JP5653804B2 - 深度信号生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、深度センサから検出される検出深度に基づいて、深度信号を生成する深度信号生成装置に関するものである。

従来、深度センサから検出される検出深度に基づいて、潜水船等の移動体を目標深度とする場合、潜水船に設けられたスラスタ等の駆動源を制御して、深さ方向への移動を制御する。このスラスタは、潜水船に設けられた深度コントローラから出力される制御深度信号によって制御される。ここで、制御深度信号は、目標深度と検出深度との差分であり、深度コントローラは、差分となる制御深度信号がゼロとなるように、スラスタを制御する。このとき、用いられる深度センサは、その分解能が粗い場合があり、この場合、検出される検出深度は、分解能が粗い分、安定し難く、上下に振れ易い。このため、制御深度信号も安定し難く、深度コントローラは、潜水船のスラスタの制御も不安定なものとなっている。

一方で、深度センサではないが、従来、分解能の粗いエンコーダを用いてサーボモータの速度を制御するディジタルサーボ制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この制御装置では、低速度状態においてエンコーダにより計測される速度が不正確とならないように、エンコーダの分解能を、エンコーダの分解能が更新されるまでの時間で割ることで、サーボモータの低速度状態における速度を算出している。

特開平２−１９３２０４号公報

しかしながら、従来のディジタルサーボ制御装置では、エンコーダの分解能が更新されるまでは、サーボモータの速度を算出することができず、更新される前の速度を算出することは難しい。このため、深度センサに適用して考えると、深度センサによって検出される検出深度が更新されるまでは、目標深度と検出深度との差分である制御深度信号を算出することはできず、リアルタイムにスラスタを制御することは困難である。

そこで、本発明は、分解能の粗い深度センサを用いた場合であっても、精度良く、かつ安定的な制御深度信号を生成することができる深度信号生成装置を提供することを課題とする。

本発明の深度信号生成装置は、深さ方向に移動可能な移動体に設けられた深度センサから検出される検出深度に基づいて、予め設定された目標深度となるように、移動体の深さ方向への移動を制御する制御深度信号を生成可能な深度信号生成装置であって、移動体を深さ方向へ移動させる駆動源の駆動力に基づいて、所定の推定深度計算モデルから、推定深度を算出する推定深度算出部と、算出した推定深度と目標深度との差分を制御深度信号として算出する制御深度信号算出部と、算出した推定深度と検出深度との差分を推定深度誤差として算出する推定深度誤差算出部と、推定深度算出部に入力される駆動力を、推定深度誤差に基づいて補正する駆動力補正部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、推定深度誤差算出部により算出した推定深度誤差に基づいて、駆動力補正部により駆動力を補正し、補正後の駆動力に基づいて、推定深度を算出することができる。これにより、目標深度と検出深度との差分ではなく、目標深度と推定深度との差分を制御深度信号とすることができる。このとき、推定深度は、検出深度によって補正することができるため、制御深度信号を、精度良くかつ安定的なものとすることができる。

この場合、推定深度計算モデルは、「Ｍ・ｄＶ／ｄｔ＝−Ｄ・Ｖ＋Ｋ・Ｎ」の計算式で与えられ、Ｍは、移動体の質量であり、ｄＶ／ｄｔは、移動体の深さ方向における加速度であり、Ｄは、粘性抵抗係数であり、Ｖは、移動体の深さ方向における速度であり、Ｋは、推力変換係数であり、Ｎは、移動体の駆動源の駆動力となるスラスタの回転数であり、推定深度算出部は、Ｍ、Ｄ、ＫおよびＮを入力値として、ｄＶ／ｄｔおよびＶを算出し、算出したｄＶ／ｄｔおよびＶに基づいて、推定深度を算出していることが好ましい。

この構成によれば、上記の推定深度計算モデルにより推定深度を算出することができるため、推定深度を、精度良く算出することが可能となる。

この場合、深度センサにより検出した検出深度を補正し、補正後の検出深度を推定深度誤差算出部へ向けて出力する検出深度補正部をさらに備え、検出深度補正部は、深度センサによる検出深度の更新時において、検出深度の最小単位が１単位増加する場合、０．５単位分だけ減算補正する一方で、検出深度の最小単位が１単位減少する場合、０．５単位分だけ加算補正することが好ましい。

