JP2990878B2 - 水中航走体の自動操縦装置 - Google Patents
水中航走体の自動操縦装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、水中航走体の自動操縦
装置に関する。
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の水中航走体の自動操縦装置は、図
４に示すように固定の運動モデルを持つ運動状態量推定
部１４と、設定値および運動状態量の推定値を入力して
制御指令信号を出力する制御部１１を有している。
４に示すように固定の運動モデルを持つ運動状態量推定
部１４と、設定値および運動状態量の推定値を入力して
制御指令信号を出力する制御部１１を有している。
【０００３】この自動操縦装置では、たとえば深度や針
路などの設定値ｒと運動状態量推定部１４からの推定値
ｘ e が制御部１１に入力されると、制御部１１はこれら
の情報から制御指令信号ｕを生成する。この制御指令信
号ｕで動作した水中航走体の運動特性１２に基づく状態
量のうちのある一部は、運動状態量ｘとしてセンサ１３
により検出され、このセンサ出力ｙが制御指令信号ｕと
共に運動状態量推定部１４に入力される。運動状態量推
定部１４では、これらの情報に基づいて水中航走体の運
動状態量の推定値ｘ e を計算し、制御部１１にフィード
バックする。この動作が繰り返され、水中航走体の自動
操縦が行なわれる。なお、符号の下線はベクトルである
ことを示す。
路などの設定値ｒと運動状態量推定部１４からの推定値
ｘ e が制御部１１に入力されると、制御部１１はこれら
の情報から制御指令信号ｕを生成する。この制御指令信
号ｕで動作した水中航走体の運動特性１２に基づく状態
量のうちのある一部は、運動状態量ｘとしてセンサ１３
により検出され、このセンサ出力ｙが制御指令信号ｕと
共に運動状態量推定部１４に入力される。運動状態量推
定部１４では、これらの情報に基づいて水中航走体の運
動状態量の推定値ｘ e を計算し、制御部１１にフィード
バックする。この動作が繰り返され、水中航走体の自動
操縦が行なわれる。なお、符号の下線はベクトルである
ことを示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】この従来の水中航走体
の自動操縦装置では、運動状態量推定部１４で運動状態
量の推定計算を行なう際に必要となる運動モデルが固定
であるため、この運動モデルが水中航走体の運動特性を
正確に表現していないという問題点があった。また運動
特性を正確に表現しようとすると、多くの項の付加が必
要となり、運動状態量の推定計算に時間が掛かるため、
自動操縦に必要な制御指令信号ｕを瞬時に生成するとい
う観点からは適さない。このため従来の自動操縦装置で
は、運動状態量の推定計算に誤差が伴いやすく、この誤
差の影響で制御系が不安定になるという問題点があっ
た。
の自動操縦装置では、運動状態量推定部１４で運動状態
量の推定計算を行なう際に必要となる運動モデルが固定
であるため、この運動モデルが水中航走体の運動特性を
正確に表現していないという問題点があった。また運動
特性を正確に表現しようとすると、多くの項の付加が必
要となり、運動状態量の推定計算に時間が掛かるため、
自動操縦に必要な制御指令信号ｕを瞬時に生成するとい
う観点からは適さない。このため従来の自動操縦装置で
は、運動状態量の推定計算に誤差が伴いやすく、この誤
差の影響で制御系が不安定になるという問題点があっ
た。
【０００５】本発明は、このような従来の技術が有する
課題を解決するために提案されたものであり、運動状態
量の推定計算に水中航走体の運動特性に追従する運動モ
デルを用いることで、運動状態量の推定精度を向上でき
るとともに、運動モデルの簡略化が図れる水中航走体の
自動操縦装置を提供することを目的とする。
課題を解決するために提案されたものであり、運動状態
量の推定計算に水中航走体の運動特性に追従する運動モ
デルを用いることで、運動状態量の推定精度を向上でき
るとともに、運動モデルの簡略化が図れる水中航走体の
自動操縦装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、設定値と水中航走体の運動状態量推定値と
を入力し、制御指令信号を生成する制御部と、水中航走
体の運動状態量を検出するセンサの信号と上記制御指令
信号と更新された運動モデル係数推定値とを入力し、運
動状態量を推定して、運動状態量推定値を上記制御部に
出力する運動状態量推定部と、上記制御指令信号と更新
された運動モデル係数推定値とを入力し、運動モデルの
持つ運動状態量を計算する運動モデル計算部と、上記運
動状態量推定部からの運動状態量推定値と前記運動モデ
