JP2021075126A - 制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラム - Google Patents
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Abstract
Description
以下に、本開示に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムの第1実施形態について、図面を参照して説明する。制御システムは、冗長性のある操作手段(例えば舵)によって制御を行う構造体であれば幅広く適用できるものであって、以下に説明するような水中航走体1のみに限定されるものではない。例えば、制御システムは、航空機やロケット、ドローン等の構造体にも適用可能であり、有人及び無人に関わらず適用可能である。
図3に示すように、制御装置20は、コンピュータシステム(計算機システム)であり、例えば、CPU11と、CPU11が実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)12と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)13と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ(HDD)14と、ネットワーク等に接続するための通信部15とを備えている。大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ(SSD)を用いることとしてもよい。これら各部は、バス18を介して接続されている。
舵角指令算出部30は、目標値に基づいて、X舵における各舵に対する指令値を算出する。このため、舵角指令算出部30は、仮想舵角算出部31と、分配部32とを備えている。目標値とは、機体の姿勢に関する制御量に対する目標値である。制御量とは、制御対象に属する量のうちで、目的の値にまで制御することが望まれる量である。目標値は、ロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψのそれぞれに対応する目標値となる。ピッチ角θは、機体の深度Zに関連するため、本実施形態に係る仮想舵角算出部31では、深度Zの目標値を用いて、深度制御器33によりピッチ角θの目標値を算出する場合について説明する。しかしながら、目標値としては、機体の姿勢に関する制御量を用いることができるため、ロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψに対応する目標値が仮想舵角算出部31へ入力されることとしてもよい。舵角指令算出部30では、機体の姿勢に関する制御量に対する目標値(ロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψ)に基づいて、各舵に対応する指令値を算出することができれば、図4の構成に限定されない。
故障診断部40は、X舵に対して故障診断を行う。すなわち、故障診断部40では、故障が発生している舵である故障舵を特定する。図5に示すように、故障診断部40は、推定部41と、判定部42と、演算部(故障操作量演算部)45とを備えている。故障診断部40へは、水中航走体1の状態量として、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ロール角φが入力される。状態量とは、水中航走体1における所定のパラメータにおける現在の値(現状値)である。なお、故障診断部40で使用される状態量については、上記に限定されず、後述するオブザーバの構成に応じて設定される。例えば、状態量としては、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φのうち少なくともいずれか1つを用いることが可能である。機体の状態量については、例えば機体に設けられたセンサ等によって計測され、取得部61へ出力される。
次に、上述の故障診断部40による故障舵特定処理による効果について図11を参照して説明する。図11では、4番舵R4に固着故障が発生した場合において、舵角推定を行う場合を例示している。このため、図11では、縦軸を角度(舵角)、横軸を時間としている。時刻T1において4番舵R4に故障が発生したとする。そうすると、4番舵R4の指令値は舵角に反映されず、4番舵R4の舵角は、特定の舵角に固着する。故障が発生すると、故障診断部40では故障舵特定処理が実行される。故障舵特定処理によって、図11に示すように、推定舵角は故障舵角へより迅速に収束する。そして、より正確な故障舵角が推定される。
縮退指令部50は、舵角指令算出部30における無効化部37に指令を出力して、舵角指令算出部30における制御系を縮退化する。具体的には、縮退指令部50は、正常に制御可能な操作手段の数が制御量の数以上である場合には、各制御量のそれぞれに対応する目標値に基づいて、各操作手段に対する指令値を算出させ、正常に制御可能な操作手段の数が制御量の数未満である場合には、各指令値の算出に使用する制御量の数を縮退し、各目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各操作手段に対する指令値を算出させる。なお、故障舵の数については、故障診断部40の結果を用いる。なお、本実施形態における縮退指令部50では、故障診断部40の結果を用いる場合について説明しているが、故障舵の数を認識することができれば、故障診断部40の出力を用いる場合に限定されない。また、縮退指令部50は、耐故障制御部60とともに制御装置20に設けられることとしているが、縮退指令部50のみを制御装置20に設けることとしてもよい。
耐故障制御部60は、故障舵の影響を非干渉化するように、各舵に対する指令値を算出する。例えば、X舵のうちの1つの舵が故障して一定の舵角で固着した場合には、該故障舵は固着した舵角に応じて機体に力を及ぼす。このような故障舵の及ぼす力は、機体の姿勢制御に影響を及ぼす。このため、耐故障制御部60では、故障舵の影響を抑制するように、他の舵(正常に動く舵)を制御する。
