JP2808531B2

JP2808531B2 - 航走体の制御推力配分装置

Info

Publication number: JP2808531B2
Application number: JP8043211A
Authority: JP
Inventors: 郁夫山本; 郁二寺田; 洋幸小嶋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1995-04-17
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JPH092393A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、船舶、水中航走
体、洋上プラットフォーム、飛行体等に適用される航走
体の制御推力配分装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】船舶や橋りょう作業台船用プラットフォ
ーム等に代表されるような航走体に対して、設定位置に
定点保持を行なうために、運動コントロール装置、即ち
推力配分装置が一般的に用いられている。

【０００３】図１０に、ジョイスティックシステム（レ
バーを倒した方向に航走体が進むシステム）の推力配分
装置を示す。同図に示すように、この推力配分装置は、
基本的にアクチュエータ駆動部１と、アクチュエータ
（推力発生器）２によって構成されている。上記アクチ
ュエータ駆動部１に対して、ジョイスティック指令（手
動指令）が与えられる。このジョイスティック指令を基
にアクチュエータ駆動部１は、アクチュエータ２を駆動
させる。即ち、アクチュエータ２からの出力によって航
走体３は定点保持制御される。

【０００４】また、図１１に示す自動制御の推力配分装
置は、ＰＩ制御部１１、アクチュエータ駆動部１２、ア
クチュエータ（推力発生器）１３により構成されてお
り、航走体１４に対しての制御を行なう。同図に示す装
置においては、航走体１４における位置情報等が検出さ
れて外部から入力される目標値（設定位置情報等）と比
較され、上記目標値に一致させるように複数のアクチュ
エータ１３に対する自動制御を行ない、航走体１４を定
点保持制御するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記図１０及び図１１
に示した従来の推力配分装置において、航走体３，１４
を設定位置に定点保持するために必要なトータル推力
（Ｆｏｒｃｅコマンド）と、トータルモーメント（Ｍｏ
ｍｅｎｔコマンド）のコマンド信号を受けて、アクチュ
エータ駆動部１，１２が、それぞれアクチュエータ２，
１３の首振り角度を最小にするような推力配分を行なう
ことが望ましい。しかし、このような条件を満足する推
力配分装置は、未だ実用化されていない。

【０００６】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、推力発生器の首振り角度が最小となるように推力配
分を行ない、航走体に対して優れた定点保持制御を実現
する航走体の制御推力配分装置を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、複数の運
動制御用の推力発生器を備えた航走体の定点保持制御を
行なう航走体の制御推力配分装置において、上記航走体
の位置、速度及び方位角を検出する検出器と、上記航走
体の位置、速度及び方位角を設定する設定器と、この設
定器及び上記検出器から出力される位置、速度及び方位
角情報を比較して上記航走体を設定位置及び設定方位角
に保持するために必要なトータル推力及びトータルモー
メントのコマンド信号を出力する制御コマンド演算器
と、この制御コマンド演算器から出力されるコマンド信
号を基に、上記複数の推力発生器各々における最小首振
り角度で上記トータル推力及びトータルモーメントを確
保するように上記複数の推力発生器各々に応じた推力配
分信号を出力する推力配分器と、この推力配分器から出
力された推力配分信号を基にして上記複数の推力発生器
をそれぞれ駆動する複数の推力発生器駆動部とを具備し
たことを特徴とする。

【０００８】第２の発明は、複数の運動制御用の推力発
生器を備えた航走体の定点保持制御を行なう航走体の制
御推力配分装置において、上記航走体の方位角を検出す
る検出器と、上記航走体の方位角を設定する設定器と、
この設定器及び上記検出器から出力される方位角情報を
比較して上記航走体を設定角度に保持するために必要な
トータルモーメントのコマンド信号を出力する制御コマ
ンド演算器と、この制御コマンド演算器から出力される
コマンド信号を基に、上記複数の推力発生器各々におけ
る最小首振り角度で上記トータルモーメントを確保する
ように上記複数の推力発生器各々に応じた推力配分信号
を出力する推力配分器と、この推力配分器から出力され
た推力配分信号を基にして上記複数の推力発生器をそれ
ぞれ駆動する複数の推力発生器駆動部とを具備したこと
を特徴とする。

【０００９】第３の発明は、複数の運動制御用の推力発
生器を備えた航走体の定点保持制御を行なう航走体の制
御推力配分装置において、上記航走体の位置、速度及び
方位角を検出する検出器と、上記航走体の位置、速度及
び方位角を設定する設定器と、この設定器及び上記検出
器から出力される位置、速度及び方位角情報を比較して
上記航走体を設定位置及び設定方位角に保持するために
必要なトータル推力及びトータルモーメントのコマンド
信号を出力する制御コマンド演算器と、この制御コマン
ド演算器から出力されるコマンド信号を基に、上記複数
の推力発生器各々における最小首振り角度で上記トータ
ル推力及びトータルモーメントを確保するように上記複
数の推力発生器各々に応じた推力配分信号を出力する推
力配分器と、この推力配分器から出力された推力配分信
号を基にして上記複数の推力発生器をそれぞれ駆動する
複数の推力発生器駆動部とを具備したことを特徴とす
る。

