JP5639428B2 - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、船体モデルにおける船体パラメータを同定する同定機能を有する船舶用自動操舵装置に関する。

船舶用自動操舵装置は、設定方位にジャイロコンパスからの船首方位を追従させるために舵を制御する装置であり、その制御系は、設定方位と船首方位との入力から偏差と旋回角速度とを求め制御ゲインを乗じて制御量である命令舵角を操舵機に出力する。操舵機は舵を動かして、船体に旋回角速度を誘起させて方位を変化させる。

図１を参照して自動操舵装置を含む全体のシステムを説明すると、１２は自動操舵装置、１４は操舵機、１６は船体であり、自動操舵装置１２は、さらに、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６、フィードバック制御器２８、加算器２４、３０、同定演算部３２を備えている。

軌道演算部２２は設定方位ψ_Sを入力し、設定方位ψ_Sから軌道計画に基づいた参照針路ψ_Rを演算するものである。加算器２４で参照針路ψ_Rと船体１６の船首方位ψとの偏差ψ_eがとられ、フィードバック制御器２８において、制御ゲインが乗じられる。フィードフォワード制御器２６及びフィードバック制御器２８の出力が加算器３０で加算されて、命令舵角δ_cとなる。

同定演算部３２は、船体パラメータを同定するもので、同定された船体パラメータは、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６及びフィードバック制御部２８へと入力されて、各演算及び制御に用いられる。

例えば、貨物船やタンカーなどの船舶は荷物の積み下ろしにより喫水が変化する。そのため、船体特性が変化し積み下ろし前の制御ゲインを用いると、操舵系の閉ループ安定性が低下しヨーイングを生じる場合を起こす。この状況を回避するために船体パラメータを同定し、制御ゲインを設定する方法として、本出願人による特許文献１が提案されている。

特許文献１では、同定演算部は、入力データとしての命令舵角と出力データとしての船首方位が供給されてそれぞれのデータを蓄積し、蓄積された入力データから同定モデルを用いてモデル出力データを出力し、該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節する。

特開２００６−３２１４５５号公報

しかしながら、実際の船体は非線形特性をもつことが知られている。非線形特性の影響を受けないようにするために、例えば、同定計算を開始するための条件として制約（船速条件，変針条件）を加えることにより線形モデルに近似して、船体パラメータを求めることができる。

しかしながら、変針の形態は本船状態、変針条件、操船者による趣向および海象により均一にならない。例えば１５度の自動変針を、１５度変針で一回にするか、５度変針で三回にするかによって非線形特性の影響が異なる。同定値の誤差は前者の場合問題にならないが、後者の場合非線形特性が強く表れると考えられる。また荒天時の波浪外乱の増加に比例して、同定誤差は増加する。その結果通常の海象において、同定誤差は殆ど制御系の許容範囲内に収まるが、稀に変針形態によって許容範囲外になる状況が想定される。従って同定誤差が大きいと見なされる場合は、同定演算部で得られた同定値を制限する必要がある。

本発明はかかる課題に鑑みなされたもので、同定演算部から得られた同定値に制限を加えた更新値で船体パラメータを更新するようにして、同定誤差の影響を低減することができる船舶用自動操舵装置を提供することをその目的とする。

前述した目的を達成するために、請求項１記載の発明は、設定方位と船首方位に基づいて複数の船体パラメータを使用して命令舵角を求め、該命令舵角を制御対象に出力して舵を動かして船体を制御する船舶用自動操舵装置であって、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードとを持つ船舶用自動操舵装置において、
各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
制御対象の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、を備え、
さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも１つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新処理部は、前記少なくとも１つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの前記平均値との比を表す指数を求め、該指数と１との差異を尺度とすることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新処理部は、
前記指数が１を含む第１範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第１範囲外にあって、且つ前記第１範囲内よりも広い第２範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第２範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
前記指数が１を含む第１範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第１範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
を備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の船舶用自動操舵装置において、前記更新判断部は、
各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
を備え、
前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも１つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定演算部から出力された少なくとも１つの船体パラメータの同定値に対して、その値が規定条件範囲に入るか否かを判定する同定値制限部を備え、同定値制限部によって規定条件範囲に入るものと判定された同定値に対して、前記更新処理部による更新値の処理を行うことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項５記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定値制限部は、前記規定条件範囲に入らないものと判定された同定値に対して、前記平均値に更新する手段を備えることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項２または３記載の船舶用自動操舵装置において、前記同定モデルは船体モデルを含み、該船体モデルの伝達関数は、

