JP2022175993A - Automatic steering system for ship - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、船舶を自動操舵する技術に関する。 The present invention relates to technology for automatically steering a ship.
近年、船舶の航行技術において、離着桟航行に関する研究開発が精力的に進められている。離着桟航行の実現には、船体位置を出発地から移動させ、途中で旋回させ、そして目標地で停止させる船体位置制御技術が要求される。船舶は、自動車と比較して慣性力が大きくまた制動力が弱く、更に低速時には流体抵抗力が弱くなるため、船舶が停止するように制御することは容易ではない。 In recent years, research and development on berthing and unberthing navigation has been vigorously promoted in the navigation technology of ships. To realize berthing and unberthing navigation, hull position control technology is required to move the hull position from the departure point, turn on the way, and stop at the destination point. A ship has a larger inertial force, a weaker braking force, and a weaker fluid resistance at low speeds than an automobile. Therefore, it is not easy to control the ship to stop.
本発明が解決しようとする課題は、船舶を自動で離着桟させることができる技術を提供することにある。 A problem to be solved by the present invention is to provide a technique for automatically unberthing and unberthing a ship.
実施形態の船舶用自動操舵装置は、surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操舵装置であって、計画航路に基づいて、出発点から到達点までの軌道と、該出発点から該到達点までのsurge方向距離の時間関数である参照距離と、方位の時間関数である参照方位とを含む参照軌道を生成する参照軌道生成部と、前記船舶の位置を前記参照距離に追従させる距離制御と、前記船舶の位置を前記軌道に追従させるとともに前記船舶の方位を前記参照方位に追従させる航路制御とによって、前記船舶を制御する移動制御部と、前記船舶の位置を保持するように前記船舶を制御する保持制御部と、前記船舶の位置から該船舶のsway方向に延在する線と、前記軌道との交点が前記到達点に達した場合、前記移動制御部による制御から前記保持制御部による制御に切り替える切替部とを備える。 A marine autopilot system according to an embodiment includes a propulsion drive device capable of controlling the velocities in the surge direction and the sway direction and the angular velocity around the yaw, and a sensor for detecting the heading and the position of the hull. An automatic steering device, based on a planned route, a trajectory from a starting point to a destination point, a reference distance that is a time function of the surge direction distance from the starting point to the destination point, and a time function of the heading a reference trajectory generator for generating a reference trajectory including a reference bearing; distance control for causing the position of the ship to follow the reference distance; A movement control unit for controlling the ship, a holding control unit for controlling the ship to hold the position of the ship, and a sway direction of the ship from the position of the ship and a switching unit for switching from control by the movement control unit to control by the holding control unit when the intersection of the line and the trajectory reaches the arrival point.
本発明によれば、船舶を自動で離着桟させることができる。 According to the present invention, a ship can be automatically unberthed and unberthed.
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の構成)
まず、本実施形態に係る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、船舶用自動操舵装置を含むシステムの全体構成のブロック図である。
(1 Configuration of marine automatic steering system)
First, a system including a marine autopilot according to this embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram of the overall configuration of a system including a marine autopilot.
図1に示すように、本実施形態における船舶用自動操舵装置1は、推進駆動装置3、センサ類4が備えられた船体2を有する船舶を制御するものである。本実施形態において、推進駆動装置3は、surge方向及びsway方向の速度、yaw周りの角速度を制御可能な駆動装置であり、本実施形態においては、船体2の船首と船尾とに設けられたアジマススラスターとして構成される。
As shown in FIG. 1, a
センサ類4は、船体2の船首方位を検出するジャイロコンパス、船体2の対水速度を検出する速度計、GPS等の衛星測位システム(GNSS)からの船体位置を検出するGNSSセンサを含む。なお、センサ類4は、船首方位、船体位置をそれぞれ検出可能なセンサを含むものであれば良い。
The
船舶用自動操舵装置1は、参照軌道生成部11と、制御部12とを備える。参照軌道生成部11は、軌道計画部5により出力された計画航路に基づいて参照軌道を生成する。制御部12は、参照軌道生成部11により生成された参照軌道に船体2が追従するように、センサ類4により検出された船首方位、船体位置に基づいて推進駆動装置3に指令を出力して船体速度及び角速度を制御する。
The
(2.2 離着桟仕様)
(2.2.1 計画航路)
計画航路について説明する。図2は、計画航路の形態を示す図である。
(2.2 Berthing specifications)
(2.2.1 Planned route)
Explain the planned route. FIG. 2 is a diagram showing the form of the planned route.
