JP2018131028A

JP2018131028A - 位置保持方法および移動体

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Publication number: JP2018131028A
Application number: JP2017025286A
Authority: JP
Inventors: 陽小林; Akira Kobayashi
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: JP6780528B2

Abstract

【課題】目標方位に短時間で大きな変化が生じることを抑制する。【解決手段】水中航走体１は、メインスラスタ２、水平スラスタ３、舵４を制御する制御装置９を備える。制御装置９には、母船１０からの指令により目標位置Ｆが設定され、また、基準方位の初期値が設定される。制御装置９は、設定された基準方位に機体の方位Ｂを合わせ、目標位置Ｆに自機の位置Ａを合わせるための制御出力をメインスラスタ２、水平スラスタ３、舵４に与えて位置保持制御を行う。その状態で、制御装置９は、目標位置Ｆからの機体左右方向に関する偏差が設定されたしきい値以上となる状態が設定された時間以上継続する、という再設定条件が満たされるか否かを判断し、再設定条件が満たされない場合は、基準方位を維持する一方、再設定条件が満たされる場合は、基準方位を、その時点で推定される外乱推定方位に再設定してから、位置保持制御を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、水中や水上を移動する移動体に位置保持を行わせる位置保持方法、および、該方法の実施に用いる移動体に関するものである。

水上を移動する移動体として船舶が知られている。

船舶に定点保持を行わせるための手段としては、従来、船舶用位置保持制御装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

これは、基本的には、船舶に作用する外乱の方向を推定し、その結果得られる外乱推定方位に目標方位を設定して、この目標方位に向くように船体の方位制御を行うものとされている。

また、自立航走型の移動体としては、ＡＵＶ（Autonomous Underwater Vehicle）あるいはＵＵＶ（Unmanned Underwater Vehicle）と呼ばれる水中航走体が知られている。

この種の移動体も、使用目的や使用計画に応じて、一定の位置を保持する運用が望まれることがある。

特開２０１０−１７３５８９号公報

ところで、水上の移動体には、潮流と風などが外乱として作用する。また、水中の移動体には、潮流が外乱として作用する。

ところが、潮流の方向は、時間経過に従って変化する場合がある。また、風向は、時間経過により変化することが多い。そのため、移動体に外乱が作用する方向は、時間経過とともに変化する。特に、外乱が軽微な場合は、外乱が作用する方向に変化が生じやすい。

また、外乱が作用する方向の推定には、必ず誤差が伴う。

そのため、外乱が軽微であればあるほど、わずかな推定の誤差や、外乱が作用する方向の変化に起因して、推定される外乱推定方位が大きく変化する。

したがって、特許文献１に示された、外乱推定方位に設定される目標方位を向くように船体の方位制御を行う手法では、外乱が軽微なときには、目標方位が短時間で大きく変化したり、目標方位の変化が頻繁に生じたりする虞がある。このように、目標方位の短時間での大きな変化や、目標方位の頻繁な変化が生じると、目標方位に従って実施する船舶の方位制御の処理や動作が煩雑になるというのが実情である。

そこで、本発明は、外乱の大きさがどのような場合であっても、移動体の目標方位に短時間での大きな変化や頻繁な変化が生じることを抑制できて、移動体の方位制御を安定させた状態で移動体に位置保持を行わせることができる位置保持方法、および、該方法の実施に用いる移動体を提供しようとするものである。

本発明は、前記課題を解決するために、水中または水上を移動する移動体の機体前後方向の推進力と、機体左右方向の方位制御推進力を発生するアクチュエータへ制御出力を与える制御装置にて、目標位置と、基準方位の初期値が設定される処理と、前記移動体の自機の位置の情報を取得する処理と、前記移動体の機体の向く方位の情報を取得する処理と、前記移動体の自機に外乱が作用する方位を推定する処理と、前記移動体の自機の位置について、前記目標位置からの機体左右方向に関する偏差が、設定されたしきい値以上となる状態が設定された時間以上継続するという再設定条件が満たされるか否かを判断する処理と、前記再設定条件が満たされないと判断される場合は、その時点で設定されている前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理と、前記再設定条件が満たされると判断される場合は、基準方位を、その時点で推定される前記自機に外乱が作用する方位に対向する方位に再設定し、次いで、再設定された前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理と、を行う位置保持方法とする。

