JP3436722B2 - 制御装置 - Google Patents
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Landscapes
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、オブザーバ（状態
推定器）を用いて制御を行う制御装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】制御を目的として制御対象物の状態量を
得る必要がある場合、その状態量の観測が難しい場合に
は、通常、オブザーバ（状態推定器）を用いて状態量の
推定を行う。図１０は、オブザーバ２を用いた制御装置
１の一例を示すブロック図であり、制御対象物３とし
て、図９に示す飛行機を想定し、制御装置１は、制御対
象物３の速度制御を行うものとする。 【０００３】つまり、コントローラ４に速度が設定さ
れ、観測した速度が設定速度に一致するような推力指令
値をコントローラ４で算出し、この推力指令値を制御対
象物３に与えて制御対象物３の速度制御が行われる。推
力指令値は、制御対象物３の直進成分と旋回成分の推力
として算出され、設定速度と速度との差、およびコント
ローラ４に設定される制御ゲインＫに基づいて算出す
る。 【０００４】制御対象物３の運動制御を行うには、制御
対象物３の速度が必要であるが、速度を直接検出するこ
とは困難である。たとえば、制御対象物３の位置を検出
し、これを時間微分することによって速度を得ることは
可能であるが、制御対象物の運動制御は時間的に速い制
御動作であるので、位置を時間微分して得られた速度を
用いる場合には、遅れが生じ、精度よく制御することは
困難である。 【０００５】そこで、観測可能な信号に基づいて、オブ
ザーバ２で速度を推定する。制御対象物３の観測可能な
信号として推力指令値があり、この推力指令値の直進成
分から制御対象物３に働くｘ、ｙ、ｚの３方向の力Ｆ
ｘ、Ｆｙ、Ｆｚが得られ、旋回成分からｘ、ｙ、ｚの３
軸まわりの角運動量Ｌ，Ｍ，Ｎが得られる。なお、ここ
でｘ軸は制御対象物３の前後方向であり、ｙ軸は制御対
象物３の左右方向であり、ｚ軸は制御対象物３の上下方
向とする。 【０００６】つぎに、オブザーバ２による速度推定値の
算出方法について説明する。オブザーバは制御対象物３
の運動モデルを必要とするので、まず、運動モデルを作
成する。飛行機などの剛体の運動はつぎの（１）式に示
すように、変数に速度、力および角運動量を含む連立１
次微分方程式であるオイラーの運動方程式で表される。 【０００７】 【数１】 【０００８】ここで、 Ｆｘ：飛行機３に働くｘ軸方向の力 Ｆｙ：飛行機３に働くｙ軸方向の力 Ｆｚ：飛行機３に働くｚ軸方向の力 ｕ：飛行機３のｘ軸方向の速度 ｖ：飛行機３のｙ軸方向の速度 ω：飛行機３のｚ軸方向の速度 Ｌ：飛行機３のｘ軸まわりの角運動量 Ｍ：飛行機３のｙ軸まわりの角運動量 Ｎ：飛行機３のｚ軸まわりの角運動量 ｐ：飛行機３のｘ軸まわりの角速度 ｑ：飛行機３のｙ軸まわりの角速度 ｒ：飛行機３のｚ軸まわりの角速度 【０００９】 【数２】 【００１０】ｍ：飛行機３の質量 Ｉｘ：飛行機３のｘ軸まわりの慣性モーメント Ｉｙ：飛行機３のｙ軸まわりの慣性モーメント Ｉｚ：飛行機３のｚ軸まわりの慣性モーメント Ｊxy：ｘ，ｚ各軸に関する慣性乗数 いま、式の簡単化のため、水平面運動のみ考える。 【００１１】 【数３】 【００１２】通常のオブザーバは、線形モデルを使用す
るが、（２）式は非線形であるため、（２）式を線形化
する必要がある。そのために（２）式をある定常状態で
近似線形化する。たとえば通常、飛行機はｘ軸方向のみ
に飛行するので、ｘ軸方向に速度ｕ0で飛行する定常状
態（ｕ0，０，０）まわりで近似する。これによって
（２）式は次の（３）式となる。 【００１３】 【数４】 【００１４】このように線形化することによって、図１
１に示すように制御対象物３の運動モデルを作成するこ
とができる。したがって、この運動モデルと、制御対象
物３に作用するｘ、ｙ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙおよびｚ軸
まわりの角運動量Ｎとからｘ，ｙ軸方向の速度ｕ，ｖお
よびｚ軸まわりの角速度ｒを推定でき、これを用いて制
御対象物３の速度制御を行うことができる。 【００１５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た制御では速度ｕ0の定常状態まわりで飛行する場合を
想定しているので、たとえば急旋回時など、定常状態を
外れる場合にはオブザーバ２で推定する速度と実際の速
度とが大きく外れることがあり、精度よく状態推定が行
えないといった問題を有する。 【００１６】また、他の従来技術である特開昭６０−２
０９８２０号公報「船舶の船位保持制御方法」には、線
形オブザーバを用いて船位および船速を推定する方法が
開示されている。この方法でも、上述した方法と同様
に、オブザーバの運動モデルのパラメータが定数である
ため、船体の状態変動に対しての対応が取れないといっ
た問題を有する。 【００１７】また、非線形モデルで状態推定を行う制御
装置の従来技術である特開平８−６８８４９号公報「船
舶の航法装置」には、カルマンフィルタを用いて船位お
よび船速を推定する方法が開示されている。この方法で
は、非線形モデルを常時線形化し、モデルのアップデー
トを行いっているが、厳密な非線形モデルを用いて推定
しているのではないため、推定精度があまり高くないと
いった問題を有する。 【００１８】また、制御対象が船舶など、流体中を運動
するものである場合は、船の速度に依存する走行抵抗を
受ける。したがって、このような抵抗力を受ける制御対
象物を運動制御する場合は、走行抵抗を考慮して制御す
る必要があるが、走行抵抗を直接検出することは難し
い。したがって、このような場合、図１２に示すよう
に、抵抗モデルを有する抵抗オブザーバ５を用いて抵抗
力を推定し、この推定した抵抗力を運動モデルに与えら
れる力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｎから減算し、制御対象物に作用す
る力を補正して運動制御を行う方法が考えられる。 【００１９】抵抗モデルは内部変数に速度および抵抗力
を含む非線形方程式で表されるので、従来は、制御対象
物がある定常状態の速度（ｕ0，ｖ0，ｒ0）まわりで近
似線形化を行い、定係数のゲインマトリックスで記述さ
れる抵抗モデルを作成していた。しかしながら、この場
合も前述と同様に、制御対象物の速度が定常状態から大
きく外れた場合は、走行抵抗を正確に推測できないとい
った問題を有する。 【００２０】また、たとえば特開平３−２４３１９０号
公報「機械系の制御装置」には、負荷を駆動するモータ
のモデルに非線形摩擦の特性を持たせる方式が開示され
ているが、非線形要素が摩擦に特定されており、流体中
で運動する制御対象物に作用する走行抵抗に適用するこ
とは困難である。 【００２１】本発明の目的は、オブザーバを用い、制御
対象物の運動を高精度に制御可能な制御装置を提供する
ことである。 【００２２】 【００２３】 【００２４】 【００２５】 【００２６】 【００２７】 【課題を解決するための手段】本発明は、船体を制御対
象物とする制御装置において、船体には、船体後部の左
右舷後部にプロペラが設けられ、その各プロペラの後方
にラダーが設けられ、船首に左右方向に推力を発生させ
るバウスラスタが装備され、 （ａ）船体の前後方向の位置と左右方向の位置とを検出
するＧＰＳと、 （ｂ）船体の方位を検出するジャイロと、 （ｃ）コントローラであって、船体の所定の位置および
所定の方位が設定されており、船体の前後方向速度、左
右方向速度、および旋回方向角速度に応答し、位置およ
び方位の偏差が０となり、船体の前後方向速度、左右方
向速度、および旋回方向角速度とが０となって船体が洋
上で定点保持するように、船体を移動および旋回させる
ための移動指令値を算出するコントローラと、 （ｄ）推力配分器であって、コントローラの出力に応答
し、移動指令値を、推力指令値と舵角指令値とに分け、
推力指令値を、船体のプロペラおよびバウスラスタに与
え、舵角指令値を、船体のラダーに与える推力配分器
と、 （ｅ）推力舵角オブザーバであって、推力舵角モデルを
有し、この推力舵角モデルは、推力配分器の出力に応答
し、プロペラの前後方向推力、左右方向推力、および旋
回方向推力を推定するスラスタモデル、ラダーの前後方
向舵力、左右方向舵力、および旋回方向舵力を推定する
舵モデル、ならびに、バウスラスタの前後方向の推力、
左右方向推力、および旋回方向推力を推定するバウスラ
スタモデルを有し、推力舵角モデルによって推定した前
記推力および前記舵力とから、船体に作用する前後方向
の力、左右方向の力、および旋回方向の力を算出する推
力舵角オブザーバと、 （ｆ）船体オブザーバであって、船体モデルを有し、こ
の船体モデルは、水平面内での剛体の運動を示す運動モ
デルであって、ＧＰＳの出力とジャイロの出力と推力舵