【００１０】（作用）航走体の現状の状態、例えば位
置、速度、方位角等が検出器により検出されて制御コマ
ンド演算器に送られる。一方、設定器からは、上記航走
体における設定情報、例えば位置、速度、方位角等の設
定情報が制御コマンド演算器に送出される。この制御コ
マンド演算器は、上記検出器により検出された例えば位
置、速度、方位角情報等と、設定器により設定された情
報とを比較し、トータル推力とトータルモーメントのコ
マンド信号を推力配分器に出力する。次に、この推力配
分器は、複数の推力発生器各々に対して最小首振り角度
で上記トータル推力とトータルモーメントを確保するた
めに必要な推力配分信号を生成する。生成された上記複
数の推力発生器各々に対応する推力配分信号は、複数の
推力発生器駆動部それぞれに対して送出される。これら
の各推力発生器駆動部は、上記入力された推力配分信号
を基にして対応する推力発生器を最小首振り角で駆動
し、航走体を設定位置及び設定方位に保持するように制
御する。

【００１１】上記のように、航走体における複数の推力
発生器各々の首振り角を最小とする条件で、上記航走体
を設定位置に定点保持するために必要なトータル推力と
トータルモーメントを確保するような推力配分信号を出
力できるので、従来に比べ、効率良く航走体の定点保持
制御を実行することが可能になる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
一実施形態を説明する。図１は、この発明の対象とする
航走体の浮体系概念図である。図１において、２１は、
例えば船舶等の航走体である。この航走体２１内には、
制御推力配分装置（制御装置）２２が搭載されている。
また、航走体２１の外部底面には、複数個の推力発生器
２３が取り付けられている。また、この推力発生器２３
として、ここでは首振りスラスタを使用している。制御
推力配分装置２２は、上記複数個の推力発生器２３それ
ぞれを制御することにより、航走体２１の定点保持制御
を行なう。

【００１３】図２は、この発明の一実施形態に係る制御
推力配分装置を航走体に適用した際のシステム構成図、
図３は、推力配分器の詳細を示す構成図、図４は推力発
生器駆動部及び推力発生器の機能説明図、図５は上記図
２、図３及び図４を纏めた全体の回路構成図である。

【００１４】図２に示すように、制御推力配分装置２２
は、検出器３１、設定器３２、制御コマンド演算器３
３、推力配分器３４、推力発生器駆動部３５によって構
成されている。

【００１５】上記検出器３１は、図５に示すように例え
ばＧＰＳ（電波測位システム）等を用いて航走体２１の
位置を計測する船位測定装置３１ａ、対地速度を計測す
る船速計３１ｂ、船首の方位角を検出するジャイロコン
パス３１ｃからなり、検出した各種情報を制御コマンド
演算器３３に出力する。また、設定器３２は、航走体２
１の船位を設定する船位設定器３２ａ、船速を設定する
船速設定器３２ｂ、船首の方位角を設定する方位設定器
３２ｃ等からなり、その設定情報を制御コマンド演算器
３３に出力する。

【００１６】この制御コマンド演算器３３は、検出器３
１により検出された上記各情報と、設定器３２の各設定
情報とを比較し、航走体２１を設定位置、あるいは設定
角度に定点保持するために必要なトータル推力（Ｆ_XC，
Ｆ_YC）（Ｆｏｒｃｅコマンド）と、トータルモーメント
（Ｎ_ZC）（Ｍｏｍｅｎｔコマンド）のコマンド信号を推
力配分器３４に出力する。

【００１７】すなわち、制御コマンド演算器３３は、定
常的に必要な推力を求める現推力演算回路３３ａ、及び
船位がずれた時にそのずれを戻すのに必要な推力を求め
る比較演算回路３３ｂからなり、この比較演算回路３３
ｂは、更に比較回路３３ｂ１、ＰＩ（比例積分）演算回
路３３ｂ２、比較回路３３ｂ３、Ｄ（微分）演算回路３
３ｂ４、比較回路３３ｂ５、ＰＩＤ（比例積分微分）演
算回路３３ｂ６、加算回路３３ｂ７、加算回路３３ｃ、
船体形状記憶回路３３ｄ、加算回路３３ｅからなってい
る。

【００１８】上記比較回路３３ｂ１は、船位設定器３２
ａに設定された船位と船位測定装置３１ａにより測定さ
れた現在の船位とを比較し、その差信号をＰＩ演算回路
３３ｂ２に出力する。このＰＩ演算回路３３ｂ２は、比
較回路３３ｂ１からの差信号に基づいて、ずれを元に戻
すためのＸ軸方向及びＹ軸方向の推力を求めて加算回路
３３ｂ７へ出力する。