この構成によれば、深度センサによって検出される検出深度を好適に補正することができるため、推定深度をさらに精度良く算出することができる。

この場合、移動体は、潜水船であることが好ましい。

この構成によれば、潜水船を目標深度に精度良くに移動させることができる。

本発明の深度信号生成装置によれば、分解能の粗い深度センサを用いた場合であっても、精度良く、かつ安定的な制御深度信号を生成することができる。

図１は、本実施例の深度信号生成装置を備えた潜水船を表すブロック図である。 図２は、深度センサの性能を示した説明図である。 図３は、従来の深度信号生成装置を備えた潜水船を表すブロック図である。 図４は、時間に応じて変化する従来の検出深度および実応答深度を表したグラフである。 図５は、従来の制御深度信号によって変化するスラスタ回転数を表したグラフである。 図６は、時間に応じて変化する本実施例の検出深度および推定深度を表したグラフである。 図７は、時間に応じて変化する本実施例の検出深度および実応答深度を表したグラフである。 図８は、本実施例の制御深度信号によって変化するスラスタ回転数を表したグラフである。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係る深度信号生成装置について説明する。なお、以下の実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本実施例に係る深度信号生成装置は、移動体を深さ方向へ移動させる駆動源の駆動力を制御するための制御深度信号を生成するものであり、移動体としては、例えば、潜水船が適用されている。以下、図１を参照して、深度信号生成装置を備えた潜水船について説明する。

図１は、本実施例の深度信号生成装置を備えた潜水船を表すブロック図である。図１に示すように、潜水船１は、海中を航行し、潜水船１を操作するための操作パネル５と、潜水船１を深さ方向に移動させる垂直スラスタ６と、垂直スラスタ６を制御可能な深度コントローラ７と、潜水船１の深度を検出可能な深度センサ８と、制御深度信号を生成する深度信号生成装置１０とを備えている。

操作パネル５は、潜水船１を操作するオペレータによって操作され、オペレータが操作パネルを操作することで、潜水船１を水平方向に移動させたり、潜水船を深さ方向（鉛直方向）に移動させたり、潜水船１の目標深度Ｚ_０を設定したりすることが可能となっている。

垂直スラスタ６は、潜水船１を深さ方向に移動させるための駆動源となっており、潜水船１は、垂直スラスタ６によって付与される推進力（駆動力）によって、深さ方向に移動可能となっている。この垂直スラスタ６は、深度コントローラ７から出力される深さ方向のスラスタ回転数信号Ｎ_０に基づいて作動する。

深度コントローラ７は、深度信号生成装置１０から出力される制御深度信号ΔＺａに基づいて、垂直スラスタ６のスラスタ回転数Ｎ_０を設定し、設定したスラスタ回転数Ｎ_０を、垂直スラスタ６へ向けて出力している。これにより、垂直スラスタ６は、スラスタ回転数Ｎ_０で回転して、潜水船１に推進力を付与する。なお、詳細は後述するが、制御深度信号ΔＺａは、操作パネル５において入力された目標深度Ｚ_０から、後述する推定深度Ｚ_１を差し引くことによって算出される。

深度センサ８は、潜水船１の深さ方向における深度を検出深度Ｚ_２として、深度信号生成装置１０へ向けて出力している。この深度センサ８は、例えば、水圧によって検出深度Ｚ_２を検出可能となっており、深さ方向における分解能の最小単位は１ｍとなっている。また、この深度センサ８は、内部処理によって最小単位よりも小さな桁まで求められた暫定深度を四捨五入して検出深度Ｚ_２を導出している。図２は、検出深度と暫定深度との関係を表したグラフである。具体的に説明すると、図２に示すように、深度センサ８は、１ｍから３ｍまで連続する暫定深度を導出している。このとき、深度センサ８は、暫定深度が１．５ｍとなると、暫定深度の１．５ｍを四捨五入して、検出深度２ｍと導出する。同様に、深度センサ８は、暫定深度が２．５ｍとなると、暫定深度の２．５ｍを四捨五入して、検出深度３ｍと導出する。つまり、検出深度の２ｍは、暫定深度の１．５ｍ以上２．５ｍ未満を担保している。

