JP6487264B2 - ウェイポイント生成装置 - Google Patents
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Description
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。
2.1 座標系
ここで、航路座標系について説明する。図3は、航路制御システムで用いる座標系を示す図である。
ここで、制御対象について説明する。制御対象は船体モデルと外乱モデルから構成される。船体モデルは、surge速度を一定として、野本の応答モデルを改良した本発明者による応答モデルを用いて、
航路誤差モデルを導出する。船体の対地速度は
航路制御システムとして、フィードバック制御部13が航路保持制御を行い、軌道計画部11が参照信号を出力するとともに、フィードフォワード舵角δFFを出力することによって曲線追従制御を行う。以下、航路保持制御及び曲線追従制御について説明する。
まず、航路保持制御について説明する。図4は、航路保持制御に係るフィードバック制御ループを示すブロック図である。
次に、曲線追従制御について説明する。曲線追従制御は、軌道計画部11による参照信号の出力とフィードフォワード制御からなる閉ループ制御によって、参照方位及び参照航路に船首方位及び船体位置を追従させる。軌道計画部11により出力される軌道計画に次の条件を組み込むことによって適切な変針が実現できる。参照方位ψRは、変針条件(変針量Δψ0、指定旋回角速度r0)、操舵機条件(舵角設定値δ0、舵速度設定値δ0 ・)及び方位初期値C1a=ψR ・・(0),C2a=ψR ・(0)を満足する関数で
次に、ウェイポイント生成装置によるウェイポイントの生成について説明する。
ウェイポイント生成装置10は、船体2の現在位置とその時点での参照方位の方向に位置する仮想点を直線で結んだ航程線を生成し、航程線に船体位置を航路制御システムによって追従させる。ここで仮想点は現在位置から十分に離れたものとし、本実施の形態においては、数NMから数十NMとする。このような航程線を船舶が航行している間に新たな目的地が入力された場合、ウェイポイント生成装置10は、計画航路を再構築して軌道計画部11に出力する。この計画航路の構築において、ウェイポイント生成装置10は、船舶が参照方位(初期方位)ψ0で航行中に目的地Pが与えられたとき、現在位置をOとして、後述する3点のウェイポイントS,A,Fと変針量Δψを求める。
ウェイポイント生成装置の機能構成及び動作について説明する。図7は、ウェイポイント生成装置の機能構成を示すブロック図である。図8は、計画航路の座標変換を示す図である。
データ取得部101は、パラメータとして、航海情報及び旋回条件を取得する。航海情報は、入力された目的地の座標Pと、座標Pが与えられた時点の参照方位である初期方位ψ0と、同時点における現在位置の座標Oとを含む。旋回条件は、船舶の旋回径における旋回半径Rと、空走距離EDまたは空走距離EDを算出するための空走距離パラメータとを含む。ここで、空走距離EDは、現在位置Oから航程線上に位置するウェイポイントSまでの距離であり、空走距離パラメータは船体2の船長Lまたは船速uであり、空走距離ED、船長L、船速uのいずれかが取得されれば良い。これらのうち、空走距離ED及び船長Lは操船者によって入力されるパラメータであり、船速uはセンサ類3から入力されるsurge速度uである。なお、空走距離EDは予め定められた所定の値であっても良い。
空走距離算出部102は、データ取得部101により空走距離EDが取得されない場合、即ち、船長L、船速uのいずれかが取得された場合、取得された船長Lまたは船速uに基づいて、以下の式により空走距離EDを算出する。
第1座標変換部103は、ウェイポイントS及び目的地Pを逆座標変換することにより正規化する。具体的には、第1座標変換部103は、図8に示すように、点S(xs,ys)、点P(xp,yp)を、現在位置Oを原点として初期方位ψ0のマイナス方向に座標変換する。この座標変換によれば、座標変換された点S、Pは、それぞれ、
ウェイポイント生成部104は、正規化した座標において、旋回径の半径中心C、ウェイポイントA、ウェイポイントF及び変針量Δψを求める。ここで、ウェイポイントAは初期方位を向く航程線上においてウェイポイントSと所定の間隔距離を有した位置にある点であり、ウェイポイントFはウェイポイントAと目的地Pとを結ぶ航程線上においてウェイポイントAとウェイポイントSとの間隔距離と同様の間隔距離を有した位置にある点である。