【００１９】また、比較回路３３ｂ３は、船速設定器３
２ｂに設定された船速と船速計３１ｂにより測定された
船速とを比較し、その差信号をＤ演算回路３３ｂ４に出
力する。このＤ演算回路３３ｂ４は、比較回路３３ｂ３
からの差信号に基づいて、ずれを元に戻すためのＸ軸方
向及びＹ軸方向の速度を求めて加算回路３３ｂ７へ出力
する。そして、加算回路３３ｂ７は、ＰＩ演算回路３３
ｂ２とＤ演算回路３３ｂ４の演算結果を加算し、推力発
生器２３のＸ軸方向の推力Ｆ_X 、Ｙ軸方向の推力Ｆ_Yを
加算回路３３ｃへ出力する。

【００２０】また、比較回路３３ｂ５は、方位設定器３
２ｃに設定された方位角とジャイロコンパス３１ｃによ
り計測された現在の方位角とを比較し、その差信号をＰ
ＩＤ演算回路３３ｂ６に出力する。このＰＩＤ演算回路
３３ｂ６は、比較回路３３ｂ５からの差信号をに基づい
て演算を行ない、ピッチングのモーメント信号値Ｆ_Nを
求めて加算回路３３ｅへ出力する。

【００２１】一方、現推力演算回路３３ａは、推力発生
器駆動部３５から各推力発生器２３への指令値に基づい
て現在の推力を演算し、そのＸ軸方向の推力Ｆ_XO及びＹ
軸方向の推力Ｆ_YOを加算回路３３ｃに入力し、ピッチン
グのモーメント信号値Ｎ_ZOを加算回路３３ｅに入力す
る。

【００２２】加算回路３３ｅは、船体形状記憶回路３３
ｄに記憶されている船体形状を参照し、現推力演算回路
３３ａからの現在の推力Ｆ_XO，Ｆ_YOと加算回路３３ｂ７
からのずれを戻すのに必要な推力Ｆ_X 、Ｆ_Y を加算処理
し、Ｘ，Ｙ軸方向のトータル推力（Ｆ_XC，Ｆ_YC）を求め
て推力配分器３４に出力する。また、加算回路３３ｅ
は、現推力演算回路３３ａからのピッチングのモーメン
ト信号値Ｎ_ZO及びＰＩＤ演算回路３３ｂ６からのピッチ
ングのモーメント信号値Ｆ_N を加算し、トータルモーメ
ント（Ｎ_ZC）を推力配分器３４に出力する。

【００２３】この推力配分器３４は、制御コマンド演算
器３３から送られる上記コマンド信号を受けて、最小推
力器首振り角で上記トータル推力及びトータルモーメン
トを確保するように、複数個の推力発生器２３それぞれ
に対応して設けられている推力発生器駆動部３５に対し
て推力配分信号を出力する（図２、図５では、複数の推
力発生器２３及び推力発生器駆動部３５は、それぞれ１
個のブロックとして示している）。

【００２４】上記推力配分器３４は、図３及び図５に示
すように推力成分演算回路３４ａ、推力発生器位置記憶
回路３４ｂ、変化後角度演算回路３４ｃ、第１評価演算
回路３４ｄ、第２評価演算回路３４ｅ、推力成分決定回
路３４ｆからなっている。

【００２５】そして、上記制御コマンド演算器３３から
送られてくるトータル推力（Ｆ_XC，Ｆ_YC）及びトータル
モーメント（Ｎ_ZC）が推力成分演算回路３４ａに入力さ
れる。また、推力発生器２３の首振り変化前の現状の角
度ψ_0iが第１評価演算回路３４ｄに入力される。推力発
生器位置記憶回路３４ｂは、航走体２１の重心Ｇからｉ
番目の推力発生器２３までの距離（Ｌ_Xi，Ｌ_Yi）を記憶
して推力成分演算回路３４ａに入力する。この推力成分
演算回路３４ａは、上記各入力に基づいて各推力発生器
２３のＸ，Ｙ軸方向の推力成分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）を求め、
変化後角度演算回路３４ｃに出力する。この変化後角度
演算回路３４ｃは、推力成分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）から推力発
生器２３の首振り変化後の角度ψ_i を求め、第１評価演
算回路３４ｄに出力する。

【００２６】第１評価演算回路３４ｄは、推力発生器２
３の首振り変化前の現状の角度ψ_0i及び首振り変化後の
角度ψ_i から評価関数Ｊ₁ を求めて第２評価演算回路３
４ｅに出力する。この第２評価演算回路３４ｅは、評価
関数Ｊ₁ に基づいて総合評価関数Ｊ₂ を計算して推力成
分決定回路３４ｆへ出力する。この推力成分決定回路３
４ｆは、上記総合評価関数Ｊ₂ の最小解、つまり、推力
成分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）を求め、各推力発生器駆動部３５へ
出力する。