計画航路は、図2に示すように、出発点と到達点、船速と旋回の条件とを含み、直線と円弧の組み合せにより構成される。図2において、O-XYは地球固定座標、ψplanは計画方位、点Aは出発点、点Bは到達点である。また、点C,S,Fのそれぞれは旋回の中心点、開始点、終了点であり、ρは旋回半径、ψsetは旋回角である。また、点Dは船速の減速開始点、点Eは変針の開始点である。 The planned route, as shown in FIG. 2, includes a starting point, a destination point, ship speed and turning conditions, and is composed of a combination of straight lines and circular arcs. In FIG. 2, O-XY is the earth-fixed coordinate, ψ plan is the planned direction, point A is the starting point, and point B is the reaching point. Points C, S, and F are the turning center point, starting point, and ending point, respectively, ρ is the turning radius, and ψ set is the turning angle. Point D is the starting point of deceleration of the boat speed, and point E is the starting point of course change.
計画航路において、船舶は、その船速が点Aから前進速度が加速され、等速を経て、点Dから減速され、到達点Bに達するように制御される。また、船舶は、船位を旋回航路に乗せるため、点Sよりも手間に位置する点Eから変針が開始される。 On the planned route, the ship is controlled so that its forward speed is accelerated from point A, passes through constant speed, is decelerated from point D, and reaches point B. Further, the ship starts to change course from point E, which is located closer to point S, in order to put the ship on the turning route.
(2.2.2 全体動作)
船舶用自動操舵装置の全体動作について概略的に説明する。
(2.2.2 Overall operation)
The overall operation of the marine automatic steering system will be described schematically.
船舶用自動操舵装置1は、まず、出発点Aにおける方位ψを旋回制御によって、計画方位ψplanに収束させた後、船体位置を出発点Aから到達点Bに移動させて停止させる。また、船舶用自動操舵装置1は、停止後の船体位置が到達点Bに対して誤差を有する場合、船体位置を経路順序制御によって到達点Bに移動させて停止させる。
The marine
経路順序制御は、surge方向、sway方向の船体位置x,yと方位ψを、surge方向、sway方向の参照位置、参照方位の時系列信号である参照信号にそれぞれ追従させる制御であり、各参照信号は、互いにタイミングが異なっており、望ましくは他の参照信号と時間的に重複しないように生成される。また、経路順序制御におけるsurge方向制御、sway方向制御、方位制御は、それぞれ、船体モデルにおけるsurgeモデル、swayモデル、yawモデルに基づく状態フィードバック制御である。なお、経路順序制御の詳細については非特許文献2を参照されたい。
The route sequence control is a control to cause the hull positions x, y and heading ψ in the surge direction and the sway direction to follow reference signals, which are time series signals of the reference position and reference heading in the surge direction and the sway direction. The signals are different in timing from each other and preferably generated so as not to overlap in time with other reference signals. Surge direction control, sway direction control, and azimuth control in route sequence control are state feedback controls based on the surge model, sway model, and yaw model of the hull model, respectively. Please refer to Non-Patent
これらの動作のうち、船体位置を出発点Aから到達点Bへ移動させる制御について、船体位置制御として以下に説明する。 Among these operations, control for moving the hull position from the starting point A to the arrival point B will be described below as hull position control.
(2.3 船体位置制御)
船体位置制御について説明する。図3は、制御システムの分類を示す図である。
(2.3 Hull position control)
Hull position control will be described. FIG. 3 is a diagram showing the classification of control systems.