角オブザーバの出力とに応答し、船体の前後方向速度、
左右方向速度、および旋回方向角速度を推定し、推力舵
角オブザーバによって算出された船体に作用する前後方
向の力に、第１の積分係数を演算する第１積分係数器
と、第１積分係数器の出力を積分して前後方向の推定速
度を算出する第１積分器と、第１積分器の出力に、第２
の積分係数を演算する第２積分係数器と、第２積分係数
器の出力を積分して前後方向の推定位置を算出する第２
積分器と、第２積分器の出力とＧＰＳによって検出され
た前後方向の位置との偏差を算出する第１減算器と、第
１減算器の出力に応答し、第１積分係数器の第１積分係
数を補正するとともに、第２積分係数器の第２積分係数
を補正する第１補正手段と、推力舵角オブザーバによっ
て算出された船体に作用する左右方向の力に、第３の積
分係数を演算する第３積分係数器と、第３積分係数器の
出力を積分して左右方向の推定速度を算出する第３積分
器と、第３積分器の出力に、第４の積分係数を演算する
第４積分係数器と、第４積分係数器の出力を積分して左
右方向の推定位置を算出する第４積分器と、第４積分器
の出力とＧＰＳによって検出された左右方向の位置との
偏差を算出する第２減算器と、第２減算器の出力に応答
し、第３積分係数器の第３積分係数を補正するととも
に、第４積分係数器の第４積分係数を補正する第２補正
手段と、推力舵角オブザーバによって算出された船体に
作用する旋回方向の力に、第５の積分係数を演算する第
５積分係数器と、第５積分係数器の出力を積分して旋回
方向の推定角速度を算出する第５積分器と、第５積分器
の出力に、第６の積分係数を演算する第６積分係数器
と、第６積分係数器の出力を積分して旋回方向の推定方
位を算出する第６積分器と、第６積分器の出力とジャイ
ロによって検出された方位との偏差を算出する第３減算
器と、第３減算器の出力に応答し、第５積分係数器の第
５積分係数を補正するとともに、第６積分係数器の第６
積分係数を補正する第３補正手段とを含むことを特徴と
する制御装置である。好ましくは、前記プロペラは、可
変ピッチプロペラであり、前記バウスラスタは、可変ピ
ッチプロペラであり、推力舵角オブザーバ２４の前記ス
ラスタモデルでは、左舷プロペラ推力ＴPP、右舷プロペ
ラ推力ＴPSは、 ＴPP ＝ ＣtPP（θP）ＮPP 2 ＴPS ＝ ＣtPS（θS）ＮPS 2 であり、左右舷プロペラピッチ角をそれぞれθP，θSと
するとき、左舷補正係数ＣtPPがθPの関数となり、右舷
補正係数ＣtPSがθSの関数となり、ＮPPを左舷プロペラ
回転数とし、ＮPSを右舷プロペラ回転数とし、ｔAHおよ
びｔASを予め定める補正係数とし、ｕを前後方向速度と
し、ＬPを重心から推力作用点までのｙ方向距離とする
とき、前後方向推力（ＸP）は、 ｕ≧０の場合 ＸP ＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAH） ｕ＜０の場合 ＸP ＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAS） であり、左右方向推力（ＹP）は、 ＹP ＝ ０ であり、旋回方向推力（ＮP）は、 ｕ≧０の場合 ＮP ＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAH）ＬP ｕ＜０の場合 ＮP ＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAS）ＬP であり、前記舵モデルでは、左右舷舵角をそれぞれ
δP、δSとし、ＣRX，ＣRYおよびＣRNを舵と船体の干渉
係数とし、ＬRX，ＬRYを重心から舵力作動点までのｘ，
ｙ方向の距離とし、舵力作動点座標を 左舷（ＬXRP，ＬYRP）＝（−ＬRX，−ＬRY） 右舷（ＬXRS，ＬYRS）＝（−ＬRX，＋ＬRY） とするとき、前後方向舵力（ＸR）は、 ＸR ＝ ＸRP＋ＸRS ＸRP ＝ −ＦNPsin(δP)・ＣRX ＸRS ＝ −ＦNSsin(δS)・ＣRX であり、左右方向舵力（ＹR）は、 ＹR ＝ ＹRP＋ＹRS ＹRP ＝ −ＦNPcos(δP)・ＣRY ＹRS ＝ −ＦNScos(δS)・ＣRY であり、旋回方向舵力（ＮR）は、 ＮR ＝ ＮRP＋ＮRS ＮRP ＝｛ＦNPsin(δP)・ＬYRP＋ＦNPcos(δP)・
ＬXRP｝・ＣRN ＮRS ＝｛ＦNSsin(δS)・ＬYRS＋ＦNScos(δS)・
ＬXRS｝・ＣRN であり、バウスラスタモデルでは、バウスラスタプロペ
ラピッチ角をδBとし、ＣBを推力係数とするとき、バウ
スラスタ推力ＴＢは、 ＴB ＝ ＣBδB であり、ＹB’をバウスラスタ推力係数とし、ＬB’をモ
ーメントレバー係数とするとき、前後方向推力（ＸB）
は、 ＸB ＝ ０ であり、左右方向推力（ＹB）は、 ＹB ＝ ＹB’ＴB であり、旋回方向推力（ＮB）は、 ＮB ＝ ＹBＬB’ＬB である。 【００２８】本発明に従えば、制御対象物はたとえば船
舶であり、たとえばコントローラからの移動指令を推力
指令値と舵角指令値とに配分し、これらの指令値によっ
て位置または速度などの運動制御が行われる。制御装置
が、たとえば船体に作用する力に基づいて速度を推定す
る船体オブザーバを備える場合、このオブザーバに、船
体に作用する正確な力を与える必要がある。しかしなが
ら、船体に作用する力を直接観測することは困難であ
る。 【００２９】そこで、本発明では、推力舵角モデルを有
し、舵各指令値と推力指令値とから船体に作用する力を
推定するオブザーバを設け、これに基づいて船体の運動
制御を行う。これによって、高精度に制御を行うことが
できる。また、推力舵角モデルは、非線形方程式で記述
されるが、たとえば定常状態の推力、舵角まわりで近似
線形化せず、推力指令、舵角指令、力を内部変数として
含む非線形方程式に、直接推力指令値、舵角指令値を与
えて船体に作用する力を算出するので、高精度に力を推
定でき、船体の運動制御を良好に行うことができる。 【００３０】 【発明の実施の形態】つぎに、本発明の前提となる制御
装置１について説明する。なお、制御装置１の前提とす
る構成は、図９および図１０で説明したものと同一のも
のとし、オブザーバ２の運動モデルの中身だけが異なる
ものとする。ただし、運動モデルの基礎とする式は、前
述した式（１）で表されるものとする。そして、前述と
同様に、式の簡略化のため、水平面の運動のみを考え、
前述の式（２）を得る。 【００３１】式（２）は、内部変数に前後方向（ｘ軸）
の力Ｆｘ、左右方向（ｙ軸）の力Ｆｙおよび上下方向の
軸線（ｚ軸）まわりの角運動量Ｎ、前後方向速度ｕ、左
右方向速度ｖ、ｚ軸まわりの角速度ｒを含む非線形の連
立１次微分方程式である。前述したように、従来は、こ
の式（２）を、速度ｕ0で飛行する定常状態（ｕ0,０,
０）まわりで近似線形化して式（３）を作成し、この式
（３）を運動モデルとして図１１に示すオブザーバモデ
ルを作成していた。つまり、つねに横方向ｙには速度が
生じないものとしていた。 【００３２】これに対し、本発明の前提となる構成で
は、式（２）を線形化することなく、式（２）をそのま
ま運動モデルとし、この運動モデルから図１に示すオブ
ザーバモデルを作成する。式（２）から分かるように、
本発明の前提となる構成の運動モデルには内部変数とし
て前後方向速度ｕおよび左右方向速度ｖ、およびｚ軸ま
わりの角速度ｒを含み、図１のブロック図に示すよう
に、推定する速度ｕ，ｖ，ｒは、算出した速度ｕ、ｖ、
ｒを用いて算出される。つまり、速度ｕ，ｖ，ｒは予め
固定されているのでなく、飛行機の状態に応じて変化す
る。したがって、たとえば急旋回時など横方向（ｙ軸）
に速度が生じ、定常状態から大きく外れる場合であって
も速度ｕ、ｖ、ｒを正確に算出することができる。これ
によって制御装置１は高精度に速度制御を行うことがで
きる。 【００３３】この構成では、制御装置１のコントローラ
４は、オブザーバ２で推定した速度と、コントローラ４
に設定される速度との基づいて速度制御するように構成
されるが、たとえばＧＰＳ（global positioning syste
m）によって位置を検出し、検出した位置および推定し
た速度に基づいて位置速度制御するように構成してもよ
い。 【００３４】また、速度推定に用いる観測可能な力およ
び角運動量は、この構成では、制御対象物に与える推力
指令値から得るように構成したので、現在速度を迅速に
推定することができるが、このように推力指令値を用い
る場合に限らず、たとえば制御対象物に加速度および角
加速度を検出するセンサを設け、検出したこれらの加速
度と制御対象物の質量とから制御対象物に作用する力お
よび角運動量を算出し、これを用いるようにしてもよ
い。 【００３５】また、この構成では制御対象物は飛行機を
想定したが、本発明はこれに限らず、船舶、潜水艇、宇
宙機、ロボットなど、剛体の運動制御であれば適用可能
である。また、運動制御は、速度制御に限らず、位置制
御、または姿勢制御なども含む。また、この構成では、
式の簡略化のため水平面運動のみを説明したが、これに
限らず、３次元で運動する剛体の制御にも適用可能であ