再び、図１を参照して、深度信号生成装置１０について説明する。深度信号生成装置１０は、推定深度算出部１５と、深度信号算出部（制御深度信号算出部）１６と、検出深度補正部１７と、推定深度誤差算出部１８と、誤差回転数算出部１９と、スラスタ回転数補正部（駆動力補正部）２０と、を備えている。

推定深度算出部１５は、深度コントローラ７からスラスタ回転数補正部２０を介して入力されたスラスタ回転数信号Ｎ（＝Ｎ_０＋ΔＮ）に基づいて、所定の推定深度計算モデルから、推定深度Ｚ_１を算出している。ここで、推定深度計算モデルは、下記する計算式（１）で与えられる。
Ｍ・ｄＶ／ｄｔ＝−Ｄ・Ｖ＋Ｋ・Ｎ ・・・（１）

なお、Ｍは、潜水船１の質量であり、ｄＶ／ｄｔは、潜水船１の深さ方向における加速度であり、Ｄは、海中の粘性抵抗係数であり、Ｖは、潜水船１の深さ方向における速度であり、Ｋは、推力変換係数であり、Ｎ（＝Ｎ_０＋ΔＮ）は、潜水船１の垂直スラスタ６のスラスタ回転数である。

推定深度算出部１５は、Ｍ、Ｄ、ＫおよびＮを入力値として、ｄＶ／ｄｔおよびＶを算出する。すなわち、推定深度算出部１５は、既知である潜水船１の質量Ｍを、推定深度計算モデルに入力する。また、海中の粘性抵抗係数Ｄおよび推力変換係数Ｋは、潜水船１の速度Ｖに応じて変化する値となっており、推定深度算出部１５は、算出される潜水船１の速度Ｖを引数として、粘性抵抗係数Ｄおよび推力変換係数Ｋを、計算モデル、テーブルまたはマップ等から導出して推定深度計算モデルに入力する。また、スラスタ回転数Ｎは、スラスタ回転数補正部２０から出力され、推定深度算出部１５は、スラスタ回転数補正部２０から出力されたスラスタ回転数Ｎを、推定深度計算モデルに入力する。これにより、推定深度算出部１５は、推定深度計算モデルから、ｄＶ／ｄｔおよびＶを算出する。そして、推定深度算出部１５は、算出される加速度ｄＶ／ｄｔおよびＶから、微小時間ｄｔにおける微小深度を、サンプリング周期毎に積算していくことで、推定深度Ｚ_１を算出する。

深度信号算出部１６は、操作パネル５によって設定された目標深度Ｚ_０から、推定深度算出部１５により算出した推定深度Ｚ_１を差し引くことで、制御深度信号ΔＺａとなる制御深度差分ΔＺａを算出する。よって、深度コントローラ７は、制御深度差分ΔＺａがゼロとなるように、垂直スラスタ６のスラスタ回転数Ｎ_０を設定している。

検出深度補正部１７は、深度センサ８によって検出された検出深度Ｚ_２の更新時において、検出深度Ｚ_２を補正し、補正後の検出深度Ｚ_３を、推定深度誤差算出部へ１８向けて出力している。上記したように深度センサ８は、その内部処理において暫定深度を四捨五入して検出深度Ｚ_２としている。このため、例えば、検出深度が１ｍから２ｍに増加すると、暫定深度が１．５ｍにもかかわらず、暫定深度に対して検出深度Ｚ_２が０．５ｍ多くなる。よって、検出深度補正部１７は、深度センサ８による検出深度Ｚ_２の更新時において、検出深度Ｚ_２が１ｍ増加した場合、０．５ｍ分だけ減算補正する。一方で、例えば、検出深度が３ｍから２ｍに減少すると、暫定深度が２．５ｍ未満であるにもかかわらず、暫定深度に対して検出深度Ｚ_２が約０．５ｍ少なくなる。よって、検出深度補正部１７は、深度センサ８による検出深度Ｚ_２の更新時において、検出深度Ｚ_２が１ｍ減少した場合、０．５ｍ分だけ加算補正する。

