JP2923115B2 - 水中翼艇の制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、水中翼により発生する
力によって艇体を浮上させる水中翼艇の制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水中翼艇は、艇に装備した水中翼の揚力
で浮上して航走する機能を有している。しかし、従来の
水中翼艇においては、水中翼の制御により効果的に艇の
運動をコントロールするようにしたものが未だ実用化さ
れていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の水
中翼艇は、水中翼の揚力で浮上して航走する機能を有し
ているが、効果的に水中翼を制御して艇の運動をコント
ロールできるものがなく、艇体姿勢制御系の信頼性及び
安定性が充分でないという問題があった。

【０００４】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、目標設定値に良好に追従可能な水中翼艇運動を実現
できると共に、外乱に対して非常に高い抑制効果を得る
ことができ、安定航走が可能な水中翼艇の制御装置を提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、水中翼に複数
のラダー及びフラップを備え、水中翼の揚力で浮上して
航走する水中翼艇において、艇の各種運動成分であるス
ウェイング量、スウェイング速度、ローリング量、ロー
リング速度、ヨーイング量、ヨーイング速度を検出する
検出器と、この検出器により検出された各種運動成分の
中から目標設定値であるヒービング量、ピッチング量、
ローリング量、ヨーイング量に対応する運動成分を選択
して出力する手段と、この手段により選択された出力値
と目標設定値との偏差を求める第１の減算手段と、この
減算手段により求めた偏差値を積分する積分要素と、こ
の積分要素の出力値に所定のゲインを乗算する前向き補
償ゲインと、上記検出器から出力される検出値に所定の
ゲインを乗算するフィードバックゲインと、このフィー
ドバックゲインの出力値と上記前向き補償ゲインの出力
値との間の偏差を求め、上記水中翼艇のラダー及びフラ
ップを１つのマトリックス演算により一括制御する操作
制御量として出力する第２の減算手段と、この第２の減
算手段から出力される一括操作制御量に従って上記水中
翼のフラップ角及びラダー角を制御する手段とを備えた
ことを特徴とする。

【０００６】

【作用】操舵操作に応じて目標設定値が与えられると、
この目標設定値と検出器により検出された各種運動成分
中の対応成分との偏差が求められる。この偏差は積分要
素で積分された後、前向き補償ゲインＫｅｒが乗算され
る。また、検出器により検出された各種運動成分に対し
てフィードバックゲインＫｘが乗算され、上記前向き補
償ゲインの乗算出力との偏差が求められ、操作制御量と
して駆動装置へ送られる。この駆動装置は、上記操作制
御量に基づいて水中翼のフラップ及びラダーの角度を調
整し、水中翼艇を安定した状態に保って航走させる。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。

【０００８】図２は水中翼艇における水中翼部分の概略
構成を説明するための斜視図である。同図において、１
は水中翼艇で、その下側には前部水中翼２及び後部水中
翼３が設けられる。前部水中翼２は、進行方向に対して
左右に設けられる垂直翼４と、この各垂直翼４の下端部
に固定される水平翼５により構成される。上記垂直翼４
には、後部側にそれぞれラダー６が回動可能に設けられ
る。また、水平翼５には、それぞれ後部側に前部フラッ
プ７が回動可能に設けられる。

【０００９】一方、後部水中翼３は、前部水中翼２と同
様に左右に設けられる垂直翼８とこの垂直翼８の下端部
に固定される水平翼９により構成され、この各水平翼９
に後部フラップ１０が回動可能に設けられる。

【００１０】上記水中翼艇１には、運動成分を検出する
各種センサが設けられており、ヒービング（Heaving ）
量Ｚ、ヒービング速度Ｚ′、ピッチング（Pitching）量
θ、ピッチング速度θ′、スウェイング（Swaying ）量
ｙ、スウェイング速度ｙ′、ローリング（Rolling ）量
φ、ローリング速度φ′、ヨーイング（Yawing）量ψ、
ヨーイング速度ψ′等を検出し、指令値及び上記検出値
に基づいて上記ラダー６、前部フラップ７、後部フラッ
プ１０を制御する。

