JP4260612B2 - Tidal current estimation method and apparatus, and navigation vehicle control method and apparatus using the same - Google Patents

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Description

本発明は、船舶、潜水艦などの水中(あるいは水上)を航走する航走体において潮流速度、潮流方位角、および、航走体に作用する潮流力などを推定する潮流推定方法および装置、並びに、これを用いた航走体の制御方法および装置に関する。   The present invention relates to a tidal current estimation method and apparatus for estimating a tidal velocity, a tidal azimuth angle, a tidal force acting on a traveling body, etc. in a traveling body that travels in water (or on the water) such as a ship or a submarine, and Further, the present invention relates to a method and an apparatus for controlling a traveling body using the same.

船舶、潜水艦などの水中(あるいは水上)を航行する航走体が潮流の影響を受けて基準航路から大きく外れる場合がある。これに対処するため、従来より種々の制御装置が提案されている。   In some cases, a navigation body that navigates underwater (or on the water) such as a ship or a submarine deviates greatly from the reference route due to the influence of tidal currents. In order to cope with this, various control devices have been proposed.

例えば特許文献1に開示される「自律型航走体の航走制御装置」では、水底に対する速度を検出する対地速度センサ、および、航走体の水に対する速度を検出する対水速度センサから得られた情報に基づいて潮流速度を算出し、この潮流速度によって航走体の速度指令値を補正することにより、予め定めた航路に沿って航走体を航走させることを可能にしている。   For example, an “autonomous traveling body navigation control device” disclosed in Patent Document 1 is obtained from a ground speed sensor that detects the speed relative to the water bottom and a water speed sensor that detects the speed relative to the water of the traveling body. The tidal velocity is calculated based on the obtained information, and the speed command value of the traveling body is corrected based on the tidal speed, thereby enabling the traveling body to travel along a predetermined route.

また特許文献2に開示される「操船装置」では、風、波、潮流などの外乱を直接検出するセンサを用いて船舶の推力指令値を補正することにより、予め定めた航路に沿って航走体を航走させることを可能にしている。   In the “steering device” disclosed in Patent Document 2, the ship's thrust command value is corrected using a sensor that directly detects disturbances such as wind, waves, and tidal currents, so that the ship navigates along a predetermined route. It makes it possible to navigate the body.

しかしながらこれらの装置は、何れも上述したように潮流速度および潮流方位角などを直接検出するセンサを必要とする。   However, these devices all require a sensor that directly detects the tidal velocity and tidal azimuth as described above.

ところでこれらの装置には、通常、自船位置(船位)を知るためGPS(Global Positioning System)または慣性航行装置などの船位計測装置が搭載されている。従って、この船位計測装置を用いるだけで(船位計測装置から得られる船位情報だけを用いて)潮流速度および潮流方位角などを推定することをができれば、上記センサが不要となり、装置の簡素化およびコスト低減を図ることができる。
特開2003−127983号公報 (第1図) 特開2000−001199号公報 (第1図)
By the way, in order to know the own ship position (ship position), these devices are usually equipped with a ship position measuring device such as a GPS (Global Positioning System) or an inertial navigation device. Therefore, if the tidal velocity and tidal azimuth can be estimated only by using this ship position measuring device (using only the ship position information obtained from the ship position measuring device), the above sensor becomes unnecessary, and the device can be simplified and Cost reduction can be achieved.
Japanese Patent Laying-Open No. 2003-127893 (FIG. 1) JP 2000-100199 A (FIG. 1)

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、船位情報を用いて極めて簡単に且つ精度良く潮流などに関する状態量を推定することができる潮流推定方法および装置、並びに、潮流影響下における航走体の動作を精度良く制御することができる制御方法および装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a tidal current estimation method and apparatus capable of estimating a state quantity related to a tidal current etc. very easily and accurately using ship position information, and tidal current influence It is an object of the present invention to provide a control method and apparatus capable of accurately controlling the operation of a traveling body below.

本発明に係る潮流推定方法は、潮流速度、潮流方位角、および航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定する潮流推定方法であって、航走体の位置に関する位置情報を受け付け、受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから前記状態量を推定する。   A tidal current estimation method according to the present invention is a tidal current estimation method for estimating a state quantity including a tidal velocity, a tidal azimuth angle, and a tidal force acting on a navigation body, and receives position information regarding the position of the navigation body, Based on the received position information, the navigation body motion model that expresses the motion of the navigation body as a mathematical model, the tidal current model that expresses the fluid motion as a mathematical model, and the mathematical model that expresses the fluid force acting on the navigation body The state quantity is estimated from a motion model including the fluid force model expressed by

この潮流推定方法を実現するために、本発明に係る潮流推定装置は、航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから前記状態量を推定する手段とを備える。   In order to realize this tidal current estimation method, a tidal current estimation device according to the present invention represents means for receiving position information relating to the position of a traveling body, and expresses the motion of the traveling body in a mathematical model based on the received position information. And a means for estimating the state quantity from a motion model including a moving body model, a tidal current model expressing fluid motion as a mathematical model, and a fluid force model expressing a fluid force acting on the navigation body as a mathematical model; Is provided.

この構成によれば、船位情報を用いるだけで極めて簡単に且つ精度良く前記状態量を推定することができる。   According to this configuration, it is possible to estimate the state quantity very simply and accurately by using only the ship position information.

概説すると、この潮流推定方法および装置は、航走体の位置情報のみに基づいて状態量を推定するものである。この位置情報は、例えば航走体に一般的に搭載されているGPSや慣性航行装置などから簡単に得ることができる。従って、状態量を計測するための計測装置を新たに設ける必要がなくなる。これにより、設備全体が簡単になる。また状態量を推定する手段が航走体運動モデル、潮流モデルおよび流体力モデルを有しているため、位置情報から潮流速度、潮流方位角および航走体に作用する潮流力を含む状態量を簡単に且つ精度良く推定することが可能となる。   In brief, the tidal current estimation method and apparatus estimate the state quantity based only on the position information of the vehicle. This position information can be easily obtained from, for example, a GPS or an inertial navigation device that is generally mounted on a traveling body. Therefore, it is not necessary to newly provide a measuring device for measuring the state quantity. This simplifies the entire facility. In addition, since the means for estimating the state quantity has a moving body motion model, tidal current model and hydrodynamic model, the state quantity including the tidal velocity, tidal azimuth and tidal force acting on the navigation body is obtained from the position information. It is possible to estimate easily and accurately.

また、前記潮流推定方法において、航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付け、位置情報とともに推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定してもよい。該潮流推定方法を実現するために、航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付ける手段を備えており、位置情報とともに推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定するように構成してもよい。   Further, in the tidal current estimation method, the navigation further includes thrust information relating to the thrust of the traveling body, and further includes the thrust of the traveling body as an internal variable instead of the traveling body motion model based on the thrust information together with the position information. The state quantity may be estimated from the motion model using a running body motion model. In order to realize the tidal current estimation method, a means for further receiving thrust information related to the thrust of the traveling body is provided, and based on the thrust information together with the position information, the thrust of the traveling body instead of the traveling body motion model May be configured to estimate the state quantity from the motion model using a traveling body motion model that further includes as an internal variable.

