameters are shown in Table 1 below.

この表1においては、制限値として下限値及び上限値が示され、TとK/Tとの初期値はそれぞれ2つずつある。同定演算部12は、同定計算を初期値ごとに2×2=4回行い、その評価量(後述)が最小になる同定値を選択する。 In Table 1, a lower limit value and an upper limit value are shown as limit values, and there are two initial values of T r and K r / T r , respectively. The identification calculation unit 12 performs identification calculation 2 × 2 = 4 times for each initial value, and selects an identification value that minimizes the evaluation amount (described later).

3.2.3 同定処理
パラメータの同定処理について説明する。図10は、同定処理の動作を示すフローチャートである。
3.2.3 Identification processing The parameter identification processing will be described. FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the identification process.

パラメータ調節部125は、装備状態、通常状態それぞれにおいて、変針応答時の時系列データに基づいてyaw同定を行う。また、パラメータ調節部125は、yaw同定において同定した同定値(W^,α^)と時系列データとに基づいてsway同定を行う。   The parameter adjustment unit 125 performs yaw identification based on time-series data at the time of a needle change response in each of the equipment state and the normal state. Further, the parameter adjustment unit 125 performs the sway identification based on the identification value (W ^, α ^) identified in the yaw identification and the time series data.

ここで、yaw同定及びsway同定を行う同定処理について説明する。この同定処理は、装備状態、通常状態それぞれにおけるyaw同定、通常状態におけるsway同定について略同様の手順で行われ、同定値は左舷右舷変針(装備状態)または片舷変針(通常状態)の応答から求められるものとする。まず、出力データ記憶部121及び入力データ記憶部122は、変針時における時系列データとして、それぞれ、出力データ、入力データを記憶する(S101)。ここで出力データは、センサ類23により検出された船首方位及び船体位置であり、yaw同定においては船首方位が用いられ、sway同定においては船体位置が用いられる。また、yaw同定において入力データは命令舵角であり、sway同定において入力データは命令舵角、船首方位、及びsurge速度である。変針後、同定モデル123に計算条件及び入力データが与えられモデル出力データが出力される(S102)。ここで、モデル出力データは、yaw同定においては船首方位であり、sway同定においては船体位置である。モデル出力データが出力された後、パラメータ調節部125は、減算器124により算出された出力データとモデル出力データとの誤差(同定誤差)の2乗和である評価量をパラメータ毎に複数回、例えば上述したように4回算出し(S103)、評価量が最小値となるパラメータを同定値として出力する(S104)。   Here, an identification process for performing yaw identification and sway identification will be described. This identification process is performed in substantially the same procedure for the yaw identification in the equipment state and the normal state, and the sway identification in the normal state. It shall be required. First, the output data storage unit 121 and the input data storage unit 122 store output data and input data, respectively, as time series data at the time of changing the needle (S101). Here, the output data are the heading and hull position detected by the sensors 23, the heading is used for yaw identification, and the hull position is used for sway identification. Further, in the yaw identification, the input data is a command rudder angle, and in the sway identification, the input data is a command rudder angle, a heading, and a surge speed. After changing the course, calculation conditions and input data are given to the identification model 123, and model output data is output (S102). Here, the model output data is the heading in the yaw identification, and the hull position in the sway identification. After the model output data is output, the parameter adjustment unit 125 calculates an evaluation amount, which is a sum of squares of errors (identification errors) between the output data calculated by the subtractor 124 and the model output data, for each parameter a plurality of times. For example, as described above, the calculation is performed four times (S103), and the parameter having the minimum evaluation amount is output as the identification value (S104).

4.検証
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。このシミュレーションにおける制御対象の船体パラメータ及び制御パラメータの初期値を以下の表に示す。なお、シミュレーションにおいて計算回数は2回、同定値更新は2回とし、初期方位は40度、変針量は10度とする。
4). Verification The verification effect of the identification model described above is verified by simulation. The following table shows the hull parameters to be controlled and the initial values of the control parameters in this simulation. In the simulation, the number of calculations is twice, the identification value is updated twice, the initial orientation is 40 degrees, and the amount of change is 10 degrees.

4.1 不感帯修正の影響
(3)式での誤差係数εに関する影響を検証する。図11は、同定値誤差を示す図である。図12は、誤差係数ε=0.5の場合の同定結果の時系列応答を示す図である。図13は、誤差係数ε=−0.1の場合の同定結果の時系列応答を示す図である。なお、これらの図において外乱成分は含まれないものとする。
4.1 Effect of dead band correction The effect on error coefficient ε in equation (3) is verified. FIG. 11 is a diagram illustrating the identification value error. FIG. 12 is a diagram showing a time-series response of the identification result when the error coefficient ε = 0.5. FIG. 13 is a diagram showing a time-series response of the identification result when the error coefficient ε = −0.1. Note that disturbance components are not included in these drawings.