ル計算部から出力される運動状態量との誤差が最小とな
るように運動モデル係数を修正し、更新した運動モデル
係数推定値を、上記運動状態量推定部と上記運動モデル
計算部とに出力する運動モデル修正部とを有する構成と
してある。
に本発明は、設定値と水中航走体の運動状態量推定値と
を入力し、制御指令信号を生成する制御部と、水中航走
体の運動状態量を検出するセンサの信号と上記制御指令
信号と更新された運動モデル係数推定値とを入力し、運
動状態量を推定して、運動状態量推定値を上記制御部に
出力する運動状態量推定部と、上記制御指令信号と更新
された運動モデル係数推定値とを入力し、運動モデルの
持つ運動状態量を計算する運動モデル計算部と、上記運
動状態量推定部からの運動状態量推定値と前記運動モデ
ル計算部から出力される運動状態量との誤差が最小とな
るように運動モデル係数を修正し、更新した運動モデル
係数推定値を、上記運動状態量推定部と上記運動モデル
計算部とに出力する運動モデル修正部とを有する構成と
してある。
【０００７】ここで、運動モデル計算部と運動モデル修
正部とは、時間的に変化する水中航走体の運動特性に追
従するように運動モデルを修正するための運動モデル修
正手段を構成している。
正部とは、時間的に変化する水中航走体の運動特性に追
従するように運動モデルを修正するための運動モデル修
正手段を構成している。
【０００８】
【作用】上述した構成によれば、運動モデル修正部から
は水中航走体の運動特性に追従した運動モデル係数推定
値を運動状態量推定部に出力できるので、この運動状態
量推定部で計算される状態推定値の精度を高めることが
できる。
は水中航走体の運動特性に追従した運動モデル係数推定
値を運動状態量推定部に出力できるので、この運動状態
量推定部で計算される状態推定値の精度を高めることが
できる。
【０００９】
【実施例】以下、本発明による水中航走体の自動操縦装
置の具体的な実施例を図面に基づき詳細に説明する。図
１の系統図に、この自動操縦装置の一実施例を示す。こ
の図で、運動状態量推定部４は、時間とともに変化する
水中航走体の運動特性２に正確に追従できる時変(time
varint)な運動モデルを持っている。この時変な運動モ
デルを表わす運動モデル係数推定値（係数行列）Ａe ，
Ｂe ，Ｇe は、運動モデル修正部６から運動状態量推定
部４に入力される。運動状態量推定部４では、これら運
動モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe と、センサ３から
取り込まれるセンサ出力ｙと、制御部１から入力される
制御指令信号ｕとから水中航走体の運動状態量の推定値
ｘ e ，Ｗ e を計算し、この状態推定値ｘ e ，Ｗ e を制御
部１にフィードバックする。また計算された状態推定値
ｘ e は誤差計算部５にも入力され、不釣合量の推定値に
対応する状態推定値Ｗ eは運動モデル計算部７へも入力
される。
置の具体的な実施例を図面に基づき詳細に説明する。図
１の系統図に、この自動操縦装置の一実施例を示す。こ
の図で、運動状態量推定部４は、時間とともに変化する
水中航走体の運動特性２に正確に追従できる時変(time
varint)な運動モデルを持っている。この時変な運動モ
デルを表わす運動モデル係数推定値（係数行列）Ａe ，
Ｂe ，Ｇe は、運動モデル修正部６から運動状態量推定
部４に入力される。運動状態量推定部４では、これら運
動モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe と、センサ３から
取り込まれるセンサ出力ｙと、制御部１から入力される
制御指令信号ｕとから水中航走体の運動状態量の推定値
ｘ e ，Ｗ e を計算し、この状態推定値ｘ e ，Ｗ e を制御
部１にフィードバックする。また計算された状態推定値
ｘ e は誤差計算部５にも入力され、不釣合量の推定値に
対応する状態推定値Ｗ eは運動モデル計算部７へも入力
される。
【００１０】ここで、運動状態量推定部４で計算される
状態推定値ｘ e ，Ｗ e と、制御指令信号ｕと、運動モデ
ル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe と間には、水中航走体の
運動特性２を記述する状態推定値の時間微分をｄｘ e／
ｄｔとすると、次式の関係が成立する。 ｄｘ e／ｄｔ＝Ａe ｘ e＋Ｂe ｕ＋Ｇe Ｗ e
状態推定値ｘ e ，Ｗ e と、制御指令信号ｕと、運動モデ
ル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe と間には、水中航走体の
運動特性２を記述する状態推定値の時間微分をｄｘ e／
ｄｔとすると、次式の関係が成立する。 ｄｘ e／ｄｔ＝Ａe ｘ e＋Ｂe ｕ＋Ｇe Ｗ e
