JP5056437B2

JP5056437B2 - 旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置

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Publication number: JP5056437B2
Application number: JP2008017566A
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Inventors: 公一正司
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Description

本発明は、３機以上の旋回式スラスタを備えてなる型式の船の定点保持や操舵を自動制御できるようにするために用いる旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置に関するものである。

作業船や浮体等、高い機動性が要求される船は、機動性を高めるために、推力発生装置（アクチュエータ）として、旋回式スラスタを３機以上装備した型式とすることがある。

この種の３機以上の旋回式スラスタを有する型式の船の動きは、上記各旋回式スラスタで発生させる推力（スラスト）が複合されることによって決定される。

したがって、上記３機以上の旋回式スラスタを有する型式の船を、周辺の潮流や風等に抗して定点保持させたり、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向へ移動させたり、左右の希望する方向へ回頭させるためには、上記船を船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させるために船体に作用させることが要求される前後方向の力（以下、前後力と云う）及び左右方向の力（以下、横力と云う）と、上記船舶を左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される回頭モーメントとを、各旋回式スラスタで発生させるべき推力に適切に配分する必要がある。

ここで、船の動きは平面運動であるため、その自由度は、前後、左右、回転（回頭）の３自由度となっている。これに対し、推力発生装置側の自由度は、１機の旋回式スラスタが推力と首振り角という２つの自由度を有しているため、３機以上の旋回式スラスタを有する形式の船におけるすべての旋回式スラスタによって得られる自由度の数は、旋回式スラスタの数×２となり、上記船に希望する平面運動の自由度に比して過剰になる。したがって、船体全体に作用させることが要求される前後力と横力と回頭モーメントに基いて、上記各旋回式スラスタの最適な操作を行うための解を導こうとしても、変数のほうが未知数よりも少ないため、未知数の解を１つに定めることができないというのが現状である。このため、上記３機以上の旋回式スラスタを有する型式の船に、ある１つの希望する動きを行わせる場合であっても、この１つの動き（出力）を行わせるための各旋回式スラスタの操作の組合せ（入力）、すなわち、個々の旋回式スラスタで発生させる推力の組み合わせが複数組存在することから、制御が多入力多出力系となってしまう。

そこで、従来、複数の推力発生装置を備えた船舶における各推力発生装置の制御を行うための手法として、以下に示すような推力配分方法が提案されている。

すなわち、上記推力配分方法は、操作量に対応する推力を発生する複数の推力発生装置を備える航走体を、与えられた目標推力で航走又は定点保持させるために、それぞれの推力発生装置に与える操作量を演算して、航走体の推力配分を行う推力配分方法において、それぞれの推力発生装置の非線形特性に基いて、それぞれの推力発生装置が発生する推力及び航走体の推力に関する力及びモーメントのバランス関係を予め定めておく一方、推力発生装置が発生する推力を可及的に小さくするための、それぞれの推力発生装置の状態に関する状態量及び／又は発生推力に関する所定の評価関数を規定して、上記バランス関係と評価関数とに基いて、上記目標推力との間で該バランス関係を満たし、且つ上記評価関数に対して所定の条件を満たすそれぞれの推力発生装置の操作量を演算するようにしてある。更に、この手法は、上記推力発生装置を旋回式スラスタとする場合についても適用できるとされている（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、一般に知られているフィードバック制御の１つとして、最適レギュレータによるフィードバック制御がある。

上記最適レギュレータは、状態量と操作量の変動幅を考慮した評価関数となっているので、極配置法等の他の設計法に比べ、目標とする制御量の変動幅を少なくしたい等、制御上の要求を直接反映させることができる設計手法として知られている。

この制御系設計手法により、制御ゲインを求めるためには、制御対象の状態方程式が必要であり、線形近似が必要とされる。又、広い範囲の現象を制御する場合には、制御対象の状態方程式を切換える等の工夫が必要である。