で表され、
前記指数は、Ｋ_s／Ｔ_sの同定値と、前記平均値算出部で求めたＫ_s／Ｔ_sの平均値との比とすることを特徴とする。

本発明によれば、同定演算部を備えた従来の装置に対して、更新判断部を追加するだけでよいために、適用が容易である。複数の船体パラメータの更新値の平均値を新たな更新値として採用するため、バラツキを抑制できる。

また、制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を導入し、その評価量が小さいときの船体パラメータの更新値の平均値を用いて、更新処理を行うために、実際の状況に適応した、適切な更新値とすることができる。

また、各保針モード中で最小評価量を求めてそれを各保針モードに対応する評価量とすることで、波浪外乱の影響を低減した実応答によって、同定値の適合性を評価するため、信頼性が得られる。

尺度を決めるための指数として、少なくとも１つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの平均値との比を採用することにより、指数が無次元となるために、小型船から大型船まで広範囲に適用できる。

同定値に制限をかけることで、同定値の信頼性を向上させ、実用範囲の値を提供することができる。

本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。 図１の同定演算部の構成を表すブロック図である。 制御対象の構成を表すブロック図である。 同定モデルの構成を表すブロック図である。 同定演算部及び更新判断部のシーケンスを表す図である。 更新判断部の構成を表すブロック図である Ｋ_sn／Ｔ_snのフル・バラスト特性を表すグラフである。 Ｋ_sn／Ｔ_snと評価量Ｊとの関係を表すグラフである。 フィードバック制御器の構成を表すブロック図である。 安定船のγに対するＴ_γとＫ_sn／Ｔ_snとの関係を表すグラフである。 安定船のγに対するＫ_d とＫ_sn／Ｔ_snとの関係を表すグラフである。 安定船と不安定船のγに対する１／Ｔ_snとＫ_sn／Ｔ_snとの関係を表すグラフである。 広い更新判断の特性を示す図である。 狭い更新判断の特性を示す図である。 更新判断部による処理を示すフローチャートである。 更新判断部による処理を示すフローチャートである。 更新判断部による処理を示すフローチャートである。 本発明によるシミュレーション結果を表すグラフである。 本発明によるシミュレーション結果を表すグラフである。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。図において、１２は自動操舵装置、１４は操舵機、１６は船体である。操舵機１４及び船体１６を合わせたものが制御対象となる船体プラント１８である。自動操舵装置１２は、さらに、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６、フィードバック制御器２８、加算器３０、２４、同定演算部３２及び更新判断部３４を備えている。加算器２４で参照針路ψ_Rと船体１６の船首方位ψとの偏差ψ_eがとられ、フィードバック制御器２８は偏差ψ_e及びフィードバック制御器２８の出力から推定偏差、推定角速度を求める推定器を含むことができる。背景技術にて既に説明した部分については、説明を省略する。

更新判断部３４は、同定演算部３２で演算された同定値に対して制限をかけた更新値を、船体パラメータのノミナル値として、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６、フィードバック制御器２８に対して、出力する。軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６、フィードバック制御器２８では、これらの船体パラメータのノミナル値を用いて各演算及び制御を行う。尚、船体パラメータの初期値は、航海毎にデフォルト値を設定する。

図２は、同定演算部３２の構成を表すブロック図である。同定演算部３２には、実プロセスから制御対象の入出力データが時系列データとして供給されるので、これらの入力データ及び出力データを蓄積する入力データ記憶部４０、出力データ記憶部４２を備える。入力データ記憶部４０及び出力データ記憶部４２は、リングバッファ型メモリとすることができる。さらに、同定演算部３２は、データ抽出部４３、同定モデル４４、減算器４６及びパラメータ調節部４８を備える。

同定モデル４４で得られる出力と、制御対象の出力との同定誤差γを求め、パラメータ調節部４８によってγが最小になるようにモデルのパラメータを調整する。

まず、同定演算の原理について以下、簡単に説明する。
１．同定モデル
同定モデル４４は、船体モデル、外乱モデル及び船体運動の初期値とから構成され、入力データである命令舵角δ_cを入力しモデル出力データであるモデル船首方位ψ_mを出力する。以下、船体モデル、外乱モデル及び船体運動についてそれぞれ説明する。

１．１ 船体モデル
船体モデルは、操舵機と船体とを一体化したものとし、操舵機の時定数（船体の時定数に比較して十分に小さい）やオンオフ制御の非線形性などの不確定特性を時定数の大きい船体特性に吸収させて、舵速度や許容舵角などの確定要素を残存させる。そして、船体モデルとしては、以下の式を採用する（図３参照）。

