JP6781861B2 - Automatic steering device for ships - Google Patents
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Description
本発明は、船舶用自動操舵装置に関する。 The present invention relates to an automatic steering device for ships.
近年、船舶の運航において、乗船員の不足を補い、安全航海をより推進し、さらに操船者による燃料消費の変動を抑制することなどを目的として、船舶が自律的に運行することによる船舶の省人化が求められている。この船舶の省人化には、IT技術により陸上基地からの船舶の一元的な管理と、オートパイロットによる航海とが前提となる。 In recent years, in the operation of ships, the saving of ships by autonomously operating ships for the purpose of compensating for the shortage of crew members, promoting safe voyages, and suppressing fluctuations in fuel consumption by ship operators. Humanization is required. The labor saving of this ship is premised on the centralized management of the ship from the land base by IT technology and the voyage by the autopilot.
大洋航海は沿岸付近に比べ、他船や物標の影響が少ないため、オートパイロット技術の効果が期待される。大圏航路はその距離が長くなるほど、等角航路(方位角一定)に比べて航路長が短くなる特徴をもつ。現在では、この大圏航路の設定は、電子海図表示装置(Electronic Chart Display and Information System:ECDIS)上で容易に行うことができる。 Ocean voyages are less affected by other ships and targets than near the coast, so the effects of autopilot technology are expected. The great circle route has the characteristic that the longer the distance, the shorter the route length compared to the equiangular route (constant azimuth angle). At present, the setting of this great circle route can be easily performed on an electronic chart display device (Electronic Chart Display System (ECDIS)).
ECDISは、大圏航路を適当に分割して直線と円弧の計画航路を作成しオートパイロットにその情報を送る。オートパイロットはその計画航路に船体を追従させるため、舵を制御する。その制御システムは航路制御システム(Track Control System:TCS)と呼ばれ、直線と円弧の航路に対応する操船モードをもつ。 ECDIS appropriately divides the great circle route to create a planned route of straight lines and arcs, and sends the information to the autopilot. The autopilot controls the rudder to make the hull follow the planned route. The control system is called a traction control system (TCS), and has a maneuvering mode corresponding to straight and arc routes.
なお、本発明者による航路制御システムに関する技術として、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、方位誤差、航路誤差及び潮流の推定を行うとともに、方位制御系フィードバックゲイン器へsway方向の潮流推定誤差に基づく修正量を入力する推定器とを有するフィードバック制御部を備えた船舶用自動操舵装置、が知られている(特許文献1参照)。 As a technique related to the route control system by the present inventor, the azimuth control system feedback gainer constituting the azimuth control loop, the route control system feedback gainer constituting the route control loop including the azimuth control loop, the orientation error, and the route. An automatic steering device for ships equipped with a feedback control unit having an estimator that estimates an error and a tidal current and inputs a correction amount based on a tidal current estimation error in the way direction to a feedback gainer of a direction control system is known. (See Patent Document 1).
しかしながら、従来の航路制御システムによる大圏航海において、操船モードが2つあることは船舶の省人化、具体的には、陸上基地からの船舶の管理において、管理作業を増大させる要因となる。操船は単純なものほど、使いやすく保守しやすいため、大洋航海において1つの操船モードで対応できることが要求される。 However, in the great circle voyage by the conventional route control system, the fact that there are two ship maneuvering modes is a factor that increases the management work in the labor saving of the ship, specifically, in the management of the ship from the land base. The simpler the maneuvering, the easier it is to use and maintain, so it is required to be able to handle one maneuvering mode in ocean voyages.
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、1つの操船モードにより大洋航海に対応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。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an automatic steering device for ships capable of responding to ocean voyages by one ship maneuvering mode.
