JP6282481B2 - 水中航走体の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中航走体の制御装置に係り、特に、水中航走体の制御量の量子化に伴うノイズを低減する制御装置に関する。

例えば、制御対象の制御量を検出するセンサの分解能が不足している場合、分解能の粗さにより、量子化ノイズが発生する。
例えば、水中航走体の深度制御に用いられる深度計を例に挙げると、浅い海域で航走する場合にはビット数の問題は発生しないが、深度が深くなると１ビットで表現される距離が大きくなり、量子化ノイズが大きくなる。
量子化ノイズが増加すると、操作量の無駄なハンチングが発生し、電力を無駄に消費する等の問題が生ずる。

特開平８−１７１５１号公報

従来、上記のような量子化ノイズを低減する方法として、ローパスフィルタが用いられていた。しかしながら、ローパスフィルタは遅れ要素を有しているため、位相遅れが問題となり、系が不安定になるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、量子化ノイズを低減することのできる水中航走体の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、水中航走体の制御装置であって、制御対象である前記水中航走体の制御量を量子化する量子化手段と、前記水中航走体の数理モデルである水中航走体モデルと、前記水中航走体モデルの推定制御量を量子化する量子化モデルとを有し、前記量子化手段の出力と前記量子化モデルの出力との偏差をフィードバックゲインを介してフィードバックして、該偏差を低下させる量子化ノイズ低減手段と、前記量子化ノイズ低減手段における前記水中航走体モデルの推定制御量をフィードバックし、該推定制御量と所定の目標値との偏差を低減させるための操作量を演算するフィードバック制御手段とを備え、前記量子化ノイズ低減手段は、前記水中航走体の前記制御量に関する推定速度に応じて前記フィードバックゲインを調整するゲイン調整手段を有する水中航走体の制御装置である。

本態様に係る水中航走体の制御装置によれば、量子化ノイズ低減手段において、水中航走体の数理モデルである水中航走体モデルの出力である推定制御量が量子化モデルに入力され、量子化モデルにおいて推定制御量が量子化される。そして、量子化された推定制御量と量子化手段からの出力との偏差を算出し、この偏差を低減させるように量子化ノイズ低減手段が作動する。このように、量子化ノイズを含む信号同士を比較して偏差を求めるので、水中航走体モデルの応答を実応答に近づけることが可能となる。そして、このような水中航走体モデルにて推定された状態量、換言すると、量子化モデルに入力される前の状態量をフィードバック制御手段にフィードバックするので、フィードバック制御手段においては、量子化ノイズの影響をほとんど受けていない、本来の制御量に近い信号を用いて、操作量を演算することが可能となる。
また、制御対象である水中航走体は、運動状態によって応答特性が変化する。したがって、水中航走体モデルについても、水中航走体の運転状態に応じてゲイン調整することで、水中航走体モデルを水中航走体の実応答に更に近づけることが可能となる。

上記制御装置は、前記量子化手段の後段に設けられた第１ローパスフィルタと、前記量子化モデルの後段に設けられた第２ローパスフィルタとを更に有し、前記第１ローパスフィルタ及び前記第２ローパスフィルタは、量子化の階段状の高周波成分のみを除去するフィルタとされ、前記量子化ノイズ低減手段は、前記第１ローパスフィルタの出力と前記第２ローパスフィルタの出力との偏差を前記フィードバックゲインを介してフィードバックして、前記偏差を低減させることとしてもよい。

本発明の他の例に係る一態様は、制御対象の制御量を量子化する量子化手段と、リミッタを含むオブザーバーと、オブザーバーによって推定された状態量をフィードバックして、該状態量と所定の目標値との偏差を低減させるための操作量を演算するフィードバック制御手段と、前記目標値又は該目標値を微分した値を基準値とし、該基準値に所定の変動余裕度を持たせることにより、前記リミッタによる制限範囲を設定する制限範囲設定手段とを具備する制御装置である。

本態様の制御装置によれば、オブザーバーにリミッタを設け、リミッタによって状態量の変動を抑制するので、変動の小さい状態量をフィードバック制御手段に入力信号として与えることが可能となる。これにより、操作量のハンチングを抑制することができる。
更に、リミッタの制限範囲を目標値に基づいて設定するので、適切な制限範囲を設定することができる。つまり、制御が安定していれば、制御対象の制御量は目標値の近傍にあるとみなすことができるので、この目標値に所定の変動余裕度を考慮した制限範囲とすることで、制御対象の運動状態に応じた適切な制限範囲を設定することができる。