この構成では、航走体運動モデルに航走体の推力を含まれているので、航走体の推力情報を考慮した潮流速度、潮流方位角および航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定することが可能となる。これにより、航走体が航走または定点保持しているとき、すなわち航走体の推進装置が作動しているときであっても、航走体(推進装置)の推力情報を用いて潮流速度、潮流方位角および航走体に作用する潮流力を含む状態量を簡単に且つ精度良く推定することが可能となる。   In this configuration, since the thrust of the moving body is included in the moving body motion model, the state quantity including the tidal velocity, tidal azimuth and the tidal force acting on the traveling body considering the thrust information of the traveling body Can be estimated. As a result, even when the traveling body is sailing or holding a fixed point, that is, when the propulsion device of the traveling body is operating, the tidal velocity is obtained using the thrust information of the traveling body (propulsion device). It is possible to easily and accurately estimate the state quantity including the tidal current azimuth and the tidal force acting on the traveling body.

さらにこの場合、位置情報としては、上述したように航走体に搭載されているGPSや慣性航行装置などから得られた位置情報を用いることができる。また推力情報として、航走体の制御装置から推進装置への動作指令値、または、推進装置の推力を計測している場合にはその計測推力を用いることができる。すなわち、航走体に搭載されている既存の装置から得られる情報のみで上記状態量を推定することができる。従って、従来のように潮流速度を計測するために、航走体の水底に対する速度を計測する対地速度センサおよび航走体の水に対する速度を計測する対水速度センサなどを新たに設ける必要がない。その結果、設備全体の簡素化およびコスト低減を図ることができる。   Further, in this case, as the position information, position information obtained from a GPS or an inertial navigation device mounted on the traveling body as described above can be used. Further, as the thrust information, when the operation command value from the control device of the traveling body to the propulsion device or the thrust of the propulsion device is measured, the measured thrust can be used. That is, the state quantity can be estimated only from information obtained from an existing device mounted on the traveling body. Therefore, it is not necessary to newly provide a ground speed sensor for measuring the speed of the navigation body relative to the bottom of the water and a water speed sensor for measuring the speed of the navigation body relative to the water in order to measure the tidal current speed as in the past. . As a result, the entire facility can be simplified and the cost can be reduced.

また、本発明に係る航走体の制御方法は、航走体の目標位置および動作条件を設定し、該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出し、さらに航走体の位置に関する位置情報を受け付け、航走体の推力に関する推力情報を受け付け、受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから潮流速度、潮流方位角および潮流力を含む状態量を推定し、この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正し、該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する。   In addition, the control method for a traveling body according to the present invention sets a target position and an operating condition of the traveling body, calculates a necessary thrust of the traveling body based on the target position and the operating condition, and further Receives position information related to the position of the vehicle, receives thrust information related to the thrust of the vehicle, and based on the received position information and thrust information, expresses the motion of the vehicle in a mathematical model as an internal variable. The tidal velocity and tidal direction from the motion model including the moving body model including the tide, the tidal current model expressing the fluid motion with a mathematical model, and the hydrodynamic model expressing the fluid force acting on the navigation body with the mathematical model The state quantity including the angle and the tidal force is estimated, the necessary thrust of the traveling body is corrected based on the estimated state quantity, and the necessary thrust of the traveling body is output to the propulsion device of the traveling body.

該制御方法を実現する航走体の制御装置は、航走体の目標位置および動作条件を設定する手段と、該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出する手段と、航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、航走体の推力に関する推力情報を受け付ける手段と、受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから潮流速度、潮流方位角および潮流力を含む状態量を推定する手段と、この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正する手段と、該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する手段とを備える。   A control device for a traveling body that realizes the control method includes a means for setting a target position and an operating condition of the traveling body, a means for calculating a necessary thrust of the traveling body based on the target position and the operating condition, A means for receiving position information related to the position of the vehicle, a means for receiving thrust information related to the thrust of the vehicle, and a mathematical model that expresses the movement of the vehicle based on the received position information and thrust information. From a moving body model including a moving body model that expresses the thrust of the traveling body as a variable, a tidal current model that expresses the fluid motion with a mathematical model, and a fluid force model that expresses the fluid force acting on the traveling body with a mathematical model Means for estimating a state quantity including a tidal velocity, tidal azimuth and tidal force; means for correcting the necessary thrust of the navigation body based on the estimated state quantity; and navigating the necessary thrust of the navigation body. Running body And means for outputting to the advance device.

この構成によれば、潮流影響下における航走体の動作を精度良く制御することができる。   According to this configuration, the operation of the traveling body under the influence of the tidal current can be controlled with high accuracy.

概説すると、この制御方法および制御装置では、上述したように航走体の推力を含む航走体運動モデル、潮流モデル、および流体力モデルを用いて状態量を推定しているため、航走体の推力情報を考慮した潮流速度、潮流方位角、および航走体に作用する潮流力を含む状態量を簡単に且つ精度良く推定することができる。しかもこの状態量を用いて航走体の推進装置へ出力する推力を補正しているので、潮流影響下における航走体の航走または定点保持を精度良く行うことができる。   In general, in this control method and control apparatus, the state quantity is estimated using the traveling body motion model including the thrust of the traveling body, the tidal current model, and the fluid force model as described above. It is possible to easily and accurately estimate the state quantity including the tidal velocity, tidal azimuth angle, and tidal force acting on the traveling body in consideration of the thrust information. In addition, since the thrust output to the propulsion device of the traveling body is corrected using this state quantity, the traveling body can be navigated or fixed points can be accurately maintained under the influence of the tidal current.

また、状態量を推定するのに必要な情報が航走体の位置情報および推力情報だけであるので、上記の通り航走体に搭載されている既存の装置から簡単に得ることができる。従って、従来のように対地速度センサおよび対水速度センサなどを新たに設ける必要がない。その結果、設備全体の簡素化およびコスト低減を図ることができる。   In addition, since the information necessary for estimating the state quantity is only the position information and thrust information of the traveling body, it can be easily obtained from the existing apparatus mounted on the traveling body as described above. Therefore, there is no need to newly provide a ground speed sensor, a water speed sensor, or the like as in the prior art. As a result, the entire facility can be simplified and the cost can be reduced.

前記状態量を推定する手段が線形または非線形のオブザーバを備えてもよい。このようなオブザーバを用いることにより、制御対象(ここでは、潮流および航走体)のすべての状態変数を検出することなく、所定の入力(ここでは、位置情報)だけですべての状態変数を推定することができる。   The means for estimating the state quantity may comprise a linear or non-linear observer. By using such an observer, it is possible to estimate all state variables only with a predetermined input (here, location information) without detecting all state variables of the controlled object (here, tidal current and vehicle). can do.