【００２７】次に、上記推力配分器３４における配分ア
ルゴリズムについて上記図１、図３を用いて説明する。
図１に示す航走体２１において行なわれる運動は、３次
元空間運動である。即ち、同図の航走体２１の浮体系概
念図において、上記運動は、航走体２１の重心Ｇを原点
とするＸ，Ｙ，Ｚ軸まわりの３つの自由度を持つ。従っ
て推力発生器２３における推力は、以下の（１）〜
（３）式に示す条件を満足しなければならない。

【００２８】

【数１】

【００２９】

【数２】

【００３０】

【数３】

【００３１】但し、上記（１），（２）式は力の等式条
件であり、（３）式はモーメントの等式条件（モーメン
トは右ねじ方向を正とする）である。上記（１）〜
（３）式において、ｎは推力発生器２３の個数、ｉはｉ
番目の推力発生器２３、Ｆ_XC，Ｆ_YCは推力発生器２３に
要求されるＸ，Ｙ軸方向のトータル推力信号値である。
また、Ｎ_ZCは推力発生器２３に要求されるピッチングの
トータルモーメント信号値であり、（Ｌ_Xi，Ｌ_Yi）は航
走体２１の重心Ｇからｉ番目の推力発生器２３までの距
離、そして、（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）はｉ番目の推力発生器２３
のＸ，Ｙ軸方向の推力成分である。また、上記Ｆ_Xi，Ｆ
_Yiには、以下の不等式条件に表される許容範囲が指定さ
れる。

【００３２】Ｆ_mini ² ≦Ｆ_Xi ² ＋Ｆ_Yi ² ≦Ｆ_maxi ² …（４）上記（４）式において、Ｆ_miniは、ｉ番目の推力発生器
２３が発生する推力の最小値、即ち最小容量である。ま
た、Ｆ_maxiは、ｉ番目の推力発生器２３が発生する推力
の最大値、即ち最大容量である。

【００３３】また、上記した許容範囲内において、上記
（１）〜（３）式の３つの等式条件及び２ｎ項の不等式
条件を満足する推力成分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）（ｉ＝１〜ｎ）
は多数存在する。従って、１つの評価基準を設け、それ
に従い、各推力発生器２３の推力成分を決定する必要が
ある。また、上記した２ｎ項の不等式というのは、ｎ個
の推力発生器２３の各々が、上記（４）式における最小
推力値（Ｆ_mini）以上、最大推力値（Ｆ_maxi）以下とい
う２個の不等式条件を有することによるものである。

【００３４】推力配分器３４の推力成分演算回路３４ａ
は、上記（１）〜（４）式により各推力発生器２３の
Ｘ，Ｙ軸方向の推力成分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）を求める。上記
推力配分器３４の配分アルゴリズムにおいては、上記評
価基準として、推力発生器２３における首振り角（首振
りスラスタ角）変化を最小とすることを条件として用い
て、各推力発生器２３の推力成分の決定を行なう。その
際に用いる評価関数を以下の（５）式に示す。

【００３５】

【数４】

【００３６】第１評価演算回路３４ｄは、上記（５）式
により評価関数Ｊ₁ を計算する。ここで、ψ_i ＝ｔａｎ^-1（Ｆ_Yi／Ｆ_Xi） …（６）上記（５）式において、ψ_0iは、推力発生器２３の首振
り変化前の現状の角度、即ち基準値の角度である。ま
た、ψ_i は、推力発生器２３の首振り変化後の角度であ
り、変化後角度演算回路３４ｃにおいて求める。即ち、
上記（５）式において設定された評価関数Ｊ₁ を最小化
するような解を求めることにより、首振り角の変化を最
小とする推力配分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）（ｉ＝１〜ｎ）の決定
が行なわれる。次に、上記評価関数Ｊ₁ を最小化するた
めに必要な演算について以下に説明する。

【００３７】まず、第２評価演算回路３４ｅにより、総
合評価関数Ｊ₂ を以下の（７）式のように設定して求め
る。Ｊ₂ ＝Ｊ₁ ＋Ψ（ｒ，Ｈ₁ ，Ｈ₂ ）＋Φ（ｒ，Ｇ₁ ） …（７）ここで、Ψは、等式条件に関するペナルティ関数であ
り、以下の（８）式に示すように表される。

【００３８】

【数５】

【００３９】また、上記（７）式におけるΦは、不等式
条件に関するペナルティ関数であり、次の（９）式に示
すように表される。 Φ＝ｔ（１／Ｇ_j ） …（９）また、（７），（８）式におけるｒ及び（９）式のｔ
は、共に可変パラメータであり、上記（８）式における
Ｈ_i はこの場合、上記Ｈ₁ ，Ｈ₂ を、そして（９）式に
おけるＧ_j は、上記Ｇ₁ を意味している。また、上記Ｈ
_i ，Ｇ_j におけるｉ，ｊは、個数を一般化していること
によるものである。