上記制御装置において、前記制限範囲設定手段は、前記オブザーバーの遅れ要素と同じ遅れ要素を備えており、前記遅れ要素を考慮して前記基準値を決定することとしてもよい。このようにすることで、リミッタの制限範囲をより適切な範囲に設定することが可能となる。

本発明によれば、量子化ノイズを低減することができる。これにより、操作量の無駄なハンチングを抑制でき、電力消費を抑制することができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る制御装置の概略構成を示した図である。 本発明の参照例としての制御装置の概略構成を示した図である。 深度センサによって量子化された信号を直接フィードバック制御部の入力信号として用いた場合の操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置を用いて制御した場合の操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図である。 図４と同一条件で第１実施形態に係る制御装置を作動させたときの推定位置、推定速度、推定加速度、深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置において、制御対象モデルにおけるモデルの無駄時間、アクチュエータゲイン、イナーシャに＋３０％の誤差を与えた場合における操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図である。 図６と同一条件における推定位置、推定速度、推定加速度、深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置の変形例を示した図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置の変形例を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る制御装置の概略構成を示した図である。

以下に、本発明に係る制御装置を水中航走体の位置制御（深度制御）に適応した場合の各実施形態について、図面を参照して説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る制御装置の概略構成を示した図である。図１に示すように、制御装置１は、制御対象である水中航走体１０の深度（制御量）を目標深度に一致させる動作を行うものである。具体的には、制御装置１は、水中航走体１０の深度を量子化する深度センサ（量子化手段）１１と、量子化ノイズ低減部１２と、フィードバック制御部１３とを主な構成として備えている。

量子化ノイズ低減部１２は、水中航走体１０の数理モデルである制御対象モデル２１と、深度センサの数理モデルである量子化モデル２２と、ループゲイン２３とを主な構成として備えている。このように、量子化ノイズ低減部１２は、一般的なオブザーバーに量子化モデル２２を含めた構成とし、量子化モデル２２の出力である推定深度検出値と深度センサ１１の出力である深度検出値との偏差を低減するように作動するものである。

フィードバック制御部１３には、量子化ノイズ低減部１２の制御対象モデル２１で演算された水中航走体１０の推定深度及び推定速度がフィードバックされる。フィードバック制御部１３は、入力された推定深度と所定の目標深度ｒとの偏差及び入力された推定速度と所定の目標速度との偏差を低減させるための操作量を演算し、水中航走体１０の深度駆動部（図示略）に与える。

このように、本実施形態に係る制御装置１では、制御対象モデル２１により推定された推定深度を量子化モデル２２に入力し、量子化モデル２２の推定深度検出値と深度センサ１１の深度検出値との偏差を低減させるように量子化ノイズ低減部１２が機能する。一般的に、オブザーバーを用いたフィードバック制御を行う場合、図２に示すように、制御対象モデル２１の出力である推定深度と、深度センサ１１の出力である深度検出値との偏差をフィードバックするような構成が採られる。

この場合、制御対象モデル２１の出力である推定深度と深度検出値とを比較する段階で量子化の影響に起因する大きなノイズが発生し、このノイズが制御対象モデル２１にフィードバックされて入力されることから、オブザーバー３０における状態の推定が難しくなる。例えば、図２に示すようなオブザーバー３０を用いた一般的な制御では、実深度が目標値ｒに近づいて定常状態になると、実深度と目標値ｒとの偏差は深度センサ１１の分解能ｑの大きさで振動を繰り返すため、応答性を上げると±ｑで激しく振動する。この振動は、分解能が粗いほど顕著に表れる。

これに対し、本実施形態に係る制御装置１では、図１に示すように、量子化モデル２２まで含めたオブザーバーとし、ノイズが含まれた量子化モデル２２の出力である推定深度検出値と深度センサ１１の出力である深度検出値との偏差を演算し、この偏差を制御対象モデル２１にフィードバックさせるような構成としている。
このように、制御装置１では、ノイズを含む信号同士を比較することから、制御対象モデルの応答を実応答に近づけることが可能となる。
更に、制御装置１では、制御対象モデル２１にて推定された状態量である推定位置及び推定速度、換言すると、量子化モデル２２に入力される前の状態量をフィードバック制御部１３にフィードバックするので、フィードバック制御部１３においては、量子化ノイズの影響をほとんど受けていない、本来の制御量に近い信号を用いて、操作量を演算することが可能となる。これにより、操作量のハンチングを低減することが可能となる。