【００１１】また、図２及び図３（ａ）〜（ｃ）に、前
部水中翼２及び後部水中翼３におけるラダー６、前部フ
ラップ７、後部フラップ１０等の位置、角度の座標系
（座標軸ｘ，ｙ，ｚ、右手系、角度軸右捩子方向）を示
す。同図において、１１は水中翼艇１の重心であり、こ
の重心１１を基準とする水平方向（進行方向）の座標軸
ｘ、垂直方向の座標軸ｚ、これらの軸ｘ，ｚに直交する
座標軸ｙを示している。また、図中に示されるRLはラダ
ー６（左）、RRはラダー６（右）、δFLは前部フラップ
７（左）、FRは前部フラップ７（右）、ALは後部フラッ
プ１０（左）、ＡＲは後部フラップ１０（右）との対応
関係を示している。

【００１２】次に指令値及び各センサ検出値に基づいて
ラダー６、前部フラップ７、後部フラップ１０を制御す
る制御装置の構成について図１により説明する。同図に
示すように操舵操作により目標設定値ｒ（ｒ＝
（Ｚ^＊ 、θ^* 、φ^* 、ψ^* ）^T ）（Ｔは転置を示す）
が与えられる。この目標設定値ｒは、減算器２１に入力
され、水中翼艇１の運動成分出力値Ｚ、θ、φ、ψとの
偏差が求められ、その偏差値Ｙｅが積分要素２２に入力
される。この積分要素２２の積分出力値は、前向き補償
ゲイン２３に入力されてゲインＫｅｒが乗算され、減算
器２４を介して操作制御量ｕとして駆動装置２５に入力
される。上記操作制御量ｕは、δRL（ラダー６左）、δ
RR（ラダー６右）、δFL（前部フラップ７左）、δFR
（前部フラップ７右）、δAL（後部フラップ１０左）、
δAR（後部フラップ１０右）の操舵角を含んでいる。

【００１３】駆動装置２５は、操作制御量ｕに基づいて
水中翼艇１におけるラダー６、前部フラップ７、後部フ
ラップ１０を駆動する。この駆動に伴う水中翼艇１の運
動成分、つまり、ヒービング量Ｚ、ヒービング速度
Ｚ′、ピッチング量θ、ピッチング速度θ′、スウェイ
ング量ｙ、スウェイング速度ｙ′、ローリング量φ、ロ
ーリング速度φ′、ヨーイング量ψ、ヨーイング速度
ψ′が検出器２７によって検出され、その検出値Ｘｐが
フィードバックゲイン２８に送られ、ゲインＫｘが乗算
されて減算器２４の−端子にフィードバックされる。ま
た、上記検出器２７の検出値Ｘｐは、出力値選択回路２
９に送られて目標設定値ｒに対応する運動成分出力値
Ｚ、θ、φ、ψが選択され、減算器２１の−端子にフィ
ードバックされる。次に上記駆動装置２５に対する操作
制御量ｕの決定方法、即ち前向き補償ゲイン２３及びフ
ィードバックゲイン２８のゲイン設定について説明す
る。制御対象を ＾ｘ′＝Ａｐ＾ｘ＋Ｂｐ＾ｕ＋Ｄｐ・ｄ ・・・（１） とする。但し、検出量ベクトル ＾ｘ＝（Ｚ′，Ｚ，θ′，θ，ｙ′，ｙ，φ′，φ，
ψ′，ψ）^T Ａｐ、Ｂｐ、Ｄｐ：制御対象を記述するマトリックス ＾ｕ＝（δRL，δRR，δFL，δFR，δAL，δAR）^T Ｔ：転置を表す ＾：ベクトルを示す ′：時間微分値 上記（１）式において、Ｄｐ・ｄは、マトリックス演算
（掛け算）で得られる外乱を示している。上下変動を考
えた外乱の場合、Ｄｐは Ｄｐ＝（１０００００００００）^T であり、ｄをスカラ（大きさａ）とすれば、Ｄｐ・ｄは