推定深度誤差算出部１８は、深度センサ８から検出深度補正部１７を介して補正された検出深度Ｚ_３から、推定深度算出部１５により算出された推定深度Ｚ_１を差し引くことで、推定深度誤差ΔＺｂを算出している。推定深度誤差算出部１８は、算出した推定深度誤差ΔＺｂを誤差回転数算出部１９へ向けて出力している。

誤差回転数算出部１９は、推定深度誤差算出部１８から出力された推定深度誤差ΔＺｂから、推定深度誤差ΔＺｂを補正するための補正スラスタ回転数ΔＮを算出している。つまり、誤差回転数算出部１９は、推定深度Ｚ_１が検出深度Ｚ_３となるような補正スラスタ回転数ΔＮを算出する。

スラスタ回転数補正部２０は、深度コントローラ７から出力されるスラスタ回転数Ｎ_０に、誤差回転数算出部１９によって算出された補正スラスタ回転数ΔＮを加算することで、スラスタ回転数Ｎ_０を補正し、補正後のスラスタ回転数Ｎ_０をスラスタ回転数Ｎとして、推定深度算出部１５に出力している。

次に、上記のように構成された深度信号生成装置１０が制御深度信号ΔＺａを生成する一連の動作について説明する。オペレータが操作パネル５を操作して、第１の深度から第２の深度へ目標深度Ｚ_０を変更する。すると、深度信号生成装置１０は、深度信号算出部１６において、操作パネル５によって設定された第２の目標深度Ｚ_０から、第１の深度において推定深度算出部１５により算出した推定深度Ｚ_１を差し引くことで、制御深度信号ΔＺａを算出する。この後、深度コントローラ７は、制御深度信号ΔＺａに基づいて、垂直スラスタ６のスラスタ回転数Ｎ_０を設定し、設定したスラスタ回転数Ｎ_０を垂直スラスタ６およびスラスタ回転数補正部２０へ向けて出力する。そして、垂直スラスタ６がスラスタ回転数Ｎ_０で回転することで、潜水船１は、目標深度Ｚ_０となるように深さ方向へ移動する。

スラスタ回転数補正部２０へ向けて出力されたスラスタ回転数Ｎ_０は、誤差回転数算出部１９を介して推定深度算出部１５に入力される。推定深度算出部１５は、入力されたスラスタ回転数Ｎに基づいて、推定深度計算モデルから推定深度Ｚ_１を算出し、算出した推定深度Ｚ_１を推定深度誤差算出部１８へ向けて出力する。このとき、深度センサ８から検出された検出深度Ｚ_２は、検出深度補正部１７により補正され、補正後の検出深度Ｚ_３は、推定深度誤差算出部１８へ向けて出力される。推定深度誤差算出部１８では、推定深度算出部１５から入力された推定深度Ｚ_１と、検出深度補正部１７から入力された検出深度Ｚ_３とに基づいて、推定深度誤差ΔＺｂを算出し、算出した推定深度誤差ΔＺｂを誤差回転数算出部１９へ出力する。

続いて、誤差回転数算出部１９は、入力された推定深度誤差ΔＺｂに基づいて、補正スラスタ回転数ΔＮを算出し、算出した補正スラスタ回転数ΔＮをスラスタ回転数補正部２０へ出力する。スラスタ回転数補正部２０は、深度コントローラ７から入力されたスラスタ回転数Ｎ_０を、補正スラスタ回転数ΔＮで補正することにより、推定深度算出部１５により算出される推定深度Ｚ_１を補正し、補正された推定深度Ｚ_１を深度信号算出部１６に出力する。以上から、深度信号算出部１６は、目標深度Ｚ_０と、検出深度Ｚ_２により補正された推定深度Ｚ_１とに基づいて、制御深度信号ΔＺａを算出する。