前記移動体として、水中航走体を用いる方法としてある。

また、水中または水上を移動する移動体であって、前記移動体の自機の位置の情報を取得する手段と、前記移動体の機体の向く方位の情報を取得する手段と、前記移動体の機体前後方向の推進力と、機体左右方向の方位制御推進力を発生するアクチュエータと、制御装置とを備え、前記制御装置は、目標位置と、基準方位の初期値が設定される機能と、前記移動体の自機に外乱が作用する方位を推定する機能と、前記移動体の自機の位置について、前記目標位置からの機体左右方向に関する偏差が、設定されたしきい値以上となる状態が設定された時間以上継続するという再設定条件が満たされるか否かを判断する処理を行う機能と、前記判断処理にて、再設定条件が満たされないと判断される場合は、その時点で設定されている前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理を行う機能と、前記判断処理にて、前記再設定条件が満たされると判断される場合は、基準方位を、その時点で推定される前記自機に外乱が作用する方位に対向する方位に再設定し、次いで、再設定された前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理を行う機能と、を備えるものとした構成を有する移動体とする。

本発明の位置保持方法によれば、外乱の大きさがどのような場合であっても、移動体の目標方位に短時間での大きな変化や頻繁な変化が生じることを抑制できて、移動体の方位制御を安定させた状態で移動体に位置保持を行わせることができる。

また、本発明の移動体によれば、前記位置保持方法を実現することができる。

位置保持方法の実施に用いる移動体の第１実施形態を示す概要図である。図１の移動体における制御装置を示す概要図である。図２の制御装置における基準方位設定部の動作フローを示す図である。移動体の位置保持動作の概要を示す図である。位置保持方法の実施に用いる移動体の第２実施形態を示す概要図である。図５の移動体における制御装置を示す概要図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１乃至図４は、位置保持方法および移動体の第１実施形態として、位置保持の対象となる移動体を、水中航走体とした例を示すものである。

図１は本実施形態で位置保持方法の実施に用いる水中航走体を示す概要図である。図２は、図１における制御装置の構成を示す概要図である。図３は、図２の制御装置の基準方位設定部における処理を示すフロー図である。図４は、位置保持制御の実施による水中航走体の動作を示すもので、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、それぞれ大きさと方位の異なる外乱が作用する状態を示す概要図、図４（ｄ）は、図４（ｃ）の外乱を受けた水中航走体が目標位置に復帰する状態を示す概要図である。

本実施形態の移動体としての水中航走体は、図１に符号１で示すものである。

水中航走体１は、アクチュエータとして、機体後部に配置されたメインスラスタ２と、機体前部に配置された水平スラスタ３と、機体後部に配置された舵４とを備えた構成とされている。これにより、水中航走体１は、機体前後方向には、メインスラスタ２による推進力を有し、機体左右方向には、水平スラスタ３と舵４とにより、機体前後方向の推進力に比して弱い推進力と方位制御推進力を備えるものとされている。

また、水中航走体１は、たとえば、機体前方に配置された垂直スラスタ５を備えて、垂直スラスタに５より、機体上下方向についての推進力や姿勢制御用推進力を備える構成とされていてもよい。

水中航走体１は、更に、位置検出手段６と、速度計測手段としてのドップラー速度計７と、通信機としての音響通信機８と、制御装置９とを備えた構成とされている。

位置検出手段６は、水中航走体１の自機の位置Ａと、水中航走体１の機体の向く方位Ｂと、機体の姿勢Ｃとを計測する機能を備えている。位置検出手段６は、慣性航法装置を使用するか、または、慣性航法装置を他の計測機器と組み合わせて用いる構成とすることが好ましい。なお、位置検出手段６は、水中航走体１についての位置Ａと方位Ｂと姿勢Ｃを計測する機能が実現できれば、慣性航法装置を備える構成に限定されるものではない。

位置検出手段６で計測された水中航走体１の位置Ａと方位Ｂと姿勢Ｃの情報は、制御装置９へ与えられる。

ドップラー速度計７は、水中航走体１の対地速度Ｄおよび対水速度Ｅを計測する機能を備えている。ドップラー速度計７で計測された対地速度Ｄと対水速度Ｅは、制御装置９へ与えられる。

音響通信機８は制御装置９に接続されている。音響通信機８は、母船１０に備えられた通信機としての音響通信機１１を通信対象として、コマンドの受信を行う機能を備えている。

ここで、母船１０について説明する。

本実施形態の水中航走体１は、母船１０と共に運用されるものである。母船１０は、図示しないオペレータが操作する操作端末１２を備え、この操作端末１２が音響通信機１１に接続された構成を備えている。