る。この場合は、前述した式（１）を運動モデルとす
る。 【００３６】次に、本発明の前提となる他の構成の流体
中を運動する制御対象物を制御する制御装置１０につい
て説明する。たとえば船舶など、水に浮かんで走行する
制御対象物は、走行速度に依存する抵抗を水から受ける
ので、この抵抗力を考慮して制御する必要がある。 【００３７】図２は、抵抗オブザーバ１１を備える制御
装置１０の構成を示すブロック図であり、図３は船体１
３に対する速度ｕ，ｖ，ｒを示す図である。この制御装
置１０では、コントローラ１２から船体１３に推力指令
を与えて船体１３の運動制御を行う。推力指令は前後方
向推力Ｆｘ、左右方向推力Ｆｙ、旋回方向の角運動量
（ｚ軸まわりの角運動量）Ｎとして与えられる。また、
船体１３の位置ｘ,ｙはＧＰＳで検出され、方位角θは
ジャイロで検出される。速度は、直接検出することが困
難であるので、船体モデルを有する船体オブザーバ１４
で前後方向速度ｕ、左右方向速度ｖ、旋回速度（ｚ軸ま
わりの角速度）ｒを推定する。なお、このオブザーバ１
４は、前述した非線形モデルを有するオブザーバとす
る。つまり、水平面での剛体の運動を示す式（２）を運
動モデルとする。そして、コントローラ１２では、検出
した位置ｘ,ｙ,θと、推定した速度ｕ,ｖ,ｒとに基づい
て、船体１３の運動制御を行う。つまり、コントローラ
１１には船体の位置、方位および速度が設定され、設定
位置を、設定方位および設定速度で通過するように制御
する。 【００３８】前述したように、走行する船体１３は速度
に依存した抵抗を受けるので、この抵抗を考慮して速度
を推定する必要がある。そのために、本発明の前提とな
る他の構成では、抵抗モデルを有する抵抗オブザーバ１
１を設けて、船体オブザーバ１４で推定した速度ｕ，
ｖ，ｒに基づいて船体に作用する前後方向の抵抗力
ＸＨ、左右方向の抵抗力ＹＨ、旋回方向の角運動量ＮＨ
を推定し、これらを推力指令から得られた力Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｎから減算して船体オブザーバ１４に与える。これ
によって、走行抵抗を考慮した速度ｕ，ｖ，ｒを推定す
ることができ、高精度に船体１３の位置制御を行うこと
ができる。 【００３９】つぎに、抵抗モデルについて説明する。抵
抗モデルは、理想流体力、粘性流体力、誘導抗力、クロ
スフロー直圧力、クロスフロー揚力（船体前後非対称揚
力）、および船体前後摩擦抗力の６つの流体力要素成分
と、失速影響とを考慮し、流体から受ける抵抗力をＸ，
Ｙ，Ｎの３分力に分け、無次元化して作成する。 【００４０】理想流体力は、流体に粘性がなく、自由表
面影響を無視できる場合の流体力である。また、翼理論
では、流体に粘性があるとき、拘束渦が翼面内に誘起さ
れ、この拘束渦によって揚力が生じる。粘性揚力は、理
想流体からの揚力の増減分である。また、誘導抗力は、
拘束渦の翼端流出渦に起因するものである。また、クロ
スフロー直圧力は、クロスフロー（船体横断仮想流）に
よる直圧力であり、クロスフロー揚力は、クロスフロー
の流向に対して垂直に働く前後力であり、船体が前後非
対称である場合に生じる。また、船体前後摩擦抗力は、
船体の受ける摩擦抵抗であり、これはとくに船の前進速
度が低い場合に船体抵抗の大部分を占める。また、失速
影響は、失速時に粘性揚力の減少と誘導抗力の増加が船
体前後方向になると仮定し、粘性揚力微係数および誘導
抗力微係数をを補正するものである。これらを考慮する
と、船体の抵抗モデルは次の（４）式で表される。 【００４１】 【数５】【００４２】 【数６】 【００４３】 【数７】 【００４４】 【数８】 【００４５】ここで、 ρ ：水の密度 Ｌpp：垂線間長 ｄ ：平均吃水 Ｕ ：船体中央における船速 β ：船体中央における横流れ角 Ｃ’Ll，Ｃ’Lt ：翼前縁および後縁での無次元揚力微
係数 Ｃ’Dil，Ｃ’Dit：翼前縁および後縁での無次元誘導抗
力微係数 ＣD90 ：横行時のクロスフロー抗力係数 Ｃi0,Ｃv0 ：斜航時の誘導抗力、粘性揚力におけ
る翼の前後縁に対する力の配分を表す係数 ΔＣL，ΔＣDi ：前後力の粘性揚力微係数および誘導
抗力微係数 Ｃ’Di＝Ｃ’Dit＋Ｃ’Dil Ｃ’L＝Ｃ’Lt＋Ｃ’Ll ＸＲｆ ：摩擦抵抗（前後進状態での失速影響
を考慮した補正係数） Ｐ ：クロスフロー抗力の補正係数 【００４６】 【数９】 【００４７】 【数１０】 【００４８】 【数１１】【００４９】 【数１２】 【００５０】上記した（４）式は、非線形連立方程式で
あるが、本発明ではこれを線形化せず、この式（４）を
そのまま抵抗モデルとして用いる。つまり、船体オブザ
ーバ１４で推定した前後速度ｕ、左右速度ｖおよび旋回
方向の角速度ｒを上記（４）式に代入して流体から船体
に作用する前後方向の抵抗力ＸH、左右方向の抵抗力
ＹH、旋回方向の角運動量ＮHを推定する。そして、コン
トローラ１２から船体オブザーバ１４に与える推力指令
の前後方向推力Ｆｘ、左右方向推力Ｆｙ、旋回方向の角
運動量Ｎから、抵抗オブザーバ１４で推定した力ＸH,Ｙ
H,ＮHをそれぞれ減算して船体オブザーバ１４に与え
る。 【００５１】これによって、船体オブザーバ１４は、流
体から受ける抵抗力を考慮した船体速度ｕ,ｖ,ｒを推定
することができる。これによって、制御装置１０は高精
度に制御することが可能である。また、抵抗オブザーバ
１１は、定常状態まわりで近似線形化せず、内部変数に
速度ｕ,ｖ,ｒを含む非線形連立方程式をそのまま用いる
ので、船の運動が定常状態から大きく外れるよぅな場合
であっても、精度良く流体から受ける抵抗を推定するこ
とができる。 【００５２】この構成では、船体オブザーバに非線形船
体モデルを用いる場合について説明したが、本発明はこ
れに限らず、線形モデルの船体オブザーバに本発明の非
線形抵抗オブザーバを適用するように構成してもよく、
また、船体オブザーバを用いず直接検出した制御対象物
の速度を用いて抵抗力を推定する場合にも適用可能であ
る。 【００５３】次に、推力舵角オブザーバを備える本発明
の実施の一形態の制御装置２０について説明する。図４
は、制御装置２０の構成を示すブロック図であり、制御
装置２０は、制御対象物である船体２２の運動制御を行
う。本実施形態では、制御装置２０は船体２２が洋上で
定点保持するように制御するものとする。 【００５４】つまり、コントローラ２１には所定の位置
および方位が設定されており、ＧＰＳで検出した船体２
２の位置ｘ、ｙおよびジャイロで検出した船体２２の方
位θと偏差、船体オブザーバ２５で推定した船体２２の
前後方向速度ｕ、左右方向速度ｖ、旋回方向角速度ｒ、
および制御ゲインＫに基づいて、位置および方位の偏差
が０となり、船の速度ｕ，ｖ，ｒが０となるような移動
指令をコントローラ２１は算出する。移動指令は、船体
を移動および旋回させるための指令値であり、推力配分
器２３は、移動指令値を推力指令値と舵角指令値とに分
ける。推力指令値は船体２２のスラスタ（推進機）、す
なわちプロペラおよびバウスラスタに与えられ、舵角指
令値は船体２２のラダー（舵）に与えられ、船体２２の
位置および方位が調整される。このようにして、船体２
２は、所定位置に所定方位角で停止するように制御され
る。 【００５５】コントローラ２１に与えられる推定速度
ｕ,ｖ,ｒは船体オブザーバ２５で算出される。この船体
オブザーバ２５は、前述した船体オブザーバと同様であ
り、式（２）で表される非線形船体モデルを有する。し
たがって、船体オブザーバ２５は、船体２２に作用する
前後方向の力Ｆｘ、左右方向の力Ｆｙ、および旋回方向
の角運動量Ｎを必要とする。これらの力も直接観測する
ことが困難であるので、本発明では、推力配分器２３か
らの推力指令値および舵角指令値に基づいて力Ｆｘ,Ｆ
ｙ,Ｎを算出する推力舵角オブザーバ２４を設ける。推
力舵角オブザーバ２４は、内部変数として推力指令、舵
角指令および力Ｆｘ,Ｆｙ,Ｎを含む推力舵角モデルを有
し、この推力舵角モデルと舵角指令値および推力指令値
とから力Ｆｘ,Ｆｙ,Ｎを推定する。そして、この推定し
た力Ｆｘ,Ｆｙ,Ｎに基づいて、船体オブザーバ２５は速
度を推定する。 【００５６】次に、推力舵角オブザーバ２４の推力舵角
モデルについて説明する。本実施形態の船２２は、洋上
での定点保持を目的としており、通常のプロペラ、ラダ
ーと配置構成が異なっており、船体後部の左右舷後部に
プロペラが１基ずつ設けられ、その後方にラダーが１基
ずつ設けられ、さらに船首に左右方向に推力を発生させ
るプロペラ（バウスラスタ）１基が装備されている。し
たがって、推力舵角オブザーバ２４の推力舵角モデル
は、スラスタモデル、舵モデル、およびバウスラスタモ
デルとに分けられる。 【００５７】まず、スラスタモデルについて説明する。
図５に示すように、船体２２の左右舷後部には、１基ず
つＣＰＰ（可変ピッチプロペラ）が装備されている。左
右舷プロペラピッチ角をそれぞれθP，θSとする。 【００５８】左舷プロペラ推力ＴPP、右舷プロペラ推力