【００４０】次に、推力成分決定回路３４ｆにおいて、
上記総合評価関数Ｊ₂ の最小解を準ニュートン法によ
り、パラメータｒ，ｔの値を変えて演算する。上記準ニ
ュートン法とは、関数に対して有限回の反復で解を得る
ことができるアルゴリズムで、制約付き問題（等式、不
等式条件）を拡張目的関数の導入により、制約なしの問
題に変換した後に用いて、制約なし問題の解（最適値）
を求める方法である。例えばある状態ｘ^k において方向
ベクトルｄ^k を用い、その方向に評価関数Ｊ₁ が減少す
るように上記ｘ^k を移動し、上記した過程を反復させる
ことにより、上記ｘ^k を最適解に収束させるものであ
る。

【００４１】上記総合評価関数Ｊ₂ の最小解を求めるこ
とにより、推力配分器３４において得られた最小解、即
ち推力成分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）は、推力配分信号として各推
力発生器駆動部３５に出力される。各推力発生器駆動部
３５は、上記推力配分信号、即ち最小解Ｆ_Xi，Ｆ_Yiを基
に上記（６）式を用い、対応する推力発生器２３におけ
る最小の首振り角を得る。また、推力発生器駆動部３５
は、以下の式により、対応する推力発生器２３における
回転数（推力）Ｆ_i を得る。

【００４２】Ｆ_i ＝（Ｆ_Xi ² ＋Ｆ_Yi ² ）^1/2 …（１０）各推力発生器駆動部３５は、算出した首振り角と回転数
を首振り角指令値及び回転数指令値として、対応する推
力発生器２３に出力する。各推力発生器２３において
は、上記した２つの指令値を基に、最小の首振り角及び
推力が得られ、航走体２１における運動制御、即ち、定
点保持制御が行なわれる。また、図２に示す制御コマン
ド演算器３３において求められる上記したトータル推力
の算出には、以下の演算式を用いている。

【００４３】

【数６】

【００４４】

【数７】更に、トータルモーメントは以下の演算式によって求め
られる。

【００４５】

【数８】

【００４６】トータル推力（Ｆ_XC＋Ｆ_YC）及びトータル
モーメント（Ｎ_ZC）を求めるための上記（１１）〜（１
３）式において、＊は設定値を示す記号であり、Ｘ，Ｙ
及びθは航走体２１の位置そして角度を表している。ま
た、上記（１１）式の右辺の「Ｋ_DX・ｄ（Ｘ^* −Ｘ）／
ｄｔ」及び（１２）式の右辺の「Ｋ_DY・ｄ（Ｙ^* −Ｙ）
／ｄｔ」における位置の微分「ｄ／ｄｔ」は船速を示し
ている。

【００４７】トータル推力（Ｆ_XC＋Ｆ_YC）及びトータル
モーメント（Ｎ_ZC）は、設定値と検出値との差異に基づ
き、ＰＩＤ演算して求められる。なお、この制御コマン
ド演算器３３は、ＰＩＤ演算が最も好ましいが、これに
限定されるものではなく、ＰＤ演算、ＰＩ演算等でも良
い。また、図５における制御コマンド演算器３３の比較
演算回路３３ｂは、上記（１１）〜（１３）式を図式化
したものである。

【００４８】次に、上記推力発生器駆動部３５の一般的
な機能について、図４を用いて更に詳しく説明する。推
力発生器駆動部３５は、図４（ａ）に示すように、推力
配分器３４において算出された各推力発生器２３より得
た推力配分を入力として、上記各推力発生器２３それぞ
れについての首振り角ψを以下の（１４）式によって求
める。

【００４９】 ψ＝ｔａｎ^-1（Ｆ_Y ／Ｆ_X ） …（１４）上記（１４）式において、Ｆ_X は各推力発生器２３それ
ぞれのＸ軸方向の推力配分、そしてＦ_Y はＹ軸方向の推
力配分である。また、以下に示す式によって推力配分器
２３における回転数φを求めている。

【００５０】 φ←（Ｆ_X ² ＋Ｆ_Y ² ）^1/2 …（１５）つまり、推力発生器駆動部３５は、上記（１５）式によ
って各推力発生器２３の推力配分に対応する回転数φを
関数値により決定する。即ち、推力発生器駆動部３５
は、上記（１４），（１５）式に示す演算を行ない、図
４（ｂ）に示す推力発生器２３に対して出力する首振り
角指令値及び回転数指令値を決定する。また、同図
（ｂ）に示すように、各々の推力発生器２３において
は、入力値である推力発生器駆動部３５からの上記首振
り角指令値と回転数指令値を基に、首振り角と推力を出
力として得る。