ここで、Ｐは船体モデルの伝達関数、ψ（ｓ）は船首方位、Ｋ_sn、Ｔ_sn、Ｔ_3snは、操縦性指数を表す船体パラメータのノミナル値であり、それぞれ旋回力ゲイン［１/ｓ/ｄｅｇ］、二つの時定数［ｓ］をそれぞれ示し、Ｔ_s＞Ｔ_3sである。これらは、安定船の場合、Ｋ_sn＞０，Ｔ_sn＞０，Ｔ_3sn＞０、不安定船の場合、Ｋ_sn＜０，Ｔ_sn＜０，Ｔ_s3n＞０となっている。また、Ｋ_sm、Ｔ_sm、Ｔ_3smまたはその組み合わせであるｘ₁、ｘ₂、ｘ₃を同定するべき船体パラメータとする。

１．２ 外乱モデル
外乱モデルは、船体と風との相対速度によって発生する船体の方位軸まわりのモーメントを舵角オフセットに換算したδ_offsetで表す。相対速度ベクトルの絶対値の時間変化が微小とすれば、相対速度ベクトルは方位ψの関数として扱えるので、このことから舵角オフセットを、

と近似する。ここで、δ_offsetは外乱モデルの舵角成分を、δ_O（時間微分δ_O ^・＝０）は変針前または保針時の舵角オフセットを、ｃ_δは変針後の舵角オフセット係数を示す。

１．３ 船体運動
船体運動の初期値は（２）式より直接取得できる方位と取得できない旋回角速度とがある。角速度の初期値応答は、

になり、方位変化は、

になり、方位定常値は（１−Ｔ_3s／Ｔ_s）ｒ₀Ｔ_sである。角速度初期値ｒ₀を考慮しないと、方位変化が同定誤差の原因になるが、角速度初期値は直接取得することはできないから、角速度初期値を同定パラメータとして同定モデルに含ませることにより、同定誤差を防止する。

１．４ 同定モデル
以上の船体モデル、舵角オフセット及び角速度初期値から図４に示す同定モデルを構成する。舵角オフセットに関しては、命令舵角に追加される。尚、δ_０／ｓとするのは、一定値の入力とするためである。
同定モデルの伝達関数は、

になる。ここで、添字（・）_mは、モデル値を意味する。よって、同定モデルは３次系となり、同定パラメータはｘ_1m、ｘ_2m、ｘ_3m、δ_om、ｃ_δm、ｒ_0mの６個となる。

２． 入力データと出力データ
同定演算部３２は、操船者または自動操船による命令舵角δ_cを入力データとし、船首方位ψを出力データとする。

簡単のため船体モデルのみを考慮すると、同定誤差γ_hは、（１）式及び（２）式を用いて制御対象の船首方位とモデル船首方位との差となり、

になる。

上式よりＰ−Ｐ_m＝０、即ちγ_h＝０となるパラメータ条件を求めると、ｘ_1m＝ｘ₁、ｘ_2m＝ｘ₂、ｘ_3m＝ｘ₃、Ｔ_3sm＝Ｔ_3snを得る。

３． 評価関数及び同定範囲
３．１ 評価関数
パラメータ調節部４８には、上述のごとく図２に示すように、命令舵角δ_cを入力データとし、船首方位ψを出力データとして蓄積されたデータに対して、同定モデル４４のモデル出力データと、実プロセスの出力データとの差異となる、減算器４６による同定誤差γが順次入力される。パラメータ調節部４８では、同定誤差γをスカラー量に変換した評価関数Ｊを求め、該評価関数Jを最小にするパラメータを調整する。評価関数Jとして、同定誤差γの二乗和とし、

と定義することができる。ここでｎは同定の時間範囲内にある同定データ数を表す。勿論、二乗和とする他に、同定誤差の絶対値の和とすることもでき、または適宜重み付け係数をかけることもでき、任意の評価関数を採用することができる。

モデルの出力はパラメータに依存するので、評価関数Jは非線形関数となる。よって、パラメータ調節部４８では、多変数関数である評価関数Jを最小化するモデルのパラメータを求める。かかる演算は、公知の任意の手段、例えば、ＳＱＰ（逐次型二次計画法sequential quadratic programming algorithm）のアルゴリズムを用いて行うことができ、評価関数の極小解を求め、該極小解となる値を同定値とする。

