JP7404033B2 - Control system and structure, control method, and control program - Google Patents

Control system and structure, control method, and control program Download PDF

Info

Publication number
JP7404033B2
JP7404033B2 JP2019202331A JP2019202331A JP7404033B2 JP 7404033 B2 JP7404033 B2 JP 7404033B2 JP 2019202331 A JP2019202331 A JP 2019202331A JP 2019202331 A JP2019202331 A JP 2019202331A JP 7404033 B2 JP7404033 B2 JP 7404033B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
rudder
failure
operation means
control
angle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019202331A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2021077014A (en
Inventor
丈泰 安達
一道 小田
伊智郎 粟屋
昌宏 中田
章央 栗田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Heavy Industries Ltd filed Critical Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority to JP2019202331A priority Critical patent/JP7404033B2/en
Publication of JP2021077014A publication Critical patent/JP2021077014A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7404033B2 publication Critical patent/JP7404033B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本開示は、制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムに関するものである。 The present disclosure relates to a control system and structure, a control method, and a control program.

水中航走体や飛昇体等の構造体では、操作手段によって機体の姿勢を制御している(例えば特許文献1)。例えば水中航走体では、機体に設けた舵を制御することによって、機体の姿勢を制御している。 In structures such as underwater vehicles and flying objects, the attitude of the aircraft is controlled by operating means (for example, Patent Document 1). For example, in an underwater vehicle, the attitude of the vehicle is controlled by controlling a rudder provided on the vehicle.

国際公開第2018/110598号International Publication No. 2018/110598

しかしながら、例えば岩礁に衝突した場合等では、舵の一部に機械的な損傷(例えば固着や変形)が生ずることがある。複数の舵のうちの一部が故障すると、機体の姿勢の制御に支障が生じる場合がある。具体的には、舵が一定の舵角に固着した場合等には、故障した舵の舵角に応じて機体の姿勢に影響が生じる可能性がある。このような場合には、継続的に運転を行うことが困難となる。 However, if the rudder collides with a reef, for example, a part of the rudder may be mechanically damaged (for example, stuck or deformed). If some of the plurality of rudders break down, there may be a problem in controlling the attitude of the aircraft. Specifically, if the rudder is stuck at a certain rudder angle, the attitude of the aircraft may be affected depending on the rudder angle of the failed rudder. In such a case, it becomes difficult to operate continuously.

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、より継続的に運転を行うことのできる制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of such circumstances, and aims to provide a control system and structure, a control method, and a control program that can be operated more continuously.

本開示の第1態様は、機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御システムであって、機体の状態量を取得する取得部と、機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段である故障操作手段に関する情報に基づいて前記故障操作手段に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する演算部と、を備え、前記演算部は、前記状態方程式に基づいて、前記外乱項を打ち消すように前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する制御システムである。 A first aspect of the present disclosure is a control system that is applied to a structure that controls a control amount related to the attitude of an aircraft body by a plurality of operating means that is greater than the number of control amounts, and which acquires state quantities of the aircraft body. an acquisition unit; and in a state equation in which the state quantity of the aircraft is a state variable and the operation amount of the operation means is input, a term related to the failure operation means is determined based on information regarding the failure operation means, which is the operation means in which a failure has occurred. is set as a disturbance term and calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the obtained state quantity, the operation section calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the state equation. The control system calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means so as to cancel the disturbance term .

本開示の第2態様は、機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御方法であって、機体の状態量を取得する取得工程と、機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段である故障操作手段に関する情報に基づいて前記故障操作手段に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する演算工程と、を有し、前記演算工程において、前記状態方程式に基づいて、前記外乱項を打ち消すように前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する制御方法である。 A second aspect of the present disclosure is a control method applied to a structure in which a control amount related to the attitude of an aircraft body is controlled by a plurality of operation means that is greater than the number of control amounts, the method comprising: acquiring state quantities of the aircraft body. In the acquisition step, in a state equation in which the state quantity of the aircraft is a state variable and the operation amount of the operation means is input, a term related to the failure operation means is determined based on information regarding the failure operation means, which is the operation means in which a failure has occurred. a calculation step of setting as a disturbance term and calculating the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the obtained state quantity , and in the calculation step, based on the state equation, The control method calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means so as to cancel the disturbance term .

本開示の第3態様は、機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御プログラムであって、機体の状態量を取得する取得処理と、機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段である故障操作手段に関する情報に基づいて前記故障操作手段に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する演算処理と、をコンピュータに実行させ、前記演算処理において、前記状態方程式に基づいて、前記外乱項を打ち消すように前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する制御プログラムである。 A third aspect of the present disclosure is a control program that is applied to a structure that controls a control amount regarding the attitude of an aircraft body by a plurality of operation means that is greater than the number of control amounts, the program acquiring state quantities of the aircraft body. In the acquisition process and the state equation in which the state quantity of the aircraft is a state variable and the operation amount of the operation means is input, a term regarding the failure operation means is determined based on information regarding the failure operation means, which is the operation means in which a failure has occurred. is set as a disturbance term, and a calculation process of calculating the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the obtained state quantity, and in the calculation process, the calculation process is performed based on the state equation. The control program calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means so as to cancel the disturbance term .

本開示によれば、より継続的に運転を行うことができるという効果を奏する。 According to the present disclosure, there is an effect that driving can be performed more continuously.

