JP6278795B2 - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、航路制御システムの船舶用自動操舵装置に関する。

船舶用自動操舵装置は、舵角を制御して参照方位に船首方位を追従させる方位制御システム（ＨＣＳ：Ｈｅａｄｉｎｇ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）と、舵角を制御して計画航路に船体位置を追従させる航路制御システム（ＴＣＳ：Ｔｒａｃｋ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）とに分けられる。舵角が変更されると、船体はｙａｗ角速度及びｓｗａｙ速度を生じるため、航路制御システムはこれらの運動を考慮して設計される。ここでｙａｗ角速度は、これを積分した船首方位としてセンサに検出されるが、ｓｗａｙ速度は通常検出されない未知量であり、且つこれを直接的に制御するアクチュエータを利用できない劣駆動量である。

また、船舶用自動操舵装置の対象船は船体が受ける風や船体の左右不釣り合いなどに起因してｙａｗ角速度及びｓｗａｙ速度にオフセット成分を有し、これらのオフセット成分は船体モデルにおいて舵角成分に換算して、ｙａｗ舵角オフセットδ_ｏｒ、ｓｗａｙ舵角オフセットδ_ｏｖとして、それぞれ、ｙａｗ運動モデル、ｓｗａｙ運動モデルに付与されて航路誤差を生じる。

また、航路制御に関連する技術として、状態推定器を方位誤差系を基礎とした方位制御系推定器と、航路誤差系を基礎とした航路制御系推定器とに分離して構成し、航路制御系推定器において、航路誤差系の状態量及び推定潮流ベクトルを推定する船舶用自動操舵装置が知られている（特許文献１参照）。

また、推定器が、方位制御系推定器と、航路制御系推定器と、対地座標系での潮流成分の推定を行う対地座標系潮流推定器とを備え、対地座標系潮流推定器が船首方位及び対地座標系における船体位置から参照方位を用いずに推定潮流ベクトルを推定する船舶用自動操舵装置が知られている（特許文献２参照）。

特開２００９−２４８８９６号公報 特開２０１３−８６７４５号公報

ｙａｗ舵角オフセットδ_ｏｒは、これを推定して相殺する修正量が命令舵角に加えられることによって、方位制御ループにより修正される。また、航路制御においては、未知のｓｗａｙ速度及びｓｗａｙ舵角オフセットδ_ｏｖによる航路誤差を修正する必要がある。外乱成分に起因する誤差対策は、１型サーボ系、すなわち航路誤差に積分制御する必要があるが、積分器は閉ループ特性に影響するために、制御システムの見直しが生じることにより、設計が煩雑となる問題がある。

本発明の実施形態は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、航路誤差に積分制御することなく、舵角オフセットに起因する航路誤差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目的とする。

上述した課題を解決するため、本実施形態の船舶用自動操舵装置は、船体の参照方位及び参照位置を出力する軌道計画部と、センサで検出された船体の方位および位置から船体の方位と位置とを参照方位及び参照位置に追従させるべく命令舵角を出力するフィードバック制御部と、を備えた船舶用自動操舵装置において、フィードバック制御部は、方位誤差、航路誤差、潮流の推定を行う推定器と、方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、方位制御ループを含む航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器とを備え、推定器は、方位制御系フィードバックゲイン器へ修正量γを入力し、修正量γは、δ_or＾をｙａｗ舵角オフセットの推定値、Ｋ_pを比例ゲイン、ｖ_c＾を潮流推定値、ｕをｓｕｒｇｅ速度、Ｋβ_oを斜航角オフセットゲインとして、

で表され、推定器は、航路誤差と斜航角オフセットゲインとの比例関係において航路誤差をゼロに収斂させる斜航角オフセットゲインを、ｙ_ｅを航路誤差、ｉを更新回数、ΔＫ_βｏを航路誤差に対する斜航角オフセットゲインの変化量として、

で表される更新算法により、航路誤差が定常状態である場合に更新して求めることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、航路誤差に積分制御することなく、舵角オフセットに起因する航路誤差を低減することができる。