上述した課題を解決するため、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置は、船体を大圏航路に追従させるべく命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、前記船体の出発位置と着達位置とに基づいて前記大圏航路としての測地線を算出し、センサにより検出された船体位置及び船首方位に基づいて、該船体位置を通り前記測地線に直交する線と交わる前記測地線上の交点における起程針路を参照方位として出力し、前記船体位置から前記交点までの長さを航路誤差として出力する測地計算部と、前記船首方位を前記参照方位に追従させる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、前記航路誤差を低減するように前記船体位置を前記測地線に追従させる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有し、前記方位制御系フィードバックゲイン器からの出力と前記航路制御系フィードバックゲイン器からの出力とを加算して前記命令舵角として出力するフィードバック制御部とを備える。 In order to solve the above-mentioned problems, the automatic marine steering device according to the present embodiment is an automatic marine steering device that outputs a command rudder angle so that the hull follows a large area route, and has a starting position of the hull. Based on the arrival position, the survey line as the global route is calculated, and based on the hull position and the nose orientation detected by the sensor, on the survey line that passes through the hull position and intersects the line orthogonal to the survey line. An orientation that constitutes a geodetic calculation unit that outputs the starting course at the intersection of the above as a reference orientation and outputs the length from the hull position to the intersection as a navigation error, and an orientation control loop that makes the nose orientation follow the reference orientation. It has a control system feedback gainer and a route control system feedback gainer that constitutes a route control loop that makes the hull position follow the ground line so as to reduce the route error, and from the orientation control system feedback gainer. It is provided with a feedback control unit that adds the output of the above and the output from the route control system feedback gainer and outputs the command steering angle.
本発明によれば、1つの操船モードにより大洋航海に対応することができる。 According to the present invention, one ship maneuvering mode can be used for ocean voyages.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1. 船舶用航行支援装置の構成
本実施形態に係る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とを含むシステムを示すブロック図である。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。1. 1. Configuration of Ship Navigation Support Device A system including a ship automatic steering device according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram showing a system including an automatic steering device for ships and a controlled object. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a feedback control unit.
船舶用自動操舵装置1は、大圏航路に船体方位ψ及び船体位置(x,y)を追従させるために舵を制御する装置であり、図1に示すように、測地計算部11、フィードバック制御部12、減算器13及び各パラメータを同定する図示しない公知の同定器を備えている。船体2のセンサ類3は、船体2のsurge速度uを検出するスピードログ、船体2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。
The automatic steering device 1 for ships is a device that controls the rudder in order to make the hull direction ψ and the hull position (x, y) follow the great circle route, and as shown in FIG. 1, the
測地計算部11は、初期設定として与えられた大洋航海における出発位置及び着達位置に基づいて大圏航路としての測地線を算出するとともに、センサ類3により検出された船体位置(x,y)に基づいて参照方位ψRと航路誤差yeとを算出して出力する。なお、測地計算部11による測地線の算出は、既知のいかなる手法を用いても良く、例えば、法線ベクトルを用いた手法として、Position calculations - simple and exact solutions - by means of n-vector、[online]、[平成28年2月2日検索]検索日 2016年2月2日、インターネット<http://www.navlab.net/nvector/>が挙げられる。The
フィードバック制御部12は、測地計算部11により出力された参照方位ψRと航路誤差yeとに基づいて船体2の操舵機に命令舵角δcを出力するものであり、図2に示すように、状態フィードバックを行う方位制御系フィードバックゲイン器121と、推定器122と、PI制御を行う航路制御系フィードバックゲイン器123と、フィルタ124とを備える。なお、フィードバック制御部12については後に詳述する。The
なお、同定器は、センサ類3により検出された船首方位ψ、船体位置(x,y)、surge速度u、フィードバック制御部12より出力された命令舵角δcの時系列データに基づいて、船体モデル、波浪モデルそれぞれのパラメータを公知の手法により同定する。なお、船体モデルのパラメータ同定については、羽根冬希著、「船体運動パラメータの包括的同定手法」、日本船舶海洋工学会論文集、2014年12月、20:27−38を参照されたい。また、波浪モデルのパラメータ同定については、羽根冬希著、「オートパイロット用の波浪外乱パラメータの同定手法」、日本船舶海洋工学会講演会論文集、2016年、(23):461−465を参照されたい。The identifyr is based on the time-series data of the bow direction ψ, the hull position (x, y), the wave speed u, and the command steering angle δ c output from the
2.船舶用自動操舵装置の動作原理
船舶用自動操舵装置の動作原理について説明する。図3は、大圏航路を示す図である。図4は、大圏航路を近似した航路を示す図である。図5は、船舶用自動操舵装置による軌道追従を示す図である。2. Operating Principle of Automatic Steering Device for Ships The operating principle of automatic steering device for ships will be described. FIG. 3 is a diagram showing a great circle route. FIG. 4 is a diagram showing a route that approximates the great circle route. FIG. 5 is a diagram showing track tracking by the automatic steering device for ships.