前記推定された状態量を表示する手段をさらに備えることが望ましい。これにより、操船に必要な情報をオペレータに与えることができる。   It is desirable to further comprise means for displaying the estimated state quantity. As a result, information necessary for maneuvering can be given to the operator.

本発明に係る潮流推定方法および装置によれば、船位情報を用いて極めて簡単に且つ精度良く潮流などに関する状態量を推定することができる。また本発明に係る航走体の制御方法および装置によれば、潮流影響下における航走体の動作を精度良く制御することができる。   According to the tidal current estimation method and apparatus according to the present invention, it is possible to estimate a state quantity relating to a tidal current and the like very easily and accurately using ship position information. Moreover, according to the control method and apparatus of the traveling body which concerns on this invention, the operation | movement of the traveling body under the influence of a tidal current can be controlled accurately.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施の形態に係る航走体の制御装置を含む制御系の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、図1に示すように航走体として船体1を例示しており、該船体1は操船装置2によってその動作が制御される。該操船装置2は、船位計測装置3、入力装置4、本実施の形態に係る制御装置5、表示装置6、並びに推進装置7を備えている。なお、航走体としては前記船体1に限らず、水中を航走する潜水艦などにも適用することができる。   FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a control system including a navigation vehicle control apparatus according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a hull 1 is illustrated as a traveling body, and the operation of the hull 1 is controlled by a marine vessel maneuvering device 2. The boat maneuvering device 2 includes a ship position measuring device 3, an input device 4, a control device 5, a display device 6, and a propulsion device 7 according to the present embodiment. The traveling body is not limited to the hull 1 but can be applied to a submarine that travels underwater.

前記船位計測装置3は、地球座標における船体1の位置(緯度方向の位置Xと経度方向の位置Y)を計測して得られた位置情報を出力する位置計測装置3aと、地球座標における方位角(船体1の船首が向く方向Ψ)を計測して得られた方位角情報を出力する方位角計測装置3bとを備える。位置計測装置3aとしては例えばGPS(Global Positioning System)が用いられ、方位角計測装置3bとしては例えばジャイロコンパスが用いられる。ただし、潜水艦など水中を航走する航走体の場合には、位置計測装置3aとしてGPSを使用することができないのでこれに代えて公知の慣性航法装置を用いる。なお、上述した船体1の位置および方位角を船位η(X、Y、Ψ)と称する。   The ship position measurement device 3 includes a position measurement device 3a that outputs position information obtained by measuring the position of the hull 1 in the earth coordinates (position X in the latitude direction and position Y in the longitude direction), and an azimuth angle in the earth coordinates. And an azimuth measuring device 3b that outputs azimuth angle information obtained by measuring (the direction Ψ in which the bow of the hull 1 faces). For example, a GPS (Global Positioning System) is used as the position measuring device 3a, and a gyro compass is used as the azimuth measuring device 3b. However, in the case of a traveling body that travels underwater such as a submarine, a GPS can not be used as the position measuring device 3a, so a known inertial navigation device is used instead. The position and azimuth angle of the hull 1 described above are referred to as ship position η (X, Y, Ψ).

前記入力装置4はマウス、操作卓などから構成されており、制御装置5と通信可能に接続されている。入力装置4は、船体1の目標船位ηtおよび目標船速度Vtなどオペレータによる外部入力を受け付け、入力された情報を制御装置5に出力する。   The input device 4 includes a mouse, a console, and the like, and is connected to the control device 5 so as to be communicable. The input device 4 receives external inputs from the operator such as the target ship position ηt and the target ship speed Vt of the hull 1 and outputs the input information to the control device 5.

前記制御装置5は、コンピュータから構成され、CPU(中央演算処理ユニット)51、入出力部52、および、プログラムその他各種情報を格納すべくRAM、ROM、HDD(ハードディスクドライブ)などからなる記憶部53を備える。この制御装置5では、入力装置4から入力された目標船位ηtおよび目標船速度Vtに関する情報と、位置計測装置3aおよび方位角計測装置3bからそれぞれ入力された位置情報X、Yおよび方位角情報Ψと、その他前記記憶部53に格納された所定のコンピュータプログラムなどとに基づいて、CPU51が船体1の航走中の潮流速度および潮流方位角並びに船体1に作用する潮流力などの状態量を算出する。さらにCPU51はこの状態量を用いて推進装置7に出力する動作指令uを算出する。この動作指令uに基づいて推進装置7が駆動される。これにより、船体1の針路保持または指定航路のトラッキングなどを確実に行うことができる。詳細は後述する。なお、推進装置7は図示されていないが複数のアクチュエータを備えており、各アクチュエータは制御装置5から入力される動作指令uに従って駆動される。   The control device 5 is constituted by a computer, and includes a CPU (Central Processing Unit) 51, an input / output unit 52, and a storage unit 53 including a RAM, a ROM, an HDD (Hard Disk Drive) and the like for storing various other information. Is provided. In this control device 5, information on the target ship position ηt and the target ship speed Vt input from the input device 4, and position information X, Y and azimuth angle information Ψ input from the position measuring device 3a and the azimuth measuring device 3b, respectively. On the basis of the computer program stored in the storage unit 53 and the like, the CPU 51 calculates state quantities such as the tidal velocity and tidal azimuth during the navigation of the hull 1 and tidal forces acting on the hull 1. To do. Furthermore, the CPU 51 calculates an operation command u to be output to the propulsion device 7 using this state quantity. The propulsion device 7 is driven based on this operation command u. Thereby, the course maintenance of the hull 1 or the tracking of the designated route can be reliably performed. Details will be described later. Although not shown, the propulsion device 7 includes a plurality of actuators, and each actuator is driven in accordance with an operation command u input from the control device 5.

前記表示装置6は、公知のCRTまたは液晶表示装置などから構成されており、制御装置5と通信可能に接続されている。表示装置6は、制御装置5において算出された前記状態量を画面上に表示する。なお、ここでは、表示装置6を制御装置5および船位計測装置3と別体に設けているが、制御装置5または船位計測装置3と一体的に設けても構わない。特に、船位計測装置3には、通常、表示装置が設けられているので、その表示装置を前記表示装置6として用いることが望ましい。これにより、この表示装置に船位ηとともに上述した潮流速度、潮流方位角、および潮流力などの状態量を表示することができる。その結果、オペレータに操船に関連する有益な情報を提供することができ、さらには設備全体の簡素化を図ることができる。   The display device 6 includes a known CRT or liquid crystal display device, and is connected to the control device 5 so as to be communicable. The display device 6 displays the state quantity calculated by the control device 5 on the screen. Although the display device 6 is provided separately from the control device 5 and the ship position measuring device 3 here, the display device 6 may be provided integrally with the control device 5 or the ship position measuring device 3. In particular, since the ship position measuring device 3 is usually provided with a display device, it is desirable to use the display device as the display device 6. As a result, the state quantity such as the tidal velocity, tidal azimuth, and tidal force described above can be displayed on the display device together with the ship position η. As a result, it is possible to provide useful information related to the maneuvering to the operator, and it is possible to simplify the entire facility.