母船１０では、オペレータが操作端末１２を用いて水中航走体１の位置保持を望む目標位置Ｆを設定すると、その目標位置Ｆについてのコマンドが、音響通信機１１から送信される。

水中航走体１は、音響通信機８が目標位置Ｆのコマンドを受信すると、そのコマンドが制御装置９に送られる。これにより、制御装置９では、水中航走体１の位置保持を行う目標位置Ｆが設定される。

また、母船１０の操作端末１２は、オペレータにより、基準方位再設定指令Ｇを入力する機能を備えるようにしてもよい。この基準方位再設定指令Ｇは、水中航走体１の制御装置９に対し、後述する基準方位Ｑの強制的な再設定（更新）を実行させるための指令である。

オペレータが操作端末１２を用いて基準方位再設定指令Ｇを入力すると、基準方位再設定指令Ｇについてのコマンドが、音響通信機１１から送信される。

水中航走体１では、音響通信機８が基準方位再設定指令Ｇのコマンドを受信すると、そのコマンドが制御装置９に送られる。水中航走体１の制御装置９が基準方位再設定指令Ｇを受けた場合の処理については、後述する。

水中航走体１における制御装置９は、メインスラスタ２、水平スラスタ３、舵４、および、垂直スラスタ５に、自機が目標位置Ｆで位置保持を行うための指令（制御入力）を与える機能を備えている。

具体的には、制御装置９は、メインスラスタ２に回転数指令値Ｈを与え、水平スラスタ３に回転数指令値Ｉを与え、舵４に舵角指令値Ｊを与え、垂直スラスタ５に回転数指令値Ｋを与える機能を備えている。

一方、制御装置９に対する動作状況のフィードバックとして、メインスラスタ２は、回転数計測値Ｌを制御装置９へ与える機能を備えている。また、水平スラスタ３は、回転数計測値Ｍを制御装置９へ与える機能を備えている。舵４は、舵角計測値Ｎを制御装置９へ与える機能を備えている。垂直スラスタ５は、回転数計測値Ｏを制御装置９へ与える機能を備えている。

更に、制御装置９は、図２に示すように、外乱推定部１３と基準方位設定部１４と制御出力演算部１５とを、ソフトウェアモジュールにより備えた構成とされている。

外乱推定部１３は、制御装置９がドップラー速度計７から対地速度Ｄと対水速度Ｅの情報を受け取ると、対水速度Ｅと対地速度Ｄとの差を基に、水中航走体１に作用している外乱の方向、すなわち、水中航走体１を基準として外乱が到来する方向を推定する機能を備えている。この外乱推定部１３で推定された外乱の方向は、以下、外乱推定方位Ｐという。

外乱推定部１３は、更に、外乱の速度（大きさ）を推定する機能を備えていてもよい。

外乱推定部１３で求められた外乱推定方位Ｐの情報は、基準方位設定部１４へ与えられる。

基準方位設定部１４は、母船１０からコマンドとして与えられる目標位置Ｆと、位置検出手段６から与えられる水中航走体１の現在の位置Ａおよび方位Ｂの情報と、外乱推定部１３から与えられる外乱推定方位Ｐの情報とを受け取り、図３にフロー図を示す処理を行って、基準方位Ｑを定める機能を備えている。

すなわち、基準方位設定部１４は、図３に示すように、目標位置Ｆでの水中航走体１の位置保持が開始されると、先ず、位置保持の開始時点での水中航走体１の方位Ｂを、基準方位Ｑの初期値に設定する（ステップＳ１）。

なお、このステップＳ１では、基準方位Ｑの初期値は、位置保持開始時点での水中航走体１の方位Ｂに基づいて定めるものとしたが、これに代えて、図示しないオペレータの指令により基準方位Ｑの初期値を定めるようにしてもよいことは勿論である。

次に、基準方位設定部１４は、目標位置Ｆと、水中航走体１の現在の位置Ａの情報を基に、水中航走体１の現在の位置Ａについて、目標位置Ｆからの機体左右方向に関する偏差ΔＸを求める（ステップＳ２）。

次いで、基準方位設定部１４は、前記ステップＳ２で求められた機体左右方向の偏差ΔＸについて、設定されたしきい値Ｘｔ以上となる状態が設定された時間以上継続する、という再設定条件が満たされるか否かを判断する（ステップＳ３）。