図3に示すように、大圏航路は、地球を半径一定の球体と扱い、A点は出発位置、B点は着達位置、H点は航路上の位置、ψAは出発針路,ψBは着達針路、ψHは起程針路である。位置は緯度・経度の座標によって与えられ、針路は子午線との角度でその座標によって計算される。つまり、大圏航路は出発位置と着達位置の2点が与えられると、航路上の位置とその針路が決定される。大圏航路に関する測地計算は、上述したように法線ベクトルを用いた方法を利用する。その特徴は単純な構成で、繰り返し計算がないことである。As shown in FIG. 3, the great circle route treats the earth as a sphere with a constant radius, point A is the departure position, point B is the arrival position, point H is the position on the route, ψ A is the departure course, ψ B. Is the arrival course and ψ H is the starting course. The position is given by the coordinates of latitude and longitude, and the course is calculated by the coordinates at the angle with the meridian. That is, when the great circle route is given two points, the departure position and the arrival position, the position on the route and its course are determined. The geodetic calculation for the great circle route uses the method using the normal vector as described above. Its feature is that it has a simple structure and there is no iterative calculation.
図4に示される近似大圏航路は、ECDISにより大圏航路を近似したものであり、ここで、近似大圏航路は適当な距離ごとに分割され、図4において実線により示される直線と点により示される円弧とにより構成される。点の位置を拡大すると円弧線(Circular arc line)となっているものとする。直線航路は設定方位が一定になる航程線(Rhumb line)と呼ばれる。円弧の変針角は小さいが、旋回するための操船モードが必要になる。 The approximate great-circle route shown in FIG. 4 is an approximation of the great-circle route by ECDIS, and here, the approximate great-circle route is divided by an appropriate distance, and the straight line and the point shown by the solid line in FIG. 4 Consists of the arc shown. When the position of the point is enlarged, it is assumed that it becomes an arc line (Circular arc line). A straight route is called a Rhumb line where the set direction is constant. Although the turning angle of the arc is small, a ship maneuvering mode for turning is required.
一方、船舶用自動操舵装置1による軌道追従によれば、図5に示すように、船体位置はP点にあり、前進速度u、船首方位ψで航行する。P点から大圏航路上に垂線の足を下ろし、その点をHとする。即ち、H点は、P点を通る線と大圏航路とが直交する点である。この垂足の長さ、即ちP点からH点までの距離がクロストラックエラー(Cross Track Error)とも呼ばれる航路誤差yeとなる。船舶用自動操舵装置1は、H点の起程針路ψHを参照方位ψRに置き換える。よって、船舶用自動操舵装置1による制御システムは船体2の方位と位置をそれぞれの目標値に追従させる軌道追従制御を構成することになる。この軌道追従制御は、方位制御系フィードバックゲイン器121と推定器122とを含む方位制御系と、航路制御系フィードバックゲイン器123とフィルタ124とを含む航路制御系とにより構成され、方位制御系によれば、ψ=ψRになり、船体航跡は大圏航路とyeを保持して並進する。また、航路制御系によれば、yeがゼロに漸近して、船体航跡は大圏航路上を追従するようになる。On the other hand, according to the trajectory tracking by the automatic steering device 1 for ships, as shown in FIG. 5, the hull position is at point P, and the ship sails at a forward speed u and a bow direction ψ. From point P, drop the foot of the perpendicular on the great circle route, and let that point be H. That is, the point H is a point where the line passing through the point P and the great circle route are orthogonal to each other. The length of the foot drop, that is, the distance from the point P to the point H is a navigation error y e , which is also called a cross track error. The ship automatic steering device 1 replaces the starting course ψ H at point H with the reference direction ψ R. Therefore, the control system by the automatic steering device 1 for ships constitutes orbit tracking control that makes the direction and position of the
3.航路誤差と制御対象
航路誤差と制御対象について説明する。図6は、航路制御システムで用いる座標系を示す説明図である。3. 3. Route error and control target Route error and control target will be explained. FIG. 6 is an explanatory diagram showing a coordinate system used in the route control system.
