JP7170019B2 - 追尾制御装置 - Google Patents
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Description
まず、本実施形態に係る船舶追尾装置を含むシステムについて説明する。図1は、船舶追尾装置を含むシステムの全体構成のブロック図である。図2は、船舶追尾装置の構成を示すブロック図である。
(2.1 船体モデル)
船体モデルについて説明する。船体運動を捕捉するため、以下の3つの船体運動モデルを定める。
一定速度の運動モデルCVを1次元で表すと
一定加速度の運動モデルCAを1次元で表すと
旋回運動モデルについて説明する。図3は、旋回時の対地速度ベクトルを示す図である。
の運動は
上記3つの運動モデルを船体運動に照らして評価する。船体運動は車両や飛行機と比べると、質量が大きく、加速度が小さく、旋回角速度が小さい特徴をもつ。加速度運動モデルは加速度aが小さいため、速度運動モデルで近似でき、この速度運動モデルは(3)式から
船舶追尾装置1の運動推定部11が船体運動を推定するためのフィルタについて説明する。このフィルタは離散型線形であり、拡張カルマンフィルタ(EKF:Extended Kalman Filter)と多重モデルフィルタ(IMM:Interactive Multiple Model Filter)を利用することができる。
推定対象はプラント状態式と観測式から、次式になる。
EKFを定める。
IMMを定める。図4、図5は、それぞれ、EKF,IMMの構成を示す図である。
運動推定フィルタとしてのEKFとIMMとを比較する。
追尾軌道について説明する。図6は、追尾軌道の一例を示す図である。
(3.1 対象船の軌道計画)
対象船の軌道計画について説明する。対象船の位置は、上述したように補足した状態を設定値に用いると、次式になる。
自船の軌道計画について説明する。図7は、自船の軌道計画の一例を示す図である。なお、図7において、点O’は自船の出発点、点Sは旋回開始点、点Fは旋回終了点、点Pは到達点をそれぞれ示す。
追尾軌道の算法について説明する。図8は追尾軌道が実現できない領域を示す図である。図9は追尾軌道を更新する条件を示す図である。
追尾軌道に自船を追従させる追尾制御システムについて説明する。図10は、追尾制御システムの誤差を示す図である。図11は、追尾制御部の構成を示すブロック図である。
距離制御システムについて説明する。
(4.1.1 距離誤差)
距離誤差は、軌道計画上にある位置までの距離によって
距離制御部132における制御器の要素は
航路制御システムについて説明する。図12は航路制御部の構成を示すブロック図である。
航路誤差算出部により算出される航路誤差について説明する。図13は船体速度と潮流成分を示す図である。なお、図13において、XOYは地球固定座標を示し、XBOBYBは船体固定座標を示すものとする。
フィードバック制御部について説明する。
潮流成分は航行中に変化するため、航路制御においては潮流成分が常時推定される。なお、潮流成分の推定(潮流推定)は船位の移動速度から求めるため、風浪による成分を分離できずに含む。潮流推定を対地座標で構成すると、次式になる。
フィードフォワード制御部について説明する。図14は参照信号の時系列を示す図である。
旋回時に生じる潮流成分による影響を修正する方法について説明する。
航路誤差を生じさせる横流れ速度の修正について説明する。図15は参照軌跡のリーチ見積もりを示す図である。
本実施形態に係る船舶追尾装置の有効性をシミュレーションによって検証する。検証対象は、対象船の運動補足と自船の追尾制御である。
対象船の運動補足に関する検証について説明する。図16は、対地方位COGと対地速度SOGとを示す図である。図17は、船位航跡を示す図である。図18は、船位時系列を示す図である。図19は、検出方位に含まれるノイズ成分の時系列を示す図である。図20は、IMM Filter結果を示す図である。図21はEKFとIMMとの比較を示す図である。図22は、EKFによるCOGとSOGの推定を示す図である。
自船の追尾制御に関する検証について説明する。図23は追尾制御の追跡結果を示す図である。図24は方位制御システムの誤差と舵角を示す図である。図25は船体速度と潮流速度を示す図である。
上述した本実施形態に係る船舶追尾装置1によれば、対象船の運動推定に用いる船体運動モデルは速度モデルが有効であり、推定手法として拡張カルマンフィルタを用いることで、有意な運動推定をより少ない計算量により実現することができる。また、推測航法による追尾軌道において、その算法は対象船と自船の軌道計画から求めるもので、多変数関数の最小化問題に帰着させる方法を用いた。また、自船の追尾制御において、制御システムは追尾軌道計画に船位を追従し、距離制御と航路制御のシステムから構成される。
11 運動推定部
12 軌道計画部
13 追尾制御部
Claims (4)
- 自船を対象船に追尾させる船舶追尾装置であって、
取得された前記対象船の船位に基づく前記対象船の速度運動モデルに基づいて前記対象船の運動を推定する運動推定部と、
前記推定された前記対象船の運動に基づいて、該対象船の船位と前記自船の船位との離間距離を最小化する該自船の軌道計画を、前記離間距離、前記離間距離が最小となるまでの時間である遭遇時間、及び前記自船の旋回角を変数とする多変数関数の最小値を求めることによって算出する軌道計画部と、
前記軌道計画に前記自船を追従させるように前記自船を制御する追尾制御部と
を備える船舶追尾装置。 - 前記運動推定部は、前記対象船の運動及び前記自船の運動を周期的に推定し、
前記軌道計画部は、前記離間距離が最小となる位置である遭遇位置と、前記推定された運動に基づく前記対象船または前記自船の推定位置との距離が予め設定された距離以上である場合、前記軌道計画を更新することを特徴とする請求項1に記載の船舶追尾装置。 - 前記追尾制御部は、前記軌道計画に対する前記自船の航路誤差を低減させるように前記自船のsway方向速度を制御する航路制御部と、前記軌道計画上の参照位置との距離誤差を低減させるように前記自船の対水速度を制御する距離制御部とを有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の船舶追尾装置。
- 前記運動推定部は、拡張カルマンフィルタを用いて前記対象船の運動を推定することを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の船舶追尾装置。
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