図３は、深度センサによって量子化された信号を直接フィードバック制御部１３の入力信号として用いた場合の（ａ）操作量、（ｂ）実深度、（ｃ）実速度、（ｄ）実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図、図４は本実施形態に係る制御装置１を用いて制御した場合の（ａ）操作量、（ｂ）実深度、（ｃ）実速度、（ｄ）実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図、図５は、図４と同一条件で制御装置１を作動させたときの（ａ）推定位置、（ｂ）推定速度、（ｃ）推定加速度、（ｄ）深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。

図３に示した深度センサ１１の出力（深度検出値）を直接フィードバックさせる方式によれば、操作量のハンチングが発生し、実位置がふらついており、位置を微分した実速度、実加速度については、変動が顕著に表れている。これに対し、本実施形態に係る制御装置１によれば、図４及び図５に示すように、操作量のハンチングが防止され、実深度、実速度、実加速度、制御対象モデル２１における各種状態量、並びに深度センサ１１の出力である深度検出値も安定していることがわかる。

また、図６は、本実施形態に係る制御装置１において、制御対象モデル２１におけるモデルの無駄時間、アクチュエータゲイン、イナーシャに＋３０％の誤差を与えた場合における操作量、実深度、実速度、実加速度のシミュレーション結果の一例を示した図、図７は図６と同一条件における推定位置、推定速度、推定加速度、深度検出値のシミュレーション結果の一例を示した図である。図６及び図７に示すように、本実施形態に係る制御装置１によれば、制御対象モデル２１に誤差が生じていた場合でも、操作量のハンチングを防止でき、系の安定性を維持できることがわかる。

また、本実施形態に係る制御装置においては、図８に示すように、量子化ノイズ低減部１２のループゲイン２３を推定速度に応じて変化させるゲインスケジューリング部１５を更に備えることとしてもよい。水中航走体１０は、速度に応じて応答特性が変化するため、この応答特性の変化に応じて、制御対象モデルの特性も変化させることが好ましい。ゲインスケジューリング部１５は、例えば、速度とゲインとが関連付けられたゲインテーブルを有しており、このゲインテーブルに基づいて、量子化ノイズ低減部１２のループゲイン２３を調整する。

また、本実施形態に係る制御装置においては、図９に示すように、深度センサ１１の後段及び量子化モデル２２の後段に、それぞれローパスフィルタ１７を設け、ローパスフィルタ１７によって平滑化された値同士の偏差を算出することとしてもよい。このように、ローパスフィルタ１７を設けることにより、量子化ノイズを更に低減させることが可能となる。これにより、制御対象モデル２１において、量子化ノイズが更に抑制された状態推定を行うことが可能となる。ここで、ローパスフィルタ１７は、制御系の安定性を考慮して、遅れが大きくならず、量子化の階段状の高周波成分のみを除去する弱い効果のフィルタとするとよい。また、この構成に更に、図８に示したゲインスケジューリング部１５を付加した構成としてもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る制御装置について説明する。なお、上述した第１実施形態と同一の構成については、同一の符号を付し、説明を省略する。
図１０は、本実施形態に係る制御装置３の概略構成を示した図である。図１０に示すように、制御装置３は、上述した制御装置１と同様、制御対象である水中航走体１０の深度（制御量）を目標深度ｒに一致させる動作を行うものであり、深度センサ（量子化手段）１１と、リミッタを有するオブザーバー３１と、フィードバック制御部１３と、制限範囲設定部１４とを主な構成として備えている。

オブザーバー３１には、リミッタとして、推定速度を所定の範囲内に制限する速度リミッタ３２と、推定加速度を所定の範囲内に制限する加速度リミッタ３３とが設けられている。加速度リミッタ３３によって所定範囲内に制限された推定加速度（修正加速度）は、積分器に入力されて推定速度が出力される。推定速度は、速度リミッタ３２により所定の範囲内に制限されて、フィードバック制御部１３にフィードバックされ、操作量の演算に用いられる。

制限範囲設定部１４は、フィードバック制御部１３に入力される所定の目標値ｒを微分して、目標値ｒから目標速度ｄｒ／ｄｔ及び目標加速度ｄ^２ｒ／ｄｔ^２を演算し、演算した目標速度ｄｒ／ｄｔ及び目標加速度ｄ^２ｒ／ｄｔ^２を基準値として、この基準値に所定の速度余裕度α１、所定の加速度余裕度α２を持たせることにより、各リミッタの制限範囲を設定する。例えば、速度リミッタ３２の設定値は（ｄｒ／ｄｔ±α１）に設定され、加速度リミッタ３３の設定値は（ｄ^２ｒ／ｄｔ^２±α２）に設定される。