図6に示すように、座標系は、右手・直交三軸において、地球固定座標系と船体固定座標系との2つを定める。地球固定座標系は、X軸を北向きに、Y軸を西向きに、Z軸を下向きとする座標系であり、以降は地球座標と呼称する。船体固定座標系は、原点OBを船体の重心Gに固定し、XB軸を船首方向(surge)に、YB軸を右舷方向(sway)に,ZB軸を重力方向(heave)とする座標系であり、以降は船体座標と呼称する。As shown in FIG. 6, two coordinate systems, the earth fixed coordinate system and the hull fixed coordinate system, are defined on the right-hand / orthogonal three axes. The earth fixed coordinate system is a coordinate system in which the X axis faces north, the Y axis faces west, and the Z axis faces downward, and is hereinafter referred to as earth coordinates. Hull fixing coordinate system, the origin O B fixed to the center of gravity G of the hull, at the bow direction (surge) the X B axis, the Y B axis on the starboard direction (sway), the Z B-axis direction of gravity (heave) It is a coordinate system that is used, and is hereinafter referred to as hull coordinates.
なお、座標系の位置情報は便宜上平面座標を用いる。また、Z軸とZB軸は利用しないので省く。航路誤差yeは測地計算から求まり、船体位置から大圏航路までの垂足の長さに相当する。方位誤差は、For convenience, plane coordinates are used as the position information of the coordinate system. Also, since the Z axis and Z B axis are not used, they are omitted. The route error y e is obtained from the geodetic calculation and corresponds to the length of the foot drop from the hull position to the great circle route. The directional error is
外乱モデルは、舵角オフセットδro,δvo、波浪成分ψw及び図6に示す潮流成分uc、vcとする。ここで、δro,δvoは、それぞれ、風や船体特性などに誘起された方位軸周りに作用する角速度、sway方向に作用する速度を舵角換算したものであり、それぞれ、方位誤差、航路誤差を発生させる。ψwは、白色ノイズνが入力した狭帯域フィルタ出力を方位変換したものでδcに無効舵を発生させる。uc、vcは、航路誤差を発生させる。よって、外乱モデルをThe disturbance model is a steering angle offset δ ro , δ vo , a wave component ψ w, and a tidal current component u c , v c shown in FIG. Here, δ ro and δ vo are the angular velocities acting around the directional axis and the velocities acting in the sway direction induced by the wind and hull characteristics, respectively, converted into rudder angles, and are the directional error and the route, respectively. Cause an error. ψ w is the direction conversion of the narrow band filter output input by the white noise ν, and an invalid rudder is generated in δ c . u c, v c is, to generate a route error. Therefore, the disturbance model
とし、ここで、添字wは波浪成分、ζw、ωwはそれぞれ減衰係数、固有周波数、σwは波浪の強さを表す定数を示す。Here, the subscript w indicates the wave component, ζ w and ω w indicate the attenuation coefficient and the natural frequency, respectively, and σ w indicates the constant representing the strength of the wave.
4.速度誤差成分
速度誤差成分について説明する。4. Velocity error component The speed error component will be described.
船体運動と潮流成分を図6に示すように地球座標の成分に変換すると、 When the hull motion and tidal current components are converted to the components of the earth coordinates as shown in Fig. 6,
参照航路における速度誤差成分は次式になる。 The velocity error component in the reference route is given by the following equation.
5.制御誤差特性
閉ループ制御システムの誤差の特性について説明する。図7は、閉ループ制御システムの誤差モデルを示す図である。図8は、積分器ありのサーボ特性を示す表である。5. Control error characteristics The error characteristics of the closed loop control system will be described. FIG. 7 is a diagram showing an error model of the closed loop control system. FIG. 8 is a table showing servo characteristics with an integrator.
船舶用自動操舵装置1における閉ループ制御システムの誤差を解析する。その誤差モデルは図7に示すようになり、次式になる。ただし、簡単化のため、外乱モデルの波浪成分は平均値がゼロのため除き、推定器122とフィルタ124は定常値に影響しないために除くものとする。
The error of the closed loop control system in the automatic steering device 1 for ships is analyzed. The error model is as shown in FIG. 7, and has the following equation. However, for the sake of simplicity, the wave component of the disturbance model is excluded because the average value is zero, and the
よって、方位誤差と航路誤差の伝達特性は、(18)〜(21)式を用いて、 Therefore, the transmission characteristics of the directional error and the route error are determined by using equations (18) to (21).