なお、前記ステップＳ３において、再設定条件に、「しきい値Ｘｔ以上となる状態が設定された時間以上継続する」、という時間に関する条件を含めたのは、水中航走体１が受ける外乱に潮流に加えて波浪の成分が含まれている場合などには、水中航走体１に周期的な位置変化が生じる可能性があることを考慮したものであり、不感帯を備えるためである。したがって、偏差ΔＸがしきい値Ｘｔを超えたとしても、偏差ΔＸが設定時間よりも短い時間でしきい値Ｘｔの前後で変化している間は、基準方位設定部１４は、後述するステップＳ５には進まない。

基準方位設定部１４は、前記ステップＳ３で再設定条件が満たされていないと判断された場合は、ステップＳ４へ進み、基準方位Ｑの情報を、制御出力演算部１５へ与える処理を行う。

一方、前記ステップＳ３で再設定条件が満たされていると判断された場合は、基準方位設定部１４は、ステップＳ５に進み、その時点で外乱推定部１３から与えられる外乱推定方位Ｐに対向する方位を、基準方位Ｑに設定する。

基準方位設定部１４は、ステップＳ５の後は、ステップＳ４へ進み、基準方位Ｑの情報を、制御出力演算部１５へ与える処理を行う。

したがって、前記ステップＳ３で再設定条件が満たされていないと判断された場合は、基準方位設定部１４から制御出力演算部１５へ与えられる基準方位Ｑは、従前のままとなる。一方、前記ステップＳ３で再設定条件が満たされていると判断された場合は、基準方位設定部１４から制御出力演算部１５へ与えられるのは、その時点での外乱推定方位Ｐを基に再設定（更新）された基準方位Ｑとなる。

基準方位設定部１４は、ステップＳ４の後は、ステップＳ６へ進み、水中航走体１の位置保持が終了か否かを判断し、位置保持が終了していない場合は、ステップＳ２へ戻る。

これにより、基準方位設定部１４は、水中航走体１の位置保持が終了するまで、ステップＳ２からステップＳ６の処理ループを繰り返し実施して、ステップＳ４に到達する毎に、基準方位Ｑを制御出力演算部１５へ与える処理を順次行う。

なお、前記したように母船１０の操作端末１２でオペレータが基準方位再設定指令Ｇを入力すると、水中航走体１の制御装置９が基準方位再設定指令Ｇを受ける構成とする場合は、基準方位設定部１４は、ステップ３で以下の処理を行うようにすればよい。

この場合、基準方位設定部１４は、ステップＳ３では、前記した機体左右方向の偏差ΔＸが設定されたしきい値Ｘｔ以上となる状態が、設定された時間以上継続する、という再設定条件と、基準方位再設定指令Ｇを受けた、という再設定条件の双方が共に満たされないときにはステップＳ４に進み、少なくとも一方の再設定条件が満たされる場合は、ステップＳ５に進む処理を行う。

これにより、基準方位設定部１４は、母船１０の操作端末１２でオペレータから基準方位再設定指令Ｇが入力されると、基準方位Ｑを、基準方位再設定指令Ｇを受けた時点の外乱推定方位Ｐに対向する方位に再設定（更新）して、制御出力演算部１５へ与える処理を行う。

制御出力演算部１５は、コマンドによる目標位置Ｆと、位置検出手段６からの位置Ａ、方位Ｂ、姿勢Ｃと、ドップラー速度計７からの対地速度Ｄ、対水速度Ｅと、舵４からの舵角計測値Ｎと、各スラスタ２，３，５からの回転数計測値Ｌ，Ｍ，Ｏと、基準方位設定部１４からの基準方位Ｑを受け取ると、以下の演算と指令を行う機能を備えている。

すなわち、制御出力演算部１５は、基準方位Ｑを目標方位として水中航走体１の方位Ｂを制御すると共に、水中航走体１の位置Ａを目標位置Ｆに保持する制御出力を得るために必要となる各スラスタ２，３，５の回転数、および、舵４の舵角を演算する機能を備えている。

更に、制御出力演算部１５は、演算結果に基づく回転数指令値Ｈ，Ｉ，Ｋおよび舵角指令値Ｊを、それぞれ対応する各スラスタ２，３，５および舵４に指令する機能を備えている。

これにより、水中航走体１では、回転数指令値Ｈに従うメインスラスタ２の運転と、回転数指令値Ｉに従う水平スラスタ３の運転と、回転数指令値Ｋに従う垂直スラスタ５の運転と、舵角指令値Ｊに従う舵４の舵角制御が行われる。したがって、水中航走体１は、機体の位置Ａと方位Ｂを、目標位置Ｆと基準方位Ｑに合わせるように制御することができる。