４． シーケンス
図５は、同定演算部３２及び更新判断部３４のシーケンスを表す。自動操舵装置１２は、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードと、を有しており、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により変針モードが開始され所定時間経過すると、保針モードとなる。

同定演算部３２による処理は、主として、変針モード開始と同時に開始され、入力データ記憶部４０及び出力データ記憶部４２による入力データ及び出力データの蓄積は、変針モード中においてなされる。所定時間経過後に開始する保針モードで、蓄積されたデータに基づき、同定モデル４４、減算器４６及びパラメータ調節部４８による同定パラメータの同定値の計算がなされる。

同定値の計算がなされると、引き続き、保針モードにおいて更新判断部３４により、更新値の計算がなされる。計算後、更新値が各船体パラメータのノミナル値となり、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６及びフィードバック制御器２８へと出力される。一方、更新判断部３４では、更新値の計算後、次の変針モードが開始されるまで、評価量等の計算を行う。

５． 更新処理
図６は、更新判断部３４の構成を表すブロック図である。更新判断部３４は、データ記憶部６２、評価量算出部６４、パラメータ配列蓄積部６５、平均値算出部６６、同定値制限部６８、更新処理部７０及び更新記憶部７２を備える。

船体パラメータは正負をもつが、比率Ｋ_sn／Ｔ_snは常に正になるために安定船及び不安定船の両方で兼用できる。従って、更新判断に当たっては、このＫ_sn／Ｔ_snの船体パラメータを用いて行うことにする。

図７に、参考文献Kensaku Nomoto：Response Analysis of Manoeuvrability and its Application to Ship Design，60th Anniversary Series，Society of Naval Architects of Japan，Vol.11， pp.43-51，1966 から引用したＫ_sn／Ｔ_snのフル・バラスト特性を示す。同図からフル⇔バラスト間のＫ_sn／Ｔ_sn比率は

になる。ここで ’：無次元指数，_B：バラスト，_F：フルを表す。上の比率は有次元指数においても等価である。よって、上記Ｋ_sn／Ｔ_sn比率を参考にすると
・Ｋ_sn／Ｔ_snの比率の変動範囲は喫水変化も含めて１．３倍以内に収まる
・Ｋ_sn／Ｔ_snは喫水変化に対して、Ｋ_sn、Ｔ_snと共に比例的に変動する
ことを仮定することができる。

６． 評価量の計算
保針モード中に船体パラメータのノミナル値の適合具合を見積もるための指数を、評価量として導入する。図８は評価量の特性を表し、ノミナル値（船速修正による変化は無視する）が実際の船体パラメータにほぼ一致すると評価量は最小値に近づく。

評価量が波浪外乱の影響を受けないようにするために、変針から次の変針までの各保針モード中で最小値をとる外乱最小評価量を各保針モードの評価量として選ぶ。選ばれた評価量は１つの保針モードの中で海象が最も穏やかな状態だった場合に相当する。そして、各保針モード毎に選ばれた評価量の中からさらに選ばれた評価量に対応する船体パラメータのノミナル値の平均値を求めて、その平均値から更新値を求める。

６．１ 時系列データ処理
データ記憶部６２は、保針モードの制御対象に関する時系列データｘ_ψ，ｘ_δ（添え字ψ：方位，δ：舵角（命令舵角δ_cとしてもよい））を所定時間毎（例えば１秒）に収録している。データ記憶部６２は、リングバッファ型メモリとすることができる。

６．２． 評価量算出
評価量算出部６４は、それぞれの各保針モードの時系列データｘ_ψ，ｘ_δの標準偏差σ_ψ，σ_δを

より算出する。ここでx：時系列データ、ｘ^-：平均値、σ：標準偏差、Ｎ：データ数（例えば５１２個）である。
さらに、船体パラメータのノミナル値の適合具合を計る評価量として、

を算出する。ここでJ_keepiは１つの保針モード中のデータ数Ｎ毎の評価量であり、Ｊは、その複数の評価量の中の最小値である外乱最小評価量である（パラメータ調節部４８のＪと異なることに注意されたい）。ここで、１つの保針モード中は、船体パラメータのノミナル値は同じ値が維持されていることに留意されたい。また、weight_KP は、データ収録中に比例ゲインＫ_p（図９参照）が変化する場合（例えば、比例ゲインが、Ｋ_popen＝１とＫ_pconf＝２．２５または１．５との間で変化できるものとする）に、その比例ゲインの変化による舵角変動を抑制するための重みづけ係数で