上式から、閉ループ制御システムは次のような誤差特性をもつ。ただし、rR(0)=1deg/h、Kv÷Kr=−70m/s、vo(0)=0とする。From the above equation, the closed loop control system has the following error characteristics. However, r R (0) = 1 deg / h, K v ÷ K r = -70 m / s, v o (0) = 0.
方位誤差は、積分器の有無による影響を受けず、主に航路に直角方向の潮流成分により斜航角を生じ、次式になる。 The directional error is not affected by the presence or absence of the integrator, and the oblique navigation angle is generated mainly by the tidal current component in the direction perpendicular to the route, and the following equation is obtained.
航路誤差は、航路制御系フィードバックゲイン器123における積分器の有無による差が表れる。積分器なしの場合では、潮流成分vcR(0)が支配的になり、航路誤差The difference in the route error appears depending on the presence or absence of the integrator in the route control
フィードバック制御部12は、図2に示すように、方位制御系フィードバックゲイン器121、航路制御系フィードバックゲイン器123に推定器122、フィルタ124を追加したものであり、
As shown in FIG. 2, the
フィードバック制御部12は適応型であり、同定器により時系列データに基づいて同定された船体モデル、波浪モデルそれぞれのパラメータから、船体、波浪、仕様の各パラメータを設定して制御ゲインが公知の方法により求められる。なお、この方法については、羽根冬希著、「航路保持システムのための保針制御に基づく解析的方法による設計」、日本船舶海洋工学会論文集、2016年6月、23:33を参照されたい。本実施形態においては、制御ゲインとして、フィードバックゲインFh,Ft、推定ゲインKh、フィルタ時定数Tyが求められる。The
6 検証
6.1 条件
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置1の有効性をシミュレーションによって検証する。このシミュレーションにおいては、1海里Mは1852m、地球半径は6371×103m、初期船速はu0=20knを条件として用いる。船体運動モデルはyawとswayの連成運動に非線形項を加えたものとし、潮流成分の大きさUcは最大5kn、方向ψcは北向き、波浪成分は無しとする。6 Verification 6.1 Conditions The effectiveness of the ship automatic steering device 1 according to this embodiment is verified by simulation. In this simulation, 1 nautical mile M is 1852 m, the earth radius is 6371 × 10 3 m, and the initial ship speed is u 0 = 20 kn. In the hull motion model, a non-linear term is added to the coupled motion of yaw and sway, the magnitude U c of the tidal current component is 5 kn at maximum, the direction ψ c is northward, and there is no wave component.
船体パラメータは同定値であり、Kr=0.132 1/s,Tr=29.5s,Tr3=0.03s,Kv=−8.18m/s,波浪パラメータは初期値で、周期10s,減衰係数0.1とする。また、制御ゲインは、Kp=1.0,Kd=13.6s,fy=0.00134 1/m,fi=0.00688 1/m/s,Ty=2.54s,Kh=[−1.31 −0.272 1.32 −0.206 −0.458]Tとする。Hull parameters are identified value, K r = 0.132 1 / s , T r = 29.5s, T r3 = 0.03s, K v = -8.18m / s, wave parameter is the initial value, the period The attenuation coefficient is 0.1 for 10 s. The control gain, K p = 1.0, K d = 13.6s, f y = 0.00134 1 / m, f i = 0.00688 1 / m / s, T y = 2.54s, K h = [-1.31 −0.272 1.32 −0.206 −0.458] T.
計算地点は、出発位置を横浜(緯度35.5deg、経度139.6deg)とし、到達位置はシアトル(経度47.6deg、緯度−122.3deg)とし、経度に360度を加えている。その区間距離は、航程線航路で4470M、大圏航路で4168.2Mとなり、これらの差異は302Mになり、大圏航路の距離は航程線の距離と比較して−6.8%に短縮される。 As for the calculation point, the departure position is Yokohama (latitude 35.5 deg, longitude 139.6 deg), the arrival position is Seattle (longitude 47.6 deg, latitude -122.3 deg), and 360 degrees is added to the longitude. The section distance is 4470M for the route line route and 4168.2M for the great circle route, and the difference between them is 302M, and the distance of the great circle route is shortened to -6.8% compared to the distance of the great circle route. To.