船体位置制御は、移動モードと保持モードとを含む。移動モードは、船体位置を参照軌道に追従させて到達点Bに移動させる。しかしながら、船体位置は到達点Bに必ず一致できるわけではない。保持モードは、到達点Bの付近に位置する、すなわち到達点Bに対して誤差をもつ移動モードによる終端点B’に船体位置を保持する。船体位置が到達点Bで保持される場合には初期応答による過渡現象が生じる(非特許文献2参照)。この過渡現象を低減するため、保持モードにおいては船体位置を終端点B’に保持する。 Hull position control includes a move mode and a hold mode. In the movement mode, the hull position is moved to the arrival point B following the reference trajectory. However, the hull position cannot necessarily match the arrival point B. The hold mode holds the hull position at the terminal point B', which is located in the vicinity of the arrival point B, i.e., is in error with respect to the arrival point B. When the hull position is held at the arrival point B, a transient phenomenon occurs due to the initial response (see Non-Patent Document 2). To reduce this transient, the hold mode holds the hull position at the endpoint B'.
(2.3.1 参照軌道)
参照軌道は、軌道計画を満足する位置と時間で構成され、移動モードにおいて用いられる。制御部12は、参照軌道の基準は船体位置からsway方向を向く線と参照軌道との交点である点Hを用いて、参照軌道に沿う船体位置を判断する。例えば、制御部12は、点Hが点Eと一致した場合に変針を開始する。
(2.3.1 Reference Orbit)
A reference trajectory consists of positions and times that satisfy the trajectory plan and is used in locomotion mode. The
(2.3.2 制御システムの概要)
制御システムの概要について説明する。図3は、制御システムの分類を示す図である。
(2.3.2 Outline of control system)
An outline of the control system will be explained. FIG. 3 is a diagram showing the classification of control systems.
制御部12は、移動モード、保持モードそれぞれの制御システムを有する。制御部12は、移動モードにおいて、参照軌道で設定された時刻に対応する位置に船体位置を追従させ、保持モードにおいて到達点B付近の終端点B’に船体位置を保持させる。
The
図3において、DCは距離制御、TCは航路制御、DPは航路保持制御をそれぞれ示す。また、航路保持制御は、静定制御と上述した経路順序制御とを含む。静定制御は、船体位置Pを終端点B’に収斂させる制御である。 In FIG. 3, DC indicates distance control, TC indicates route control, and DP indicates route holding control. Further, the route keeping control includes the static stabilization control and the route sequence control described above. Static control is control for converging the hull position P to the terminal point B'.
制御部12は、移動モードにおいて、参照軌道と船体位置との誤差を点Hから求め、この誤差を距離制御と航路制御とによって修正する。また、制御部12は、保持モードにおいて、終端点B’と船体位置との誤差を静定制御によって修正し、経路順序制御により船体位置を終端点B’から到達点Bへ移動させる。なお、終端点B’から到達点Bへの移動は、経路順序制御以外の他の制御則により制御されても良い。
In the movement mode, the
(3 参照軌道)
参照軌道について説明する。参照軌道は、参照軌道生成部11により生成されるものであり、計画航路に基づいて構成される。制御部12は、参照軌道に船体位置を追従させる。参照軌道には、制御誤差を低減させるため、次の要因に対する対策が講じられる。
(3 reference trajectory)
The reference trajectory will be explained. The reference trajectory is generated by the
1.船速変化による過渡現象
2.旋回時の角速度による過渡現象
3.上記1,2に対する対策と船体運動に伴って発生する航路誤差
1. 2. Transient phenomena caused by changes in ship speed. 2. Transient phenomena caused by angular velocity during turning; Countermeasures against 1 and 2 above and route error caused by ship motion
これらの対策について以下に説明する。なお、説明上、上記2、上記1、上記3の順に記載する。 These countermeasures are described below. For the sake of explanation, the above 2, the above 1, and the above 3 are described in this order.
(3.1 参照方位)
参照軌道における参照方位について説明する。図4は、参照角速度を示す図である。図5は、参照方位の時系列を示す図である。
(3.1 Reference direction)
The reference azimuth in the reference trajectory will be explained. FIG. 4 is a diagram showing reference angular velocities. FIG. 5 is a diagram showing a time series of reference orientations.