ＴPSより、 ・前後方向推力（ＸP） ｕ≧０の場合 ＸP ＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAH） …（５） ｕ＜０の場合 ＸP＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAS） …（５’） ・左右方向推力（ＹP） ＹP ＝ ０ …（６） ・旋回方向推力（ＮP） ｕ≧０の場合 ＮP ＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAH）ＬP …（７） ｕ＜０の場合 ＮP＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAS）ＬP …（７’） ここで、 ｔAH，ｔAS：補正係数 ｕ：前後方向速度 ＬP：重心から推力作用点までのＹ方向距離 ・プロペラ推力 ＴPP ＝ ＣtPP（θP）ＮPP 2 ＴPS ＝ ＣtPS（θS）ＮPS 2 ＣtPP：左舷補正係数。θPの関数となる。 ＣtPS：右舷補正係数。θSの関数となる。 ＮPP：左舷プロペラ回転数 ＮPS：右舷プロペラ回転数 【００５９】したがって、上記した式（５）〜（７’）
がスラスタモデルとなる。これらの式から前後方向推力
ＸP、左右方向推力ＹP、旋回方向推力ＮPが推定され
る。これらの式は非線形であるが、本発明では線形化を
行わず、そのままスラスタモデルとして用いる。 【００６０】次に、図６を参照して舵モデルについて説
明する。また、左右舷舵角をそれぞれδP、δSとする。 【００６１】・前後方向舵力（ＸR） ＸR ＝ ＸRP＋ＸRS…（８） ＸRP ＝ −ＦNPsin(δP)・ＣRX ＸRS ＝ −ＦNSsin(δS)・ＣRX ・左右方向舵力（ＹR） ＹR ＝ ＹRP＋ＹRS…（９） ＹRP ＝ −ＦNPcos(δP)・ＣRY ＹRS ＝ −ＦNScos(δS)・ＣRY ・旋回方向舵力（ＮR） ＮR ＝ ＮRP＋ＮRS…（１０） ＮRP ＝｛ＦNPsin(δP)・ＬYRP＋ＦNPcos(δP)・
ＬXRP｝・ＣRN ＮRS ＝｛ＦNSsin(δS)・ＬYRS＋ＦNScos(δS)・
ＬXRS｝・ＣRN ・舵力はプロペラ推力（ＴPP，ＴPS）、舵角（δP，
δS）の関数となる。 ＦNP ＝ ｆ（ＴPP，δP） ＦNS ＝ ｆ（ＴPS，δS） ＬRX，ＬRY：重心から舵力作動点までのＸ，Ｙ方向の距
離 舵力作動点座標：左舷（ＬXRP，ＬYRP）＝（−ＬRX，−ＬRY） 右舷（ＬXRS，ＬYRS）＝（−ＬRX，＋ＬRY） ＣRX，ＣRY，ＣRN：舵と船体の干渉係数 【００６２】したがって上記した式（８）〜（１０）が
舵モデルとなる。これらの式から前後方向舵力ＸR、左
右方向舵力ＹR、旋回方向舵力ＮRが推定される。この舵
モデルも非線形方程式で表されるが、ここでも線形化せ
ず、非線形のまま用いる。 【００６３】次に、図７を参照して、バウスラスタモデ
ルについて説明する。船体２２には、船体前部に左右方
向に推力を発生させる可変ピッチプロペラ（バウスラス
タ）が装備される。バウスラスタプロペラピッチ角をδ
Bとする。 【００６４】・前後方向推力（ＸB） ＸB ＝ ０…（１１） ・左右方向推力（ＹB） ＹB ＝ ＹB’ＴB…（１２） ・旋回方向推力（ＮB） ＮB ＝ ＹBＬB’ＬB…（１３） ＹB’：バウスラスタ推力係数、ＬB’：モーメントレバ
ー係数 ・バウスラスタ推力 ＴB ＝ ＣBδB ＣB：推力係数 【００６５】したがって、上記式（１１）〜（１３）が
バウスラスタモデルとなる。これらの式から前後方向推
力ＸB、左右方向推力ＹB、旋回方向推力ＮBが推定され
る。このバウスラスタモデルも非線形となるが、ここで
も線形化せず、非線形のまま用いる。 【００６６】このようにして、推力舵角舵角オブザーバ
２４で推定した力を用いて船体オブザーバ２５は速度を
推定するが、本実施形態では、船体オブザーバ２５は、
ＧＰＳで検出した位置ｘ，ｙおよびジャイロで検出した
方位角θとを用いて船体オブザーバ２５の船体モデルを
修正する。 【００６７】図８は、前後方向ｘの位置に基づいて船体
モデルを修正するときの方法を示すブロック図である。
船体モデルでは入力された前後方向の力Ｆｘを積分器３
２で積分することによって推定速度＾ｖを算出し、さら
に積分器３１で積分することによって、推定位置＾ｘを
算出する。ＧＰＳによって船体２２の位置は検出可能で
あるので、検出した船体２２の前後方向の位置ｘと、推
定した位置＾ｘとを減算器３２で減算して偏差ｅを算出
する。そして算出した偏差ｅにゲインＬを乗じて、各積
分器３０，３１の積分係数３１ａ，３２ａを補正する。
このようにして、船体モデルが補正され、速度を高精度
に推定することができる。また、左右方向ｙの位置に関
しても同様にＧＰＳで検出した左右方向の位置を用いて
船体モデルが補正され、また、方位角θに関してもジャ
イロで検出した方位角θに基づいて船体モデルを補正す
る。このようにして船体オブザーバを補正することによ
って、さらに高精度に速度を推定することができる。 【００６８】さらに、本実施形態の船体オブザーバ２５
に、図２で説明した抵抗オブザーバ１１を適用するよう
に構成してもよい。 【００６９】 【００７０】 【００７１】 【００７２】 【００７３】 【発明の効果】本発明によれば、推力舵角モデルを有
し、舵角指令値と推力指令値とから船体に作用する力を
推定するオブザーバを設け、これに基づいて船体の運動
制御を行う。これによって、高精度に制御を行うことが
できる。また、推力舵角モデルは、非線形方程式で記述
されるが、たとえば定常状態の推力、舵角まわりで近似
線形化せず、推力指令、舵角指令、力を内部変数として
含む非線形方程式に、推力指令値、舵角指令値を与えて
船体に作用する力を推定するので、高精度に力を推定で
き、良好に船体の運動制御を行うことができる。こうし
て本発明によれば、船体２２を洋上で定点保持すること
が正確に可能になる。
推定器）を用いて制御を行う制御装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】制御を目的として制御対象物の状態量を
得る必要がある場合、その状態量の観測が難しい場合に
は、通常、オブザーバ（状態推定器）を用いて状態量の
推定を行う。図１０は、オブザーバ２を用いた制御装置
１の一例を示すブロック図であり、制御対象物３とし
て、図９に示す飛行機を想定し、制御装置１は、制御対
象物３の速度制御を行うものとする。 【０００３】つまり、コントローラ４に速度が設定さ
れ、観測した速度が設定速度に一致するような推力指令
値をコントローラ４で算出し、この推力指令値を制御対
象物３に与えて制御対象物３の速度制御が行われる。推
力指令値は、制御対象物３の直進成分と旋回成分の推力
として算出され、設定速度と速度との差、およびコント
ローラ４に設定される制御ゲインＫに基づいて算出す
る。 【０００４】制御対象物３の運動制御を行うには、制御
対象物３の速度が必要であるが、速度を直接検出するこ
とは困難である。たとえば、制御対象物３の位置を検出
し、これを時間微分することによって速度を得ることは
可能であるが、制御対象物の運動制御は時間的に速い制
御動作であるので、位置を時間微分して得られた速度を
用いる場合には、遅れが生じ、精度よく制御することは
困難である。 【０００５】そこで、観測可能な信号に基づいて、オブ
ザーバ２で速度を推定する。制御対象物３の観測可能な
信号として推力指令値があり、この推力指令値の直進成
分から制御対象物３に働くｘ、ｙ、ｚの３方向の力Ｆ
ｘ、Ｆｙ、Ｆｚが得られ、旋回成分からｘ、ｙ、ｚの３
軸まわりの角運動量Ｌ，Ｍ，Ｎが得られる。なお、ここ
でｘ軸は制御対象物３の前後方向であり、ｙ軸は制御対
象物３の左右方向であり、ｚ軸は制御対象物３の上下方
向とする。 【０００６】つぎに、オブザーバ２による速度推定値の
算出方法について説明する。オブザーバは制御対象物３
の運動モデルを必要とするので、まず、運動モデルを作
成する。飛行機などの剛体の運動はつぎの（１）式に示
すように、変数に速度、力および角運動量を含む連立１
次微分方程式であるオイラーの運動方程式で表される。 【０００７】 【数１】 【０００８】ここで、 Ｆｘ：飛行機３に働くｘ軸方向の力 Ｆｙ：飛行機３に働くｙ軸方向の力 Ｆｚ：飛行機３に働くｚ軸方向の力 ｕ：飛行機３のｘ軸方向の速度 ｖ：飛行機３のｙ軸方向の速度 ω：飛行機３のｚ軸方向の速度 Ｌ：飛行機３のｘ軸まわりの角運動量 Ｍ：飛行機３のｙ軸まわりの角運動量 Ｎ：飛行機３のｚ軸まわりの角運動量 ｐ：飛行機３のｘ軸まわりの角速度 ｑ：飛行機３のｙ軸まわりの角速度 ｒ：飛行機３のｚ軸まわりの角速度 【０００９】 【数２】 【００１０】ｍ：飛行機３の質量 Ｉｘ：飛行機３のｘ軸まわりの慣性モーメント Ｉｙ：飛行機３のｙ軸まわりの慣性モーメント Ｉｚ：飛行機３のｚ軸まわりの慣性モーメント Ｊxy：ｘ，ｚ各軸に関する慣性乗数 いま、式の簡単化のため、水平面運動のみ考える。 【００１１】 【数３】 【００１２】通常のオブザーバは、線形モデルを使用す
るが、（２）式は非線形であるため、（２）式を線形化
