JP7110290B2 - 船舶の低速推進を制御するための方法およびシステム - Google Patents
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Description
FX=T1(sin(θ))+T2(sin(θ)) (1)
FY=T1(cos(θ))-T2(cos(θ)) (2)
ただし、図5および図6の例において、T1は、XおよびY方向の両方において正のベクトル成分を有するが、T2は、C方向における正のベクトル成分およびY方向における負のベクトル成分を有し、よってこれは、T1のY方向のベクトル成分から差し引かれる。船舶10に作用する正味スラストは、FXおよびFYのベクトル加算によって決定され得る。
FX=T1(sin(θ1))+T2(sin(θ2)) (1)
FY=T1(cos(θ1))-T2(cos(θ2)) (2)
MCW=(W/2)(T1(cos(θ1)))+(W/2)(T2(cos(θ2))) (3)
MCCW=L(T1(sin(θ1))) + L(T2(sin(θ2))) (4)
MT=MCW-MCCW (5)
式中、FXおよびFYは既知の目標直線スラストのベクトル成分であり、MTは事前選択された点に対する既知の(時計回りのモーメントMCWおよび反時計回りのモーメントMCCWを含む)合計目標モーメントであり、LおよびW/2もまた上述したように既知である。コントローラ24はその後、4つの式を用いて4つの未知数(T1、T2、θ1およびθ2)を求め、それによって船舶10の所望の運動を実現する各推進デバイス12a、12bの操舵角、シフト位置、およびスラストの大きさを決定する。ただし、式1~5は図5および図6に示すスラスト構成に特有であり、様々な方向への所与のスラストに関して様々なベクトル成分が時計回りまたは反時計回りおよび前方/後方または左/右への並進に寄与する。
Added_Mass_Deriv*acceleration=Damping_Deriv*velocity+Control_Power_Deriv*joystick_pct
を生み出す。これらの式は、たとえば所望の慣性速度をもたらす船舶のためのジョイスティックパーセントコマンドなどのコマンドを求めるために、たとえば逆プラントモデルである船舶力学モデル76として反転され使用される。たとえば逆プラントモデル76は、(速度制限器74によってフィルタされた)コマンドモデル72によって提供された所望の慣性速度値に基づいてサージコマンド、スウェイコマンド、およびヨーコマンドを生成してよい。上述の論理に基づいて、船体力学モデル76は、以下の
Joystick_pct=(Added_Mass_Deriv*acceleration-Damping_Deriv*velocity)/Control_Power_Deriv
に従って所望の慣性速度を実現するために必要なジョイスティックパーセント(すなわちコマンドパーセント)を計算するように構成されてよく、式中、速度は、コマンドモデル72によって出力された値であり、加速度は、コマンドモデル出力の導関数である。
Shiftn=sign(Xcmdn) (9)
Steern=sign(Xcmdn)×atan2(XcmdnYcmdn) (10)
に従って遂行されてよく、式中、Runormは、式6によって求められた各推進デバイス12a、12bに関する単位法線ベクトルであり、各推進デバイスに関する合計Xスラストコマンドおよび合計Yスラストコマンドは式7によって求められ、エンジン、シフト、および操舵コマンドは、式8~10に従って各推進デバイスに関して計算される。式7に従って各推進デバイスに関して計算された合計X方向およびY方向コマンドは、サージ、スウェイ、およびヨーコマンドで乗算された単位法線ベクトルに基づく変換マトリックスを用いる。これは、図10において模式的に示され、典型的なサージ、スウェイ、およびヨーコマンドを表す矢印は、合計X方向スラストコマンドおよび合計Y方向スラストコマンドに変換され、そこから、各推進デバイス12a、12bに関するスラストベクトルT1xyおよびT2xyがそれぞれ計算される。式8によると、各推進デバイス12a、12bに関するエンジンコマンドは、推進デバイスに関する合計XおよびYコマンドの法線として計算される。シフトコマンド(すなわち前方または後方)は、合計Xコマンドの符号(すなわち正または負)に基づいて決定される。各推進デバイスに関する操舵位置コマンドは、式10に従ってY方向スラストコマンドおよびX方向スラストコマンドの第2の引数のアークタンジェントから決定される。