を示す。ここでＴ_open，Ｔ_conf：それぞれ比例ゲインＫ_popenとＫ_pconfの印加時間、Ｔ_weight ＝Ｎ×１［ｓ］とする。比例ゲインＫ_p＝１で固定である場合には、weight_KP＝１である。

外乱最小評価量は、各保針モード中で、制御対象に関するデータのばらつきが最も小さいことを表しており、つまり、１つの保針モードの中で、海象が最も穏やかな状態だった期間に相当すると考えられる。この外乱最小評価量を、その保針モードの評価量として定めることで、波浪外乱の影響を低減した状態での船体パラメータのノミナル値の適合性を判断することができる。

尚、（６）式の評価量は、制御対象の出力である方位と、制御対象の入力側にある舵角の両方のデータのばらつきを評価対象としているが、これに限るものではなく、制御対象の出力側、入力側及び中間におけるそれぞれのデータのいずれか１つ以上を評価対象とすることができる。

７． パラメータ配列設定と平均値計算
パラメータ配列蓄積部６５は、保針モードに対応する評価量Ｊ₁〜Ｊ_nとそれに対応する船体パラメータのノミナル値、即ち、更新値を対応付けて、それらのパラメータ配列

を蓄積する。ここでｎ：更新回数である。変針が行われる度に、更新回数ｎが増加する。

平均値算出部６６は、蓄積されたＪ₁〜Ｊ_nのうちでさらに最小値J_minを与える船体パラメータを

で求める。ここで添え字_min：評価量が最小値を意味し、初回時は初期値を設定する。Ｐ_minを小さい順に並べると次のようになる。

バラツキを抑制するために、船体パラメータのＰ_mini からｉ＝１〜ｋ_set 個の平均値（（４）式参照）を算出する（ｋ_set＝１の場合は、Ｐ_min1 の船体パラメータとする）。例えば、ｋ_setとしては、ｋ_set＝３と設定することができる。このとき

になり、次式の関係をもつ。

尚、同じ船でも安定船と不安定船との間で変化する場合があるので、パラメータ配列は、安定船用と不安定船用とでそれぞれ設け、平均値も安定船用と不安定船用とでそれぞれ分けて計算するようにするとよい。

８． 同定値の制限
同定値制限部６８は、同定演算部３２より得られた船体パラメータの同定値を受け取り、これに制限をかける。即ち、同定演算部３２から求められた船体パラメータの同定値は同定誤差を含むために、まず、その制限をかけて、制限を通過したものと、制限を通過しないものとで、異なる処理を施すようにする。

この制限は、船体パラメータのうちのＴ_smに対して直接かけるようにする。

また同定値は変針時の船速に依存するので、船速変化に対応するために基準船速に換算し、更新の際現在の船速に換算し直す。

ここで、船速換算の範囲は基準船速の０．５倍以上１．５倍以下とし、同定時と更新時との船速差によるパラメータ変動を抑制するために

によって船速換算する。ここで添え字_V1：変針時船速、Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ_S：それぞれ変針時船速，更新時船速，基準船速である。

８．１ 第１の制限
時定数Ｔ_smは、

とし、ここで、Ｔ_snlow、Ｔ_snhighは時定数Ｔ_smとして、許容できる範囲の下限値と上限値とする。これらの値は、経験則上、妥当な値を適宜採用することができ、例えば以下の表の値を用いることができる。

８．２ 第２の制限
許容できる微分ゲインＫ_dに基づきＴ_smの上限値と下限値を定めて、Ｔ_smをその範囲内に制限する。

８．２．１ フィードバック制御器
ここで、微分ゲインＫ_dと船体パラメータとの関係について説明する。フィードバック制御器２８は、図９のように構成され、フィードバック制御器２８は、偏差ψ_e＝ψ_R-ψ及びフィードバック制御器２８の出力の命令舵角δ_cから推定偏差ψ_e＾、推定角速度ｒ＾を求める推定器５２と、比例ゲイン５４、微分ゲイン５６と、を含む。Ｋ_P，Ｋ_d はフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲインとを示す。フィードバック制御器２８は、推定器５２からの推定偏差ψ_e＾に対して比例ゲインＫ_Pを乗算し、推定器５２からの推定角速度ｒ＾に対して微分ゲインＫ_dを乗算し、これらを加算して、命令舵角δ_cを出力する。
船体モデルを表す（１）、（２）式から（図３参照）、