第2座標変換部105は、ウェイポイント生成部104により生成された正規化されたウェイポイント及び半径中心を正座標変換することによりウェイポイントを得る。具体的には、第2座標変換部105は、ウェイポイントA’、ウェイポイントF’及び半径中心C’を、現在位置Oを原点として初期方位ψ0の正方向に座標変換する。A’、F’C’は次式から求まる。
出力部106は、得られたウェイポイントS、A、F、及び旋回径の半径中心Cを計画航路として、軌道計画部11へ出力する。
5. 検証
本実施形態をシミュレーションによって検証する。
1回のウェイポイント生成例を図9に示す。ここで条件は、L=200m,ED=10L[m],R=1NM=1852m,ψ0=30deg,O=[0,0]m,P=[5000,5000]mとする。なお、変針量は、初期値Δψ0=20.8deg、Δψ=22.3degになる。
図11は、方位制御モードから航路制御モードに遷移した場合の過渡応答を示す。方位制御モードでは方位偏差がゼロであるが,航路制御モードでは航路誤差がゼロになる。その際潮流成分に対抗するため,斜航角はβ=sin−1(5/10)=30[deg]、航路誤差は最大−200m弱生じる。条件は、船体パラメータ:u=5.14m/s,Kr=0.07851/s,Kv=−4.73m/s,Tr=83.5s,Tr3=4.5s,Tv3=0s。潮流成分:Uc=5kn,ψc=310deg。制御システム:Kr=0.02671/s,Kv=−2.67m/s,Tr=36.1s,Tr3=3.6s。制御ゲイン:fp=1.5,fd=22.7s,fy=0.00197m/s。初期方位40deg,変針量10[deg]。
101 データ取得部
103 第1座標変換部
104 ウェイポイント生成部
105 第2座標変換部
106 出力部
Claims (6)
- 移動体の目的地座標P(xp,yp)と、前記移動体の参照方位である初期方位ψ0と、前記移動体の現在位置座標O(xo,yo)と、前記移動体の旋回径における旋回半径Rとを取得するデータ取得部と、
前記現在位置座標Oから前記初期方位ψ0方向に前記移動体の空走距離だけ離れた第1ウェイポイントS(xs,ys)と前記目的地座標Pとを、前記現在位置座標Oを原点とした前記初期方位ψ0のマイナス方向に座標変換して正規化する第1座標変換部と、
前記正規化された座標において、正規化された第1ウェイポイントS’(xs’,ys’)と前記旋回半径Rとに基づいて、第1ウェイポイントS’に対して初期方位ψ0方向に所定の間隔距離を有した位置にある第2ウェイポイントA’(xa’,ya’)と、該第2ウェイポイントA’と正規化された目的地座標Pとを結ぶ線分上に前記第2ウェイポイントA’に対して前記間隔距離を有した位置にある第3ウェイポイントF’(xf’,yf’)とを生成するウェイポイント生成部と、
前記ウェイポイント生成部により生成された第2ウェイポイントA’及び第3ウェイポイントF’を、前記現在位置座標Oを原点として前記初期方位ψ0のプラス方向に座標変換する第2座標変換部と、
前記第1ウェイポイントSと前記第2座標変換部により座標変換された第2ウェイポイントA及び第3ウェイポイントFとを出力する出力部と
を備えるウェイポイント生成装置。 - 前記ウェイポイント生成部は、初期値Δψ0を与えた黄金分割探索により前記関数を解くことを特徴とする請求項2に記載のウェイポイント生成装置。
- 前記初期値Δψ0=tan−1(yp’−ys’)÷(xp’−x s’)であることを特徴とする請求項3に記載のウェイポイント生成装置。
- 前記ウェイポイント生成部は、正規化された第1ウェイポイントS’と前記旋回半径Rとに基づいて、前記正規化された座標において、前記移動体の旋回径の旋回中心C’(xc’,yc’)を生成し、
前記第2座標変換部は、前記旋回中心C’を、前記現在位置座標Oを原点として前記初期方位ψ0のプラス方向に座標変換し、
前記出力部は、前記第2座標変換部により座標変換された旋回中心Cを出力することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか一項に記載のウェイポイント生成装置。
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