【００１４】

【数１】 という演算となる。また、上記（１）式において、Ａ
ｐ、Ｂｐは、 Ａｐ＝Ｔ^-1Ａ Ｂｐ＝Ｔ^-1Ｂ のマトリックス演算によって得られる。ここで、Ｔ^-1は
Ｔの逆行列である。また、Ｔ^-1Ａ、Ｔ^-1Ｂは、マトリッ
クス演算の掛け算である。上記Ｔ，Ａ，Ｂの内部は、次
のようになっている。

【００１５】

【数２】

【００１６】

【数３】

【００１７】

【数４】 但し、 ｍ ：船体質量 ｍｙ，ｍｚ：ｙ軸、ｚ軸方向付加質量 Ｉx ，Ｉy ，Ｉz ：ｘ，ｙ，ｚまわり慣性モーメント Ｊx ，Ｊy ，Ｊz ：ｘ，ｙ，ｚまわり付加慣性モーメン
ト Ｉxz，Ｊxz ：ＺＸ平面に関する慣性乗積，付加慣
性乗積 Ｕo ：航行速度 Ｚ，Ｋ，Ｍ，Ｎ ：流体力係数（添字略） Ｚδ，Ｋδ，Ｍδ，Ｎδ：操舵力係数 δ1 ，δ2 （＝δ1 ）：前部フラップ δ3 ，δ4 （＝δ3 ）：後部フラップ δ5 ，δ6 （＝δ5 ）：ラダー

【００１８】上記のようにして操作制御量ｕが決定さ
れ、駆動装置２５へ送られる。駆動装置２５は、操作制
御量ｕに基づいて水中翼艇１におけるラダー６、前部フ
ラップ７、後部フラップ１０を駆動する。この駆動に伴
う水中翼艇１の運動成分（Ｚ′，Ｚ，θ′，θ，ｙ′，
ｙ，φ′，φ，ψ′，ψ）が検出器２７によって検出さ
れ、その検出値Ｘｐが選択回路２９に送られて目標設定
値ｒに対応する運動成分出力値Ｚ、θ、φ、ψが選択さ
れる。この選択回路２９の出力値Ｙｐは、次式（２）に
示す ＾Ｙｐ＝Ｃｐ＾ｘ ・・・（２） 但し、Ｃｐ：出力値を定めるマトリックス ＾Ｙｐ：（Ｚ，θ，φ，ψ）^T

【００１９】の出力方程式により定める。そして、選択
回路２９の出力値＾Ｙｐが減算回路２１にフィードバッ
クされ、目標設定値ベクトル＾ｒとの間の偏差＾Ｙｅが
求められる。この偏差＾Ｙｅは、 ＾Ｙｅ＝＾ｒ−＾Ｙｐ ・・・（３） 但し、＾ｒ＝（Ｚ^* ，θ^* ，φ^* ，ψ^* ）^T そして、制御系構築のために次式 ＾Ｚ＝（Ｚ′，Ｚ，θ′，θ，ｙ′，ｙ，φ′，φ，ψ′，ψ， Ｚ^* −Ｚ，θ^* −θ，φ^* −φ，ψ^* −ψ）^T ・・・（４） により状態変数を求め、次式により拡大系状態方程式を
算出する。