そして、深度信号生成装置１０は、上記した制御深度信号ΔＺａの生成に関する一連の動作を、所定のサンプリング周期で繰り返し行うことで、検出深度Ｚ_２が更新されるまでの間の制御深度信号ΔＺａを算出する。

次に、図３ないし図８を参照して、本実施例の深度信号生成装置１０を用いて得られる各種深度と、従来の深度信号生成装置を用いて得られる各種深度とをそれぞれ比較する。先ず、図３を参照して、従来の深度信号生成装置について簡単に説明する。図３は、従来の深度信号生成装置を備えた潜水船を表すブロック図である。なお、従来の深度信号生成装置５０を備えた潜水船１の構成、すなわち、操作パネル５、垂直スラスタ６、深度コントローラ７および深度センサ８は、本実施例の構成と同様であるため説明を省略する。

図３に示すように、従来の深度信号生成装置５０は、深度信号算出部５１を備え、深度信号算出部５１は、操作パネル５によって設定された目標深度Ｚ_０から、深度センサ８によって検出された検出深度Ｚ_２を差し引くことで、制御深度信号ΔＺａとなる制御深度差分ΔＺａを算出する。そして、深度コントローラ７は、制御深度差分ΔＺａがゼロとなるように、垂直スラスタ６のスラスタ回転数Ｎ_０を設定している。

上記のように構成された従来の深度信号生成装置５０を用いて、例えば、潜水船１が深度０ｍに位置し、目標深度として３ｍが設定された場合、潜水船１の実応答深度と検出深度とは、図４に示す結果となり、スラスタ回転数Ｎ_０は、図５に示す結果となる。ここで、図４は、時間に応じて変化する従来の検出深度および実応答深度を表したグラフであり、図５は、従来の制御深度信号によって変化するスラスタ回転数を表したグラフである。なお、図４のグラフは、その横軸が時間となっており、その縦軸が深度となっている。また、図５のグラフは、その横軸が時間となっており、その縦軸がスラスタ回転数Ｎ_０となっている。

図４に示すように、深度センサ８は、分解能が１ｍであるため、検出深度Ｚ_２、最小単位となる１ｍで上下する。このため、目標深度Ｚ_０と検出深度Ｚ_２との差分である制御深度信号ΔＺａも上下しやすくなる。このため、図５に示すように、スラスト回転数Ｎ_０は、目標深度Ｚ_０である３ｍ付近においても変動が大きく、これにより、制御深度信号ΔＺａに基づいて深さ方向に移動する潜水船１の実応答深度も不安定なものとなる。

これに対し、本実施例の深度信号生成装置１０を用いて、例えば、潜水船１が深度０ｍに位置し、目標深度Ｚ_０として３ｍが設定された場合、検出深度Ｚ_２と推定深度Ｚ_１とは、図６に示す結果となり、潜水船１の実応答深度と検出深度Ｚ_２とは、図７に示す結果となり、スラスタ回転数Ｎ_０は、図８に示す結果となる。ここで、図６は、時間に応じて変化する本実施例の検出深度および推定深度を表したグラフであり、図７は、時間に応じて変化する本実施例の検出深度および実応答深度を表したグラフであり、図８は、本実施例の制御深度信号によって変化するスラスタ回転数を表したグラフである。なお、図６および図７のグラフは、その横軸が時間となっており、その縦軸が深度となっている。また、図８のグラフは、その横軸が時間となっており、その縦軸がスラスト回転数Ｎ_０となっている。

図６に示すように、深度センサ８は、分解能が１ｍであるため、検出深度Ｚ_２は、最小単位となる１ｍで上下する。一方で、推定深度Ｚ_１は、推定深度計算モデルに基づいて、所定のサンプリング周期毎に算出されるため、検出深度Ｚ_２が更新されるまでの間の深度を密に算出でき、滑らかな推定深度Ｚ_１とすることができる。これにより、図８に示すように、スラスト回転数Ｎ_０は、目標深度Ｚ_０である３ｍ付近において変動を小さくすることができ、これにより、図７に示すように、制御深度信号ΔＺａに基づいて深さ方向に移動する潜水船１の実応答深度も安定したものとなる。