このような制御装置３によれば、深度センサ１１によって検出された深度検出値と、オブザーバー３１から出力された推定深度との偏差がオブザーバー３１に入力される。オブザーバー３１において、所定のループゲインを通過した上記偏差と操作量とに基づいて水中航走体１０の推定加速度が演算される。推定加速度は、加速度リミッタ３３によって所定の範囲内に制限され、制限後の推定加速度から推定速度が演算される。推定速度は、速度リミッタ３２によって所定の範囲内に制限され、制限後の推定速度から推定深度が演算される。推定深度及び制限後の推定速度は、フィードバック制御部１３に入力され、操作量の演算に用いられる。

また、図１０に示した構成では、制限範囲設定部１４において演算された目標速度ｄｒ／ｄｔ及び目標加速度ｄ^２ｒ／ｄｔ^２をフィードバック制御部１３に入力信号として反映させることで、制限範囲設定部１４にフィードフォワード制御部の機能も発揮させている。

このように、本実施形態に係る制御装置３によれば、オブザーバー３１に速度リミッタ３２、加速度リミッタ３３を設け、速度リミッタ３２、加速度リミッタ３３によって推定速度、推定加速度の範囲を制限する。これにより、量子化ノイズによる推定速度、推定加速度の変動が抑制された状態量（推定深度、推定速度等）をフィードバック制御部１３に入力信号として与えることができる。この結果、操作量のハンチングを抑制することができる。

更に、制御装置３によれば、速度リミッタ３２の制限範囲及び加速度リミッタ３３の制限範囲を目標値ｒに基づいて設定するので、適切な制限範囲を設定することができる。つまり、制御が安定していれば、水中航走体の実深度は目標値ｒの近傍にあるとみなすことができるので、この目標値に所定の変動余裕度を考慮した制御範囲とすることで、水中航走体１０の運動状態に応じた適切な制限範囲を設定することが可能となる。

また、本実施形態に係る制御装置３においては、制限範囲設定部１４の各微分器の後段に、オブザーバー３１の遅れ要素と同じ遅れ要素を設けることとしてもよい。これにより、遅れ要素を考慮して、速度リミッタ３２、加速度リミッタ３３の基準値を決定することが可能となる。

本発明は、上述の実施形態のみに限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々変形実施が可能である。

１、３ 制御装置
１０ 水中航走体
１１ 深度センサ
１２ 量子化ノイズ低減部
１３ フィードバック制御部
１４ 制限範囲設定部
１５ ゲインスケジューリング部
１７ ローパスフィルタ
２１ 制御対象モデル
２２ 量子化モデル
２３ ループゲイン
３１ オブザーバー
３２ 速度リミッタ
３３ 加速度リミッタ

Claims (2)

1. 水中航走体の制御装置であって、
   制御対象である前記水中航走体の制御量を量子化する量子化手段と、
   前記水中航走体の数理モデルである水中航走体モデルと、前記水中航走体モデルの推定制御量を量子化する量子化モデルとを有し、前記量子化手段の出力と前記量子化モデルの出力との偏差をフィードバックゲインを介してフィードバックして、該偏差を低下させる量子化ノイズ低減手段と、
   前記量子化ノイズ低減手段における前記水中航走体モデルの推定制御量をフィードバックし、該推定制御量と所定の目標値との偏差を低減させるための操作量を演算するフィードバック制御手段と
   を備え、
   前記量子化ノイズ低減手段は、前記水中航走体の前記制御量に関する推定速度に応じて前記フィードバックゲインを調整するゲイン調整手段を有する水中航走体の制御装置。
2. 前記量子化手段の後段に設けられた第１ローパスフィルタと、
   前記量子化モデルの後段に設けられた第２ローパスフィルタと
   を有し、
   前記第１ローパスフィルタ及び前記第２ローパスフィルタは、量子化の階段状の高周波成分のみを除去するフィルタとされ、
   前記量子化ノイズ低減手段は、前記第１ローパスフィルタの出力と前記第２ローパスフィルタの出力との偏差を前記フィードバックゲインを介してフィードバックして、前記偏差を低減させる請求項１に記載の水中航走体の制御装置。

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