次に、図2に示す制御装置の機能ブロック図を用いて前記制御装置5をさらに詳細に説明する。制御装置5は、以下に詳述する制御部8、状態推定部9、および推力配分部10を備える。   Next, the control device 5 will be described in more detail using the functional block diagram of the control device shown in FIG. The control device 5 includes a control unit 8, a state estimation unit 9, and a thrust distribution unit 10 described in detail below.

前記制御部8は、船位計測装置3、入力装置4、および推力配分部10とそれぞれ通信可能に接続されている。この制御部8は、船位計測装置3から入力される船位ηとこの船位ηのサンプリング時間とに基づいて船体1の船速度Vを算出する第1船速度算出部11を備える。さらにこの制御部8は、船体1に与えるべき前後方向(船体1の船首の向く方向)の必要推力を算出する前後方向推力算出部12と、左右方向の必要推力を算出する左右方向推力算出部13と、回頭方向の必要モーメントを算出する回頭方向モーメント算出部14とを備える。各算出部12、13、14は、第1船速度算出部11から入力された船速度Vと入力装置4から入力された目標船速度Vtとの船速度偏差、および、船位計測装置3から入力された船位ηと入力装置4から入力された目標船位ηtとの船位偏差に基づいて、前記必要推力および必要モーメントをそれぞれ算出する。そして制御部8は、これらの算出結果を推力配分部9に出力する。制御部8はこれら一連の演算を実行することにより、船体1の動作をPID制御している。なお、ここで算出された必要推力および必要モーメントは潮流の影響を考慮していない。またここでは船体1の動作をPID制御しているがこれに限定されるものではない。   The control unit 8 is connected to the ship position measuring device 3, the input device 4, and the thrust distribution unit 10 in a communicable manner. The control unit 8 includes a first ship speed calculation unit 11 that calculates the ship speed V of the hull 1 based on the ship position η input from the ship position measuring device 3 and the sampling time of the ship position η. Further, the control unit 8 includes a front-rear direction thrust calculation unit 12 that calculates a required thrust in the front-rear direction (direction in which the bow of the hull 1 faces) to be applied to the hull 1, and a left-right direction thrust calculation unit that calculates a required thrust in the left-right direction. 13 and a turning direction moment calculating unit 14 for calculating a required moment in the turning direction. The calculation units 12, 13, and 14 are input from the ship speed deviation between the ship speed V input from the first ship speed calculation unit 11 and the target ship speed Vt input from the input device 4, and input from the ship position measurement device 3. The required thrust and the required moment are respectively calculated based on the ship position deviation between the ship position η and the target ship position ηt input from the input device 4. Then, the control unit 8 outputs these calculation results to the thrust distribution unit 9. The controller 8 performs PID control of the operation of the hull 1 by executing these series of calculations. The required thrust and required moment calculated here do not consider the influence of tidal current. Further, although the operation of the hull 1 is PID controlled here, the present invention is not limited to this.

前記状態推定部9は、船位計測装置3、推力配分部10、および表示装置6とそれぞれ通信可能に接続されている。この状態推定部9は、船位計測装置3から入力される船位ηと推力配分部10から入力される動作指令uとに基づいて、潮流などの状態量xを推定するオブザーバ15を備える。さらに状態推定部9は、推定潮流速度Vceを算出する潮流速度算出部16と、推定潮流方位角Ψceを算出する潮流方位角算出部17とを備える。各算出部16、17が上記状態量xに基づいて推定潮流速度Vceおよび推定潮流方位角Ψceを算出する。そして状態推定部9は、これら算出結果を推力配分部10に出力するとともに表示装置6に出力する。詳細は後述する。   The state estimation unit 9 is connected to the ship position measurement device 3, the thrust distribution unit 10, and the display device 6 in a communicable manner. The state estimation unit 9 includes an observer 15 that estimates a state quantity x such as a tidal current based on the ship position η input from the ship position measuring device 3 and the operation command u input from the thrust distribution unit 10. Further, the state estimating unit 9 includes a tidal velocity calculating unit 16 that calculates the estimated tidal velocity Vce and a tidal azimuth calculating unit 17 that calculates the estimated tidal azimuth angle ψce. Each calculation unit 16, 17 calculates the estimated tidal velocity Vce and the estimated tidal azimuth angle ψce based on the state quantity x. Then, the state estimation unit 9 outputs these calculation results to the thrust distribution unit 10 and to the display device 6. Details will be described later.

推力配分部10は推進装置7と通信可能に接続されている。この推力配分部10は、制御部8から入力された必要推力および必要モーメント、並びに、状態推定部9から入力された推定潮流速度Vceおよび推定潮流方位角Ψceに基づいて、推力装置7が備える複数のアクチュエータへの推力配分を決定し、これらのアクチュエータへ個別に動作指令uを出力する。以上により、潮流影響下における船体1の動作を精度良く制御することができる。   The thrust distribution unit 10 is communicably connected to the propulsion device 7. The thrust distribution unit 10 includes a plurality of thrust devices 7 based on the necessary thrust and necessary moment input from the control unit 8 and the estimated tidal velocity Vce and estimated tidal azimuth angle ψce input from the state estimating unit 9. The thrust distribution to the actuators is determined, and the operation command u is individually output to these actuators. As described above, the operation of the hull 1 under the influence of the tidal current can be accurately controlled.

なお、図2に示すように潮流影響下におけるアクチュエータへの推力配分を決定するために、ここでは状態推定部9に潮流速度算出部16および潮流方位角算出部17を設けているが、これに代えて船体1に作用する推定潮流力Fceを算出する潮流力算出部18を設けても構わない。その場合、潮流力算出部18は算出した推定潮流力Fceを制御部8に出力する(図2の破線L1参照)。この推定潮流力Fceを用いて、制御部8が、前後方向推力算出部12、左右方向推力算出部13、および回頭方向モーメント算出部14からそれぞれ出力される必要推力および必要モーメントを補正し、補正した必要推力および必要モーメントを推力配分部9にそれぞれ出力する。この場合も前記同様、潮流影響下における船体1の動作を精度良く制御することができる。   As shown in FIG. 2, in order to determine the thrust distribution to the actuator under the influence of the tidal current, the state estimating unit 9 is provided with a tidal velocity calculating unit 16 and a tidal azimuth calculating unit 17 here. Instead, a tidal force calculation unit 18 that calculates the estimated tidal force Fce acting on the hull 1 may be provided. In that case, the tidal force calculation unit 18 outputs the calculated estimated tidal force Fce to the control unit 8 (see the broken line L1 in FIG. 2). Using this estimated tidal force Fce, the control unit 8 corrects the necessary thrust and the necessary moment output from the longitudinal direction thrust calculation unit 12, the left and right direction thrust calculation unit 13, and the turning direction moment calculation unit 14, respectively. The necessary thrust and the necessary moment are output to the thrust distribution unit 9, respectively. In this case as well, the operation of the hull 1 under the influence of the tidal current can be controlled with high accuracy.