する必要がある。そのために（２）式をある定常状態で
近似線形化する。たとえば通常、飛行機はｘ軸方向のみ
に飛行するので、ｘ軸方向に速度ｕ0で飛行する定常状
態（ｕ0，０，０）まわりで近似する。これによって
（２）式は次の（３）式となる。 【００１３】 【数４】 【００１４】このように線形化することによって、図１
１に示すように制御対象物３の運動モデルを作成するこ
とができる。したがって、この運動モデルと、制御対象
物３に作用するｘ、ｙ軸方向の力Ｆｘ，Ｆｙおよびｚ軸
まわりの角運動量Ｎとからｘ，ｙ軸方向の速度ｕ，ｖお
よびｚ軸まわりの角速度ｒを推定でき、これを用いて制
御対象物３の速度制御を行うことができる。 【００１５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た制御では速度ｕ0の定常状態まわりで飛行する場合を
想定しているので、たとえば急旋回時など、定常状態を
外れる場合にはオブザーバ２で推定する速度と実際の速
度とが大きく外れることがあり、精度よく状態推定が行
えないといった問題を有する。 【００１６】また、他の従来技術である特開昭６０−２
０９８２０号公報「船舶の船位保持制御方法」には、線
形オブザーバを用いて船位および船速を推定する方法が
開示されている。この方法でも、上述した方法と同様
に、オブザーバの運動モデルのパラメータが定数である
ため、船体の状態変動に対しての対応が取れないといっ
た問題を有する。 【００１７】また、非線形モデルで状態推定を行う制御
装置の従来技術である特開平８−６８８４９号公報「船
舶の航法装置」には、カルマンフィルタを用いて船位お
よび船速を推定する方法が開示されている。この方法で
は、非線形モデルを常時線形化し、モデルのアップデー
トを行いっているが、厳密な非線形モデルを用いて推定
しているのではないため、推定精度があまり高くないと
いった問題を有する。 【００１８】また、制御対象が船舶など、流体中を運動
するものである場合は、船の速度に依存する走行抵抗を
受ける。したがって、このような抵抗力を受ける制御対
象物を運動制御する場合は、走行抵抗を考慮して制御す
る必要があるが、走行抵抗を直接検出することは難し
い。したがって、このような場合、図１２に示すよう
に、抵抗モデルを有する抵抗オブザーバ５を用いて抵抗
力を推定し、この推定した抵抗力を運動モデルに与えら
れる力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｎから減算し、制御対象物に作用す
る力を補正して運動制御を行う方法が考えられる。 【００１９】抵抗モデルは内部変数に速度および抵抗力
を含む非線形方程式で表されるので、従来は、制御対象
物がある定常状態の速度（ｕ0，ｖ0，ｒ0）まわりで近
似線形化を行い、定係数のゲインマトリックスで記述さ
れる抵抗モデルを作成していた。しかしながら、この場
合も前述と同様に、制御対象物の速度が定常状態から大
きく外れた場合は、走行抵抗を正確に推測できないとい
った問題を有する。 【００２０】また、たとえば特開平３−２４３１９０号
公報「機械系の制御装置」には、負荷を駆動するモータ
のモデルに非線形摩擦の特性を持たせる方式が開示され
ているが、非線形要素が摩擦に特定されており、流体中
で運動する制御対象物に作用する走行抵抗に適用するこ
とは困難である。 【００２１】本発明の目的は、オブザーバを用い、制御
対象物の運動を高精度に制御可能な制御装置を提供する
ことである。 【００２２】 【００２３】 【００２４】 【００２５】 【００２６】 【００２７】 【課題を解決するための手段】本発明は、船体を制御対
象物とする制御装置において、船体には、船体後部の左
右舷後部にプロペラが設けられ、その各プロペラの後方
にラダーが設けられ、船首に左右方向に推力を発生させ
るバウスラスタが装備され、 （ａ）船体の前後方向の位置と左右方向の位置とを検出
するＧＰＳと、 （ｂ）船体の方位を検出するジャイロと、 （ｃ）コントローラであって、船体の所定の位置および
所定の方位が設定されており、船体の前後方向速度、左
右方向速度、および旋回方向角速度に応答し、位置およ
び方位の偏差が０となり、船体の前後方向速度、左右方
向速度、および旋回方向角速度とが０となって船体が洋
上で定点保持するように、船体を移動および旋回させる
ための移動指令値を算出するコントローラと、 （ｄ）推力配分器であって、コントローラの出力に応答
し、移動指令値を、推力指令値と舵角指令値とに分け、
推力指令値を、船体のプロペラおよびバウスラスタに与
え、舵角指令値を、船体のラダーに与える推力配分器
と、 （ｅ）推力舵角オブザーバであって、推力舵角モデルを
有し、この推力舵角モデルは、推力配分器の出力に応答
し、プロペラの前後方向推力、左右方向推力、および旋
回方向推力を推定するスラスタモデル、ラダーの前後方
向舵力、左右方向舵力、および旋回方向舵力を推定する
舵モデル、ならびに、バウスラスタの前後方向の推力、
左右方向推力、および旋回方向推力を推定するバウスラ
スタモデルを有し、推力舵角モデルによって推定した前
記推力および前記舵力とから、船体に作用する前後方向
の力、左右方向の力、および旋回方向の力を算出する推
力舵角オブザーバと、 （ｆ）船体オブザーバであって、船体モデルを有し、こ
の船体モデルは、水平面内での剛体の運動を示す運動モ
デルであって、ＧＰＳの出力とジャイロの出力と推力舵
角オブザーバの出力とに応答し、船体の前後方向速度、
左右方向速度、および旋回方向角速度を推定し、推力舵
角オブザーバによって算出された船体に作用する前後方
向の力に、第１の積分係数を演算する第１積分係数器
と、第１積分係数器の出力を積分して前後方向の推定速
度を算出する第１積分器と、第１積分器の出力に、第２
の積分係数を演算する第２積分係数器と、第２積分係数
器の出力を積分して前後方向の推定位置を算出する第２
積分器と、第２積分器の出力とＧＰＳによって検出され
た前後方向の位置との偏差を算出する第１減算器と、第
１減算器の出力に応答し、第１積分係数器の第１積分係
数を補正するとともに、第２積分係数器の第２積分係数
を補正する第１補正手段と、推力舵角オブザーバによっ
て算出された船体に作用する左右方向の力に、第３の積
分係数を演算する第３積分係数器と、第３積分係数器の
出力を積分して左右方向の推定速度を算出する第３積分
器と、第３積分器の出力に、第４の積分係数を演算する
第４積分係数器と、第４積分係数器の出力を積分して左
右方向の推定位置を算出する第４積分器と、第４積分器
の出力とＧＰＳによって検出された左右方向の位置との
偏差を算出する第２減算器と、第２減算器の出力に応答
し、第３積分係数器の第３積分係数を補正するととも
に、第４積分係数器の第４積分係数を補正する第２補正
手段と、推力舵角オブザーバによって算出された船体に
作用する旋回方向の力に、第５の積分係数を演算する第
５積分係数器と、第５積分係数器の出力を積分して旋回
方向の推定角速度を算出する第５積分器と、第５積分器
の出力に、第６の積分係数を演算する第６積分係数器
と、第６積分係数器の出力を積分して旋回方向の推定方
位を算出する第６積分器と、第６積分器の出力とジャイ
ロによって検出された方位との偏差を算出する第３減算
器と、第３減算器の出力に応答し、第５積分係数器の第
５積分係数を補正するとともに、第６積分係数器の第６
積分係数を補正する第３補正手段とを含むことを特徴と
する制御装置である。好ましくは、前記プロペラは、可
変ピッチプロペラであり、前記バウスラスタは、可変ピ
ッチプロペラであり、推力舵角オブザーバ２４の前記ス
ラスタモデルでは、左舷プロペラ推力ＴPP、右舷プロペ
ラ推力ＴPSは、 ＴPP ＝ ＣtPP（θP）ＮPP 2 ＴPS ＝ ＣtPS（θS）ＮPS 2 であり、左右舷プロペラピッチ角をそれぞれθP，θSと
するとき、左舷補正係数ＣtPPがθPの関数となり、右舷
補正係数ＣtPSがθSの関数となり、ＮPPを左舷プロペラ
回転数とし、ＮPSを右舷プロペラ回転数とし、ｔAHおよ
びｔASを予め定める補正係数とし、ｕを前後方向速度と
し、ＬPを重心から推力作用点までのｙ方向距離とする
とき、前後方向推力（ＸP）は、 ｕ≧０の場合 ＸP ＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAH） ｕ＜０の場合 ＸP ＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAS） であり、左右方向推力（ＹP）は、 ＹP ＝ ０ であり、旋回方向推力（ＮP）は、 ｕ≧０の場合 ＮP ＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAH）ＬP ｕ＜０の場合 ＮP ＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAS）ＬP であり、前記舵モデルでは、左右舷舵角をそれぞれ
δP、δSとし、ＣRX，ＣRYおよびＣRNを舵と船体の干渉
係数とし、ＬRX，ＬRYを重心から舵力作動点までのｘ，