船舶用自動操舵装置と制御対象の全体のブロック図である。 フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。 フィードバック制御部の詳細構成を示すブロック図である。 航路制御システムで用いる座標系を示す図である。 方位制御ループ及び航路制御ループを示すブロック図である。 航路誤差と斜航角オフセットゲインとの比例関係、及び航路誤差に対する斜航角オフセットゲインの変化量を示す図である。 定常状態判定処理の動作を示すフローチャートである。 Ｋ_βｏ修正なしの場合のシミュレーション結果を示す図である。 Ｋ_βｏ修正ありの場合のシミュレーション結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。以降の説明において、各記号は、変数、修飾、添字として、以下の表のように定義される。

１．１ 船舶用自動操舵装置の構成
まず、本発明の船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図１は、船舶用自動操舵装置と制御対象の全体のブロック図である。図２は、フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。図３は、フィードバック制御部の詳細構成を示すブロック図である。なお、図２及び図３においてδ_ｏ＾＝δ_ｏｒ＾を意味するものとする。

図１に示すように、船舶用自動操舵装置１は、計画航路に船体位置を追跡させるために舵を制御する装置であり、軌道計画部１１、軌道航路誤差演算部１２、フィードバック制御部１３、加算器１４及び各パラメータを同定する図示しない同定器を備えている。誘導システム２から計画航路及びセンサ類４のスピードログからの船速Ｕ（正確には船体のｓｕｒｇｅ速度ｕ）が軌道計画部１１に入力され、軌道計画部１２からは参照方位ψ_Ｒ、参照方位ｘ_Ｒ、ｙ_Ｒといった参照信号及び変針中にはフィードフォワード舵角δ_ＦＦが出力される。

船体３のセンサ類４は、船体３のｓｕｒｇｅ速度ｕを検出するスピードログ、船体３の船首方位ψを検出するジャイロコンパス、ＧＰＳ等の衛星測位システム（ＧＮＳＳ）からの船体位置（ｘ，ｙ）を検出するＧＮＳＳセンサを含む。

軌道航路誤差演算部１２には、船首方位ψ、船体位置（ｘ，ｙ）等のセンサ類４からの検出信号が入力され、軌道航路誤差演算部１２は、参照方位ψ_Ｒ、参照方位ｘ_Ｒ、ｙ_Ｒと、検出信号との比較を行い方位誤差ψ_ｅ、航路誤差ｘ_ｅ，ｙ_ｅ等を出力する。

船舶用自動操舵装置１の閉ループ系は、船体モデルと外乱モデルとからなる制御対象と、フィードバック制御器１３とから構成される。フィードバック制御器１３は、図２に示すように、推定器１３１と制御系フィードバックゲイン器１３２とを備える。推定器１３１には、軌道誤差演算部１２からの方位誤差ψ_ｅ、航路誤差ｘ_ｅ、ｙ_ｅが入力される。

推定器１３１は、図３に示すように、方位制御系推定器１３１Ａ、航路制御系推定器１３１Ｂ、対地座標系潮流推定器１３１Ｃを備える。方位制御系推定器１３１Ａは、方位誤差の推定を行い、外乱が除去された推定方位誤差ψ_ｅ＾、推定旋回角誤差ｒ＾といった方位に関する状態量の推定値を出力する。航路制御系推定器１３１Ｂは、横方向の推定航路誤差ｙ_ｅ＾といった航路に関する状態量の推定値を出力する。対地座標潮流推定器１３１Ｃは、対地座標系での演算を行い、推定潮流ベクトルｕ_ｃ＾，ｖ_ｃ＾といった潮流に関する推定値を出力する。