6.2 大圏航路の特性
大圏航路の特性について説明する。図9は、シミュ―レーションにおける大圏航路の緯度経度を示すグラフである。図10は、シミュ―レーションにおける大圏航路の起程針路を示すグラフである。図11は、シミュ―レーションにおける大圏航路の旋回角速度を示すグラフである。6.2 Characteristics of great circle routes The characteristics of great circle routes will be explained. FIG. 9 is a graph showing the latitude and longitude of the great circle route in the simulation. FIG. 10 is a graph showing the starting course of the great circle route in the simulation. FIG. 11 is a graph showing the turning angular velocity of the great circle route in the simulation.
大圏航路の緯度経度を示す図9において、経度を0度から360度とし、7点は1000km毎に1000〜7000kmの航程距離を示し、この航程距離の頂点は、緯度54.5度、経度198.9度になる。 In FIG. 9, which shows the latitude and longitude of the great circle route, the longitude is set to 0 to 360 degrees, the seven points indicate the range of 1000 to 7000 km every 1000 km, and the apex of this range is the latitude of 54.5 degrees and the longitude. It will be 198.9 degrees.
また、大圏航路の方位角を示す図10において、横軸を航程距離とし、初期針路は、45.5度、到達針路は120.4度になり、両者の変化量は74.9度である。角度傾斜は中央付近で大きくなっている。 Further, in FIG. 10 showing the azimuth angle of the great circle route, the horizontal axis is the range, the initial course is 45.5 degrees, the reaching course is 120.4 degrees, and the amount of change between the two is 74.9 degrees. is there. The angular inclination is large near the center.
また、大圏航路の旋回角速度を示す図11おいて、船速を変化させると、その影響が比例している。船速20knの場合、0.52<1.0deg/hになる。 Further, in FIG. 11 showing the turning angular velocity of the great circle route, when the ship speed is changed, the influence is proportional. When the ship speed is 20 kn, 0.52 <1.0 deg / h.
6.3 制御システムの検証
船舶用自動操舵装置による制御システムを検証する。図12は、シミュレーションにおいて対象とする大圏航路の区画範囲を示す図である。図13は、シミュレーションによる船舶用自動操舵装置の応答を示す図である。6.3 Verification of control system Verify the control system by the automatic steering system for ships. FIG. 12 is a diagram showing a section range of the great circle route targeted in the simulation. FIG. 13 is a diagram showing the response of the automatic marine steering device by simulation.
図11において角速度がピークを迎える4000から5000km内を大圏航路の区間に選ぶと、図12に示すようになる。この図においてGCRはGreat Circle Routeを意味し、計算時間は6h、移動距離は222km、参照方位はほぼ西向きである。図12の速度成分から、前進速度u(一定値u0を差し引く)は変動が少なく、横流れ速度vは船体運動モデルの特性からオフセット0.02m/sをもっていることがわかる。参照方位に対する潮流成分はucR=0,vcR=−2.5m/sになり,そのランプ入力の時間は600sである。ただし、ψR=0degとする。When the section of the great circle route is selected within 4000 to 5000 km where the angular velocity reaches its peak in FIG. 11, it becomes as shown in FIG. In this figure, GCR means Great Circle Route, the calculation time is 6 hours, the travel distance is 222 km, and the reference direction is almost westward. From the velocity component of FIG. 12, it can be seen that the forward velocity u (subtracting the constant value u 0 ) has little fluctuation, and the transverse flow velocity v has an offset of 0.02 m / s from the characteristics of the hull motion model. The tidal current component with respect to the reference direction is u cR = 0, v cR = −2.5 m / s, and the lamp input time is 600 s. However, ψ R = 0 deg.
制御性能を示す図13において、航路誤差の初期値は50mであり、潮流成分の大きさは最上段に示すように、ゼロ、台形、サインの時系列をもつ。この図から以下のことがわかる。 In FIG. 13 showing the control performance, the initial value of the route error is 50 m, and the magnitude of the tidal current component has a time series of zero, trapezoid, and sine as shown in the uppermost row. The following can be seen from this figure.