ｙ方向の距離とし、舵力作動点座標を 左舷（ＬXRP，ＬYRP）＝（−ＬRX，−ＬRY） 右舷（ＬXRS，ＬYRS）＝（−ＬRX，＋ＬRY） とするとき、前後方向舵力（ＸR）は、 ＸR ＝ ＸRP＋ＸRS ＸRP ＝ −ＦNPsin(δP)・ＣRX ＸRS ＝ −ＦNSsin(δS)・ＣRX であり、左右方向舵力（ＹR）は、 ＹR ＝ ＹRP＋ＹRS ＹRP ＝ −ＦNPcos(δP)・ＣRY ＹRS ＝ −ＦNScos(δS)・ＣRY であり、旋回方向舵力（ＮR）は、 ＮR ＝ ＮRP＋ＮRS ＮRP ＝｛ＦNPsin(δP)・ＬYRP＋ＦNPcos(δP)・
ＬXRP｝・ＣRN ＮRS ＝｛ＦNSsin(δS)・ＬYRS＋ＦNScos(δS)・
ＬXRS｝・ＣRN であり、バウスラスタモデルでは、バウスラスタプロペ
ラピッチ角をδBとし、ＣBを推力係数とするとき、バウ
スラスタ推力ＴＢは、 ＴB ＝ ＣBδB であり、ＹB’をバウスラスタ推力係数とし、ＬB’をモ
ーメントレバー係数とするとき、前後方向推力（ＸB）
は、 ＸB ＝ ０ であり、左右方向推力（ＹB）は、 ＹB ＝ ＹB’ＴB であり、旋回方向推力（ＮB）は、 ＮB ＝ ＹBＬB’ＬB である。 【００２８】本発明に従えば、制御対象物はたとえば船
舶であり、たとえばコントローラからの移動指令を推力
指令値と舵角指令値とに配分し、これらの指令値によっ
て位置または速度などの運動制御が行われる。制御装置
が、たとえば船体に作用する力に基づいて速度を推定す
る船体オブザーバを備える場合、このオブザーバに、船
体に作用する正確な力を与える必要がある。しかしなが
ら、船体に作用する力を直接観測することは困難であ
る。 【００２９】そこで、本発明では、推力舵角モデルを有
し、舵各指令値と推力指令値とから船体に作用する力を
推定するオブザーバを設け、これに基づいて船体の運動
制御を行う。これによって、高精度に制御を行うことが
できる。また、推力舵角モデルは、非線形方程式で記述
されるが、たとえば定常状態の推力、舵角まわりで近似
線形化せず、推力指令、舵角指令、力を内部変数として
含む非線形方程式に、直接推力指令値、舵角指令値を与
えて船体に作用する力を算出するので、高精度に力を推
定でき、船体の運動制御を良好に行うことができる。 【００３０】 【発明の実施の形態】つぎに、本発明の前提となる制御
装置１について説明する。なお、制御装置１の前提とす
る構成は、図９および図１０で説明したものと同一のも
のとし、オブザーバ２の運動モデルの中身だけが異なる
ものとする。ただし、運動モデルの基礎とする式は、前
述した式（１）で表されるものとする。そして、前述と
同様に、式の簡略化のため、水平面の運動のみを考え、
前述の式（２）を得る。 【００３１】式（２）は、内部変数に前後方向（ｘ軸）
の力Ｆｘ、左右方向（ｙ軸）の力Ｆｙおよび上下方向の
軸線（ｚ軸）まわりの角運動量Ｎ、前後方向速度ｕ、左
右方向速度ｖ、ｚ軸まわりの角速度ｒを含む非線形の連
立１次微分方程式である。前述したように、従来は、こ
の式（２）を、速度ｕ0で飛行する定常状態（ｕ0,０,
０）まわりで近似線形化して式（３）を作成し、この式
（３）を運動モデルとして図１１に示すオブザーバモデ
ルを作成していた。つまり、つねに横方向ｙには速度が
生じないものとしていた。 【００３２】これに対し、本発明の前提となる構成で
は、式（２）を線形化することなく、式（２）をそのま
ま運動モデルとし、この運動モデルから図１に示すオブ
ザーバモデルを作成する。式（２）から分かるように、
本発明の前提となる構成の運動モデルには内部変数とし
て前後方向速度ｕおよび左右方向速度ｖ、およびｚ軸ま
わりの角速度ｒを含み、図１のブロック図に示すよう
に、推定する速度ｕ，ｖ，ｒは、算出した速度ｕ、ｖ、
ｒを用いて算出される。つまり、速度ｕ，ｖ，ｒは予め
固定されているのでなく、飛行機の状態に応じて変化す
る。したがって、たとえば急旋回時など横方向（ｙ軸）
に速度が生じ、定常状態から大きく外れる場合であって
も速度ｕ、ｖ、ｒを正確に算出することができる。これ
によって制御装置１は高精度に速度制御を行うことがで
きる。 【００３３】この構成では、制御装置１のコントローラ
４は、オブザーバ２で推定した速度と、コントローラ４
に設定される速度との基づいて速度制御するように構成
されるが、たとえばＧＰＳ（global positioning syste
m）によって位置を検出し、検出した位置および推定し
た速度に基づいて位置速度制御するように構成してもよ
い。 【００３４】また、速度推定に用いる観測可能な力およ
び角運動量は、この構成では、制御対象物に与える推力
指令値から得るように構成したので、現在速度を迅速に
推定することができるが、このように推力指令値を用い
る場合に限らず、たとえば制御対象物に加速度および角
加速度を検出するセンサを設け、検出したこれらの加速
度と制御対象物の質量とから制御対象物に作用する力お
よび角運動量を算出し、これを用いるようにしてもよ
い。 【００３５】また、この構成では制御対象物は飛行機を
想定したが、本発明はこれに限らず、船舶、潜水艇、宇
宙機、ロボットなど、剛体の運動制御であれば適用可能
である。また、運動制御は、速度制御に限らず、位置制
御、または姿勢制御なども含む。また、この構成では、
式の簡略化のため水平面運動のみを説明したが、これに
限らず、３次元で運動する剛体の制御にも適用可能であ
る。この場合は、前述した式（１）を運動モデルとす
る。 【００３６】次に、本発明の前提となる他の構成の流体
中を運動する制御対象物を制御する制御装置１０につい
て説明する。たとえば船舶など、水に浮かんで走行する
制御対象物は、走行速度に依存する抵抗を水から受ける
ので、この抵抗力を考慮して制御する必要がある。 【００３７】図２は、抵抗オブザーバ１１を備える制御
装置１０の構成を示すブロック図であり、図３は船体１
３に対する速度ｕ，ｖ，ｒを示す図である。この制御装
置１０では、コントローラ１２から船体１３に推力指令
を与えて船体１３の運動制御を行う。推力指令は前後方
向推力Ｆｘ、左右方向推力Ｆｙ、旋回方向の角運動量
（ｚ軸まわりの角運動量）Ｎとして与えられる。また、
船体１３の位置ｘ,ｙはＧＰＳで検出され、方位角θは
ジャイロで検出される。速度は、直接検出することが困
難であるので、船体モデルを有する船体オブザーバ１４
で前後方向速度ｕ、左右方向速度ｖ、旋回速度（ｚ軸ま
わりの角速度）ｒを推定する。なお、このオブザーバ１
４は、前述した非線形モデルを有するオブザーバとす
る。つまり、水平面での剛体の運動を示す式（２）を運
動モデルとする。そして、コントローラ１２では、検出
した位置ｘ,ｙ,θと、推定した速度ｕ,ｖ,ｒとに基づい
て、船体１３の運動制御を行う。つまり、コントローラ
１１には船体の位置、方位および速度が設定され、設定
位置を、設定方位および設定速度で通過するように制御
する。 【００３８】前述したように、走行する船体１３は速度
に依存した抵抗を受けるので、この抵抗を考慮して速度
を推定する必要がある。そのために、本発明の前提とな
る他の構成では、抵抗モデルを有する抵抗オブザーバ１
１を設けて、船体オブザーバ１４で推定した速度ｕ，
ｖ，ｒに基づいて船体に作用する前後方向の抵抗力
ＸＨ、左右方向の抵抗力ＹＨ、旋回方向の角運動量ＮＨ
を推定し、これらを推力指令から得られた力Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｎから減算して船体オブザーバ１４に与える。これ
によって、走行抵抗を考慮した速度ｕ，ｖ，ｒを推定す
ることができ、高精度に船体１３の位置制御を行うこと
ができる。 【００３９】つぎに、抵抗モデルについて説明する。抵
抗モデルは、理想流体力、粘性流体力、誘導抗力、クロ
スフロー直圧力、クロスフロー揚力（船体前後非対称揚
力）、および船体前後摩擦抗力の６つの流体力要素成分
と、失速影響とを考慮し、流体から受ける抵抗力をＸ，
Ｙ，Ｎの３分力に分け、無次元化して作成する。 【００４０】理想流体力は、流体に粘性がなく、自由表
面影響を無視できる場合の流体力である。また、翼理論
では、流体に粘性があるとき、拘束渦が翼面内に誘起さ
れ、この拘束渦によって揚力が生じる。粘性揚力は、理
想流体からの揚力の増減分である。また、誘導抗力は、
拘束渦の翼端流出渦に起因するものである。また、クロ
スフロー直圧力は、クロスフロー（船体横断仮想流）に
よる直圧力であり、クロスフロー揚力は、クロスフロー
の流向に対して垂直に働く前後力であり、船体が前後非
対称である場合に生じる。また、船体前後摩擦抗力は、
船体の受ける摩擦抵抗であり、これはとくに船の前進速
度が低い場合に船体抵抗の大部分を占める。また、失速
影響は、失速時に粘性揚力の減少と誘導抗力の増加が船
体前後方向になると仮定し、粘性揚力微係数および誘導
抗力微係数をを補正するものである。これらを考慮する