また、船体1の船速度を算出するために、ここでは制御部8に第1船速度算出部11を設けているが、これに代えて状態推定部10に第2船速度算出部19を設けることが望ましい(図2の破線L2参照)。この第2船速度算出部19は、第1船速度算出部11が船位ηと船位ηのサンプリング時間とに基づいて船速度Vを直接算出するのに対して、詳細は後述するがオブザーバ15で算出された状態量xに基づいて船体1の推定船速度Veを算出する。従って、船速度Vが比較的遅い場合であっても、第2船速度算出部19は第1船速度算出部11のようにひげ状のノイズが発生しない。これにより、船体1の船速度Vを精度良く算出することができる。すなわち、第1船速度算出部11では船位ηと船位ηのサンプリング時間とに基づいて船速度Vを直接算出しているため、船速度Vが遅い場合に船速度Vが階段状に変化し、その結果として一の船速度から別の船速度に変わるときにひげ状のノイズが発生する場合があるが、第2船速度算出部19は上記の通り船速度の算出方法が異なるためこのようなことが起こらない。   In addition, in order to calculate the ship speed of the hull 1, the first ship speed calculation unit 11 is provided in the control unit 8 here. Instead, the second ship speed calculation unit 19 is provided in the state estimation unit 10. It is desirable (see the broken line L2 in FIG. 2). The second ship speed calculation unit 19 directly calculates the ship speed V based on the ship position η and the sampling time of the ship position η, while the first ship speed calculation unit 11 directly calculates the ship speed V. An estimated ship speed Ve of the hull 1 is calculated based on the calculated state quantity x. Therefore, even when the ship speed V is relatively slow, the second ship speed calculation unit 19 does not generate whiskers like the first ship speed calculation unit 11. Thereby, the ship speed V of the hull 1 can be calculated with high accuracy. That is, since the first ship speed calculation unit 11 directly calculates the ship speed V based on the ship position η and the sampling time of the ship position η, the ship speed V changes stepwise when the ship speed V is slow, As a result, whisker-like noise may occur when changing from one ship speed to another. However, the second ship speed calculation unit 19 differs in the ship speed calculation method as described above. Nothing happens.

次に平面内を運動する船体モデル(数学モデル)を例に上述したオブザーバ15について詳述する。本実施の形態では、オブザーバ15は非線形状態推定オブザーバの構成を有する。もちろん、状態量の推定に用いる式が線形であるときは、線形状態推定オブザーバを用いてもよい。   Next, the observer 15 described above will be described in detail by taking a hull model (mathematical model) moving in a plane as an example. In the present embodiment, the observer 15 has a configuration of a nonlinear state estimation observer. Of course, when the equation used for estimating the state quantity is linear, a linear state estimation observer may be used.

図3は、本実施の形態において定義する船体1の状態量を説明するための模式図であり、図示されている各状態量は下記のように定義される。
V:船速度ベクトル
Vx2:船速度ベクトルVのx2方向の速度成分
Vy2:船速度ベクトルVのy2方向の速度成分
r:船体1の回頭方向の速度成分
β:船速度ベクトルVのx2軸に対する方位角
u:推力ベクトル
ux2:推力ベクトルuのx2方向の推力成分
uy2:推力ベクトルuのy2方向の推力成分
uψ:船体1の回頭方向の推力成分
X:船体1の中央のx1方向の位置
Y:船体1の中央のy1方向の位置
Ψ:船体1の中央のx1軸に対する方位角
Vc:潮流速度ベクトル
Vcx1:潮流速度ベクトルVcのx1方向の速度成分
Vcy1:潮流速度ベクトルVcのy1方向の速度成分
Ψc:x1軸に対する潮流方位角
なお、図3に示すx1−y1座標系は地球座標系である。またx2−y2座標系は船体座標系であり、船体1の船首方向をx2軸の正、このx2軸に直交する右舷方向をy2の正としている。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the state quantities of the hull 1 defined in the present embodiment. Each state quantity shown in the figure is defined as follows.
V: Ship speed vector Vx2: Speed component in the x2 direction of the ship speed vector V Vy2: Speed component in the y2 direction of the ship speed vector V r: Speed component in the turning direction of the hull 1 β: Direction of the ship speed vector V with respect to the x2 axis Angle u: Thrust vector ux2: Thrust component u2 in thrust vector u u2: Thrust component u2 in thrust vector u u: Thrust component in turning direction of hull 1 X: Position Y in center of hull 1 in Y1 direction: Position y1 in the center of the hull 1 ψ: Azimuth angle with respect to the center x1 axis of the hull 1 Vc: Tidal velocity vector Vcx1: Velocity component in the x1 direction of the tidal velocity vector Vc Vcy1: Velocity component in the y1 direction of the tidal velocity vector Vc Ψc: tidal azimuth angle with respect to x1 axis Note that the x1-y1 coordinate system shown in FIG. 3 is the earth coordinate system. The x2-y2 coordinate system is a hull coordinate system, where the bow direction of the hull 1 is positive on the x2 axis, and the starboard direction perpendicular to the x2 axis is positive on y2.

この場合、船体モデルは数式1〜4のように表される。   In this case, the hull model is expressed as Equations 1-4.

Figure 0004260612
Figure 0004260612

Figure 0004260612
Figure 0004260612

Figure 0004260612
Figure 0004260612

Figure 0004260612
ここで、ηは船位ベクトル(X、Y、Ψ)、Vは船速度ベクトル(Vx2、Vy2)、Vcは潮流速度ベクトル(Vcx2、Vcy2)、Mは船体1の質量および流体力による付加質量項行列、C(V)は遠心・コレオリ力項行列、Fc(V−Vc)は流体力ベクトル、uは推力ベクトル、J(η)は船体座標系から地球座標系へ変換する座標系回転行列、μは潮流変化率である。
Figure 0004260612
Here, η is a ship position vector (X, Y, Ψ), V is a ship speed vector (Vx2, Vy2), Vc is a tidal velocity vector (Vcx2, Vcy2), M is a mass of the hull 1 and an additional mass term due to fluid force. Matrix, C (V) is a centrifugal / Coreoli force term matrix, Fc (V−Vc) is a fluid force vector, u is a thrust vector, J (η) is a coordinate system rotation matrix for converting from a hull coordinate system to an earth coordinate system, μ is the tidal current change rate.