【００５１】次に上記実施形態の動作について説明す
る。図１において、航走体（浮体）２１が、海面上に存
在している。この状態において、図２に示す制御推力配
分装置２２の設定器３２からは、航走体２１の設定位
置、設定角度等の情報が制御コマンド演算器３３に送出
されている。一方、検出器３１は、航走体２１における
位置情報、角度情報等を検出して制御コマンド演算器３
３に送出している。次に、この制御コマンド演算器３３
において行なわれる演算を図６に示すフローチャートを
用いて説明する。

【００５２】即ち、同図において、上記したように設定
器３２から出力される航走体２１の位置及び角度の設定
値情報、つまり（Ｘ^* ，Ｙ^* ，θ^* ）が制御コマンド演
算器３３に入力される（ステップＡ１）。そして航走体
２１における現状の上記位置及び角度情報、つまり
（Ｘ，Ｙ，θ）が、制御コマンド演算器３３に入力され
る（ステップＡ２）。次に、制御コマンド演算器３３
は、上記（１１）〜（１３）式に示す演算を行ない、ト
ータル推力信号値Ｆ_XC，Ｆ_YC及びトータルモーメント信
号値Ｎ_ZCを算出する（ステップＡ３）。

【００５３】上記ステップＡ３において、トータル推力
信号値Ｆ_XC，Ｆ_YCを求める式中の「ｄ（Ｘ^* −Ｘ）／ｄ
ｔ）」、「ｄ（Ｙ^* −Ｙ）／ｄｔ）」は、それぞれｄ（Ｘ^* −Ｘ）／ｄｔ＝（ｄＸ^* ／ｄｔ）−（ｄＸ／ｄｔ）ｄ（Ｙ^* −Ｙ）／ｄｔ＝（ｄＹ^* ／ｄｔ）−（ｄＹ／ｄｔ）により算出される。上式における（ｄＸ／ｄｔ，ｄＹ／
ｄｔ）の運動パラメータ検出値として船速計の計測デー
タが用いられる。なお、（ｄＸ^* ／ｄｔ），（ｄＹ^* ／
ｄｔ）は、目標値（設定値）である。

【００５４】また、トータルモーメント信号値Ｎ_ZCを求
める式中の「ｄ（θ^* −θ）／ｄｔ）」は、ｄ（θ^* −θ）／ｄｔ＝（ｄθ^* ／ｄｔ）−（ｄθ／ｄｔ）により算出される。上式における（ｄθ／ｄｔ）の角度
レート値の検出値としてジャイロからの角度信号が用い
られる。なお、（ｄθ^* ／ｄｔ）は、目標値（設定値）
である。

【００５５】次に、上記ステップＡ３で算出されたトー
タル推力信号値Ｆ_XC，Ｆ_YC、及びトータルモーメント信
号値Ｎ_ZCは、推力配分器３４に対して出力される（ステ
ップＡ４）。

【００５６】次に、推力配分器３４は、制御コマンド演
算器３３から送られた上記Ｆ_XC，Ｆ_YC及びＮ_ZCの信号値
（Ｆｏｒｃｅコマンド及びＭｏｍｅｎｔコマンド）を基
にして推力成分を求める。即ち、推力配分器３４は、上
記した力の等式条件である（１），（２）式及びモーメ
ントの等式条件である（３）式を満足し、（４）式にお
ける許容範囲内にあり、そして首振り角が最小となるよ
うな各推力発生器２３各々に応じた推力成分Ｆ_Xi，Ｆ_Yi
を上記した配分アルゴリズムにおける演算に従い、即
ち、（５）式における評価関数Ｊ₁ を最小化することに
よって決定する。

【００５７】次に、各推力配分器３４は、決定した複数
の推力発生器２３各々に応じた最小解の推力成分
（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）を推力配分信号として、それぞれ各推力
発生器駆動部３５に出力する。次に、各推力発生器駆動
部３５は、入力された上記推力配分信号、即ち推力成分
（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）から、上記（６），（１０）式を用いて
複数の推力発生器２３それぞれに応じた最小の首振り
角、そして回転数（推力）を求める。この首振り角及び
回転数は、各推力発生器駆動部３５から首振り角指令
値、回転数指令値の信号として、対応する推力発生器２
３に出力される。次に、各推力発生器２３において、各
々に応じた首振り角及び推力が出力として得られ、航走
体２１における定点保持制御がなされる。

【００５８】次に、上記した実施形態における航走体２
１の定点保持制御について、制御推力配分装置２２によ
って行なわれる３つの演算結果の例を図７〜図９（ケー
ス１〜ケース３）を用いて説明する。

【００５９】まず、図７（ａ）に示す浮体である航走体
２１において、海面における潮流の速さが３ノット、波
浪方向３５°、波高０．５ｍ、風が３５°方向、そして
風速１０ｍ／ｓｅｃという諸条件で、潮流外乱が０°→
３５°に変化した場合について、同図（ｂ）に、航走体
２１の重心Ｇの座標位置（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）のＸ軸方向への
移動距離ｘ及びＹ軸方向への移動距離ｙ、そして航走体
２１の角度θについての時間経過に対する変動を示す。
即ち、同図（ｂ）は、時間の経過に対する航走体２１の
位置及び角度の変動を示している。また、Ｘ，Ｙ軸方向
は、上記図１に示すものと同一である。