と表すことができる。ここでｘは状態量で

を、ψは方位を、ｒ_x，ｒ はそれぞれ角速度を、添字(・)^T は転置行列を意味する。
命令舵角δ_cは、方位ψと角速度ｒ，ｒ_xとを用いて

と表すことができる。

閉ループ特性を調べるために、（２１）式の命令舵角δ_cを（１８）式の船体モデルに代入すると

になる。上式の特性多項式を２次標準系に対応させると

になる。ここでλ_n はノミナル値による操舵系の特性多項式を、detは行列式を、sはラプラス演算子を意味し、Ｉは２×２ の単位行列を示す。ζ_n，ω_n は２次標準系の操舵系のそれぞれ減衰係数，固有周波数[rad/s]を示す。

（２２）式から、フィードバックゲインＫ_p，Ｋ_dを特性多項式λ_nから定めると、

になる。設計パラメータを比例ゲインＫ_P（例えば、Ｋ_P＝１）と減衰係数ζ_n（例えば、ζ_n＝１／√２）とに選ぶと、上式と（２２）式の２次標準系とから微分ゲインＫ_dと固有周波数ω_nとはそれぞれ

となる。

８．２．２ Ｔ_snの範囲
Ｔ_snの上限値と下限値とを微分ゲインＫ_d に基づいて定め、上限値と下限値との間でＴ_snの制限をかける。簡単化のためＴ_s3n =０とおくと、（２４）、（２５）式は、

となり、その微分ゲインＫ_dの最大値は、

を得る。ここでζ_n ＝１／√２：減衰係数，Ｋ_p＝１：比例ゲインとする。上式から不安定船の微分ゲインの最大値の分子はＴ_sn＜０によらず正になるが、安定船の微分ゲインの最大値の分子は、Ｔ_sn の値によっては、ゼロになることが分かる。よって、Ｔ_snの制限値を

と定める。ここでγ ：スケールファクタ（同定演算部３２のγ と異なることに注意されたい）で、γ＝１のときＫ_d＝０に相当するので、下限値としては、γ＞１の値を選ぶ。図１０及び図１１は、γ に対するそれぞれＴ_γ（表１の制限：一点破線）、Ｋ_d を示す。図１２は安定船と不安定船とを含めた１／Ｔ_γ制限を示す。図１１から微分ゲインＫ_dは、γ＝６〜８でほとんど変化がない。これより

を選ぶ。表２に参考値を示す。

８．３ Ｔ_smの制限
安定船の同定値Ｔ_sm は、以上の第１の制限及び第２の制限を受けるものとする。即ち、

の制限を受ける。図１０より通常の範囲で、（１７）式より（２７）式の方の制限の方が厳しい。不安定船は、（２７）式の制限を受ける。

制限から外れた同定値に対しては、平均値算出部６６で求めた平均値（（１２）〜（１４）式）を更新値として出力するようにする。

９． 更新判断と更新値出力
更新処理部７０では、制限を通過した同定値に対して次の更新判断を行い、この判断において、平均値算出部６６で求めた平均値と制限を通過した同定値とを用いて、広い範囲と狭い範囲との更新条件で判断して更新値を求める。更新回数が少ないと広い更新判断になり、同定値のバラツキが小さくなると狭い更新判断に遷移する。狭い更新判断はその航海が終了するまで保持し、次の航海で広い更新判断にリセットする。

無次元指数Ｃ_Rを導入し、この指数を尺度として同定値が平均値算出部６６で求めた平均値（（１４）式）からどの程度離れているかを測り、その離反程度に応じて更新を行う。無次元指数Ｃ_Rは、平均値と同定値から

に定める。ここで添え字_update：更新値、ＳＶは、更新範囲を設定する係数であり、その最大値をＳＶ_maxとする。ＳＶは、平均値からの離反程度を表す規定尺度であり、前述の図７に基づくＫ_sn／Ｔ_snの比率の変動範囲が１．３倍以内に収まっていることから、例えば、１．３に設定し、ＳＶ_maxは、経験則上２．５程度に設定するとよい。

無次元指数Ｃ_Rを導入することで、小型船から大型船まで各船舶によらずに汎用性を持たせた判定を行うことができる。

９．１ 判断切替
広い更新判断から狭い更新判断への切り替えは、同定値による更新

が所定回数連続したとき（例えば、ｋ_mode ＝２ｋ_set 回）連続したときに実施するものとする。

広い更新判断は同定値が変動するとき、適度な更新値を出力する。ただし同定値の変動が連続して小さくなっても、更新値がその後の変動に連動してしまうという現象が起こるため、その現象を回避するために、狭い更新判断では同定値の突発性変動に対して同定値を更新しないようにする。