数式1のうちFc(V−Vc)が船体1に作用する流体力を決定する流体力(潮流力)モデルを表し、残りが船体1の運動を決定する船体運動モデルを表している。また数式2が流体(潮流)の運動を決定する潮流モデルを表している。なお、流体力モデルは船体ごとに実験により設定される。   In Equation 1, Fc (V−Vc) represents a fluid force (tidal force) model that determines the fluid force acting on the hull 1, and the rest represents a hull motion model that determines the motion of the hull 1. Equation 2 represents a tidal current model that determines the motion of the fluid (tidal current). The fluid force model is set by experiment for each hull.

ここで、数式1〜4中の状態量x0=〔η、V、Vc〕Tの状態推定ベクトルをx=〔ηe、Ve、Vce〕Tと定義すると、数式5に示す非線形オブザーバモデルおよび数式6に示す観測方程式(船位を観測する方程式)ができる。 Here, if the state estimation vector of the state quantity x0 = [η, V, Vc] T in Equations 1 to 4 is defined as x = [ηe, Ve, Vce] T , the nonlinear observer model and Equation 6 shown in Equation 5 The observation equation shown below (equation for observing the ship position) is created.

Figure 0004260612
Figure 0004260612

Figure 0004260612
次に、状態推定誤差ベクトルをe=x−x0と定義し、数式7が安定となるオブザーバゲインKを適宜設定する。すると数式8に示すように状態推定ベクトルeがほぼ零になり、状態推定ベクトルxは真値に収束する。
Figure 0004260612
Next, a state estimation error vector is defined as e = x−x0, and an observer gain K at which Equation 7 is stable is appropriately set. Then, as shown in Expression 8, the state estimation vector e becomes almost zero, and the state estimation vector x converges to a true value.

Figure 0004260612
Figure 0004260612

Figure 0004260612
以上のオブザーバ15を機能ブロック図で表現すると図4のようになる。図4に示すように、オブザーバ15は、演算器20、第1比例器21、第1比較部22、第2比例器23、第2比較部24、および積分器25を備える。
Figure 0004260612
The above observer 15 is expressed by a functional block diagram as shown in FIG. As shown in FIG. 4, the observer 15 includes a computing unit 20, a first proportional unit 21, a first comparison unit 22, a second proportional unit 23, a second comparison unit 24, and an integrator 25.

前記演算器20は、前記推力配分器9、積分器25、および第2比較器24とそれぞれ通信可能に接続されている。演算器20では、前記推力配分器9から出力された動作指令(推力ベクトル)uおよび状態推定ベクトルxに基づいて非線形オブザーバモデルf(x、u)を算出し(数式5に示す演算を実行する)、第2比較器24に出力する。   The computing unit 20 is communicably connected to the thrust distributor 9, the integrator 25, and the second comparator 24. The computing unit 20 calculates a nonlinear observer model f (x, u) based on the operation command (thrust vector) u and the state estimation vector x output from the thrust distributor 9 (the calculation shown in Formula 5 is executed). ) And output to the second comparator 24.

前記第1比例器21は、積分器25および第1比較器22とそれぞれ通信可能に接続されている。第1比例器21では、積分器25において算出された状態推定ベクトルxに基づいて推定船位ベクトルηeを算出し(数式6に示す演算を実行する)、第1比較器22に出力する。   The first proportional device 21 is connected to the integrator 25 and the first comparator 22 so as to communicate with each other. The first proportional unit 21 calculates an estimated ship position vector ηe based on the state estimation vector x calculated by the integrator 25 (executes the calculation shown in Equation 6), and outputs the result to the first comparator 22.

前記第1比較器22は、第1比例器21、第2比例器23、および船位計測装置3と通信可能に接続されている。第1比較器22では、第1比例器21において算出された推定船位ベクトルηeと船位計測装置3から出力された船位ベクトルηとの偏差(ηe−η)を算出する。そしてこの偏差(ηe−η)を第2比例器23に出力する。   The first comparator 22 is communicably connected to the first proportional device 21, the second proportional device 23, and the ship position measuring device 3. The first comparator 22 calculates a deviation (ηe−η) between the estimated ship position vector ηe calculated by the first proportional device 21 and the ship position vector η output from the ship position measuring device 3. Then, this deviation (ηe−η) is output to the second proportional device 23.

前記第2比例器23は、第1比較器22および第2比較器24とそれぞれ通信可能に接続されている。第2比例器23では、第1比較器22において算出された偏差(ηe−η)に前記オブザーバゲインKを掛けて、前記非線形オブザーバモデルf(x、u)を補正するための補正ベクトル(K・(ηe−η))を算出する。   The second proportional device 23 is connected to the first comparator 22 and the second comparator 24 so as to communicate with each other. In the second proportional unit 23, the deviation (ηe−η) calculated in the first comparator 22 is multiplied by the observer gain K to correct the nonlinear observer model f (x, u). (Ηe−η)) is calculated.

前記第2比較器24は、演算器20、積分器25、および第2比例器23とそれぞれ通信可能に接続されている。第2比例器23において算出された補正ベクトル(K・(ηe−η))を用いて演算器20で算出された非線形オブザーバモデルf(x、u)を補正し、より正確な非線形オブザーバモデルf(x0、u)を算出する。この非線形オブザーバモデルf(x0、u)を積分器25に出力する。   The second comparator 24 is connected to the computing unit 20, the integrator 25, and the second proportional unit 23 so as to be able to communicate with each other. The nonlinear observer model f (x, u) calculated by the computing unit 20 is corrected using the correction vector (K · (ηe−η)) calculated by the second proportional device 23, so that a more accurate nonlinear observer model f is obtained. (X0, u) is calculated. This nonlinear observer model f (x 0, u) is output to the integrator 25.

前記積分器23は、第2比較器24および第1比例器21とそれぞれ通信可能に接続されている。第2比較器24において算出された非線形オブザーバモデルf(x0、u)を積分し、より正確な状態推定ベクトルxを算出する。この状態推定ベクトルxを第1比例器21に出力するとともに、演算器20に戻す。さらにこの状態推定ベクトルxのうちの推定潮流速度ベクトルVceを、図2に示した潮流速度推定部16および潮流方位角推定部17に出力する。そして潮流速度推定部16および潮流方位角推定部17では、数式9を用いて推定潮流速度ベクトルVceから推定潮流速度Vceおよび推定潮流方位角Ψceを算出する。   The integrator 23 is communicably connected to the second comparator 24 and the first proportional device 21. The nonlinear observer model f (x0, u) calculated in the second comparator 24 is integrated to calculate a more accurate state estimation vector x. The state estimation vector x is output to the first proportional device 21 and returned to the calculator 20. Further, the estimated tidal velocity vector Vce of the state estimation vector x is output to the tidal velocity estimating unit 16 and the tidal azimuth estimating unit 17 shown in FIG. Then, the tidal velocity estimation unit 16 and the tidal direction azimuth estimation unit 17 calculate the estimated tidal velocity Vce and the estimated tidal azimuth angle ψce from the estimated tidal velocity vector Vce using Equation 9.