Claims (19)
- 複数の推進デバイスを含む船舶推進システムによって動かされる船舶の低速推進を制御するための方法であって、
前記船舶に関する船舶力学の近似値を表す船舶力学モデルを生成することと、
3自由度における所望の船舶運動を示すために動かすことができる水平面に対して可動かつ垂直軸に対して回転可能なジョイスティックの位置を示す信号を受信することと、
前記ジョイスティックの前記位置を、前記水平面に対する前記ジョイスティックの位置に基づく目標サージ速度および目標スウェイ速度、並びに前記ジョイスティックの回転位置に基づく目標ヨー速度の1または複数を含む前記船舶の所望の慣性速度と関連付けることと、
前記所望の慣性速度に基づいて前記複数の推進デバイスの各々に関する操舵位置コマンドおよびエンジンコマンドを決定することと、
前記操舵位置コマンドおよび前記エンジンコマンドに基づいて前記推進システムを自動的に制御することと、
前記船舶の実際の速度を測定することと、
前記所望の慣性速度と前記実際の速度との差を決定し、後続する操舵位置コマンドおよびエンジンコマンドの決定において前記差をフィードバックとして用いることと、前記操舵位置コマンドおよび前記エンジンコマンドの決定において、前記所望の慣性速度に基づいてサージコマンド、スウェイコマンド、およびヨーコマンドの少なくとも1つを求めるために前記船舶力学モデルを用いることと、
を備える方法。 - 前記所望の慣性速度は、前記ジョイスティックの位置を、前記ジョイスティックの各々の位置のサージ速度値、スウェイ速度値、およびヨー速度値の少なくとも一つを含む慣性速度値に相関付けするマップに基づいて決定される、請求項1に記載の方法。
- 前記マップは、前記推進システムの応答性を前記ジョイスティックの動きに調整するためにユーザによって調節可能である、請求項2に記載の方法。
- 前記ジョイスティックのニュートラル位置は、ゼロである所望の慣性速度に関連付けられ、
前記ジョイスティックの前記位置が前記ニュートラル位置に等しい場合、前記操舵位置コマンドおよび前記エンジンコマンドは、前記船舶を現在のGPS位置および現在の船首方位に維持するように決定される、請求項2に記載の方法。 - 前記現在のGPS位置は、前記ジョイスティックが前記ニュートラル位置に到達したときにGPSから受信した位置であり、前記現在の船首方位は、前記ジョイスティックが前記ニュートラル位置に到達したときに慣性測定ユニットから受信した船舶の方位であること特徴とする請求項4に記載の方法。
- 前記船舶力学モデルは、少なくとも前記船舶の長さ、幅、および重量に基づく逆プラントモデルである、請求項1に記載の方法。
- 船舶長さ、船舶幅、および船舶重量に関する係数を有する汎用低速船舶モデルを提供することを更に備え、
前記船舶力学モデルを生成することは、前記船舶の長さ、幅、および重量に基づいて前記汎用低速船舶モデルをスケーリングすることを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記目標サージ速度、前記目標スウェイ速度、および前記目標ヨー速度、前記船舶における推進デバイスの数、および前記船舶の回転の中心に対する前記複数の推進デバイスの各々の位置に基づいて、各推進デバイスに関する前記操舵位置コマンドおよび前記エンジンコマンドを決定することを更に備える、請求項1に記載の方法。
- 前記回転の中心に対する前記複数の推進デバイスの各々の前記位置に基づいて、各推進デバイスに関する2次元単位法線ベクトルを決定することと、