参照方位の軌道計画は、計画航路の旋回条件を満足するように設定される。旋回条件は、半径ρ、船速uR、変針量ψset、角速度r=uR÷ρ、加速時間Ta、等速時間Tv、減速時間Tdである。ここで、添字Rは参照信号を意味する。変針量の符号は式の煩雑化を防ぐため、ψset>0とする。参照方位は図4に示すように,点Hが点Eを通過した時点で変針が開始されるように設定される。 The trajectory plan for the reference bearing is set so as to satisfy the turning conditions of the planned route. The turning conditions are radius ρ, ship speed u R , course change amount ψ set , angular velocity r=u R ÷ρ, acceleration time T a , constant speed time T v , and deceleration time T d . Here, the subscript R means reference signal. The sign of the amount of course change is set to ψ set >0 to prevent complication of the formula. The reference azimuth is set so as to start changing course when point H passes point E, as shown in FIG.
参照方位ψRの時間関数は図5に示すように、次式になる。 As shown in FIG. 5, the time function of the reference azimuth ψ R is given by the following equation.
上式の軌道係数と初期値は、次式になる。 The orbital coefficients and initial values in the above formula are as follows.
変針量ψsetは各モードの変針量の総和になるから、次式になる。 Since the amount of course change ψ set is the sum of the amount of course change in each mode, the following equation is obtained.
参照方位の微分値を各モードの開始と終端で求めると Deriving the derivative of the reference direction at the start and end of each mode gives
(3.2 参照距離)
参照軌道における参照距離について説明する。図6は、参照速度を示す図である。
(3.2 Reference distance)
The reference distance in the reference trajectory will be explained. FIG. 6 is a diagram showing reference speeds.
参照距離dRは、出発点Aから到達点Bまでのsurge方向距離で定める。参照距離の軌道計画は計画航路の船速条件を満足するように設定される。船速条件は加速モードと減速モードを定める。図6に示すように、加速モードは出発点Aから加速時間Ta uまで、減速モードは点Dから減速時間Td uまでに設定される。等速モードは、加速モードと減速モードとの間に設定され、出発点Aから加速時間Ta u経過した時点から点Dを通過するまでの時間に設定される。参照方位による変針動作は等速モードで実施される。したがって、参照距離の軌道計画は、参照方位と同様に構成できる。制御システムは参照方位と同様に、参照距離の微分値による過渡現象を生じ難くなる。 The reference distance dR is determined by the distance from the starting point A to the reaching point B in the surge direction. The trajectory plan of the reference distance is set so as to satisfy the ship speed condition of the planned route. Vessel speed conditions determine acceleration mode and deceleration mode. As shown in FIG. 6, the acceleration mode is set from the starting point A to the acceleration time Tau , and the deceleration mode is set from the point D to the deceleration time Tdu . The constant velocity mode is set between the acceleration mode and the deceleration mode, and is set to the time from the time when the acceleration time Tau has passed from the starting point A until the point D is passed. Steering operation by reference heading is performed in constant velocity mode. Thus, trajectory plans for reference ranges can be constructed similarly to reference bearings. The control system is less prone to transients due to derivatives of reference distances as well as reference headings.
参照距離dRは、上述した(3.1 参照方位)に記載の(1)~(3)式において、 The reference distance d R is, in formulas (1) to (3) described in (3.1 Reference orientation) above,
点Dまでの距離dADは次式になる。 The distance dAD to point D is given by the following equation.
(3.3 リーチ修正)
リーチ修正について説明する。
(3.3 Reach correction)
Describe reach correction.
参照軌道は、船速変化、旋回時の角速度変化のそれぞれによる過渡現象に対する対策が講じられることによって、参照方位、参照距離それぞれの加減速時間の影響を受ける。 The reference trajectory is affected by the acceleration and deceleration times of the reference heading and the reference distance by taking measures against transient phenomena due to changes in ship speed and changes in angular velocity during turning.
参照方位による影響を示す。変針時間は(9)式から The effect of reference orientation is shown. The course change time is from formula (9)
図7は計画航路と参照軌道を示す。なお、図7において、点Fと点R以降の航路は省略され、計画航路は原点Oから北向きに右旋回するものとする。計算は簡単化のため、図7に示すように直線航路の計画方位ψplanを北向きに回転させる。 Figure 7 shows the planned route and reference trajectory. In FIG. 7, the route after point F and point R is omitted, and the planned route turns right from the origin O to the north. For simplification of the calculation, the planned azimuth ψ plan of the straight route is rotated northward as shown in FIG.