制御系フィードバックゲイン器１３２は、方位制御系フィードバックゲイン器１３２Ａと航路制御系フィードバックゲイン器１３２Ｂとを備える。方位制御系フィードバックゲイン器１３２Ａは、推定方位誤差ψ_ｅ＾、推定旋回角誤差ｒ＾に対してフィードバックゲインを掛ける。航路制御系フィードバックゲイン器１３２Ｂは、推定航路誤差ｙ_ｅ＾に対してフィードバックゲインを掛ける。方位制御系フィードバックゲイン器１３２Ａと航路制御系フィードバックゲイン器１３２Ｂによる結果が加算されてフィードバック舵角δ_ＦＢが出力される。

船体３の操舵機は、上述した構成による船舶用自動操舵装置１による命令舵角δ_ｃに比例した舵角を動かすため、船体３は、舵角によって旋回角速度を生じ、方位、位置が変化する。また旋回角速度の発生と共に、斜航角（横方向速度）が発生する。

２． 定式化
２．１ 座標系
ここで、航路座標系について説明する。図４は、航路制御システムで用いる座標系を示す図である。

図４に示すように、航路制御システムで用いる座標系は、対地座標系（局地水平座標系）Ｏ−ＸＹとボディ座標系Ｇ−Ｘ_ＢＹ_Ｂからなり、いずれも右手系３軸直交座標系である。座標系においてＺ軸は重力方向を正とし、回転極性は右ねじ方向を正とする。なお、座標系はＸ軸、Ｙ軸の２次元を用いるため、図３においてＺ軸は省略される。また、対地座標系はＸ軸を北向きにとり、ボディ座標系はＸ_Ｂ軸を船首方位にとる。また、図３において、ｕはｓｕｒｇｅ速度、ｖはｓｗａｙ速度、ｒは旋回角速度、ψは船首方位、ｕ_ｘ，ｖ_ｙは対水速度、βは斜航角を示す。

２．２ 船体モデルと制御システム
次に、船体モデルと制御システムについて説明する。図５は、方位制御ループ及び航路制御ループを示すブロック図である。

図５に示すように、上述した船舶用自動操舵装置１による制御システムにおいて、航路制御ループは方位制御ループを含む構成をもつ。なお、図５において、簡単化のため、設定方位ψ_Ｒと設定航路ｙ_Ｒをゼロにおく。船体モデルを次式と定める。

ここで、Ｋ_ｒ：旋回力ゲイン、Ｋ_ｖ：横流れゲイン、Ｔ_ｒ，Ｔ_ｒ３，Ｔ_ｖ＝Ｔ_ｒ，Ｔ_ｖ３＝０：時定数。潮流成分は対地座標で

に定める。

方位誤差と航路誤差を導出する。図５から、

になる。ここで、Ｆ（ｓ）＝Ｋ_ｄｓ＋Ｋ_ｐ，Ｋ_ｄ：微分ゲイン、Ｋ_ｐ：比例ゲイン、Ｋ_ｔ：航路ゲイン。（５），（６）式より

になる。ここで

（９），（１０）式より

になる。（５），（８），（７）式より

になる。ここで

よって、方位は、

になる。航路は上式を（１２）式に代入すると

になる。ここで

これより、航路誤差ｙ_ｅ＝ｙ−ｙ_Ｒを（１７）式から求めると

になる。ここでｖ_ｏ（０）＝Ｋ_ｖ（δ_ｏｖ（０）−δ_ｏｒ（０））。よって、航路誤差はδ_ｏｒ（０），δ_ｏｖ（０），ｖ_c（０）に起因する。方位誤差ψ_ｅ＝ψ−ψ_Ｒは上式と（１６）式から

になる。方位誤差は修正量γに影響されないため、本実施の形態においては、航路誤差をゼロに収斂させる修正量γを求める。

３． 潮流推定の誤差
潮流推定は舵角オフセットに起因する推定誤差を生じる。ｓｗａｙ船体モデルとその推定モデルはｓｗａｙ舵角オフセットδ_ｏｖの有無の違いにより、それぞれ、