【００６０】同図（ａ）に示すように、航走体２１の重
心Ｇの座標位置（Ｘ₀ ，Ｙ₀ ）は原点位置（０，０）で
あり、上記した諸条件において、潮流外乱が０°→３５
°に変化した際、同図（ｂ）に示すように、変化時点で
ある約１００ｓｅｃから、２００ｓｅｃの間で移動距離
ｘが負のＸ軸方向に変動している（変動幅は２ｍ以
内）。また、移動距離ｙも変動しているが、移動距離ｘ
の変動量に比べて非常に小さいものとなっている。移動
距離ｘ，ｙは共に変動し、航走体２１における制御推力
配分装置２２により、上記した定点保持制御が行なわれ
て０に戻る。即ち、航走体２１の重心Ｇが、原点位置
（０，０）に復帰、保持される。また、同図（ｂ）にお
いて、航走体２１の角度θは０°一定となっている。こ
れは、上記角度θ＝０°で定点保持制御が行なわれてい
るためである。

【００６１】また、図８に示すケース２では、潮流外乱
は３５°一定であり、潮流の速さが０→３ノットに変
化、そして他の諸条件は図７に示したものと同一である
場合について、航走体２１の重心Ｇが、原点位置（０，
０）に復帰するまでの演算結果である。この場合につい
ても、図８（ａ）おける潮流の速さが０→３ノットに変
化した際に、航走体２１が受ける力の方向により、同図
（ｂ）に示すように変化時点である約１００ｓｅｃか
ら、２２０ｓｅｃに渡り、移動距離ｘが負のＸ軸方向に
変動し（最大２ｍ程度）、そして０に収束している。ま
た、上記したケース１と同様に、移動距離ｙの変動量
は、移動距離ｘの変動量に比べ、非常に小さい。

【００６２】次に、図９に示すケース３においては、潮
流外乱が３５°一定であり、潮流の速さが３→０ノット
に変化、そして他の諸条件は図７に示したものと同一で
ある。この場合については、図９（ａ）に示す潮流の速
さが３→０ノットに変化した際に、移動距離ｘは、図８
（ｂ）における移動距離ｘとは逆に、約１００ｓｅｃか
ら２２０ｓｅｃに渡って正のＸ軸方向に変動し（最大２
ｍ程度）、０に収束する。これは、図８（ａ）に示す航
走体２１が受ける力とは逆方向の力を受けることによる
ものである。

【００６３】また、図８（ｂ）及び図９（ｂ）に示す角
度θが０°一定であることは、上記図７に同じである。
上記のように、この発明における制御推力配分装置２２
では、航走体２１の定点保持動作を行なう際に、推力配
分器３４により、複数の推力発生器２３各々における首
振り角を最小にするという条件下で、航走体２１を設定
位置に定点保持するために必要なトータル推力Ｆ_XC，Ｆ
_YC及びトータルモーメントＮ_ZCが確保できるような推力
成分（Ｆ_Xi，Ｆ_Yi）を決定している。そして、上記複数
の推力発生器２３各々に対して、上記推力成分（Ｆ_Xi，
Ｆ_Yi）に基づいて回転数、即ち推力を配分することがで
き、最小の首振り角で駆動が行なえるため、航走体２１
に対して時間的に効率の良い、優れた定点保持制御を行
なうことが可能となる。

【００６４】なお、上記推力発生器（首振りスラスタ）
２３及び推力発生器駆動部３５の数量は、橋りょう作業
台船用プラットフォームの場合、それぞれ４個ずつ使用
している。また、航走体によって上記数量が２〜８個、
あるいは８個以上のケースがある。

【００６５】また、上記実施形態では、図５に示した比
較演算回路３３ｂでは、比較回路３３ｂ１、３３ｂ３、
３３ｂ５を同時に動作させて、船速と方位角を同時に制
御する場合について説明したが、その他、例えば比較回
路３３ｂ１と３３ｂ３の比較動作により船速を制御する
船速制御（オートスピードモード）、比較回路３３ｂ５
の比較動作により方位角を制御する方位角制御（オート
パイロットモード）を個々に独立して作動させるように
してもよい。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
航走体の定点保持動作を行なう際に、複数の推力発生器
各々に応じた推力配分信号を出力する推力配分器によっ
て、首振り角が最小になるという条件下で上記複数の推
力発生器に対して推力配分を行なうことができるため、
航走体において効率の良い、優れた定点保持制御の実施
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の対象とする航走体の浮体系概念を説
明する図。