参照軌道は参照速度と参照方位から A reference trajectory is derived from a reference velocity and a reference bearing
航路誤差drは、図7において、旋回終端点R,Fでの接線の切片xR,xFから求めると、 The route error d r is obtained from the tangent line intercepts x R and x F at the turning end points R and F in FIG.
したがって、航路誤差drを修正する方策は、変針開始点を軌道計画の開始点Sからdrだけ手前の点Eに移動するものとなる。点EはWOP(Wheel Over Point)であり、点Eへの移動はリーチ修正と呼ばれる。 Therefore, a policy for correcting the course error dr is to move the course change starting point to a point E that is ahead of the starting point S of the trajectory plan by dr . Point E is the WOP (Wheel Over Point), and moving to point E is called reach correction.
(4. 船体制御)
参照軌道と船体位置初期値に船体を追従させる制御システムについて説明する。
(4. Hull control)
A control system that makes the hull follow the reference trajectory and the hull position initial value will be explained.
(4.1 制御対象)
制御対象について説明する。図8は、船体モデルと駆動機モデルとを含む制御対象を示す。図9は、船体パラメータTrの船速特性を示す図である。
(4.1 Control object)
A controlled object will be explained. FIG. 8 shows a controlled object including a hull model and a drive machine model. FIG. 9 is a diagram showing ship speed characteristics of the hull parameter Tr .
制御対象は、図8に示すように、船体モデルと駆動機モデルからなる。 The controlled object consists of a hull model and a driving machine model, as shown in FIG.
(4.1.1 船体モデル)
船体モデルはsurge方向を添字u、sway方向を添字v、yaw周りを添字rでそれぞれ表し、
(4.1.1 Hull model)
The hull model is represented by the subscript u for the surge direction, the subscript v for the sway direction, and the subscript r for around the yaw.
図9には、船体パラメータの船速(対水速度)特性が示される。図9においては、船体パラメータのうち、Trのみが示されるが、他の変数{Kr,Ku,Tu,Kv,Tv}も船速に関係するものとする。Trにおける低速域特性は推進抵抗を無視して、慣性項を主要と仮定したものである。図9から、船体パラメータは次の船速特性をもつ。 FIG. 9 shows ship speed (water speed) characteristics of the hull parameters. In FIG. 9, only Tr is shown among the hull parameters, but other variables { Kr , Ku, Tu , Kv , Tv } are also related to ship speed. The low-speed characteristics in Tr are assumed to be the inertia term, ignoring propulsion resistance. From FIG. 9, the hull parameters have the following ship speed characteristics.
1.保持モード域は|u|≦2knで、一定とする。
2.移動モード域はu>2knで、船速に比例する。
1. The holding mode region is |u|≦2kn and is constant.
2. The movement mode range is u>2kn and is proportional to ship speed.
(4.1.2 駆動機モデル)
駆動機モデルについて説明する。
(4.1.2 Drive machine model)
The drive machine model will be explained.
駆動機のアジマススラスターモデル(以降、ATMと呼称)はそのプロペラ回転数(逆転しない)とその方向とによって推力ベクトルを制御する。方向角度(開度)と回転数は制限をもつ。図8において、2機のATMの回転数λと推力Fは The azimuth thruster model of the driver (hereafter ATM) controls the thrust vector by its propeller speed (not reversed) and its direction. The directional angle (opening) and number of rotations are limited. In FIG. 8, the rotational speed λ and thrust F of the two ATMs are
一方、ATMの出力γを指令量で置き換えると、 On the other hand, if the ATM output γ is replaced by the command amount,
(4.2 誤差の定義)
(4.2.1 移動モード)
移動モードにおける誤差について説明する。図10は、移動モードにおける誤差を示す図である。
(4.2 Definition of error)
(4.2.1 Movement Mode)
An error in the movement mode will be explained. FIG. 10 is a diagram showing errors in the movement mode.
移動モードにおける誤差は、図10に示すように、直線航路、円弧航路のそれぞれに設定される。 As shown in FIG. 10, the error in the movement mode is set for each of the straight route and the arc route.
方位誤差ψeは、 The orientation error ψ e is
航路誤差yeは、船体位置Pと点Hとの距離で The course error y e is the distance between the hull position P and the point H.