と、船体の抵抗モデルは次の（４）式で表される。 【００４１】 【数５】【００４２】 【数６】 【００４３】 【数７】 【００４４】 【数８】 【００４５】ここで、 ρ ：水の密度 Ｌpp：垂線間長 ｄ ：平均吃水 Ｕ ：船体中央における船速 β ：船体中央における横流れ角 Ｃ’Ll，Ｃ’Lt ：翼前縁および後縁での無次元揚力微
係数 Ｃ’Dil，Ｃ’Dit：翼前縁および後縁での無次元誘導抗
力微係数 ＣD90 ：横行時のクロスフロー抗力係数 Ｃi0,Ｃv0 ：斜航時の誘導抗力、粘性揚力におけ
る翼の前後縁に対する力の配分を表す係数 ΔＣL，ΔＣDi ：前後力の粘性揚力微係数および誘導
抗力微係数 Ｃ’Di＝Ｃ’Dit＋Ｃ’Dil Ｃ’L＝Ｃ’Lt＋Ｃ’Ll ＸＲｆ ：摩擦抵抗（前後進状態での失速影響
を考慮した補正係数） Ｐ ：クロスフロー抗力の補正係数 【００４６】 【数９】 【００４７】 【数１０】 【００４８】 【数１１】【００４９】 【数１２】 【００５０】上記した（４）式は、非線形連立方程式で
あるが、本発明ではこれを線形化せず、この式（４）を
そのまま抵抗モデルとして用いる。つまり、船体オブザ
ーバ１４で推定した前後速度ｕ、左右速度ｖおよび旋回
方向の角速度ｒを上記（４）式に代入して流体から船体
に作用する前後方向の抵抗力ＸH、左右方向の抵抗力
ＹH、旋回方向の角運動量ＮHを推定する。そして、コン
トローラ１２から船体オブザーバ１４に与える推力指令
の前後方向推力Ｆｘ、左右方向推力Ｆｙ、旋回方向の角
運動量Ｎから、抵抗オブザーバ１４で推定した力ＸH,Ｙ
H,ＮHをそれぞれ減算して船体オブザーバ１４に与え
る。 【００５１】これによって、船体オブザーバ１４は、流
体から受ける抵抗力を考慮した船体速度ｕ,ｖ,ｒを推定
することができる。これによって、制御装置１０は高精
度に制御することが可能である。また、抵抗オブザーバ
１１は、定常状態まわりで近似線形化せず、内部変数に
速度ｕ,ｖ,ｒを含む非線形連立方程式をそのまま用いる
ので、船の運動が定常状態から大きく外れるよぅな場合
であっても、精度良く流体から受ける抵抗を推定するこ
とができる。 【００５２】この構成では、船体オブザーバに非線形船
体モデルを用いる場合について説明したが、本発明はこ
れに限らず、線形モデルの船体オブザーバに本発明の非
線形抵抗オブザーバを適用するように構成してもよく、
また、船体オブザーバを用いず直接検出した制御対象物
の速度を用いて抵抗力を推定する場合にも適用可能であ
る。 【００５３】次に、推力舵角オブザーバを備える本発明
の実施の一形態の制御装置２０について説明する。図４
は、制御装置２０の構成を示すブロック図であり、制御
装置２０は、制御対象物である船体２２の運動制御を行
う。本実施形態では、制御装置２０は船体２２が洋上で
定点保持するように制御するものとする。 【００５４】つまり、コントローラ２１には所定の位置
および方位が設定されており、ＧＰＳで検出した船体２
２の位置ｘ、ｙおよびジャイロで検出した船体２２の方
位θと偏差、船体オブザーバ２５で推定した船体２２の
前後方向速度ｕ、左右方向速度ｖ、旋回方向角速度ｒ、
および制御ゲインＫに基づいて、位置および方位の偏差
が０となり、船の速度ｕ，ｖ，ｒが０となるような移動
指令をコントローラ２１は算出する。移動指令は、船体
を移動および旋回させるための指令値であり、推力配分
器２３は、移動指令値を推力指令値と舵角指令値とに分
ける。推力指令値は船体２２のスラスタ（推進機）、す
なわちプロペラおよびバウスラスタに与えられ、舵角指
令値は船体２２のラダー（舵）に与えられ、船体２２の
位置および方位が調整される。このようにして、船体２
２は、所定位置に所定方位角で停止するように制御され
る。 【００５５】コントローラ２１に与えられる推定速度
ｕ,ｖ,ｒは船体オブザーバ２５で算出される。この船体
オブザーバ２５は、前述した船体オブザーバと同様であ
り、式（２）で表される非線形船体モデルを有する。し
たがって、船体オブザーバ２５は、船体２２に作用する
前後方向の力Ｆｘ、左右方向の力Ｆｙ、および旋回方向
の角運動量Ｎを必要とする。これらの力も直接観測する
ことが困難であるので、本発明では、推力配分器２３か
らの推力指令値および舵角指令値に基づいて力Ｆｘ,Ｆ
ｙ,Ｎを算出する推力舵角オブザーバ２４を設ける。推
力舵角オブザーバ２４は、内部変数として推力指令、舵
角指令および力Ｆｘ,Ｆｙ,Ｎを含む推力舵角モデルを有
し、この推力舵角モデルと舵角指令値および推力指令値
とから力Ｆｘ,Ｆｙ,Ｎを推定する。そして、この推定し
た力Ｆｘ,Ｆｙ,Ｎに基づいて、船体オブザーバ２５は速
度を推定する。 【００５６】次に、推力舵角オブザーバ２４の推力舵角
モデルについて説明する。本実施形態の船２２は、洋上
での定点保持を目的としており、通常のプロペラ、ラダ
ーと配置構成が異なっており、船体後部の左右舷後部に
プロペラが１基ずつ設けられ、その後方にラダーが１基
ずつ設けられ、さらに船首に左右方向に推力を発生させ
るプロペラ（バウスラスタ）１基が装備されている。し
たがって、推力舵角オブザーバ２４の推力舵角モデル
は、スラスタモデル、舵モデル、およびバウスラスタモ
デルとに分けられる。 【００５７】まず、スラスタモデルについて説明する。
図５に示すように、船体２２の左右舷後部には、１基ず
つＣＰＰ（可変ピッチプロペラ）が装備されている。左
右舷プロペラピッチ角をそれぞれθP，θSとする。 【００５８】左舷プロペラ推力ＴPP、右舷プロペラ推力
ＴPSより、 ・前後方向推力（ＸP） ｕ≧０の場合 ＸP ＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAH） …（５） ｕ＜０の場合 ＸP＝ （ＴPS＋ＴPP）（１−ｔAS） …（５’） ・左右方向推力（ＹP） ＹP ＝ ０ …（６） ・旋回方向推力（ＮP） ｕ≧０の場合 ＮP ＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAH）ＬP …（７） ｕ＜０の場合 ＮP＝ （ＴPP−ＴPS）（１−ｔAS）ＬP …（７’） ここで、 ｔAH，ｔAS：補正係数 ｕ：前後方向速度 ＬP：重心から推力作用点までのＹ方向距離 ・プロペラ推力 ＴPP ＝ ＣtPP（θP）ＮPP 2 ＴPS ＝ ＣtPS（θS）ＮPS 2 ＣtPP：左舷補正係数。θPの関数となる。 ＣtPS：右舷補正係数。θSの関数となる。 ＮPP：左舷プロペラ回転数 ＮPS：右舷プロペラ回転数 【００５９】したがって、上記した式（５）〜（７’）
がスラスタモデルとなる。これらの式から前後方向推力
ＸP、左右方向推力ＹP、旋回方向推力ＮPが推定され
る。これらの式は非線形であるが、本発明では線形化を
行わず、そのままスラスタモデルとして用いる。 【００６０】次に、図６を参照して舵モデルについて説
明する。また、左右舷舵角をそれぞれδP、δSとする。 【００６１】・前後方向舵力（ＸR） ＸR ＝ ＸRP＋ＸRS…（８） ＸRP ＝ −ＦNPsin(δP)・ＣRX ＸRS ＝ −ＦNSsin(δS)・ＣRX ・左右方向舵力（ＹR） ＹR ＝ ＹRP＋ＹRS…（９） ＹRP ＝ −ＦNPcos(δP)・ＣRY ＹRS ＝ −ＦNScos(δS)・ＣRY ・旋回方向舵力（ＮR） ＮR ＝ ＮRP＋ＮRS…（１０） ＮRP ＝｛ＦNPsin(δP)・ＬYRP＋ＦNPcos(δP)・
ＬXRP｝・ＣRN ＮRS ＝｛ＦNSsin(δS)・ＬYRS＋ＦNScos(δS)・
ＬXRS｝・ＣRN ・舵力はプロペラ推力（ＴPP，ＴPS）、舵角（δP，
δS）の関数となる。 ＦNP ＝ ｆ（ＴPP，δP） ＦNS ＝ ｆ（ＴPS，δS） ＬRX，ＬRY：重心から舵力作動点までのＸ，Ｙ方向の距
離 舵力作動点座標：左舷（ＬXRP，ＬYRP）＝（−ＬRX，−ＬRY） 右舷（ＬXRS，ＬYRS）＝（−ＬRX，＋ＬRY） ＣRX，ＣRY，ＣRN：舵と船体の干渉係数 【００６２】したがって上記した式（８）〜（１０）が
舵モデルとなる。これらの式から前後方向舵力ＸR、左
右方向舵力ＹR、旋回方向舵力ＮRが推定される。この舵
モデルも非線形方程式で表されるが、ここでも線形化せ
ず、非線形のまま用いる。 【００６３】次に、図７を参照して、バウスラスタモデ
ルについて説明する。船体２２には、船体前部に左右方
向に推力を発生させる可変ピッチプロペラ（バウスラス
タ）が装備される。バウスラスタプロペラピッチ角をδ
Bとする。 【００６４】・前後方向推力（ＸB） ＸB ＝ ０…（１１） ・左右方向推力（ＹB） ＹB ＝ ＹB’ＴB…（１２） ・旋回方向推力（ＮB） ＮB ＝ ＹBＬB’ＬB…（１３） ＹB’：バウスラスタ推力係数、ＬB’：モーメントレバ
ー係数 ・バウスラスタ推力 ＴB ＝ ＣBδB ＣB：推力係数 【００６５】したがって、上記式（１１）〜（１３）が
バウスラスタモデルとなる。これらの式から前後方向推
力ＸB、左右方向推力ＹB、旋回方向推力ＮBが推定され
る。このバウスラスタモデルも非線形となるが、ここで
も線形化せず、非線形のまま用いる。 【００６６】このようにして、推力舵角舵角オブザーバ
２４で推定した力を用いて船体オブザーバ２５は速度を
推定するが、本実施形態では、船体オブザーバ２５は、