一方、制御対象の入出力特性については、逐次近似の最小自乗法で近似することで制御対象の特性が変化しても、逐次入出力特性をモデル化できるようになっている。

なお、本発明者は、先の出願（特願２００７−０２１３８９号）で、複数の推力発生装置を備えた船の推力制御方法として、ジョイスティック等による操作を可能とするための一入力一出力系の制御系を構築するために、最小右変換により各アクチュエータの推力配分を求める手法、具体的には、バウスラスタと旋回式スラスタを有する２軸船の船体固定座標上における左右両舷側の旋回式スラスタと、バウスラスタの幾何学的な配置を基に、バウスラスタの推力、左右両舷側の旋回式スラスタの推力のｘ軸方向とｙ軸方向の各成分と、上記各推力が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式を求め、上記バウスラスタと旋回式スラスタを有する２軸船を、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させたり、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させたりするために船体に作用させることが要求される力の３方向成分としての前後力と、横力と、回頭モーメントが与えられると、該船体に作用させることが要求される前後力と、横力と、回頭モーメントを基に、上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記バウスラスタで発生させるべき推力と、左右両舷側の旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分を求めるようにしたバウスラスタと旋回式スラスタを有する２軸船の推力制御方法を提案している。

上記の推力制御方法によれば、上記バウスラスタと旋回式スラスタを有する２軸船は、一般には多入力多出力システムであるが、右最小変換法を用いることで、前後、左右、回頭のそれぞれ一軸運動と、それら各軸に対する偏差のフィードバックという１入力１出力系に変換することができる。

特開２００４−４２８８５号公報

ところが、上記特許文献１に記載されている従来の複数の推力発生装置を備えた船舶における各推力発生装置の推力配分方法は、制御則を導くために、最適問題を解くための複雑な演算制御を行う必要がある。そのため、船舶の実際の運用時に、船舶に所望する動きと、実際の船舶の動きにずれが発生した場合には、このずれを修正するための手間が嵩むため、現場の状況に即応することが困難であるという問題がある。更に、万一、一部の装置に故障が生じた場合にも即応することは困難である。

又、上記複数の推力発生装置を備えた船舶における推力発生装置の制御は、非線形多入力多出力系であるため、そのままでは制御対象の状態方程式の線形近似が必要とされる前述の最適レギュレータによるフィードバック制御を適用することができないというのが実状である。

そこで、本発明者は、３機以上の旋回式スラスタを有する型式の船の定点保持や操舵の自動化を図ることができるようにするために、先の出願で提案している多入力多出力系を右最小変換法により１入力１出力系に変換できるようにした推力制御方法を更に発展させて、この推力制御方法によって多入力多出力系を１入力１出力系に変換すれば、最適レギュレータによるフィードバック制御を適用できることを見出して本発明をなした。

したがって、本発明の目的とするところは、３機以上の旋回式スラスタを有する船の定点保持や操舵を、最適レギュレータによりフィードバック制御することで自動化できるようにするための旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応して、３機以上の旋回式スラスタを有する船を、定点保持、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させ、更に、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力を求め、次に、上記３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記３軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を一意的に求めて、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することで船体運動を行わせ、この船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新するようにする旋回式スラスタ船の推力制御方法とする。

又、上記構成において、３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式に加えて、１つずつの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた行列式を求めておき、船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力が与えられるときに、所要の１つの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を基に、上記所要の１つの旋回式スラスタを除いた残りの各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を求めるようにする。

更に、請求項３に対応して、船体に３機以上の旋回式スラスタを有し、且つ、上記各旋回式スラスタの推力配分を求める制御部を備えて、該制御部は、上記船を、定点保持させるか、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させるか、又は、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力を求めると共に、上記３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記３軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を一意的に求め、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することができるようにしてあり、且つ上記推力配分で上記各旋回式スラスタを制御した場合に生じる船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新する機能を有するようにしてなる構成を有する旋回式スラスタ船の推力制御装置とする。