以上の構成としてある本実施形態の水中航走体１を用いて位置保持方法を実施すると、水中航走体１は、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に示すように動作するようになる。

まず、水中航走体１は、図４（ａ）に示すように、目標位置Ｆに自機の位置Ａを合わせた状態で、位置保持を開始する。このとき、水中航走体１の方位Ｂを合わせる目標方位は、その時点での前記方位Ｂに応じて設定された基準方位Ｑとなる。

この状態で、たとえば、基準方位Ｑと対向する方向以外の方向から、図４（ａ）に矢印で示すような外乱１６が作用すると、水中航走体１には、図４（ａ）に二点鎖線で示すように、目標位置Ｆからの変位が生じる。

この際、外乱１６に含まれている水中航走体１の機体前後方向に沿う方向の成分の作用により、水中航走体１には、目標位置Ｆからの機体前後方向に関する偏差ΔＹが生じる。また、外乱１６に含まれている水中航走体１の機体の左右方向に沿う方向の成分の作用により、水中航走体１には、目標位置Ｆからの機体左右方向に関する偏差ΔＸが生じる。

水中航走体１に作用する外乱１６が軽微な場合は、図４（ａ）に示すように、水中航走体１に生じる偏差ΔＸおよび偏差ΔＹも軽微である。この場合は、偏差ΔＸがしきい値Ｘｔに達しないので、水中航走体１は、機体の方位Ｂを基準方位Ｑに保持した状態で、水中航走体１の位置Ａが目標位置Ｆに復帰するように移動する。

次に、図４（ｂ）に示すように、外乱１６ａが大きくなる場合であっても、水中航走体１に外乱１６ａが作用する方位が、基準方位Ｑからの角度のずれが小さい場合は、水中航走体１に生じる目標位置Ｆからの機体前後方向の偏差ΔＹは大きくなるが、機体左右方向の偏差ΔＸは、しきい値Ｘｔに達しない程度に小さい状態になる。

ところで、水中航走体１は、機体前後方向の推進力は機体左右方向の推進力よりも強く、また、一般的に、水中航走体１の機体は、機体前後方向に関する水の抵抗が機体左右方向の抵抗よりも小さくなっている。そのため、水中航走体１は、図４（ｂ）に示したように、外乱１６ａの影響により目標位置Ｆに対する機体前後方向の偏差ΔＹが大きくなったとしても、外乱１６ａに逆らって偏差ΔＹを解消するように機体前後方向の位置制御を行うことは容易である。

よって、この場合は、偏差ΔＸがしきい値Ｘｔに達していないので、水中航走体１は、機体の方位Ｂを基準方位Ｑに保持した状態で、水中航走体１の位置Ａが目標位置Ｆに復帰するように移動する。

次いで、図４（ｃ）に示すように、外乱１６ｂが大きくなる場合であって、水中航走体１に外乱１６ｂが作用する方位の基準方位Ｑからの角度のずれが大きい場合は、水中航走体１に生じる目標位置Ｆからの機体左右方向の偏差ΔＸが大きくなり、しきい値Ｘｔに達するようになる。

具体的には、水中航走体１に外乱１６ｂの影響により目標位置Ｆからの機体左右方向の偏差ΔＸと機体前後方向の偏差ΔＹが生じたときから、図４（ａ）、図４（ｂ）の場合と同様に、偏差ΔＹを解消するとともに、偏差ΔＸも解消するための水中航走体１の機体前後方向と機体左右方向に関する位置制御は開始される。しかし、水中航走体１は、機体左右方向の推進力は機体前後方向の推進力よりも弱く、また、一般的に、水中航走体１の機体は、機体左右方向に関する水の抵抗が機体前後方向の抵抗よりも大きい。そのため、水中航走体１に生じた目標位置Ｆに対する機体左右方向の偏差ΔＸは、機体前後方向の偏差ΔＹのように容易に解消することはできない。

よって、外乱１６ｂが継続して作用している場合は、機体左右方向の偏差ΔＸを解消できない状態が継続するため、偏差ΔＸが蓄積してしきい値Ｘｔに達するようになる。

この場合、機体左右方向の偏差ΔＸが設定されたしきい値Ｘｔ以上となる状態が、設定された時間以上継続すると、水中航走体１では、制御装置９の外乱推定部１３により水中航走体１に作用している外乱１６ｂの方向が推定され、図４（ｄ）に示すように、その推定により得られた外乱推定方位Ｐに対向する方向に基準方位Ｑが再設定される。