以上の構成によれば、深度信号生成装置１０は、推定深度誤差算出部１８により算出した推定深度誤差ΔＺｂに基づいて、スラスタ回転数補正部２０によりスラスタ回転数Ｎ_０を補正し、補正後のスラスタ回転数Ｎに基づいて、推定深度Ｚ_１を算出することができる。これにより、制御深度信号ΔＺａは、目標深度Ｚ_０と検出深度Ｚ_２との差分ではなく、目標深度Ｚ_０と推定深度Ｚ_１との差分とすることができる。このとき、推定深度Ｚ_１は、検出深度Ｚ_２によって補正することができるため、深度信号生成装置１０は、制御深度信号ΔＺａを、精度良くかつ安定的なものとすることができる。

また、本実施例によれば、深度信号生成装置１０は、検出深度補正部１７により検出深度Ｚ_２を補正することができるため、推定深度Ｚ_１をさらに精度良く算出することができ、これにより、制御深度信号ΔＺａを、精度の良い信号とすることができる。

１ 潜水船
５ 操作パネル
６ 垂直スラスタ
７ 深度コントローラ
８ 深度センサ
１０ 深度信号生成装置
１５ 推定深度算出部
１６ 深度信号算出部
１７ 検出深度補正部
１８ 推定深度誤差算出部
１９ 誤差回転数算出部
２０ スラスタ回転数補正部
５０ 深度信号生成装置（従来）
５１ 深度信号算出部（従来）
ΔＺａ 制御深度信号
Ｎ_０ スラスタ回転数
Ｚ_０ 目標深度
Ｚ_１ 推定深度
Ｚ_２ 検出深度
Ｚ_３ 検出深度
ΔＺｂ 推定深度誤差
ΔＮ 補正スラスタ回転数

Claims (4)

1. 深さ方向に移動可能な移動体に設けられた深度センサから検出される検出深度に基づいて、予め設定された目標深度となるように、前記移動体の前記深さ方向への移動を制御する制御深度信号を生成可能な深度信号生成装置であって、
   前記移動体を前記深さ方向へ移動させる駆動源の駆動力に基づいて、所定の推定深度計算モデルから、推定深度を算出する推定深度算出部と、
   算出した前記推定深度と前記目標深度との差分を前記制御深度信号として算出する制御深度信号算出部と、
   算出した前記推定深度と前記検出深度との差分を推定深度誤差として算出する推定深度誤差算出部と、
   前記推定深度算出部に入力される前記駆動力を、前記推定深度誤差に基づいて補正する駆動力補正部と、を備えたことを特徴とする深度信号生成装置。
2. 前記推定深度計算モデルは、「Ｍ・ｄＶ／ｄｔ＝−Ｄ・Ｖ＋Ｋ・Ｎ」の計算式で与えられ、
   Ｍは、前記移動体の質量であり、ｄＶ／ｄｔは、前記移動体の深さ方向における加速度であり、Ｄは、粘性抵抗係数であり、Ｖは、前記移動体の深さ方向における速度であり、Ｋは、推力変換係数であり、Ｎは、前記移動体の駆動源の駆動力となるスラスタの回転数であり、
   前記推定深度算出部は、Ｍ、Ｄ、ＫおよびＮを入力値として、ｄＶ／ｄｔおよびＶを算出し、算出したｄＶ／ｄｔおよびＶに基づいて、前記推定深度を算出していることを特徴とする請求項１に記載の深度信号生成装置。
3. 前記深度センサにより検出した前記検出深度を補正し、補正後の前記検出深度を前記推定深度誤差算出部へ向けて出力する検出深度補正部をさらに備え、
   前記検出深度補正部は、前記深度センサによる前記検出深度の更新時において、前記検出深度の最小単位が１単位増加する場合、０．５単位分だけ減算補正する一方で、前記検出深度の最小単位が１単位減少する場合、０．５単位分だけ加算補正することを特徴とする請求項１または２に記載の深度信号生成装置。
4. 前記移動体は、潜水船であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の深度信号生成装置。

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