次に、上述の耐故障制御部60の非干渉化による効果について図12を参照して説明する。図12では、4番舵R4に固着故障が発生した場合における水中航走体1の移動軌跡を示している。このため、図12では、絶対座標系において3次元直交座標系を示している。具体的には、z軸方向を深度Zとし、x軸方向及びy軸方向を位置X及び位置Yとして示している。
次に、本開示の第2実施形態に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムについて説明する。
上述した第1実施形態では、単一故障によるオブザーバを使用する場合についてしていたが、本実施形態では、複数故障におけるオブザーバについて説明する。以下、本実施形態に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムについて、第1実施形態と異なる点について主に説明する。
本開示に係る制御システムは、機体の姿勢に関する制御量(θ、ψ、φ)を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段(R)によって制御する構造体(1)に適用される制御システムであって、正常に制御可能な前記操作手段(R)の数が前記制御量の数以上である場合には、各前記制御量のそれぞれに対応する目標値に基づいて、各前記操作手段(R)に対する指令値を算出し、正常に制御可能な前記操作手段(R)の数が前記制御量の数未満である場合には、各前記指令値の算出に使用する前記制御量の数を縮退し、各前記目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各前記操作手段(R)に対する前記指令値を算出する。
2 :プロペラ
11 :CPU
12 :ROM
13 :RAM
14 :ハードディスクドライブ
15 :通信部
18 :バス
20 :制御装置(制御システム)
30 :舵角指令算出部
31 :仮想舵角算出部
32 :分配部
33 :深度制御器
34 :方位制御器
35 :ロール制御器
36 :姿勢角制御器
37 :無効化部
40 :故障診断部(故障診断システム)
41 :推定部
42 :判定部
45 :演算部(故障操作量演算部)
50 :縮退指令部
60 :耐故障制御部
61 :取得部
62 :演算部(指令値演算部)
71 :複数故障用推定部
72 :選択部
A1 :第1AND部
A2 :第2AND部
A3 :第3AND部
A4 :第4AND部
R1〜R4:舵(操作手段)
S1 :第1特定部
S2 :第2特定部
S3 :第3特定部
S4 :第4特定部
Z :深度
p :角速度
q :角速度
r :角速度
u :速度
v :速度
w :速度
θ :ピッチ角
φ :ロール角
ψ :ヨー角
Claims (8)
- 機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御システムであって、
正常に制御可能な前記操作手段の数が前記制御量の数以上である場合には、各前記制御量のそれぞれに対応する目標値に基づいて、各前記操作手段に対する指令値を算出し、正常に制御可能な前記操作手段の数が前記制御量の数未満である場合には、各前記指令値の算出に使用する前記制御量の数を縮退し、各前記目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各前記操作手段に対する前記指令値を算出する制御システム。 - 正常に制御可能な前記操作手段の数が前記制御量の数未満である場合には、各前記制御量に対して予め設定された優先順位に基づいて前記縮退を行う請求項1に記載の制御システム。
- 前記制御量は、前記姿勢として機体のピッチ角、ヨー角、及びロール角であり、正常に制御可能な前記操作手段の数が2つである場合には、ピッチ角及びヨー角の前記目標値に基づいて、各前記操作手段に対する前記指令値を算出する請求項1または2に記載の制御システム。
- 前記制御量は、前記姿勢として機体のピッチ角、ヨー角、及びロール角であり、正常に制御可能な前記操作手段の数が2つである場合には、ヨー角及びロール角の前記目標値に基づいて、各前記操作手段に対する前記指令値を算出する請求項1または2に記載の制御システム。
- 前記操作手段は、アクチュエータにより駆動される請求項1から4のいずれか1項に記載の制御システム。
- 機体の姿勢を制御する複数の操作手段と、
請求項1から5のいずれか1項に記載の制御システムと
を備える構造体。 - 機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御方法であって、
正常に制御可能な前記操作手段の数が前記制御量の数以上である場合には、各前記制御量のそれぞれに対応する目標値に基づいて、各前記操作手段に対する指令値を算出し、正常に制御可能な前記操作手段の数が前記制御量の数未満である場合には、各前記指令値の算出に使用する前記制御量の数を縮退し、各前記目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各前記操作手段に対する前記指令値を算出する制御方法。 - 機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御プログラムであって、
正常に制御可能な前記操作手段の数が前記制御量の数以上である場合には、各前記制御量のそれぞれに対応する目標値に基づいて、各前記操作手段に対する指令値を算出し、正常に制御可能な前記操作手段の数が前記制御量の数未満である場合には、各前記指令値の算出に使用する前記制御量の数を縮退し、各前記目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各前記操作手段に対する前記指令値を算出する処理をコンピュータに実行させるための制御プログラム。
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