距離誤差deは、軌道計画上の位置までの距離によって The distance error d e depends on the distance to the position on the trajectory plan.
(4.2.2 保持モード)
保持モードにおける誤差について説明する。図11は、保持モードにおける誤差を示す図である。なお、図11には、移動モードから保持モードへ切り替えられた状態が示される。
(4.2.2 Hold mode)
The error in hold mode will be explained. FIG. 11 is a diagram showing errors in hold mode. Note that FIG. 11 shows a state in which the moving mode is switched to the holding mode.
図11に示される移動モードから保持モードへの切り替えは、船体位置Pに基づく点Hが到達点Bに達した時点で実施される。この際、保持モードの到達点はBから終端点B’に変更される。よって、終端点B’は移動モードにおける船体位置Pの終端位置である。この到達点Bから終端点B’への置換によれば、保持モードの初期値による過渡現象が防止される(非特許文献2参照)。 Switching from the moving mode to the holding mode shown in FIG. 11 is performed when the point H based on the hull position P reaches the arrival point B. As shown in FIG. At this time, the reaching point of the hold mode is changed from B to the terminal point B'. Therefore, the terminal point B' is the terminal position of the hull position P in the movement mode. This replacement from the reaching point B to the terminal point B' prevents the transient phenomenon due to the initial value of the hold mode (see Non-Patent Document 2).
移動モードから保持モードへ切り替えられる際、船体位置Pの位置と方位とを終端点B’に置換する。即ち、次式になる。 When switching from the move mode to the hold mode, the position and heading of the hull position P are replaced with the terminal point B'. That is, the following formula is obtained.
方位誤差ψeは、 The orientation error ψ e is
位置誤差xe,yeは船体座標で表し、次式になる。 The position errors x e and y e are represented by the hull coordinates and are given by the following equations.
(4.3 制御システム)
制御システムについて説明する。図12は、制御システムの基本構成を示す図である。図13は、制御部の構成を示す図である。図14、図15は、それぞれ、移動制御部、保持制御部による制御システムの構成を示す図である。
(4.3 Control system)
The control system will be explained. FIG. 12 is a diagram showing the basic configuration of the control system. FIG. 13 is a diagram showing the configuration of a control unit. 14 and 15 are diagrams showing configurations of control systems by the movement control section and the holding control section, respectively.
上述したように、制御システムは、距離制御(DC)と、航路制御(TC)と、航路保持制御(DP)から構成される(図3参照)。制御システムの基本構成は、図12に示すように、誤差を入力し指令を出力して、対水速度に対応する船体パラメータを用いて制御ゲインを更新するものである。 As described above, the control system consists of distance control (DC), course control (TC), and course keeping control (DP) (see FIG. 3). The basic configuration of the control system, as shown in FIG. 12, is to input an error, output a command, and update the control gain using the hull parameter corresponding to the water speed.
図13に示すように、制御部12は、移動モードによる制御を行う移動制御部121と、保持モードによる制御を行う保持制御部122と、切替部123とを備える。切替部123は、船体位から(48)式を検出して、制御主体を移動制御部121または保持制御部122に切り替えることによって、制御システムを移動モードから保持モードへ切り替える。
As shown in FIG. 13 , the
図14、図15において、C(s)は制御器を示す。また、図14において、添字dは距離制御、添字tは航路誤差制御、添字hは方位制御を示す。また、図15において、添字x、添字y、添字ψはいずれ船体位置保持制御を示し、それぞれ、surge,sway,yawに対応する。図14に示すように、移動制御部121は距離制御器、航路制御器、及び方位制御器を有する。また、図15に示すように、保持制御部122は、surge,sway,yawのそれぞれに対応する船体位置保持制御器を有する。航路制御器以外の制御器は同一の構成となるため、これらの制御器に対応する船体パラメータや設計パラメータが与えられることで、距離制御器、方位制御器、船体位置保持制御器として機能する。
14 and 15, C(s) indicates a controller. In FIG. 14, the subscript d indicates distance control, the subscript t indicates course error control, and the subscript h indicates heading control. In FIG. 15,
(4.3.1 航路制御)
航路制御について説明する。
(4.3.1 Route control)
Next, route control will be explained.