９．２ 広い更新判断
広い更新判断では、無次元指数Ｃ_Rに対して、その更新値Ｃ_Rupdateを図１３に示すように、

に定める。ここで１：ノミナル値の平均値への更新を意味し、結果として、更新値は

になる。ここで

を示す。
即ち、無次元指数Ｃ_Rが、

となるとき、ＳＶ⁻¹，ＳＶの規定尺度で同定値を抑制し、無次元指数Ｃ_Rが、

のとき同定値を平均値とすることで、同定値の変動を抑制する。

９．３ 狭い更新判断
狭い更新判断では、無次元指数Ｃ_Rに対して、その更新値Ｃ_updateを図１４に示すように定める。但し、無次元指数は、Ｋ_sm／Ｔ_smによっているため、Ｃ_R＝１でも、

は保証されないので、微分ゲインが必要な値より小さく設定される場合（またはその逆の場合）がある。それらの場合を回避するため、Ｔ_smに制限を設ける。すなわち（２６）式より

を用いて（Ｋ_p＝１）、安定船の下限値を設定すると

になる。ここでz^＊＝０．５：減衰係数の下限許容値、ＳＶ_T ＝２．０：上限値であり、Ｔ_snlow，Ｔ_snhighは表１を参照されたい。これより

になる。狭い更新判断では広い更新判断よりも、同定値の変動をさらに抑制するように、更新値の規定尺度が設定される。このとき更新値は

になる。

１０． アルゴリズム
更新判断部３４による処理を図１５Ａ〜１５Ｃに示す。

保針モードにおいて、同定値制限部６８または更新処理部７０による更新がなされると、図１５Ａに示す処理が開始される。データ記憶部６２に順次蓄積されるデータに基づき、評価量算出部６４が評価量の算出を行い、外乱最小評価量を更新して（ステップＳ１０）、パラメータ配列蓄積部６５に蓄積をする（ステップＳ１２）。また、平均値算出部６６は、パラメータ配列蓄積部６５で蓄積された評価量に基づき、ｋ_set個の評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めて、その最新の平均値を保持する（ステップＳ１４）。この図１５ＡのステップＳ１０〜ステップＳ１４の処理は、保針モード中繰り返される(ステップＳ１６)。

次に、変針モード後、同定値演算部３２で同定値計算がなされると、図１５Ｂに示す処理が開始される。同定値制限部６８で、同定値が制限を通過したか否かを、（２７）式（不安定船）または（２８）式（安定船）に基づき、判定する（ステップＳ２０）。

その判断結果で通過したと判定された場合には、更新処理部７０による更新判断に進む（ステップＳ２２）。

一方、ステップＳ１０の判定において、同定値が制限を通過しなかった場合には、同定値制限部６８は、直前の評価量Ｊが上位ｋ_set内に入るか否かを判定する（ステップＳ２８）。上位ｋ_set内に入る場合には、今までの更新値、即ちノミナル値をそのまま新たな更新値とする（ステップＳ３０）。また、上位ｋ_set内に入らない場合には、平均値（（３３）式）を新たな更新値として更新する（ステップＳ３２）。

また、図１５ＢのステップＳ２２の更新判断に進んだときには、図１５Ｃに示す処理が開始され、狭い更新判断の切り替え条件を満足するかを判定し（ステップＳ４０）、条件を満足するか否かに応じて何れかの更新判断に基づいて、（３２）式（ステップＳ４２）、または（４２）式（ステップＳ４４）で更新値を求めて、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６及びフィードバック制御器２８に出力すると共に、更新記憶部７２に同定値演算部での同定値計算を行った変針方向（右舷ＣＷ，左舷ＣＣＷ）に応じて及び船体特性（安定船，不安定船）に応じて記憶する(ステップＳ４６)。

また、変針モードになったときに、変針方向に応じた更新値が出力されるようにする。

１１． 検証
本発明をシミュレーションによって検証する。

条件：真値：Ｋ_s ＝０．０３［１／ｓ］，Ｔ_s ＝５０［ｓ］，Ｔ_s3＝０．０１［ｓ］，初期値：Ｋ_sn＝２Ｋ_s，Ｔ_sn ＝２Ｔ_s，Ｔ_s3n ＝Ｔ_s3，初期方位誤差３度。上記条件でシミュレーションした結果を図１６及び図１７に示す。繰返し回数は３０回で，１から１５回（前半）と１６から３０回（後半）との同定値（図中model）は同一である。前半が広い更新判断に，後半が狭い更新判断になっている。図１６の中段でＣ_{R nominal}＝Ｃ_{R update} とおく。