Figure 0004260612
また上述した潮流力推定部18において推定潮流力Fceを算出する場合には、上記状態推定ベクトルxのうちの推定船位ベクトルVeと推定潮流速度ベクトルVceとに基づいて算出された前記流体力モデルFc(V−Vc)から推定潮流力Fceを算出する。
Figure 0004260612
When the tidal force estimating unit 18 calculates the estimated tidal force Fce, the fluid force model Fc calculated based on the estimated ship position vector Ve and the estimated tidal velocity vector Vce in the state estimation vector x. The estimated tidal force Fce is calculated from (V-Vc).

また上述した第2船速度算出部19において推定船速度Veおよび推定方位角βを算出する場合には、数式10を用いて上記状態推定ベクトルxのうちの推定船速度ベクトルVeから推定船速度Veおよび推定方位角βを算出する。   Further, when the estimated ship speed Ve and the estimated azimuth angle β are calculated in the second ship speed calculation unit 19 described above, the estimated ship speed Ve is calculated from the estimated ship speed vector Ve of the state estimation vector x using Equation 10. And the estimated azimuth angle β is calculated.

Figure 0004260612
次に本実施の形態に係る制御装置5を自動操船装置に適用した場合の潮流推定シュミレーション結果について述べる。
Figure 0004260612
Next, a description will be given of a tidal current estimation simulation result when the control device 5 according to the present embodiment is applied to an automatic ship maneuvering device.

この潮流推定シュミレーションにおいては、潮流速度Vcを1.5m/s、潮流方位角Ψcを90deg.とし、これらをシュミレーション開始と共にランプ状に変化させた。また船体1の船速度Vを0m/s、回頭方向の速度rを0.2deg./secとした。従って、船体1は定点保持してその場で旋回する。このような条件のもとで潮流推定シュミレーションを行った結果を図5に示す。なお、このシュミレーションでは、非線形オブザーバモデルf(x、u)のパラメータ誤差を考慮して、流体力モデルFc(V−Vc)のパラメータ(流体力特性係数)の公称値を−10%および−30%に変動させたときの推定結果を示している。   In this tidal current estimation simulation, the tidal velocity Vc is 1.5 m / s and the tidal azimuth angle Ψc is 90 deg. These were changed into ramps as the simulation started. Further, the ship speed V of the hull 1 was set to 0 m / s, and the speed r in the turning direction was set to 0.2 deg./sec. Accordingly, the hull 1 holds a fixed point and turns on the spot. FIG. 5 shows the results of simulation of tidal current estimation under such conditions. In this simulation, the parameter values of the fluid force model Fc (V-Vc) (fluid force characteristic coefficient) are set to −10% and −30 in consideration of the parameter error of the nonlinear observer model f (x, u). The estimation results when the percentage is changed to% are shown.

図5(a)に示すように縦軸は推定潮流速度であり、横軸は経過時間である。図中の特性曲線LL1はシミュレーション条件として設定した潮流速度の時間変化を示し、特性曲線LL2は前記パラメータの変動を−10%としたときの推定潮流速度の時間変化を示し、特性曲線LL3は前記パラメータの変動を−30%としたときの推定潮流速度の時間変化を示している。図5(a)より、特性曲線LL1に対する特性曲線LL3の偏差は、特性曲線LL1に対する特性曲線LL2の偏差に比べて大きいが、両特性曲線LL2、LL3ともに特性曲線LL1に比較的良く追従していることがわかる。   As shown in FIG. 5A, the vertical axis represents the estimated tidal velocity, and the horizontal axis represents the elapsed time. The characteristic curve LL1 in the figure shows the time change of the tidal velocity set as the simulation condition, the characteristic curve LL2 shows the time change of the estimated tidal velocity when the fluctuation of the parameter is −10%, and the characteristic curve LL3 is the above The time variation of the estimated tidal current velocity when the parameter variation is −30% is shown. From FIG. 5A, the deviation of the characteristic curve LL3 from the characteristic curve LL1 is larger than the deviation of the characteristic curve LL2 from the characteristic curve LL1, but both characteristic curves LL2 and LL3 follow the characteristic curve LL1 relatively well. I understand that.

また図5(b)に示すように、縦軸は推定潮流方位角であり、横軸は経過時間である。図中の特性曲線LL1はシミュレーション条件として設定した潮流方位角の時間変化を示し、特性曲線LL2は前記パラメータの変動を−10%としたときの推定潮流方位角の時間変化結果を示し、特性曲線LL3は前記パラメータの変動を−30%としたときの推定潮流方位角の時間変化を示している。この場合も、前記同様に、特性曲線LL1に対する特性曲線LL3の偏差は、特性曲線LL1に対する特性曲線LL2の偏差に比べて大きいが、両特性曲線LL2、LL3ともに特性曲線LL1に比較的良く追従していることがわかる。   As shown in FIG. 5B, the vertical axis is the estimated tidal azimuth, and the horizontal axis is the elapsed time. The characteristic curve LL1 in the figure shows the time change of the tidal azimuth angle set as the simulation condition, and the characteristic curve LL2 shows the time change result of the estimated tidal azimuth angle when the variation of the parameter is −10%. LL3 indicates the time change of the estimated tidal current azimuth when the variation of the parameter is set to -30%. Also in this case, as described above, the deviation of the characteristic curve LL3 from the characteristic curve LL1 is larger than the deviation of the characteristic curve LL2 from the characteristic curve LL1, but both characteristic curves LL2 and LL3 follow the characteristic curve LL1 relatively well. You can see that

以上により、本実施の形態に係る制御装置によれば、例えば自動操船装置において、新たなセンサを追加することなく、当初から船体に搭載されている船位計測装置(GPSなど)を用いるだけで、すなわち船位計測装置から得られる情報だけで潮流成分(速度、方位角、力)を精度良く推定することができる。その結果、潮流影響下の自動操船装置の制御性能を向上させることができる。   From the above, according to the control device according to the present embodiment, for example, in an automatic boat maneuvering device, without using a new sensor, it is only necessary to use a ship position measurement device (GPS or the like) that is mounted on the hull from the beginning. That is, it is possible to accurately estimate tidal current components (speed, azimuth angle, force) only from information obtained from the ship position measuring device. As a result, the control performance of the automatic boat maneuvering device under the influence of tidal current can be improved.

なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。   The above-described embodiment is an example, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention, and the present invention is not limited to the above-described embodiment.

本発明の実施の形態に係る航走体の制御装置を含む制御系の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control system containing the control apparatus of the navigation body which concerns on embodiment of this invention. 制御装置の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of a control device. 本実施の形態において定義する船体1の状態量を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the state quantity of the hull 1 defined in this Embodiment. オブザーバの機能ブロック図である。It is a functional block diagram of an observer. 潮流推定シミュレーション結果を示すグラフであり、(a)は推定潮流速度の時間変化を示し、(b)は潮流方位角の時間変化を示している。It is a graph which shows a tidal current estimation simulation result, (a) shows a time change of an estimated tidal current velocity, and (b) shows a time change of a tidal current azimuth.