ＧＰＳで検出した位置ｘ，ｙおよびジャイロで検出した
方位角θとを用いて船体オブザーバ２５の船体モデルを
修正する。 【００６７】図８は、前後方向ｘの位置に基づいて船体
モデルを修正するときの方法を示すブロック図である。
船体モデルでは入力された前後方向の力Ｆｘを積分器３
２で積分することによって推定速度＾ｖを算出し、さら
に積分器３１で積分することによって、推定位置＾ｘを
算出する。ＧＰＳによって船体２２の位置は検出可能で
あるので、検出した船体２２の前後方向の位置ｘと、推
定した位置＾ｘとを減算器３２で減算して偏差ｅを算出
する。そして算出した偏差ｅにゲインＬを乗じて、各積
分器３０，３１の積分係数３１ａ，３２ａを補正する。
このようにして、船体モデルが補正され、速度を高精度
に推定することができる。また、左右方向ｙの位置に関
しても同様にＧＰＳで検出した左右方向の位置を用いて
船体モデルが補正され、また、方位角θに関してもジャ
イロで検出した方位角θに基づいて船体モデルを補正す
る。このようにして船体オブザーバを補正することによ
って、さらに高精度に速度を推定することができる。 【００６８】さらに、本実施形態の船体オブザーバ２５
に、図２で説明した抵抗オブザーバ１１を適用するよう
に構成してもよい。 【００６９】 【００７０】 【００７１】 【００７２】 【００７３】 【発明の効果】本発明によれば、推力舵角モデルを有
し、舵角指令値と推力指令値とから船体に作用する力を
推定するオブザーバを設け、これに基づいて船体の運動
制御を行う。これによって、高精度に制御を行うことが
できる。また、推力舵角モデルは、非線形方程式で記述
されるが、たとえば定常状態の推力、舵角まわりで近似
線形化せず、推力指令、舵角指令、力を内部変数として
含む非線形方程式に、推力指令値、舵角指令値を与えて
船体に作用する力を推定するので、高精度に力を推定で
き、良好に船体の運動制御を行うことができる。こうし
て本発明によれば、船体２２を洋上で定点保持すること
が正確に可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非線形の運動モデルを用いる本発明の前提とな
るオブザーバ２のブロック図である。 【図２】抵抗オブザーバ１１を用いる制御装置１０の構
成を示すブロック図である。 【図３】船体１３の前進速度ｕ、左右速度ｖおよび旋回
角速度ｒを示す図である。 【図４】推力舵角オブザーバ２４を用いる本発明の実施
の一形態の制御装置２０の構成を示すブロック図であ
る。 【図５】推力舵角オブザーバ２４のスラスタモデルを説
明するための図である。 【図６】推力舵角オブザーバ２４の舵モデルを説明する
ための図である。 【図７】推力舵角オブザーバ２４のバウスラスタモデル
を説明するための図である。 【図８】船体モデル２５の補正方法示すブロック図であ
る。 【図９】オイラーの運動方程式を説明するための図であ
る。 【図１０】制御装置１の構成を示すブロック図である。 【図１１】従来の線形オブザーバのブロック図である。 【図１２】抵抗オブザーバ５を用いる従来の制御装置を
示すブロック図である。 【符号の説明】 １，１０，２０ 制御装置 ２ オブザーバ ３ 飛行機 １１ 抵抗オブザーバ １３、２２ 船体 １４，２５ 船体オブザーバ ２４ 推力舵角オブザーバ
るオブザーバ２のブロック図である。 【図２】抵抗オブザーバ１１を用いる制御装置１０の構
成を示すブロック図である。 【図３】船体１３の前進速度ｕ、左右速度ｖおよび旋回
角速度ｒを示す図である。 【図４】推力舵角オブザーバ２４を用いる本発明の実施
の一形態の制御装置２０の構成を示すブロック図であ
る。 【図５】推力舵角オブザーバ２４のスラスタモデルを説
明するための図である。 【図６】推力舵角オブザーバ２４の舵モデルを説明する
ための図である。 【図７】推力舵角オブザーバ２４のバウスラスタモデル
を説明するための図である。 【図８】船体モデル２５の補正方法示すブロック図であ
る。 【図９】オイラーの運動方程式を説明するための図であ
る。 【図１０】制御装置１の構成を示すブロック図である。 【図１１】従来の線形オブザーバのブロック図である。 【図１２】抵抗オブザーバ５を用いる従来の制御装置を
示すブロック図である。 【符号の説明】 １，１０，２０ 制御装置 ２ オブザーバ ３ 飛行機 １１ 抵抗オブザーバ １３、２２ 船体 １４，２５ 船体オブザーバ ２４ 推力舵角オブザーバ
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フロントページの続き
(56)参考文献 特開 昭56−153406（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−191209（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G05B 11/00 - 13/04
G05D 1/00 - 1/12
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 船体を制御対象物とする制御装置におい
て、 船体には、 船体後部の左右舷後部にプロペラが設けられ、 その各プロペラの後方にラダーが設けられ、 船首に左右方向に推力を発生させるバウスラスタが装備
され、 （ａ）船体の前後方向の位置と左右方向の位置とを検出
するＧＰＳと、 （ｂ）船体の方位を検出するジャイロと、 （ｃ）コントローラであって、 船体の所定の位置および所定の方位が設定されており、 船体の前後方向速度、左右方向速度、および旋回方向角
速度に応答し、 位置および方位の偏差が０となり、 船体の前後方向速度、左右方向速度、および旋回方向角
速度とが０となって船体が洋上で定点保持するように、 船体を移動および旋回させるための移動指令値を算出す
るコントローラと、 （ｄ）推力配分器であって、 コントローラの出力に応答し、 移動指令値を、推力指令値と舵角指令値とに分け、 推力指令値を、船体のプロペラおよびバウスラスタに与
え、 舵角指令値を、船体のラダーに与える推力配分器と、 （ｅ）推力舵角オブザーバであって、 推力舵角モデルを有し、この推力舵角モデルは、推力配
分器の出力に応答し、 プロペラの前後方向推力、左右方向推力、および旋回方
向推力を推定するスラスタモデル、 ラダーの前後方向舵力、左右方向舵力、および旋回方向
舵力を推定する舵モデル、ならびに、 バウスラスタの前後方向の推力、左右方向推力、および
旋回方向推力を推定するバウスラスタモデルを有し、 推力舵角モデルによって推定した前記推力および前記舵
力とから、船体に作用する前後方向の力、左右方向の
力、および旋回方向の力を算出する推力舵角オブザーバ
と、 （ｆ）船体オブザーバであって、 船体モデルを有し、 この船体モデルは、水平面内での剛体の運動を示す運動
モデルであって、 ＧＰＳの出力とジャイロの出力と推力舵角オブザーバの
出力とに応答し、 船体の前後方向速度、左右方向速度、および旋回方向角
速度を推定し、 推力舵角オブザーバによって算出された船体に作用する
前後方向の力に、第１の積分係数を演算する第１積分係
数器と、 第１積分係数器の出力を積分して前後方向の推定速度を
算出する第１積分器と、 第１積分器の出力に、第２の積分係数を演算する第２積
分係数器と、 第２積分係数器の出力を積分して前後方向の推定位置を
算出する第２積分器と、 第２積分器の出力とＧＰＳによって検出された前後方向
の位置との偏差を算出する第１減算器と、 第１減算器の出力に応答し、第１積分係数器の第１積分
係数を補正するとともに、第２積分係数器の第２積分係
数を補正する第１補正手段と、 推力舵角オブザーバによって算出された船体に作用する
左右方向の力に、第３の積分係数を演算する第３積分係
数器と、 第３積分係数器の出力を積分して左右方向の推定速度を
算出する第３積分器と、 第３積分器の出力に、第４の積分係数を演算する第４積
分係数器と、 第４積分係数器の出力を積分して左右方向の推定位置を
算出する第４積分器と、 第４積分器の出力とＧＰＳによって検出された左右方向
の位置との偏差を算出する第２減算器と、 第２減算器の出力に応答し、第３積分係数器の第３積分
係数を補正するとともに、第４積分係数器の第４積分係
数を補正する第２補正手段と、 推力舵角オブザーバによって算出された船体に作用する
旋回方向の力に、第５の積分係数を演算する第５積分係
数器と、 第５積分係数器の出力を積分して旋回方向の推定角速度
を算出する第５積分器と、 第５積分器の出力に、第６の積分係数を演算する第６積
分係数器と、 第６積分係数器の出力を積分して旋回方向の推定方位を
算出する第６積分器と、 第６積分器の出力とジャイロによって検出された方位と
の偏差を算出する第３減算器と、 第３減算器の出力に応答し、第５積分係数器の第５積分
係数を補正するとともに、第６積分係数器の第６積分係
数を補正する第３補正手段とを含むことを特徴とする制
御装置。
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