になる。推定モデルは未知のδ_ｏｖによる誤差を生じる。潮流推定は対地座標系において、

として構成する。ここでＫ_ｃ：推定ゲイン。ｓｗａｙ速度及び潮流推定の定常値を求めると、

になる。ここでδ_ｃ∞＝−δ_ｏｒ＾。よって、潮流推定の定常値は、

になり、潮流推定値はｓｗａｙ速度成分差またはδ_ｏｖにより誤差を生じる。潮流推定成分を参照座標成分に変換すると、

になる。数値例を示すと、Ｋ_ｖ＝−２．６７ｍ／ｓ，δ_ｏｖ＝δ_ｏｖ＾＝１ｄｅｇのとき、推定誤差ｖ_ｃＲｅ＝Ｋ_ｖδ_ｏｖ＝−０．０４７ｍ／ｓを生じる。

４． 修正方法
次に、修正量γの修正方法について説明する。
４．１ 更新算法
まず、推定器１３１から制御系フィードバックゲイン器１３２、具体的には方位制御系フィードバックゲイン器１３２Ａへ入力される、（１９）式の航路誤差ｙ_ｅをゼロに収束させる修正量を

と定める。ここで、第１項が方位制御の舵角オフセット修正、第２項が航路制御の潮流修正、第３項が航路制御の舵角オフセット修正、また、Ｋ_βｏ：斜航角オフセットゲイン。

このように修正量γを定め、航路制御の舵角オフセット修正に関する第３項において横流れオフセットゲインＫ_ｖｏに代わってＫ_βｏ＝Ｋ_ｖｏ÷ｕを用いることによって、ｓｕｒｇｅ速度ｕの変数を削減する効果がある。上式を（１９）式に代入すると、

になる。

上式の第１項は相殺されゼロとなるが、第２項は潮流推定の誤差によりゼロにならない。よって、本実施の形態においては、第２項、第３項の未知のδ_ｏｖに起因する誤差を修正するため、利用できる変数ｙ_ｅ，δ_ｏｒ＾，Ｋ_ｐ，Ｋ_ｔからｙ_ｅをゼロに収斂させるＫ_βｏを求める。以下、このようなＫ_βｏの求め方について説明する。図６は、航路誤差と斜航角オフセットゲインとの比例関係、及び航路誤差に対する斜航角オフセットゲインの変化量を示す図である。

上式の定常状態（この定常状態については後述する）において、図６に示すように航路誤差ｙ_ｅと斜航角オフセットゲインＫ_βｏとの比例関係は、

が成り立つと仮定する。ここでｉ：更新回数。

Ｋ_βｏは直接的に求まらないが、更新算法によって求める。この更新算法を

と定める。

このように、本実施の形態によれば、ｙ_ｅに対する変化量ΔＫ_βｏを求めてＫ_βｏを累積し求める。これは１次差分積分（Ｅｕｌｅｒ積分）と等価である。航路誤差に積分器を挿入すると閉ループ特性に影響するため、設計者は積分時定数に注意して設計する必要がある。これに対し、上述の方法によれば、定常状態で閉ループ系に一定値（ステップ応答）で作用するので閉ループ特性への影響を低減することができる。

４．２ 定常状態の判定方法
次に、上述した更新算法における定常状態の判定方法について説明する。

航路誤差の定常状態とは、航路誤差の変化が緩慢になった状態を意味する。また、航路誤差は、誘導システム２からの計画航路とＧＮＳＳセンサからの船体位置とに基づいて求められる。このＧＮＳＳセンサは分解能を持ち、例えば、分解能が０．０１ａｒｃｍｉｎならば約１８．６ｍになり、船体位置の変化がそれ以下の場合、ＧＮＳＳセンサから出力は変化しない。この出力が変化しない場合、航路誤差もまた変化しないため、航路誤差は分解能の影響を受ける。そこで、本実施の形態に係る船舶用自動操舵装置１は、以下に説明する方法により航路誤差に含まれる分解能成分を打ち消す。図７は、定常状態判定処理の動作を示すフローチャートである。なお、この定常状態判定処理は５１２秒毎に行われるものとする。また、図７の説明において、添え字^￣は、平均値を示すものとする。