符号の説明Explanation of symbols

1…船体
2…操船装置
3…船位計測装置
3a…位置計測装置
3b…方位角計測装置
4…入力装置
5…制御装置
51…CPU
52…入出力部
53…記憶部
6…表示装置
7…推進装置
8…制御部
9…推力配分部
10…状態推定部
11…第1船速度算出部
12…前後方向推力算出部
13…左右方向推力算出部
14…回頭方向モーメント算出部
15…オブザーバ
16…潮流速度算出部
17…潮流方位角算出部
18…潮流力算出部
19…船速度算出部
20…演算器
21…第1比例器
22…第1比較器
23…第2比例器
24…第2比較器
25…積分器
1 ... Hull
2 ... Ship control device
3 ... Ship measuring device
3a ... Position measuring device
3b ... Azimuth measuring device
4 ... Input device
5. Control device
51 ... CPU
52 ... Input / output section
53. Storage unit
6 ... Display device
7 ... Propulsion device
8. Control unit
9 ... Thrust distribution part
10 ... State estimation part
11 ... 1st ship speed calculation part
12 .. Longitudinal thrust calculation unit
13: Left-right direction thrust calculation unit
14: Turning direction moment calculation unit
15 ... Observer
16 ... tidal velocity calculation part
17 ... Tidal azimuth calculation part
18 ... tidal force calculation part
19 ... ship speed calculation part
20 ... Calculator
21 ... 1st proportional device
22: First comparator
23. Second proportional device
24. Second comparator
25. Integrator

Claims (10)

潮流速度、潮流方位角、および、航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定する潮流推定方法であって、
航走体の位置に関する位置情報を受け付け、
受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから前記状態量を推定する、潮流推定方法。
A tidal current estimation method for estimating a state quantity including a tidal velocity, a tidal azimuth angle, and a tidal force acting on a traveling body,
Accept location information about the position of the vehicle,
Based on the received position information, the navigation body motion model that expresses the motion of the navigation body in a mathematical model, the tidal current model that expresses the fluid motion in a mathematical model, and the mathematical model that expresses the fluid force acting on the navigation body A tidal current estimation method for estimating the state quantity from a motion model including a fluid force model expressed by
航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付け、
前記位置情報とともに該推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定する、請求項1記載の潮流推定方法。
Receive further thrust information on the thrust of the vehicle,
Based on the thrust information together with the position information, the state quantity is estimated from the motion model using a traveling body motion model that further includes the thrust of the traveling body as an internal variable instead of the traveling body motion model. The tidal current estimation method according to claim 1.
航走体の目標位置および動作条件を設定し、
該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出し、
さらに航走体の位置に関する位置情報を受け付け、
航走体の推力に関する推力情報を受け付け、
受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから、潮流速度、潮流方位角および潮流力を含む状態量を推定し、
この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正し、
該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する、航走体の制御方法。
Set the target position and operating conditions of the vehicle,
Calculate the required thrust of the vehicle based on the target position and operating conditions,
In addition, location information regarding the position of the vehicle is received,
Accept thrust information about the thrust of the vehicle,
Based on the received position information and thrust information, the moving body motion model that expresses the motion of the moving body as a mathematical model that includes the thrust of the traveling body as an internal variable, and the tidal current that expresses the fluid motion as a mathematical model Estimate the state quantity including the tidal velocity, tidal azimuth and tidal force from the motion model including the model and the hydrodynamic model that expresses the hydrodynamic force acting on the navigation body with a mathematical model,
Based on this estimated state quantity, the necessary thrust of the vehicle is corrected,
A navigation body control method for outputting a necessary thrust of the navigation body to a propulsion device for the navigation body.
潮流速度、潮流方位角、および、航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定する潮流推定装置であって、
航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、
受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから前記状態量を推定する手段と
を備える、潮流推定装置。
A tidal current estimation device for estimating a state quantity including a tidal velocity, a tidal azimuth angle, and a tidal force acting on a traveling body,
Means for receiving position information relating to the position of the vehicle,
Based on the received position information, the navigation body motion model that expresses the motion of the navigation body as a mathematical model, the tidal current model that expresses the fluid motion as a mathematical model, and the mathematical model that expresses the fluid force acting on the navigation body A tidal current estimation device comprising: means for estimating the state quantity from a motion model including a fluid force model expressed by
航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付ける手段を備えており、
前記位置情報とともに該推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定すべくなしてある、請求項4記載の潮流推定装置。
A means for further receiving thrust information on the thrust of the vehicle,
Based on the thrust information together with the position information, the state quantity should be estimated from the motion model using a traveling body motion model that further includes the thrust of the traveling body as an internal variable instead of the traveling body motion model. The tidal current estimation apparatus according to claim 4, which is performed.
前記状態量を推定する手段が線形または非線形のオブザーバを備える、請求項4記載の潮流推定装置。   The tidal current estimation apparatus according to claim 4, wherein the means for estimating the state quantity includes a linear or nonlinear observer. 前記推定された状態量を表示する手段をさらに備える、請求項4記載の潮流推定装置。   The tidal current estimation apparatus according to claim 4, further comprising means for displaying the estimated state quantity. 航走体の目標位置および動作条件を設定する手段と、
該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出する手段と、
航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、
航走体の推力に関する推力情報を受け付ける手段と、
受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから潮流速度、潮流方位角、および潮流力を含む状態量を推定する手段と、
この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正する手段と、
該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する手段と
を備える、航走体の制御装置。
Means for setting the target position and operating conditions of the vehicle,
Means for calculating the required thrust of the vehicle based on the target position and the operating conditions;
Means for receiving position information relating to the position of the vehicle,
Means for receiving thrust information on the thrust of the vehicle,
Based on the received position information and thrust information, the motion of the vehicle is expressed by a mathematical model, the vehicle motion model that includes the thrust of the vehicle as an internal variable, and the tidal current model that expresses the fluid motion by a mathematical model. , And means for estimating a state quantity including a tidal velocity, a tidal azimuth angle, and a tidal force from a motion model including a hydrodynamic model in which a hydrodynamic force acting on a navigation body is expressed by a mathematical model;
Means for correcting the required thrust of the vehicle based on the estimated state quantity;
Means for outputting the necessary thrust of the traveling body to a propulsion device for the traveling body.
前記状態量を推定する手段が線形または非線形のオブザーバを備える、請求項8記載の航走体の制御装置。   9. The navigation vehicle control apparatus according to claim 8, wherein the means for estimating the state quantity comprises a linear or non-linear observer. 前記推定された状態量を表示する手段をさらに備える、請求項8記載の航走体の制御装置。   The navigation vehicle control device according to claim 8, further comprising means for displaying the estimated state quantity.
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