図１６より，前半は更新値（図中nominal）の変動が大きいがＫ_sn／Ｔ_snの抑制が効き、後半は更新値単体の抑制も効くことが分かる。図１７より、前半はＫ_sn／Ｔ_snの誤差は抑制されるがＫ_sn、Ｔ_snの誤差は抑制されないことが分かる。後半は同定値の変動があっても平均値に更新されるため、変動が少ない。

１２． まとめ
以上のように、ノミナル値の適正具合を実際の保針モードから評価し，その評価量に基づいて同定値の更新判断を実施することにより、船体パラメータの更新が円滑に実施され、突発性変動を除去することができる。

１２ 自動操舵装置
１８ 制御対象
３２ 同定演算部
３４ 更新判断部
４８ パラメータ調節部
６２ データ記憶部
６４ 評価量算出部
６５ パラメータ配列蓄積部
６６ 平均値算出部
６８ 同定値制限部
７０ 更新処理部

Claims (7)

1. 設定方位と船首方位に基づいて複数の船体パラメータを使用して命令舵角を求め、該命令舵角を制御対象に出力して舵を動かして船体を制御する船舶用自動操舵装置であって、閾値より大きい変化量の設定方位の入力により開始して設定方位に一致するように変針させる変針モードと、一定の設定方位に保針する保針モードとを持つ船舶用自動操舵装置において、
   各変針モードの度に船体パラメータの同定値を出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
   制御対象の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
   蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
   該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、を備え、
   さらに、変針モード後に同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して制限をかけた更新値をその変針モード後に使用するべき船体パラメータの新たな更新値として出力する更新判断部を備え、該更新判断部は、
   各変針モードの度に更新される前記更新値の中から選択された複数の更新値の平均値を求める平均値算出部と、
   同定演算部から出力された船体パラメータの同定値に対して、その少なくとも１つの船体パラメータの同定値が前記平均値から規定尺度以上離れた場合に、平均値算出部で求めた平均値を新たな更新値とする更新処理部と、
   を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
2. 前記更新処理部は、前記少なくとも１つの船体パラメータの同定値とその船体パラメータの前記平均値との比を表す指数を求め、該指数と１との差異を尺度とすることを特徴とする請求項１記載の船舶用自動操舵装置。
3. 前記更新処理部は、
   前記指数が１を含む第１範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第１範囲外にあって、且つ前記第１範囲内よりも広い第２範囲内にあるときは、同定値をその指数に依存する係数を乗算した更新値とし、前記指数が前記第２範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする広い更新処理手段と、
   前記指数が１を含む第１範囲内にあるときは、同定演算部から出力された船体パラメータの同定値を更新値とし、前記指数が前記第１範囲を超えるときは、前記平均値算出部で求めた平均値を更新値とする狭い更新処理手段と、
   を備えることを特徴とする請求項２記載の船舶用自動操舵装置。
4. 前記更新判断部は、
   各保針モード中で、所定期間毎に制御対象に関するデータのばらつきを表す評価量を求めて、複数の評価量の中の最小評価量を求め、その最小評価量を各保針モードに対応する評価量とする評価量算出部と、
   各保針モードに対応する評価量と、それに対応する船体パラメータの更新値とを蓄積するパラメータ蓄積部と、
   を備え、
   前記平均値算出部は、パラメータ蓄積部で蓄積された評価値の中から、評価量の値が小さい少なくとも１つの評価量に対応する船体パラメータの平均値を求めることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の船舶用自動操舵装置。
5. 前記同定演算部から出力された少なくとも１つの船体パラメータの同定値に対して、その値が規定条件範囲に入るか否かを判定する同定値制限部を備え、同定値制限部によって規定条件範囲に入るものと判定された同定値に対して、前記更新処理部による更新値の処理を行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の船舶用自動操舵装置。
6. 前記同定値制限部は、前記規定条件範囲に入らないものと判定された同定値に対して、前記平均値に更新する手段を備えることを特徴とする請求項５記載の船舶用自動操舵装置。
7. 前記同定モデルは船体モデルを含み、該船体モデルの伝達関数は、
   

   

   
   で表され、
   前記指数は、Ｋ_s／Ｔ_sの同定値と、前記平均値算出部で求めたＫ_s／Ｔ_sの平均値との比とすることを特徴とする請求項２または３記載の船舶用自動操舵装置。

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