本発明によれば、以下のような優れた効果を発揮する。
（１）３機以上の旋回式スラスタを有する船を、定点保持、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させ、更に、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力を求め、次に、上記３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記３軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を一意的に求めて、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することで船体運動を行わせ、この船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新するようにする旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置としてあるので、船体に装備された各旋回式スラスタの船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向とｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換を用いて解くことで、船体を定点保持させたり、船首方向を一定に保持したまま船体を所望の方向へ移動させたり、左右の所望する方向へ船体を回頭させる場合に必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力を変数として、上記各旋回式スラスタにて発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の配分を一意的に定めることができる。これにより、前後、左右、回頭のそれぞれ一軸運動と、それら各軸に対する偏差のフィードバックと云う一入力一出力系に変換することが可能となることから、この一入力一出力系として求められた各旋回式スラスタの推力配分に基いて船体運動を逐次線形近似し、その線形入出力系に対して最適レギュレータ問題を逐次解くことで、上記各旋回式スラスタの運転によって発生させる推力という本来非線形な系に対する最適フィードバックシステムを構築することができる。
（２）更に、上記最小右変換で求められる各旋回式スラスタの推力配分では、それぞれの旋回式スラスタにて発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分のノルムが最小となっているため、各旋回式スラスタでは、最小限の推力の組み合わせを得ることができるようになる。よって、３機以上の旋回式スラスタを装備してなる船を、外乱の影響下にて定点保持させたり、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ移動させたり、左右の希望する方向へ回頭させる場合に最適なフィードバック量を得ることができて、制御の自動化を図ることが可能になる。
（３）３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式に加えて、１つずつの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた行列式を求めておき、船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力が与えられるときに、所要の１つの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を基に、上記所要の１つの旋回式スラスタを除いた残りの各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を求めるようにすることにより、所要の旋回式スラスタが故障等により使用できない場合は、該旋回式スラスタに関連する項を除いた行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、船体に作用させることが要求される前後力と、横力と、回頭モーメントを基に、上記所要の旋回式スラスタを除く残りの正常運転可能な各旋回式スラスタへ推力を配分することができる。したがって、万一、旋回式スラスタのうちのいずれか１つが故障等により使用不能になる事態が生じても、即時対応して、船体の定点保持や希望する動きを確実に行なわせることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１乃至図２は本発明の旋回式スラスタ船の制御方法及び装置を示すもので、以下のようにしてある。

すなわち、先ず、図２に示す如く、船体１の所要個所に３機以上の旋回式スラスタ２を備えてなる船の船体１上に、重心Ｇを原点として船首尾方向をｘ軸方向とし且つ左右船幅方向をｙ軸方向とする船体固定座標を定め、該船体固定座標上における上記各旋回式スラスタ２について、それぞれの推力のｘ軸方向成分をＴ_{１，３，５，…，ｎ−１}、ｙ軸方向成分をＴ_{２，４，６，…，ｎ}と設定する。

次に、図１に示す如く、制御目標として、保持すべき状態量もしくは希望する移動方向に関する、位置（Ｘ_Ｓ，Ｙ_Ｓ）と、方位（ψ_Ｓ）と、回頭速度（ｒ_Ｓ）と、前後速度（ｕ_Ｓ）と、左右速度（ｖ_Ｓ）が与えられると（ステップ１：Ｓ１）、調節部３にて、その時点でＧＰＳ、ジャイロコンパス、流速計等の各種のセンサーから得られる状態量としての位置（Ｘ_ｋ＋１，Ｙ_ｋ＋１）と、方位（ψ_ｋ＋１）と、回答速度（ｒ_ｋ＋１）と、前後速度（ｕ_ｋ＋１）と、左右速度（ｖ_ｋ＋１）との偏差をそれぞれとり（ステップ２：Ｓ２）、その偏差をゼロとするための状態量ベクトルについて、
ｋ＋１→ｋ
とおいて、Ｘ（ｋ），Ｙ（ｋ），ψ（ｋ），ｒ（ｋ），ｕ（ｋ），ｖ（ｋ）を更新する（ステップ３：Ｓ３）。

次いで、上記偏差とフィードバックゲインの内積から、船体１に作用させる前後力Ｘ、横力Ｙ、回頭モーメントＮの３軸方向の制御入力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎを、以下の式で求める（ステップ４：Ｓ４）。