航路制御は航路誤差yeをゼロに収斂させるもので、方位制御と航路誤差修正からなる。航路制御の詳細については非特許文献3を参照されたい。また、方位制御は舵角オフセットを修正する。航路誤差制御は積分動作を加えることで潮流成分による航路誤差を修正する。
Course control converges the course error y e to zero, and consists of heading control and course error correction. See
方位制御は推定器に状態フィードバックゲインを加えたもので、次式になる。 Azimuth control is an estimator plus a state feedback gain, and is given by the following equation.
航路誤差制御は航路誤差をフィルタし、航路ゲインを乗じたものであり、次式になる。 The route error control is the filtered route error multiplied by the route gain, which is given by the following equation.
航路制御による指令は次式になる。 The command by route control is expressed by the following formula.
(4.3.2 距離制御と船体位置保持制御)
距離制御及び船体位置保持制御について説明する。
(4.3.2 Distance control and hull position holding control)
Distance control and hull position retention control will be described.
距離制御、船体位置保持制御は、いずれも方位制御と同様に構成される。(52)式に対して、距離制御、船体位置保持制御のそれぞれの船体パラメータや設計パラメータが与えられることで、距離制御、船体位置保持制御の制御システムが得られる。 Both the distance control and the hull position holding control are configured in the same manner as the azimuth control. By giving hull parameters and design parameters for distance control and hull position maintenance control to equation (52), a control system for distance control and hull position maintenance control is obtained.
(5 検証)
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置の有効性をシミュレーションによって検証する。
(5 Verification)
The effectiveness of the marine automatic steering system according to this embodiment is verified by simulation.
(5.1 シミュレーション条件)
シミュレーション条件について説明する。
(5.1 Simulation conditions)
Simulation conditions will be explained.
シミュレーションにおいて、計算時間は25分、その前半は移動モード、後半は保持モードによる制御がなされるものとし、刻み時間は0.1sである。外乱は潮流成分で1.0kn、北向きとする。また、船体パラメータは速度対応でなく一定値を用いる。計画航路の設定値を以下に示す。 In the simulation, it is assumed that the computation time is 25 minutes, the first half of which is controlled by the movement mode, the latter half of which is controlled by the hold mode, and the increment time is 0.1 s. The disturbance is assumed to be a tidal current component of 1.0 kn, facing north. Also, the hull parameters are constant values, not corresponding to speed. The set values for the planned route are shown below.
駆動機については、一定回転数をλ0=110rpm、角度制限を45degとする。 As for the driving machine, the constant rotation speed is λ 0 =110 rpm, and the angle limit is 45 degrees.
船体パラメータと主要な設計パラメータを以下に示す。 The hull parameters and major design parameters are shown below.
航路誤差制御は積分動作を含まないため、潮流成分による航路誤差が生じる。スケール変換はγr′=0.2γrとし、sway方向指令速度を角度換算する係数は45deg/10knとする。リーチ量は上述の条件でreach=76.0mになる。 Since the course error control does not include an integral action, the course error due to the tidal current component occurs. The scale conversion is γr ′= 0.2γr , and the coefficient for angular conversion of the sway direction command speed is 45deg/10kn. The reach amount is reach=76.0 m under the above conditions.
(5.2 シミュレーション結果)
シミュレーション結果について説明する。図16~図21はいずれもシミュレーション結果を示す。図16、図17は、それぞれ、潮流がゼロの場合、潮流がある場合における計画航路と船位航跡を示す図である。図18は、船体運動の応答を示す図である。図19は、誤差の応答を示す図である。図20は、指令の応答を示す図である。図21は、駆動機出力の応答を示す図である。
(5.2 Simulation results)
Simulation results will be explained. 16 to 21 all show simulation results. FIG. 16 and FIG. 17 are diagrams showing the planned route and the ship's position track when there is no tidal current and when there is tidal current, respectively. FIG. 18 is a diagram showing the response of ship motion. FIG. 19 shows the error response. FIG. 20 is a diagram showing a command response. FIG. 21 is a diagram showing the response of the driver output.
図16に示すように、リーチ量は旋回時に大きいようにみえるが、航路誤差は旋回後ゼロに収束している。なお、図16~図21のうち、図16のみが潮流なしの場合のシミュレーション結果を示す。 As shown in FIG. 16, the reach amount seems to be large during turning, but the course error converges to zero after turning. Of FIGS. 16 to 21, only FIG. 16 shows the simulation results when there is no power flow.