【００１１】誤差計算部５では、状態推定値ｘ eと運動
モデル計算部７からの運動状態量Ｘ eとの誤差ｅを次式
により計算し、求めた誤差ｅを運動モデル修正部４に入
力する。ｅ ＝ｘ e−Ｘ e
モデル計算部７からの運動状態量Ｘ eとの誤差ｅを次式
により計算し、求めた誤差ｅを運動モデル修正部４に入
力する。ｅ ＝ｘ e−Ｘ e
【００１２】運動モデル修正部６では、この誤差ｅの２
乗平均値Ｊを計算して、数１に示すように２乗平均値Ｊ
が最小となるように運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，
Ｇeを修正する。ここで、平均値Ｊを計算する上での期
間Ｔは、サンプリング周期の１０倍程度に設定される。
乗平均値Ｊを計算して、数１に示すように２乗平均値Ｊ
が最小となるように運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，
Ｇeを修正する。ここで、平均値Ｊを計算する上での期
間Ｔは、サンプリング周期の１０倍程度に設定される。
【００１３】
【数１】
【００１４】更新された運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂ
e ，Ｇe は、運動モデル計算部７と運動状態量推定部４
に入力される。
e ，Ｇe は、運動モデル計算部７と運動状態量推定部４
に入力される。
【００１５】運動モデル計算部７では、更新された運動
モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇeと制御部１からの制
御指令信号ｕと運動状態量推定部４からの状態推定値Ｗ
e とから運動モデルの持つ運動状態量Ｘを計算し、誤差
計算部５にフィードバックする。ここで、運動モデル計
算部７で計算される運動状態量Ｘと、制御指令信号ｕ
と、状態推定値Ｗ e と、運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂ
e ，Ｇe との間には、運動モデルの状態変数である運動
状態量Ｘの時間微分をｄＸ／ｄｔとすると、次式の関係
が成立する。 ｄＸ／ｄｔ＝Ａe Ｘ＋Ｂe ｕ＋Ｇe Ｗ e なお、運動状態量Ｘの記述には、深度速度、針路速度、
姿勢角速度、速力などの変数が用いられる。
モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇeと制御部１からの制
御指令信号ｕと運動状態量推定部４からの状態推定値Ｗ
e とから運動モデルの持つ運動状態量Ｘを計算し、誤差
計算部５にフィードバックする。ここで、運動モデル計
算部７で計算される運動状態量Ｘと、制御指令信号ｕ
と、状態推定値Ｗ e と、運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂ
e ，Ｇe との間には、運動モデルの状態変数である運動
状態量Ｘの時間微分をｄＸ／ｄｔとすると、次式の関係
が成立する。 ｄＸ／ｄｔ＝Ａe Ｘ＋Ｂe ｕ＋Ｇe Ｗ e なお、運動状態量Ｘの記述には、深度速度、針路速度、
姿勢角速度、速力などの変数が用いられる。
【００１６】この操作によって、時間とともに変化する
水中航走体の運動特性を正確に表わす運動モデル係数推
定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe を運動状態量推定部４に与えるこ
とができる。制御部１は、図２に示すようにデータ設定
部１ａと制御方程式計算部１ｂと信号変換部１ｃとから
構成される。データ設定部１ａで、水中航走体を自動操
縦するための深度や針路などのデータ設定が行なわれる
と、これらの設定値ｒは制御方程式計算部１ｂに入力さ
れる。
水中航走体の運動特性を正確に表わす運動モデル係数推
定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe を運動状態量推定部４に与えるこ
とができる。制御部１は、図２に示すようにデータ設定
部１ａと制御方程式計算部１ｂと信号変換部１ｃとから
構成される。データ設定部１ａで、水中航走体を自動操
縦するための深度や針路などのデータ設定が行なわれる
と、これらの設定値ｒは制御方程式計算部１ｂに入力さ
れる。
【００１７】制御方程式計算部１ｂでは、運動状態量推
定部４から取り込まれた状態推定値ｘ e ，Ｗ e に適正な
フィードバックゲインをかけた後に、データ設定部１ａ
からの設定値ｒと、この状態推定値ｘ e ，Ｗ e とを用い
て、ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）制御則などに基づき制
御指令値を生成する。この制御指令値は、信号変換部１