・方位誤差は、潮流の大きさに比例し、その斜航角によって航路誤差を相殺する。
・航路誤差は、方位誤差の微分に比例し、方位誤差が一定のときゼロになる。ランプ入力時の航路誤差は、(33)式からye=−46.9mになり、図13に示される計算値は正しいことが確認できる。
・命令舵角は、修正量γのオフセットをもつ。
・推定値ψe^はψeと一致している。方位制御システムのパラメータは適切である。・ The directional error is proportional to the magnitude of the tidal current, and the route error is offset by the oblique angle.
・ The route error is proportional to the derivative of the directional error and becomes zero when the directional error is constant. The route error at the time of ramp input is yes = -46.9 m from Eq. (33), and it can be confirmed that the calculated value shown in FIG. 13 is correct.
-The command rudder angle has an offset of the correction amount γ.
-The estimated value ψ e ^ is consistent with ψ e . The parameters of the directional control system are appropriate.
7. まとめ
以上に説明したように、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置1によれば、測地計算と航路保持システムを組み合わせることによって、大圏航路用オートパイロットがひとつの制御モードで実現される。また、大圏航路を近似した計画航路によれば、大圏航路に比べて航程距離が長くなり、更に制御モードの切り換えにより過渡現象が生じて航行距離が延長されるが、大圏航路用オートパイロットによれば、このような航行距離の延長が生じない。7. Summary As described above, according to the ship automatic steering device 1 according to the present embodiment, the autopilot for the great circle route is realized in one control mode by combining the geodetic calculation and the route holding system. In addition, according to the planned route that approximates the great circle route, the range is longer than that of the great circle route, and a transient phenomenon occurs due to the switching of the control mode to extend the navigation distance. According to the pilot, such an extension of cruising distance does not occur.
測地計算においては起程針路の参照方位への置き換えがなされ、航路保持システムにおいては航路制御ループに積分器が導入される。上述のシミュレーションによる検証によれば、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置1において設計した性能を確認できた。 In the geodetic calculation, the starting course is replaced with the reference direction, and in the route holding system, an integrator is introduced in the route control loop. According to the verification by the above simulation, the performance designed in the ship automatic steering device 1 according to the present embodiment could be confirmed.
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。この新規な実施形態は、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。この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。 The embodiments of the present invention are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1 船舶用自動操舵装置
2 船体
3 センサ類
11 測地計算部
12 フィードバック制御部
121 方位制御系フィードバックゲイン器
123 航路制御系フィードバックゲイン器1 Automatic steering device for
Claims (2)
前記船体の出発位置と着達位置とに基づいて前記大圏航路としての測地線を算出し、センサにより検出された船体位置及び船首方位に基づいて、該船体位置を通り前記測地線に直交する線と交わる前記測地線上の交点における起程針路を参照方位として出力し、前記船体位置から前記交点までの長さを航路誤差として出力する測地計算部と、
前記船首方位を前記参照方位に追従させる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、前記航路誤差を低減するように前記船体位置を前記測地線に追従させる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有し、前記方位制御系フィードバックゲイン器からの出力と前記航路制御系フィードバックゲイン器からの出力とを加算して前記命令舵角として出力するフィードバック制御部と
を備える船舶用自動操舵装置。An automatic steering device for ships that outputs a command steering angle to make the hull follow the great circle route.
The geodesic line as the great circle route is calculated based on the departure position and the arrival position of the hull, and based on the hull position and the nose orientation detected by the sensor, the geodesic line passes through the hull position and is orthogonal to the geodesic line. A geodesic calculation unit that outputs the starting needle path at the intersection on the geodesic line that intersects the line as a reference direction, and outputs the length from the hull position to the intersection as a navigation error.
A route control system feedback gainer that constitutes an orientation control loop that follows the nose orientation to the reference orientation, and a route control that constitutes a route control loop that causes the hull position to follow the ground line so as to reduce the navigation error. For ships having a system feedback gainer and a feedback control unit that adds the output from the azimuth control system feedback gainer and the output from the route control system feedback gainer and outputs it as the command steering angle. Automatic steering device.
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