まず、図７に示すように、推定器１３１は、図１に図示しないメモリに時系列データとして蓄積された５１２秒間の航路誤差から１秒毎に５１２個の航路誤差ｙ_{ｅｉ，ｉ＝１〜５１２}を取得する（Ｓ１０１）。次に、推定器１３１は、航路誤差ｙ_{ｅｉ，ｉ＝１〜５１２}を６４秒の時間幅で時系列順に８分割して、それぞれが６４個の航路誤差データを持つ航路誤差ｄ_{ｙｅｊ，ｊ＝１〜８}とし（Ｓ１０２）、分割された航路誤差ｄ_{ｙｅｊ，ｊ＝１〜８}のそれぞれについてその平均値ｄ_{ｙｅｊ，ｊ＝１〜８} ^￣を求める（Ｓ１０３）。次に、推定器１３１は、求めた平均値ｄ_{ｙｅｊ，ｊ＝１〜８}のうち、その最大値ｍａｘｄ_ｙｅ ^￣，最小値ｍｉｎｄ_ｙｅ ^￣及び、両者の差Δｄ_ｙｅ ^￣＝ｍａｘｄ_ｙｅ ^￣−ｍｉｎｄ_ｙｅ ^￣を求め（Ｓ１０４）、Δｄ_ｙｅ ^￣が閾値ｓｅｔ＝５ｍより小さいか否かを判定する（Ｓ１０５）。

Δｄ_ｙｅ ^￣が、閾値ｓｅｔより小さい場合（Ｓ１０５，ＹＥＳ）、推定器１３１は、５１２秒間の航路誤差ｙ_{ｅｉ，ｉ＝１〜５１２}の平均値ｙ_ｅ ^￣を求め（Ｓ１０６）、この平均値ｙ_ｅ ^￣が、過度の更新処理を防止するための閾値ｓｅｔｙ_ｅ＝０．０１ｍより小さいか否かを判定する（Ｓ１０７）

平均値ｙ_ｅ ^￣が閾値ｓｅｔｙ_ｅより小さい場合（Ｓ１０７，ＹＥＳ）、推定器１３１は、ｙａｗ舵角オフセット推定値δ_ｏｈ＾が、割り算による数値の増大を防止するための閾値ｓｅｔδ_ｏ＝０．００１ｄｅｇより小さいか否かを判定する（Ｓ１０８）。なお、この判定においては、ｙａｗ舵角オフセット推定値δ_ｏｈ＾の代わりに、５１２秒間に１秒毎に取得された命令舵角δ_{ｃｉ，ｉ＝１〜５１２}の平均値δ_ｃ ^￣を用いても良い。

ｙａｗ舵角オフセット推定値δ_ｏｈ＾が閾値ｓｅｔδ_ｏより小さい場合（Ｓ１０８，ＹＥＳ）、推定器１３１は、上述した更新算法により斜航角オフセットゲインＫ_βｏを更新する（Ｓ１０９）。

一方、ｙａｗ舵角オフセット推定値δ_ｏｈ＾が閾値ｓｅｔδ_ｏ以上である場合（Ｓ１０８，ＮＯ）、推定器１３１は、斜航角オフセットゲインＫ_βｏの更新を行わずに定常状態判定処理を終了する。

また、ステップＳ１０７において、平均値ｙ_ｅ ^￣が閾値ｓｅｔｙ_ｅ以上である場合（Ｓ１０７，ＮＯ）、推定器１３１は、斜航角オフセットゲインＫ_βｏの更新を行わずに定常状態判定処理を終了する。

また、ステップＳ１０５において、Δｄ_ｙｅ ^￣が、閾値ｓｅｔ以上である場合（Ｓ１０５，ＮＯ）、推定器１３１は、斜航角オフセットゲインＫ_βｏの更新を行わずに定常状態判定処理を終了する。