ｃで舵などを動かすための信号に変換され、この制御指
令信号ｕによって運動特性１２を持つ水中航走体の自動
操縦が行なわれる。ここで、水中航走体の運動特性１２
を表わすベクトル変数である運動状態量ｘの時間微分を
ｄｘ／ｄｔとすると、状態量ｘと、制御指令信号ｕと、
運動特性１２に作用する不釣合量Ｗと、水中航走体の運
動係数Ａ，Ｂ，Ｇとの間には、次式の関係式が成立す
る。 ｄｘ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｕ＋ＧＷ
定部４から取り込まれた状態推定値ｘ e ，Ｗ e に適正な
フィードバックゲインをかけた後に、データ設定部１ａ
からの設定値ｒと、この状態推定値ｘ e ，Ｗ e とを用い
て、ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）制御則などに基づき制
御指令値を生成する。この制御指令値は、信号変換部１
ｃで舵などを動かすための信号に変換され、この制御指
令信号ｕによって運動特性１２を持つ水中航走体の自動
操縦が行なわれる。ここで、水中航走体の運動特性１２
を表わすベクトル変数である運動状態量ｘの時間微分を
ｄｘ／ｄｔとすると、状態量ｘと、制御指令信号ｕと、
運動特性１２に作用する不釣合量Ｗと、水中航走体の運
動係数Ａ，Ｂ，Ｇとの間には、次式の関係式が成立す
る。 ｄｘ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｕ＋ＧＷ
【００１８】なお、不釣合量Ｗには図３に示すように重
量不釣合量Ｚと前後不釣合トリムモーメントＭがある。
重量不釣合量Ｚは、重力をＧ、浮力をＢとすると、 Ｚ＝Ｇ−Ｂ で与えられ、前後不釣合トリムモーメントＭは、水中航
走体Ｓ内に設けられた後部タンクＳ1の水量をＭ1、重心
Ｐから後部タンクＳ1までのモーメントをｌ1とし、前部
タンクＳ2の水量をＭ2、重心Ｐから前部タンクＳ2まで
のモーメントをｌ2とすると、 Ｍ＝Ｍ2ｌ2−Ｍ1ｌ1 で与えられる。
量不釣合量Ｚと前後不釣合トリムモーメントＭがある。
重量不釣合量Ｚは、重力をＧ、浮力をＢとすると、 Ｚ＝Ｇ−Ｂ で与えられ、前後不釣合トリムモーメントＭは、水中航
走体Ｓ内に設けられた後部タンクＳ1の水量をＭ1、重心
Ｐから後部タンクＳ1までのモーメントをｌ1とし、前部
タンクＳ2の水量をＭ2、重心Ｐから前部タンクＳ2まで
のモーメントをｌ2とすると、 Ｍ＝Ｍ2ｌ2−Ｍ1ｌ1 で与えられる。
【００１９】このような運動特性１２を持つ水中航走体
が、制御指令信号ｕによって運動したときの運動状態量
ｘは、センサ３によって検出され、計測ノイズＶを含む
センサ出力ｙが、運動状態量推進部４に取り込まれる。
運動状態推進部４では、計測ノイズ成分を除去した運動
状態量ｘを運動状態推定値ｘ e ，Ｗ e の算出に用いる。
なお、実施例中の記載で符号の下線はベクトルであるこ
とを示している。
が、制御指令信号ｕによって運動したときの運動状態量
ｘは、センサ３によって検出され、計測ノイズＶを含む
センサ出力ｙが、運動状態量推進部４に取り込まれる。
運動状態推進部４では、計測ノイズ成分を除去した運動
状態量ｘを運動状態推定値ｘ e ，Ｗ e の算出に用いる。
なお、実施例中の記載で符号の下線はベクトルであるこ
とを示している。
【００２０】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、要旨の範囲内で種々の変形実施が可能
である。
るものではなく、要旨の範囲内で種々の変形実施が可能
である。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、水
中航走体の運動特性の時間的変化に正確に追従した運動
モデルを運動モデル修正部において生成することがで
き、この時変な運動モデルを用いて運動状態量推定部で
状態推定値を高い精度で算出することができるという利
点がある。これにより状態推定値の誤差を極力小さくす
ることができため、制御系の安定性を増すことができ、
自動操縦に必要な最適な制御が可能となる。また運動モ
デル係数を運動特性に見合った値に変化させることがで
きるため、従来の運動モデルの計算項を係数の変化によ
って吸収することができ、計算項の数を減らすことがで
きるという利点がある。これにより運動状態量推定部で
の状態推定値の計算速度を速めることができ、瞬時に制
御指令信号を生成することができる。
中航走体の運動特性の時間的変化に正確に追従した運動
モデルを運動モデル修正部において生成することがで
き、この時変な運動モデルを用いて運動状態量推定部で
状態推定値を高い精度で算出することができるという利
点がある。これにより状態推定値の誤差を極力小さくす