これにより、水中航走体１は、再設定後の基準方位Ｑを目標方位として機体の方位Ｂを合わせるようにしながら、水中航走体１の位置Ａが目標位置Ｆに復帰するように移動する。

その結果、水中航走体１は、目標位置Ｆに自機の位置Ａを合わせた状態で、且つ水中航走体１に外乱１６ｂが作用する方位と対向するように機体の方位Ｂを保持しながら、位置保持を行うことができる。この状態は、水中航走体１の方位Ｂを基準とすれば、図４（ａ）と同じ状態である。

その後は、外乱１６，１６ａ，１６ｂの大きさと、外乱１６，１６ａ，１６ｂの基準方位Ｑに対する相対的な角度に応じて、水中航走体１は、前記図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）（ｄ）と同様の動作を行うことで、目標位置Ｆでの位置保持を継続して行うことができる。

このように、本実施形態の位置保持方法、および、本実施形態の水中航走体１によれば、外乱１６，１６ａ，１６ｂの大きさがどのような場合であっても、水中航走体１の機体の方位Ｂに短時間での大きな変化や頻繁な変化が生じることを抑制できて、水中航走体１の方位制御を安定させた状態で水中航走体１に位置保持を行わせることができる

なお、本実施形態では、水中航走体１に生じる目標位置Ｆからの機体左右方向の偏差ΔＸの大きさに着目して、水中航走体１の方位Ｂを合わせる基準となる基準方位Ｑの再設定を行うようにしているので、水中航走体１に備えたアクチュエータとしてのメインスラスタ２、水平スラスタ３、舵４によって発生させる推進力や姿勢制御用推進力の条件に応じた位置保持のための制御を、効率よく行うことができる。

［第２実施形態］
図５および図６は、位置保持方法および移動体の第２実施形態として、位置保持の対象となる移動体を、船舶とした例を示すものである。

図５は本実施形態で位置保持方法の実施に用いる船舶を示す概要図である。図６は、図５における制御装置の構成を示す概要図である。

なお、図５、図６において、第１実施形態に示したものと同一のものには同一符号を付して、その説明を省略する。

本実施形態の移動体としての船舶は、図５に符号１７で示すものである。

船舶１７は、アクチュエータとして、船体後部に配置されたメインスラスタ１８と、船体前部に配置された水平スラスタ１９と、船体後部に配置された舵２０とを備えた構成とされている。これにより、船舶１７は、機体前後方向には、メインスラスタ１８による推進力を有し、機体左右方向には、水平スラスタ１９と舵２０とにより、船体前後方向の推進力に比して弱い推進力と方位制御推進力を備えるものとされている。

船舶１７は、更に、位置検出手段２１と、速度計測手段２２と、制御装置２３と、操作端末２４とを備えた構成とされている。

位置検出手段２１は、船舶１７の自船の位置Ａと、船舶１７の船体の向く方位Ｂと、船体の姿勢Ｃとを計測する機能を備えている。速度計測手段２２は、船舶１７の速度として、対地速度Ｄと対水速度Ｅとを検出する機能を備えている。

位置検出手段２１と速度計測手段２２は、たとえば、ＧＰＳのような全地球航法衛星システム（ＧＮＳＳ）と、慣性航法装置とを組み合わせたものを使用するようにすればよい。なお、位置検出手段２１と速度計測手段２２は、船舶１７についての位置Ａと方位Ｂと姿勢Ｃ、および、対地速度Ｄと対水速度Ｅの情報を得ることができれば、既存の船舶で採用されている任意の位置検出手段２１と速度計測手段２２としてもよいことは勿論である。

位置検出手段２１と速度計測手段２２で得られた船舶１７についての位置Ａと方位Ｂと姿勢Ｃ、および、対地速度Ｄと対水速度Ｅの情報は、制御装置２３に与えられる。

操作端末２４は、第１実施形態の操作端末１２と同様に、船舶１７の位置保持を望む目標位置Ｆの設定と、必要に応じて基準方位再設定指令Ｇの入力を行うためのものである。操作端末２４で設定される目標位置Ｆの情報と、基準方位再設定指令Ｇは、制御装置２３に与えられる。