その後、上述したように船体１の重心Ｇを原点とする船体固定座標上における上記各旋回式スラスタ２の推力のｘ軸方向成分Ｔ_{１，３，…，ｎ−１}及びｙ軸方向成分をＴ_{２，４，…，ｎ}とを設定した条件の下で、本発明者が先の出願（特願２００７−０２１３８９号）で提案している手法と同様の手法により、上記各旋回式スラスタ２の船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタ２の推力のｘ軸方向とｙ軸方向の各成分Ｔ_{１，２，…，ｎ}と、これらの推力が船体１に与える前後力Ｘ、横力Ｙ、回頭モーメントＮのそれぞれに関する制御力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎとの伝達を示す以下の行列式を求め、

この式から最小右変換により、各旋回式スラスタ１の推力配分を求める式を導出する。

具体的には、上記行列式を、
Ｆ＝ＰＴ
と置いた場合に、最小右変換により
Ｔ＝Ｐ^ｔ（ＰＰ^ｔ）^−１Ｆ
となる行列式を導出することで、上記Ｆ、すなわち、３軸方向の制御入力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎについて或る値が与えられると、上記Ｔ、すなわち、各旋回式スラスタ２の推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分Ｔ_{１，２，…，ｎ}の配分を、１つの組合せとして定められるようにする（ステップ５：Ｓ５）。

上記ステップ５（Ｓ５）にて、３軸方向の所望の制御入力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎを満足させるべく上記各旋回式スラスタ２の推力のｘ軸方向成分Ｔ_{１，３，…，ｎ−１}及びｙ軸方向成分をＴ_{２，４，…，ｎ}の配分が１つに定められると、各旋回式スラスタ２にて、要求される推力のｘ軸方向成分Ｔ_{１，３，…，ｎ−１}及びｙ軸方向成分をＴ_{２，４，…，ｎ}を与えるための首振り角と、該首振り角方向への推力が１つに定まるため、この決定された首振り角と推力が得られるように上記各旋回式スラスタ２の運転を制御することで、船体運動を行わせるようにする（ステップ６：Ｓ６）。

上記ステップ６（Ｓ６）にて船体運動を行わせた後は、ＧＰＳ、ジャイロコンパス、流速計等の各種センサーから船体運動後の位置（Ｘ_ｋ＋１，Ｙ_ｋ＋１）と、方位（ψ_ｋ＋１）と、回頭速度（ｒ_ｋ＋１）と、前後速度（ｕ_ｋ＋１）と、左右速度（ｖ_ｋ＋１）の状態量を得て（ステップ７：Ｓ７）、この得られた船体運動後の状態量を、上記ステップ２（Ｓ２）にフィードバックすることで、上記調節部３にて、ステップ１（Ｓ１）で保持すべき状態量もしくは希望する移動方向に関する状態量との偏差を導くための状態量を更新させる。

更に、上記ステップ３（Ｓ３）で更新された状態量ベクトルＸ（ｋ），Ｙ（ｋ），ψ（ｋ），ｒ（ｋ），ｕ（ｋ），ｖ（ｋ）と、上記ステップ４（Ｓ４）で求められる３軸方向の制御入力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎ、及び、上記ステップ７（Ｓ７）で得られる船体運動後の状態量から、制御入力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎに対する運動応答を表すモデル（Ａ_Ｘ，Ｂ_Ｘ等）を、逐次近似最小自乗法により以下のように更新し（ステップ８：Ｓ８）、

しかる後、最適レギュレータの計算によりフィードバックゲインを更新するようにする（ステップ９：Ｓ９）。

具体的には、一例として、たとえば、前後方向軸については、

を、

とするとき、評価関数Ｊ_ｒ：

を最小とする入力のためのフィードバックゲインは、

となる。
ここで、Ｒはリカッチ方程式

の解である。

上記のようにしてステップ９（Ｓ９）にて最適レギュレータにより更新されたフィードバックゲインが求められると、これを上記ステップ４（Ｓ４）へ戻して、次回、該ステップ４（Ｓ４）にて、偏差とフィードバックゲインの内積から、船体１に作用させる前後力Ｘ、横力Ｙ、回頭モーメントＮの３軸方向の制御入力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎを求める際における上記フィードバックゲインの値を更新させるようにする。