図11によれば、ΔW>0の方がΔW<0の方よりも誤差が小さく、K,Kの誤差がT,Tr3の誤差に比べて小さい。よって、これらは不感帯の有無の影響であり、T,Tr3は応答の影響を受けやすいことが分かる。また、図12及び図13によれば、ΔW>0(図12)の方がΔW<0(図13)の方に比べ、応答性及び同定具合が良好であり、ΔW<0の方はε=−0.1程度が限界であることがわかる。 According to FIG. 11, ΔW> 0 has a smaller error than ΔW <0, and the errors of K r and K v are smaller than the errors of T r and T r3 . Therefore, these are the effects of the presence or absence of the dead zone, and it can be seen that T r and T r3 are easily affected by the response. Also, according to FIGS. 12 and 13, ΔW> 0 (FIG. 12) has better responsiveness and identification than ΔW <0 (FIG. 13). It can be seen that the limit is about -0.1.

このように、同定値誤差がΔW≧0となれば、時系列応答が良好になる。上述した同定演算部12による同定によれば、ΔW≠0の場合に真値を求められないが、ΔWを含んだパラメータを同定するため図11に示した同定誤差の影響は少ない。よって、不感帯対策はΔW≧0のときに効果が期待できる。   Thus, when the identification value error is ΔW ≧ 0, the time-series response is good. According to the identification by the identification calculation unit 12 described above, a true value cannot be obtained when ΔW ≠ 0. However, since the parameter including ΔW is identified, the influence of the identification error shown in FIG. 11 is small. Therefore, the dead zone countermeasure can be expected to be effective when ΔW ≧ 0.

4.2 時系列応答
装備状態及び通常状態の応答結果について説明する。図14は、装備状態に対応したパラメータ同定のシミュレーション結果を示す図である。図15は、通常状態に対応した初回のパラメータ同定のシミュレーション結果を示す図である。図16は、通常状態に対応した更新後のパラメータ同定のシミュレーション結果を示す図である。図14〜図16のそれぞれにおいて、(a)は外乱成分なしの場合を示し、(b)は外乱成分ありの場合を示す。
4.2 Time-series response Explain the response results for equipment and normal conditions. FIG. 14 is a diagram illustrating a simulation result of parameter identification corresponding to the equipment state. FIG. 15 is a diagram illustrating a simulation result of initial parameter identification corresponding to a normal state. FIG. 16 is a diagram illustrating a simulation result of the parameter identification after the update corresponding to the normal state. In each of FIGS. 14 to 16, (a) shows a case without a disturbance component, and (b) shows a case with a disturbance component.

ここでのシミュレーションにおいては、外乱成分として、振幅1deg、周期10秒、サイン入力、舵角オフセットを1degとした波浪外乱と、北向き5knとした潮流成分とが含まれるものとし、パラメータは同定後に(12)式により更新されるものとする。装備状態、通常状態における同定値結果を以下の表3、表4にそれぞれ示す。   In this simulation, the disturbance component includes a wave disturbance with an amplitude of 1 deg, a period of 10 seconds, a sine input, a steering angle offset of 1 deg, and a tidal component with a northward direction of 5 kn. It shall be updated by the equation (12). The identification value results in the equipment state and the normal state are shown in Tables 3 and 4 below.

表3より、外乱の有無にかかわらず、適切にパラメータが同定されていることがわかる。また、表4より、外乱の有無にかかわらず、δDZ=W^の場合に適切にパラメータが同定されていることがわかる。 From Table 3, it can be seen that the parameters are appropriately identified regardless of the presence or absence of disturbance. Further, it can be seen from Table 4 that parameters are appropriately identified when δ DZ = W ^ regardless of the presence or absence of disturbance.

また、図14〜図16において、制御対象の方位は不感帯の特徴を示し、方位応答は命令舵角が±4度を境に緩急の変化をもつ。図14に示すシミュレーション結果は表3に対応するものであり、図14から同定誤差はほぼゼロになっていることがわかり、よって表3の値は適切である。また、図15及び図16に示すシミュレーション結果は表4に対応するものである。初回の同定結果を示す図15より同定できていないことがわかり、更新後の同定結果を示す図16より同定できていることがわかり、よって表4の値は適切である。   14 to 16, the azimuth of the object to be controlled has a characteristic of a dead zone, and the azimuth response has a gradual change with a command steering angle of ± 4 degrees as a boundary. The simulation result shown in FIG. 14 corresponds to Table 3, and it can be seen from FIG. 14 that the identification error is almost zero. Therefore, the values in Table 3 are appropriate. The simulation results shown in FIGS. 15 and 16 correspond to Table 4. It can be seen from FIG. 15 that shows the first identification result that identification is not possible, and it can be seen from FIG. 16 that shows the updated identification result that the values in Table 4 are appropriate.