ることができため、制御系の安定性を増すことができ、
自動操縦に必要な最適な制御が可能となる。また運動モ
デル係数を運動特性に見合った値に変化させることがで
きるため、従来の運動モデルの計算項を係数の変化によ
って吸収することができ、計算項の数を減らすことがで
きるという利点がある。これにより運動状態量推定部で
の状態推定値の計算速度を速めることができ、瞬時に制
御指令信号を生成することができる。
【図１】本発明による水中航走体の自動操縦装置の一実
施例を示すブロック図である。
施例を示すブロック図である。
【図２】図１の自動操縦装置の制御部を示すブロック図
である。
である。
【図３】不釣合量を説明するための図である。
【図４】従来の自動操縦装置を示すブロック図である。
１ 制御部 １ａ データ設定部 １ｂ 制御方程式計算部 １ｃ 信号変換部 ２ 運動特性 ３ センサ ４ 運動状態量推定部 ５ 誤差計算部 ６ 運動モデル修正部 ７ 運動モデル計算部
Claims (1)
- 【請求項１】 設定値と水中航走体の運動状態量推定値
とを入力し、制御指令信号を生成する制御部と、 水中航走体の運動状態量を検出するセンサの出力信号
と、上記制御指令信号と、更新された運動モデル係数推
定値とを入力して運動状態量を推定し、運動状態量推定
値を上記制御部に出力する運動状態量推定部と、 上記制御指令信号と更新された運動モデル係数推定値と
を入力し、運動モデルの持つ運動状態量を計算する運動
モデル計算部と、 上記運動状態量推定部からの運動状態量推定値と前記運
動モデル計算部から出力される運動状態量との誤差が最
小となるように運動モデル係数を修正し、更新した運動
モデル係数推定値を、上記運動状態量推定部と上記運動
モデル計算部とに出力する運動モデル修正部とを有する
ことを特徴とする水中航走体の自動操縦装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3199973A JP2990878B2 (ja) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | 水中航走体の自動操縦装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3199973A JP2990878B2 (ja) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | 水中航走体の自動操縦装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0516878A JPH0516878A (ja) | 1993-01-26 |
| JP2990878B2 true JP2990878B2 (ja) | 1999-12-13 |
Family
ID=16416671
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3199973A Expired - Lifetime JP2990878B2 (ja) | 1991-07-15 | 1991-07-15 | 水中航走体の自動操縦装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2990878B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7013296B2 (ja) | 2018-03-22 | 2022-01-31 | 三菱重工業株式会社 | パラメータ同定装置及びその方法並びにプログラム |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6761216B2 (ja) | 2015-12-09 | 2020-09-23 | 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 | 水中航走体の経路設定方法、それを用いた水中航走体の最適制御方法及び水中航走体並びに移動体の経路設定方法 |
-
1991
- 1991-07-15 JP JP3199973A patent/JP2990878B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7013296B2 (ja) | 2018-03-22 | 2022-01-31 | 三菱重工業株式会社 | パラメータ同定装置及びその方法並びにプログラム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0516878A (ja) | 1993-01-26 |
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