【００２０】

【数５】 と設定し、整理すると、 ＾Ｚ′＝＾Ａｅ＾Ｚ＋＾Ｂｅ＾ｕ′ ・・・（８） となる。制御系の評価関数を次に示す（９）〜（１１）
式のように設定する。

【００２１】

【数６】 但し、＾Ｑ：状態量重み、＾Ｒ：操作量重み 制御入力は、（１０），（１１）式により決定する。

【００２２】

【数７】 上記ゲイン＾Ｋ（Ｋx ，Ｋer）は、（９）式におけるＪ
を最小にするようにリカッチ（Riccati ）の方程式を解
いて求める。

【００２３】

【数８】 上記のようにして図１における前向き補償ゲイン（Ｋｅ
ｒ）２３及びフィードバックゲイン（Ｋｘ）２８を決定
する。

【００２４】図４（ａ），（ｂ）及び図５（ａ），
（ｂ）は、全長３０ｍ、重量１２０ｔｏｎの水中翼艇に
おいて、４０ｋｎ艇走時の目標設定値Ｚ^* ，θ^* ，
φ^* ，ψ^* に対する運動成分Ｚ（Heave ），θ（Pitch
），φ（Roll），ψ（Yaw ）のステップ応答結果を示
したものである。同図から明らかなように、どの運動成
分も短時間に目標設定値Ｚ^* ，θ^* ，φ^* ，ψ^* に追従
しており、水中翼艇１の運動の安定化が計られている。

【００２５】図６は、外乱例えば波高１ｍの外乱を入力
した場合のヒービング応答結果を示したものである。同
図に示されるように本発明による水中翼艇の制御装置に
よれば、外乱に対する安定保持能力も優れている。

【００２６】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、目
標設定値に良好に追従可能な水中翼艇運動を実現でき、
且つ、外乱に対して非常に高い抑制効果が得られるもの
で、水中翼艇の安定航走が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る水中翼艇の制御装置の
構成を示すブロック図。

【図２】水中翼艇を概略的に示す斜視図。

【図３】水中翼艇の座標系を示す図。

【図４】目標設定値Ｚ^* ，θ^* に対する運動成分Ｚ，θ
のステップ応答結果を示す図。

【図５】目標設定値φ^* ，ψ^* に対する運動成分φ，ψ
のステップ応答結果を示す図。

【図６】外乱に対するヒービング応答結果を示す図。

【符号の説明】

１…水中翼艇、２…前部水中翼、３…後部水中翼、４，
８…垂直翼、５，９…水平翼、６…ラダー、７…前部フ
ラップ、１０…後部フラップ、１１…重心、２２…積分
要素、２３…前向き補償ゲイン、２５…駆動装置、２７
…検出器、２８…フィードバックゲイン、２９…出力値
選択回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−160679（ＪＰ，Ａ) 制御工学ハンドブック編集委員会編 「制御工学ハンドブック」初版、日本、 朝倉書店、昭和39年７月20日、192頁〜 199頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B63B 1/28

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 水中翼に複数のラダー及びフラップを備
   え、水中翼の揚力で浮上して航走する水中翼艇におい
   て、艇の各種運動成分であるスウェイング量、スウェイ
   ング速度、ローリング量、ローリング速度、ヨーイング
   量、ヨーイング速度を検出する検出器と、この検出器に
   より検出された各種運動成分の中から目標設定値である
   ヒービング量、ピッチング量、ローリング量、ヨーイン
   グ量に対応する運動成分を選択して出力する手段と、こ
   の手段により選択された出力値と目標設定値との偏差を
   求める第１の減算手段と、この減算手段により求めた偏
   差値を積分する積分要素と、この積分要素の出力値に所
   定のゲインを乗算する前向き補償ゲインと、上記検出器
   から出力される検出値に所定のゲインを乗算するフィー
   ドバックゲインと、このフィードバックゲインの出力値
   と上記前向き補償ゲインの出力値との間の偏差を求め、
   上記水中翼艇のラダー及びフラップを１つのマトリック
   ス演算により一括制御する操作制御量として出力する第
   ２の減算手段と、この第２の減算手段から出力される一
   括操作制御量に従って上記水中翼のフラップ角及びラダ
   ー角を制御する手段とを具備したことを特徴とする水中
   翼艇の制御装置。