制御装置２３は、メインスラスタ１８、水平スラスタ１９、および、舵２０に、船舶１７が目標位置Ｆで位置保持を行うための指令（制御入力）を与える機能を備えている。

具体的には、制御装置２３は、メインスラスタ１８に回転数指令値Ｈを与え、水平スラスタ１９に回転数指令値Ｉを与え、舵２０に舵角指令値Ｊを与える機能を備えている。

一方、制御装置２３に対する動作状況のフィードバックとして、メインスラスタ１８は、回転数計測値Ｌを制御装置２３へ与える機能を備えている。また、水平スラスタ１９は、回転数計測値Ｍを制御装置２３へ与える機能を備えている。舵２０は、舵角計測値Ｎを制御装置２３へ与える機能を備えている。

更に、制御装置２３は、図６に示すように、外乱推定部１３ａと基準方位設定部１４ａと制御出力演算部１５ａとを、ソフトウェアモジュールにより備えた構成とされている。

外乱推定部１３ａは、制御装置２３が位置検出手段２１からの方位Ｂと、速度計測手段２２からの対地速度Ｄ、対水速度Ｅと、舵２０からの舵角計測値Ｎと、各スラスタ１８，１９からの回転数計測値Ｌ，Ｍとを受け取ると、各スラスタ１８，１９および舵２０によって船体に作用させている推進力および方位制御推進力と、船舶１７の実際の方位Ｂおよび対地速度Ｄ、対水速度Ｅとの差を基に、外乱推定方位Ｐを推定する機能を備えている。外乱推定部１３ａで求められた外乱推定方位Ｐの情報は、基準方位設定部１４ａへ与えられる。

基準方位設定部１４ａは、操作端末２４より入力される目標位置Ｆおよび基準方位再設定指令Ｇと、位置検出手段２１から与えられる船舶１７の位置Ａおよび方位Ｂの情報と、外乱推定部１３ａから与えられる外乱推定方位Ｐの情報とを受け取ると、第１実施形態における基準方位設定部１４と同様に、図３に示したフロー図に従う処理を行って、基準方位Ｑを定める機能を備えている。なお、本実施形態では、第１実施形態にて行った図３の処理の説明において、水中航走体１を船舶１７に置き換えるようにすればよい。

制御出力演算部１５ａは、目標位置Ｆと、位置検出手段２１からの位置Ａ、方位Ｂ、姿勢Ｃと、速度計測手段２２からの対地速度Ｄ、対水速度Ｅと、舵２０からの舵角計測値Ｎと、各スラスタ１８，１９からの回転数計測値Ｌ，Ｍと、基準方位設定部１４ａからの基準方位Ｑを受け取ると、第１実施形態の制御出力演算部１５と同様の演算を行い、演算結果に基づく回転数指令値Ｈ，Ｉおよび舵角指令値Ｊを、それぞれ対応する各スラスタ１８，１９および舵２０に指令する機能を備えている。

これにより、船舶１７では、回転数指令値Ｈに従うメインスラスタ１８の運転と、回転数指令値Ｉに従う水平スラスタ１９の運転と、舵角指令値Ｊに従う舵２０の舵角制御が行われる。したがって、船舶１７は、船体の位置Ａと方位Ｂを、目標位置Ｆと基準方位Ｑに合わせるように制御することができる。

以上の構成としてある本実施形態の船舶１７によれば、第１実施形態と同様の位置保持方法を実施して、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は前記各実施形態にのみ限定されるものではない。

たとえば、移動体に備えるアクチュエータとして、第１実施形態の水中航走体１では、メインスラスタ２と水平スラスタ３と舵４および垂直スラスタ５を例示し、また、第２実施形態の船舶１７では、メインスラスタ１８と水平スラスタ１９と舵２０を例示した。これに対し、移動体の機体前後方向に推進力を有し、機体左右方向には、機体前後方向の推進力に比して弱い推進力や方位制御推進力を有するようにしてあれば、水中や水上を移動する移動体に従来採用されているか、あるいは従来提案されている任意の形式のアクチュエータを備える構成としてもよい。たとえば、移動体の機体前部と後部に水平スラスタを備える構成としてもよい。また、機体中心線を挟んだ左右両側に、発生させる推進力を個別に制御可能なスラスタを対で備える構成としてもよい。