上述したように、斜航角オフセットゲインＫ_βｏの更新は、Δｄ_ｙｅ ^￣が閾値ｓｅｔより小さい場合に行われ、さらに、平均値ｙ_ｅ ^￣が閾値ｓｅｔｙ_ｅより小さく、且つｙａｗ舵角オフセット推定値δ_ｏｈ＾が閾値ｓｅｔδ_ｏより小さい場合に行われる。

５． 効果の検証
上述した更新算法による斜航角オフセットゲインＫ_βｏの更新の効果をシミュレーションによって確認する。図８は、Ｋ_βｏ修正なしの場合のシミュレーション結果を示す図である。図９は、Ｋ_βｏ修正ありの場合のシミュレーション結果を示す図である。

条件：Ｋ_ｐ＝１．５，Ｋ_ｔ＝０．００１９７ｍ／ｓ，Ｋ_ｖ＝−２．６７ｍ／ｓ，ｕ＝１０ｋｎ＝５．１４４ｍ／ｓ，ｕ_ｃ（０）＝ｖ_ｃ（０）＝０ｍ／ｓ，δ_ｏｒ（０）＝δ_ｏｖ＝３ｄｅｇのとき

この場合の航路誤差ｙ_ｅと斜航角オフセットゲインＫ_βｏの更新履歴を以下の表に示す。

上述した条件において、更新回数に比例してｙ_ｅが減少し、Ｋ_βｏ＝−Ｋ_ｖ÷ｕが一定値２．６７÷５．１４＝０．５１９に収斂する。ｙ_ｅは、（３１）式より

になり、図８，９に示す結果とほぼ等しい。よって、本実施の形態に示した更新算法は有効である。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 船舶用自動操舵装置
１１ 軌道計画部
１３ フィードバック制御部
１３１ 推定器
１３２ 制御系フィードバックゲイン器
１３２Ａ 方位制御系フィードバックゲイン器
１３２Ｂ 航路制御系フィードバックゲイン器

Claims (4)

1. 船体の参照方位及び参照位置を出力する軌道計画部と、センサで検出された船体の方位および位置から船体の方位と位置とを参照方位及び参照位置に追従させるべく命令舵角を出力するフィードバック制御部と、を備えた船舶用自動操舵装置において、
   前記フィードバック制御部は、方位誤差、航路誤差、潮流の推定を行う推定器と、方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、前記方位制御ループを含む航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器とを備え、
   前記推定器は、前記方位制御系フィードバックゲイン器へ修正量γを入力し、
   該修正量γは、δ_or＾をｙａｗ舵角オフセットの推定値、Ｋ_pを比例ゲイン、ｖ_c＾を潮流推定値、ｕをｓｕｒｇｅ速度、Ｋβ_oを斜航角オフセットゲインとして、
   で表され、
   前記推定器は、航路誤差と斜航角オフセットゲインとの比例関係において航路誤差をゼロに収斂させる斜航角オフセットゲインを、ｙ_eを航路誤差、ｉを更新回数、ΔＫβ_oを航路誤差に対する斜航角オフセットゲインの変化量として、
   で表される更新算法により、航路誤差が定常状態である場合に更新して求めることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
2. 前記推定器は、航路誤差を所定時間毎に第１時間幅で取得し、該第１時間幅を時系列順に複数に分割する第２時間幅それぞれにおける航路誤差の平均値を算出し、算出した平均値の最大値と最小値との差を算出し、該差が第１閾値より小さい場合、航路誤差が定常状態であると判定することを特徴とする請求項１に記載の船舶用自動操舵装置。
3. 前記推定器は、前記差が前記第１閾値より小さい場合に前記第１時間幅で取得された航路誤差の平均値を算出し、該平均値が第２閾値より小さい場合、航路誤差が定常状態であると判定することを特徴とする請求項２に記載の船舶用自動操舵装置。
4. 前記推定器は、更に、ｙａｗ舵角オフセット推定値が第３閾値より小さい場合、航路誤差が定常状態であると判定すること特徴とする請求項２または３に記載の船舶用自動操舵装置。