前記目標サージ速度、前記目標スウェイ速度、および前記目標ヨー速度、ならびに前記それぞれの推進デバイスに関する前記単位法線ベクトルに基づいて、前記複数の推進デバイスの各々に関する合計Xスラストコマンドおよび合計Yスラストコマンドを計算することと、を更に備え、
前記操舵位置コマンド、前記エンジンコマンド、およびシフト位置コマンドは、前記それぞれの推進デバイスに関する前記合計Xスラストコマンドおよび前記合計Yスラストコマンドに基づいて、前記複数の推進デバイスの各々に関して決定される、請求項8に記載の方法。 - 船舶の低速推進を制御するための船舶推進システムであって、
第1、第2、および第3の垂直軸に対して前記船舶を推進させるために操舵可能な複数の推進デバイスと、
3自由度における前記船舶の所望の船舶運動を示すためにユーザによって動かすことができるジョイスティックであって、水平面に対して可動かつ垂直軸に対して回転可能な前記ジョイスティックと、
前記ジョイスティックの位置を示す信号を受信し、前記位置は前記水平面内の水平面位置と前記垂直軸回りの回転位置を含み、
前記ジョイスティックの前記位置を所望の慣性速度に関連付け、前記所望の慣性速度は前記ジョイスティックの前記水平面位置に基づく目標サージ速度および目標スウェイ速度、並びに前記ジョイスティックの前記回転位置に基づく目標ヨー速度の1または複数を含み、
前記所望の慣性速度に基づいて、前記複数の推進デバイスの各々に関する操舵位置コマンドおよびエンジンコマンドを決定し、
前記それぞれの推進デバイスに関する前記操舵位置コマンドおよび前記エンジンコマンドに基づいて、前記複数の推進デバイスの各々を自動的に制御する
ように構成されたコントローラと
を備えるシステム。 - グローバルポジショニングシステム(GPS)および慣性測定ユニット(IMU)の少なくとも1つを更に備え、
前記コントローラは更に、
前記GPSまたは前記IMUによって前記船舶の実際の速度を測定し、
前記所望の慣性速度と前記実際の速度との差を決定し、後続する操舵位置コマンドおよびエンジンコマンドの決定のために前記差をフィードバックとして用いる
ように構成される、請求項10に記載のシステム。 - 前記コントローラは更に、前記ジョイスティックの位置を慣性速度値に相関付けするマップを格納する、請求項10に記載のシステム。
- 前記マップでは、各々の水平面位置をサージ速度値、およびスウェイ速度値、の少なくとも1つと相関付け、各々の回転位置をヨー速度値と相関付ける、請求項12に記載のシステム。
- 前記マップは、前記推進システムの応答性を前記ジョイスティックの動きに調整するためにユーザによって調節可能である、請求項12に記載のシステム。
- 前記ジョイスティックのニュートラル位置は、ゼロである所望の慣性速度に関連付けられ、
前記ジョイスティックの前記位置が前記ニュートラル位置に等しい場合、前記操舵位置コマンドおよび前記エンジンコマンドは、前記船舶を現在のGPS位置および現在の船首方位に維持するように決定される、請求項10に記載のシステム。 - 前記現在のGPS位置は、前記ジョイスティックが前記ニュートラル位置に到達したときにGPSから受信した位置であり、前記現在の船首方位は、前記ジョイスティックが前記ニュートラル位置に到達したときに慣性測定ユニットから受信した船舶の方位である、請求項15に記載のシステム。
- コントローラによりアクセス可能なメモリに格納され、前記船舶に関する船舶力学の近似値を表す船舶力学モデルをさらに備え、
前記操舵位置コマンドおよび前記エンジンコマンドの決定において、前記所望の慣性速度に基づいてサージコマンド、スウェイコマンド、およびヨーコマンドの少なくとも1つを求めるために前記船舶力学モデルを用いる、請求項10に記載のシステム。 - 前記船舶力学モデルは、少なくとも前記船舶の長さ、幅、および重量に基づく逆プラントモデルである、請求項17に記載のシステム。
- 前記船舶力学モデルは、船舶長さ、船舶幅、および船舶重量に関する係数を有する汎用低速船舶モデルである、請求項17に記載のシステム。
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