図17に示すように、航路誤差が潮流により生じるが、一定値に収束している。終端点B’と到達点Bとの誤差は25.5mである。 As shown in FIG. 17, the route error is caused by the tidal current, but converges to a constant value. The error between the terminal point B' and the reaching point B is 25.5 m.
図18に示すように、surge速度uは、時間または距離が足りず、前半では旋回までに対地速度に収束できない。sway速度vは前半では旋回時yaw運動との干渉誤差を生じるが、安定している。yaw角速度rには問題は生じていない。 As shown in FIG. 18, the surge speed u cannot converge to the ground speed before the turn in the first half due to insufficient time or distance. The sway velocity v produces an interference error with the yaw motion during turning in the first half, but is stable. There is no problem with the yaw angular velocity r.
図19に示すように、xeの収斂がyeとψeに比べて悪い。yeとψeは As shown in FIG. 19, the convergence of x e is worse than that of y e and ψ e . y e and ψ e are
図20に示すように、後半の保持モードでは、船体位置を終端点B’に保持するため、指令はバイアスをもつ。 As shown in FIG. 20, in the latter half of the hold mode, the command is biased to hold the hull position at the terminal point B'.
図21に示すように、駆動機出力の応答において飽和制限は生じていない。 As shown in FIG. 21, there is no saturation limitation in the driver output response.
よって、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置1による制御は適切に動作していることが確認できた。
Therefore, it was confirmed that the control by the
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。この新規な実施形態は、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。この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。 Embodiments of the invention are provided by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be embodied in various other forms, and various omissions, replacements, and modifications can be made without departing from the scope of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
1 船舶用自動操舵装置
2 船体
3 推進駆動装置
4 センサ
11 参照軌道生成部
12 制御部
121 移動制御部
122 保持制御部
123 切替部
1 marine
Claims (3)
計画航路に基づいて、出発点から到達点までの軌道と、該出発点から該到達点までのsurge方向距離の時間関数である参照距離と、方位の時間関数である参照方位とを含む参照軌道を生成する参照軌道生成部と、
前記船舶の位置を前記参照距離に追従させる距離制御と、前記船舶の位置を前記軌道に追従させるとともに前記船舶の方位を前記参照方位に追従させる航路制御とによって、前記船舶を制御する移動制御部と、
前記船舶の位置を保持するように前記船舶を制御する保持制御部と、
前記船舶の位置から該船舶のsway方向に延在する線と、前記軌道との交点が前記到達点に達した場合、前記移動制御部による制御から前記保持制御部による制御に切り替える切替部と
を備える船舶用自動操舵装置。 An autopilot for a marine vessel that controls a marine vessel comprising a propulsion drive device capable of controlling the velocities in the surge and sway directions and the angular velocity around the yaw;
Based on the planned route, a reference trajectory including a trajectory from a starting point to a destination point, a reference distance that is a time function of the surge direction distance from the starting point to the destination point, and a reference bearing that is a time function of the bearing a reference trajectory generator that generates
A movement control unit that controls the vessel by distance control that causes the position of the vessel to follow the reference distance, and route control that causes the position of the vessel to follow the trajectory and the azimuth of the vessel to follow the reference azimuth. When,
a holding control unit that controls the ship to hold the position of the ship;
A line extending from the position of the ship in the sway direction of the ship, and a switching unit that switches from control by the movement control unit to control by the holding control unit when the intersection with the trajectory reaches the arrival point. Automatic steering system for ships.
前記船体パラメータは、前記移動制御部による制御において所定の対水速度閾値より大きい対水速度において該対水速度に比例し、前記保持制御部による制御において前記対水速度閾値以下である対水速度において一定であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の船舶用自動操舵装置。 each of the movement control unit and the holding control unit updates a control gain based on a hull parameter corresponding to the water speed of the ship;
The hull parameter is proportional to the water speed at a water speed greater than a predetermined water speed threshold in the control by the movement control unit, and is equal to or less than the water speed threshold in the control by the holding control unit. 3. The automatic marine steering system according to claim 1 or 2, wherein the constant at .
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