したがって、その後は、上記ステップ２（Ｓ２）で、上記ステップ７（Ｓ７）で得られる船体運動後の状態量と、ステップ１（Ｓ１）にて与えられている船体１の保持すべき状態量もしくは船体１の希望する移動方向に関する状態量との偏差を再び求め、その偏差に基いて上記ステップ３（Ｓ３）からステップ９（Ｓ９）を経て、船の移動方向と各旋回式スラスタ２に要求される推力とを１対１に対応させて、この要求された推力で該各旋回式スラスタを運転することで船体運動を行わせると共に、該船体運動後の状態量のフィードバックと、逐次近似最小自乗法による運動応答の線形化及び線形最適レギュレータにより演算されるフィードバックゲインの更新とを行う手順を順次繰り返すことで、上記ステップ１（Ｓ１）にて与えられている制御目標に一致させるための各旋回式スラスタ２への推力配分が行われて、該各旋回式スラスタ２の運転が制御されるようにしてある。

このように、本発明の３機以上の旋回式スラスタを有する船の制御方法及び装置によれば、上記ステップ５（Ｓ５）にて、船体１に装備された各旋回式スラスタ２の船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタ２の推力のｘ軸方向とｙ軸方向の各成分Ｔ_{１，２，…，ｎ}と、該推力が船体１に与える前後力Ｘ、横力Ｙ、回頭モーメントＮのそれぞれに関する制御力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換を用いて解くことで、船体１を定点保持させたり、船首方向を一定に保持したまま船体１を所望の方向へ移動させたり、左右の所望する方向へ船体１を回頭させる場合に必要とされる３軸方向の制御入力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎを変数として、上記各旋回式スラスタ２にて発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分（Ｔ_１，Ｔ_２，・・・Ｔ_ｎ）の配分を一意に定めることができるため、前後、左右、回頭のそれぞれ一軸運動と、それら各軸に対する偏差のフィードバックと云う一入力一出力系に変換することができる。したがって、この一入力一出力系として求められた各旋回式スラスタ２の推力配分について、短時間内の運動であれば、物理現象は線形化できるという性質を基に、或る短時間内での船体１の運動を逐次線形近似し、その線形入出力系に対して最適レギュレータ問題を逐次解くことで、上記各旋回式スラスタ２の運転によって発生させる推力という本来非線形な系に対する最適フィードバックシステムを構築することができて、上記船の定点保持や操舵を自動化することが可能になる。

又、上記ステップ５（Ｓ５）における最小右変換で求められる各旋回式スラスタ２の推力配分では、それぞれ定められる上記各旋回式スラスタ２にて発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分（Ｔ_１，Ｔ_２，・・・Ｔ_ｎ）のノルムが最小となっているため、各旋回式スラスタ２の最小限の推力の組み合わせを得ることができるようになる。

以上により、上記３機以上の旋回式スラスタ２を装備してなる船を、外乱の影響下にて定点保持させたり、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ移動させたり、左右の希望する方向へ回頭させる場合に最適なフィードバック量を得ることができるようになる。