第１実施形態における外乱推定部１３は、水中航走体１の対水速度Ｅと対地速度Ｄとの差を基に外乱推定方位Ｐを推定する機能を有するものとし、第２実施形態における外乱推定部１３ａは、メインスラスタ１８、水平スラスタ１９および舵２０によって船体に作用させている推進力および方位制御推進力と、船舶１７の実際の方位Ｂおよび対地速度Ｄ、対水速度Ｅとの差を基に、外乱推定方位Ｐを推定する機能を有するものとして説明した。これに対し、第２実施形態にて、第１実施形態と同様の外乱推定手法を採用してもよい。また、第１実施形態にて、第２実施形態と同様の外乱推定手法を採用してもよい。更に、たとえば、移動体の位置と方位とアクチュエータの運転状況とから推定する手法や、移動体の速度と方位とアクチュエータの運転状況とから推定する手法や、位置保持中の移動体の位置偏差から推定する手法や、移動体の自機の速度、加速度と、アクチュエータの発生している推進力とから推定する手法や、移動体の自機と他の移動体の速度や方位情報を組み合わせて推定する手法、その他、水中や水上の移動体について、従来使用されているか、あるいは従来提案されている外乱推定手法を採用してもよいことは勿論である。

第１実施形態では、水中航走体１と母船１０との間の通信を行うための通信機として、音響通信機８，１１を例示したが、電波による無線通信や、光ファイバーなどを介した有線通信、あるいは光通信による通信機を用いてもよい。

第１実施形態では、移動体として水中航走体１を例示したが、移動体は、有人の潜水艇や潜水艦であってもよい。この場合は、操作端末１２は移動体の機内に備えるようにすればよい。

第２実施形態では、移動体として、船舶１７を例示し、船舶１７はオペレータが操作する操作端末を備えるものとして説明したが、水上を移動する移動体としては、ＡＳＶ（Autonomous Surface Vehicle）あるいはＵＳＶ（Unmanned Surface Vehicle）と呼ばれる自立航走型の水上航走体であってもよい。この場合は、第１実施形態の母船１０と同様に、水上航走体に目標位置Ｆや基準方位再設定指令Ｇを通信により与える母船１０を共に運用すればよい。

移動体は、水中や水上を移動する形式の移動体であれば、形状やサイズは任意でよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

１水中航走体（移動体）、２メインスラスタ（アクチュエータ）、３水平スラスタ（アクチュエータ）、４舵（アクチュエータ）、６位置検出手段（手段）、９制御装置、１６，１６ａ，１６ｂ外乱、１７船舶（移動体）、２１位置検出手段、２３制御装置、Ａ位置、Ｂ方位、Ｆ目標位置、Ｐ外乱推定方位（外乱が作用する方位）、Ｑ基準方位、ΔＸ偏差、Ｘｔしきい値

Claims

水中または水上を移動する移動体の機体前後方向の推進力と、機体左右方向の方位制御推進力を発生するアクチュエータへ制御出力を与える制御装置にて、
目標位置と、基準方位の初期値が設定される処理と、
前記移動体の自機の位置の情報を取得する処理と、
前記移動体の機体の向く方位の情報を取得する処理と、
前記移動体の自機に外乱が作用する方位を推定する処理と、
前記移動体の自機の位置について、前記目標位置からの機体左右方向に関する偏差が、設定されたしきい値以上となる状態が設定された時間以上継続するという再設定条件が満たされるか否かを判断する処理と、
前記再設定条件が満たされないと判断される場合は、その時点で設定されている前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理と、
前記再設定条件が満たされると判断される場合は、基準方位を、その時点で推定される前記自機に外乱が作用する方位に対向する方位に再設定し、次いで、再設定された前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理と、を行うこと
を特徴とする位置保持方法。
前記移動体として、水中航走体を用いる
請求項１記載の位置保持方法。
水中または水上を移動する移動体であって、
前記移動体の自機の位置の情報を取得する手段と、
前記移動体の機体の向く方位の情報を取得する手段と、
前記移動体の機体前後方向の推進力と、機体左右方向の方位制御推進力を発生するアクチュエータと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、
目標位置と、基準方位の初期値が設定される機能と、
前記移動体の自機に外乱が作用する方位を推定する機能と、
前記移動体の自機の位置について、前記目標位置からの機体左右方向に関する偏差が、設定されたしきい値以上となる状態が設定された時間以上継続するという再設定条件が満たされるか否かを判断する処理を行う機能と、
前記判断処理にて、再設定条件が満たされないと判断される場合は、その時点で設定されている前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理を行う機能と、
前記判断処理にて、前記再設定条件が満たされると判断される場合は、基準方位を、その時点で推定される前記自機に外乱が作用する方位に対向する方位に再設定し、次いで、再設定された前記基準方位を目標方位として、前記機体の向く方位を該目標方位に合わせ、前記自機の位置を前記目標位置に保持するための制御出力を前記アクチュエータへ与える処理を行う機能と、を備えること
を特徴とする移動体。