【図２】この発明の一実施形態に係る制御推力配分装置
を適用した航走体におけるシステム構成図。

【図３】同実施形態における推力配分器の詳細な構成を
示すブロック図。

【図４】同実施形態における推力発生器駆動部及び推力
発生器の機能を説明する図。

【図５】同実施形態における全体の構成を示すブロック
図。

【図６】同実施形態における制御コマンド演算器の動作
を説明するフローチャート。

【図７】同実施形態における第１の計算結果例を示す
図。

【図８】同実施形態における第２の計算結果例を示す
図。

【図９】同実施形態における第３の計算結果例を示す
図。

【図１０】従来における手動操作の推力配分装置のブロ
ック構成図。

【図１１】従来における自動制御の推力配分装置のブロ
ック構成図。

【符号の説明】

２１航走体２２制御推力配分装置２３推力発生器３１検出器３１ａ船位測定装置３１ｂ船速計３１ｃジャイロコンパス３２設定器３２ａ船位設定器３２ｂ船速設定器３２ｃ方向設定器３３制御コマンド演算器３３ａ現推力演算回路３３ｂ比較演算回路３４推力配分器３４ａ推力成分演算回路３４ｂ推力発生器位置記憶回路３４ｃ変化後角度演算回路３４ｄ第１評価演算回路３４ｅ第２評価演算回路３４ｆ推力成分決定回路３５推力発生器駆動部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B63H 25/42

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の運動制御用の推力発生器を備えた
航走体の定点保持制御を行なう航走体の制御推力配分装
置において、上記航走体の位置及び速度を検出する検出
器と、上記航走体の位置及び速度を設定する設定器と、
この設定器及び上記検出器から出力される情報を比較し
て上記航走体を設定位置に保持するために必要なトータ
ル推力を出力する制御コマンド演算器と、この制御コマ
ンド演算器から出力されるコマンド信号を基に、上記複
数の推力発生器各々における最小首振り角度で上記トー
タル推力を確保するように上記複数の推力発生器各々に
応じた推力配分信号を出力する推力配分器と、この推力
配分器から出力された推力配分信号を基にして上記複数
の推力発生器をそれぞれ駆動する複数の推力発生器駆動
部とを具備したことを特徴とする航走体の制御推力配分
装置。
【請求項２】複数の運動制御用の推力発生器を備えた
航走体の定点保持制御を行なう航走体の制御推力配分装
置において、上記航走体の方位角を検出する検出器と、
上記航走体の方位角を設定する設定器と、この設定器及
び上記検出器から出力される方位角情報を比較して上記
航走体を設定角度に保持するために必要なトータルモー
メントのコマンド信号を出力する制御コマンド演算器
と、この制御コマンド演算器から出力されるコマンド信
号を基に、上記複数の推力発生器各々における最小首振
り角度で上記トータルモーメントを確保するように上記
複数の推力発生器各々に応じた推力配分信号を出力する
推力配分器と、この推力配分器から出力された推力配分
信号を基にして上記複数の推力発生器をそれぞれ駆動す
る複数の推力発生器駆動部とを具備したことを特徴とす
る航走体の制御推力配分装置。
【請求項３】複数の運動制御用の推力発生器を備えた
航走体の定点保持制御を行なう航走体の制御推力配分装
置において、上記航走体の位置、速度及び方位角を検出
する検出器と、上記航走体の位置、速度及び方位角を設
定する設定器と、この設定器及び上記検出器から出力さ
れる位置、速度及び方位角情報を比較して上記航走体を
設定位置及び設定方位角に保持するために必要なトータ
ル推力及びトータルモーメントのコマンド信号を出力す
る制御コマンド演算器と、この制御コマンド演算器から
出力されるコマンド信号を基に、上記複数の推力発生器
各々における最小首振り角度で上記トータル推力及びト
ータルモーメントを確保するように上記複数の推力発生
器各々に応じた推力配分信号を出力する推力配分器と、
この推力配分器から出力された推力配分信号を基にして
上記複数の推力発生器をそれぞれ駆動する複数の推力発
生器駆動部とを具備したことを特徴とする航走体の制御
推力配分装置。
【請求項４】上記推力配分器は、各推力発生器の位置
を記憶する推力発生器位置記憶手段と、この記憶手段に
記憶された各推力発生器の位置と上記制御コマンド演算
器から出力されるコマンド信号を基に、上記複数の推力
発生器の各推力成分を求める推力成分演算器と、この演
算器で求めた各推力成分から推力発生器の首振り変化後
の角度を求める変化後角度演算回路と、上記推力発生器
の現状の角度及び上記変化後角度演算回路で求めた首振
り変化後の角度から評価関数を算出する第１評価演算回
路と、この第１評価演算回路で算出された評価関数から
総合評価関数を算出する第２評価演算回路と、この第２
評価演算回路で算出された総合評価関数に基づいて推力
成分を決定する推力成分決定回路とからなることを特徴
とする請求項１、２又は３記載の航走体の制御推力配分
装置。