なお、上記ステップ５（Ｓ５）では、すべての旋回式スラスタが正常運転可能であることを前提として、上記各旋回式スラスタ２の船体固定座標上における幾何学的な配置を基に、上記各旋回式スラスタ２の推力のｘ軸方向とｙ軸方向の各成分Ｔ_{１，２，…，ｎ}と、これらの推力が船体１に与える前後力Ｘ、横力Ｙ、回頭モーメントＮのそれぞれに関する制御力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎとの伝達を示す変換マトリックスＰを用いた行列式を求め、この逆問題を最小右変換法で解くことで、すべての旋回式スラスタ２の推力配分を求めるようにしているが、１つずつの旋回式スラスタ２について、その旋回式スラスタ２に関連する項を除いた状態で、残りの旋回式スラスタ２の推力のｘ軸方向とｙ軸方向の各成分Ｔと、これらの推力が船体１に与える前後力Ｘ、横力Ｙ、回頭モーメントＮのそれぞれに関する制御力Ｆ_Ｘ，Ｆ_Ｙ，Ｆ_Ｎとの伝達を示すマトリックスＰを予め用意しておくことにより、故障等により使用不能な旋回式スラスタ２が生じた場合には、上記ステップ５（Ｓ５）で用いる変換マトリックスＰを、該使用不能な旋回式スラスタ２に関連する項を除いた状態で予め求めてある変換マトリックスＰと入れ替えることにより、上記使用不能な旋回式スラスタ２を除く残りの正常運転可能な各旋回式スラスタ２を対象とする推力配分を容易に求めることができる。よって、故障等による使用不能な旋回式スラスタ２が生じた場合であっても、直ちに且つ容易に対応することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、船体１に３機以上の旋回式スラスタ２を有する船であれば旋回式スラスタ２の数は任意でよく、又、作業船、浮体、その他いかなる型式の船にも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の旋回式スラスタ船の推力制御方法及び装置の実施の一形態を示すもので、制御操作のフローを示す図である。図１の推力制御方法の対象となる３機以上の旋回式スラスタを装備した船の概要を示す図である。

符号の説明

１船体
２旋回式スラスタ
Ｘ前後力
Ｙ横力
Ｎ回頭モーメント
Ｔ_１，Ｔ_２，・・・，Ｔ_ｎ旋回式スラスタの推力のｘ軸方向とｙ軸方向の各成分

Claims

３機以上の旋回式スラスタを有する船を、定点保持、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させ、更に、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力を求め、次に、上記３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記３軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を一意的に求めて、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することで船体運動を行わせ、この船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新するようにすることを特徴とする旋回式スラスタ船の推力制御方法。
３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式に加えて、１つずつの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた行列式を求めておき、船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力が与えられるときに、所要の１つの旋回式スラスタの推力に関連する項を含まない変換マトリックスを用いた上記行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を基に、上記所要の１つの旋回式スラスタを除いた残りの各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を求めるようにする請求項１記載の旋回式スラスタ船の推力制御方法。
船体に３機以上の旋回式スラスタを有し、且つ、上記各旋回式スラスタの推力配分を求める制御部を備えて、該制御部は、上記船を、定点保持させるか、又は、船首方位を保持させたまま前後、左右、斜め方向の希望する方向へ希望する移動速度で移動させるか、又は、左右の希望する方向へ希望する回頭速度で回頭させるために船体に作用させることが要求される制御目標が与えられると、該船のその時点での状態量との偏差と、フィードバックゲインの内積から、上記偏差をゼロにするために船体に作用させることが必要とされる前後力、横力、回頭モーメントの３軸方向の制御入力を求めると共に、上記３機以上の旋回式スラスタを有する船の船体固定座標上における上記各旋回式スラスタの幾何学的な配置を基に、該各旋回式スラスタの推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分が船体に与える前後力、横力、回頭モーメントとの伝達を示す行列式の逆問題を最小右変換により解いた式を用いて、上記３軸方向の制御入力を満たすための上記各旋回式スラスタでそれぞれ発生させるべき推力のｘ軸方向及びｙ軸方向の各成分の推力配分を一意的に求め、該求められた推力配分で上記各旋回式スラスタを制御することができるようにしてあり、且つ上記推力配分で上記各旋回式スラスタを制御した場合に生じる船体運動で変化する上記船の状態量を、上記制御目標との偏差を得るための状態量へフィードバックさせ、更に、上記制御入力に対する運動応答を逐次近似最小自乗法により線形化すると共に、該線形化された運動応答について最適レギュレータによりフィードバックゲインの演算をして、算出されるフィードバックゲインにより、上記偏差との内積を行うためのフィードバックゲインを更新する機能を有するようにしてなる構成を有することを特徴とする旋回式スラスタ船の推力制御装置。