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   The embodiments of the present invention are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1 船舶用自動操舵装置
2 ウォータージェット推進船
12 同定演算部
21 ウォータージェット推進機
21a 右舷ノズル
21b 左舷ノズル
22 船体
123 同定モデル
125 パラメータ調節部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Automatic steering device 2 for ships Water jet propulsion ship 12 Identification calculating part 21 Water jet propulsion machine 21a Starboard nozzle 21b Port nozzle 22 Hull 123 Identification model 125 Parameter adjustment part

Claims (3)

少なくとも一対のノズルを有するウォータージェット推進機を備えるウォータージェット推進船に対し、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、
前記同定モデルはノズルモデルと船体運動モデルとを含み、該ノズルモデルは、δを出力舵角、δを命令舵角、δDZをノズルオフセット、Wを前記一対のノズルの不感帯の片側幅、αを不感帯外のゲインに対する不感帯のゲイン比率として、
で表され、
前記同定演算部は、前記船体運動モデルに関する船体パラメータと共に、前記不感帯幅W、前記ゲイン比率α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。
An automatic steering device for a ship that outputs a command rudder angle using a hull parameter based on a reference direction and a heading direction for a water jet propulsion ship including a water jet propulsion device having at least a pair of nozzles,
An identification calculation unit for identifying the hull parameters;
The identification calculation unit
An identification model that outputs model output data from predetermined input data obtained by the marine vessel automatic steering device;
A parameter adjustment unit that adjusts and identifies the hull parameters from a comparison result between model output data from the identification model and output data that is actual measurement values relating to the hull;
The identification model includes a nozzle model and a hull motion model. The nozzle model includes δ as an output rudder angle, δ c as a command rudder angle, δ DZ as a nozzle offset, W as one side width of the dead zone of the pair of nozzles, α is the gain ratio of the dead zone to the gain outside the dead zone,
Represented by
The automatic steering apparatus for a ship, wherein the identification calculation unit uses the dead zone width W and the gain ratio α as parameters to be identified together with a hull parameter relating to the hull motion model.
前記ウォータージェット推進機は、前記一対のノズルの動作位置を、前記不感帯幅Wに対応するノズルオフセットδDZだけ外方に傾けた通常状態と、該ノズルオフセットδDZを適用しない装備状態とに切り替え可能であり、
前記同定演算部は、前記装備状態において、前記船体パラメータと共に、前記不感帯幅W、前記ゲイン比率αを同定した後、前記通常状態において、前記船体パラメータのみを同定するべきパラメータとすることを特徴とする請求項1に記載の船舶用自動操舵装置。
The water jet propulsion device switches the operation position of the pair of nozzles between a normal state in which the nozzle offset δ DZ corresponding to the dead zone width W is inclined outward and an installation state in which the nozzle offset δ DZ is not applied. Is possible,
The identification calculation unit, after identifying the dead zone width W and the gain ratio α together with the hull parameters in the equipped state, sets only the hull parameters to be identified in the normal state. The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 1.
前記同定モデルは、前記ノズルモデルとyaw運動モデルとを含むyaw同定モデルと、前記ノズルモデルとsway運動モデルとを含むsway同定モデルとを有し、
前記同定演算部は、前記yaw同定モデルによる同定において、前記yaw同定モデルに関する船体パラメータと共に、不感帯幅W、前記ゲイン比率αを推定し、前記sway同定モデルによる同定において、推定された不感帯幅W^及びゲイン比率α^を既知として、前記sway同定モデルに関する船体パラメータを推定することを特徴とする請求項2に記載の船舶用自動操舵装置。
The identification model includes a yaw identification model including the nozzle model and a yaw motion model, and a sway identification model including the nozzle model and a sway motion model,
The identification calculation unit estimates the dead band width W and the gain ratio α together with the hull parameters relating to the yaw identification model in the identification by the yaw identification model, and the estimated dead band width W ^ in the identification by the sway identification model 3. The ship automatic steering apparatus according to claim 2, wherein the ship parameter relating to the sway identification model is estimated with the gain ratio α ^ known.
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