本開示の第1実施形態に係る水中航走体を例示した図である。1 is a diagram illustrating an underwater vehicle according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係るX舵を例示した図である。It is a diagram illustrating an X rudder according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る制御装置のハードウェア構成の一例を示した図である。FIG. 1 is a diagram showing an example of the hardware configuration of a control device according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る制御装置が備える機能を示した機能ブロック図である。FIG. 2 is a functional block diagram showing functions included in a control device according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る故障診断部の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a failure diagnosis section according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る故障候補特定部における故障舵の候補特定処理のフローチャートを示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a flowchart of failure rudder candidate identification processing in a failure candidate identification unit according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る演算部における故障舵角算出処理のフローチャートを示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a flowchart of failure steering angle calculation processing in the calculation unit according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る縮退指令部における縮退処理のフローチャートを示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a flowchart of degeneration processing in the degeneration command unit according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る耐故障制御部の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a fault-tolerant control unit according to a first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る耐故障制御部における演算処理のフローチャートを示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a flowchart of arithmetic processing in the fault-tolerant control unit according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る故障舵特定処理による効果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the effects of the faulty rudder identification process according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の第1実施形態に係る耐故障制御部による非干渉化の効果を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the effect of non-interference by the fault-tolerant control unit according to the first embodiment of the present disclosure. 本開示の第2実施形態に係る故障診断部の構成例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of a failure diagnosis section according to a second embodiment of the present disclosure.

〔第1実施形態〕
以下に、本開示に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムの第1実施形態について、図面を参照して説明する。制御システムは、冗長性のある操作手段(例えば舵)によって制御を行う構造体であれば幅広く適用できるものであって、以下に説明するような水中航走体1のみに限定されるものではない。例えば、制御システムは、航空機やロケット、ドローン等の構造体にも適用可能であり、有人及び無人に関わらず適用可能である。
[First embodiment]
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Below, a first embodiment of a control system, structure, control method, and control program according to the present disclosure will be described with reference to the drawings. The control system can be applied to a wide range of structures that are controlled by redundant operating means (for example, a rudder), and is not limited to the underwater vehicle 1 as described below. . For example, the control system can be applied to structures such as aircraft, rockets, and drones, regardless of whether they are manned or unmanned.

絶対座標系(地球座標系)におけるx軸周りの回転角度をロール角φ、y軸周りの回転角度をピッチ角θ、z軸周りの回転角度をヨー角ψと定義されている。ロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψが、水中航走体1における機体の姿勢を示している。すなわち、水中航走体1では、機体の姿勢に係るロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψを制御対象(制御量)として、後述する操作手段(例えば舵)によって姿勢制御を行う。なお、姿勢としてピッチ角θを制御することによって、深度Z(z軸方向)を変化させることができるため、ピッチ角θと深度Zとは互いに相関している。 The rotation angle around the x-axis in an absolute coordinate system (earth coordinate system) is defined as a roll angle φ, the rotation angle around the y-axis is defined as a pitch angle θ, and the rotation angle around the z-axis is defined as a yaw angle ψ. The roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle ψ indicate the attitude of the underwater vehicle 1. That is, in the underwater vehicle 1, attitude control is performed by an operating means (for example, a rudder) to be described later, using the roll angle φ, pitch angle θ, and yaw angle ψ related to the attitude of the aircraft body as control objects (control variables). Note that by controlling the pitch angle θ as the posture, the depth Z (z-axis direction) can be changed, so the pitch angle θ and the depth Z are correlated with each other.

図1は、本開示の第1実施形態に係る制御システムを備えた水中航走体1を例示した図である。図1に示すように、水中航走体1は、船尾軸線(以下、「x軸」という。)、左右軸線(以下、「y軸」という。)、上下軸線(以下、「z軸」という。)からなる互いに直交する3つの直線軸と、これら各直線軸に対する3つの回転軸とからなる船体座標系の6軸(6自由度)が定義される。そして、x軸方向の速度を速度u、y軸方向の速度を速度v、z軸方向の速度を速度wとする。また、x軸周りの回転角速度を角速度p、y軸周りの回転角速度を角速度q、z軸周りの回転角速度を角速度rとする。すなわち、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度rは、機体の状態量となる。 FIG. 1 is a diagram illustrating an underwater vehicle 1 including a control system according to a first embodiment of the present disclosure. As shown in FIG. 1, the underwater vehicle 1 has a stern axis (hereinafter referred to as the "x-axis"), a left-right axis (hereinafter referred to as the "y-axis"), and an up-down axis (hereinafter referred to as the "z-axis"). Six axes (six degrees of freedom) of the hull coordinate system are defined, each consisting of three linear axes perpendicular to each other and three rotational axes relative to each of these linear axes. Then, let the speed in the x-axis direction be speed u, the speed in the y-axis direction be speed v, and the speed in the z-axis direction be speed w. Furthermore, let the rotational angular velocity around the x-axis be the angular velocity p, the rotational angular velocity around the y-axis be the angular velocity q, and the rotational angular velocity around the z-axis be the angular velocity r. That is, the velocity u, velocity v, velocity w, angular velocity p, angular velocity q, and angular velocity r are state quantities of the aircraft.

水中航走体1の状態量は、水中航走体1の状態を示す値である。本実施形態では、状態量として、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、及び角速度rを用いる。そしてさらに、状態量として、ロール角φ、ピッチ角θ、ヨー角ψ、及び深度Zを用いる。各状態量については、水中航走体1の状態(姿勢等)を表すものであり、水中航走体1に設けたセンサによって検出する。検出された各状態量は、後述する制御装置20において用いられる。センサは、例えば、機体内に設けられた慣性航法装置である。各センサについては、機体の内側に設けることによって、水中耐圧や流体抵抗増加等の発生を抑制できる。なお、各状態量の取得方法については、センサによるものに限定されず、シミュレーションモデル等を用いて推定し取得する等の他の方法を用いることも可能である。機体の状態量が取得されれば、各状態量の特定方法(演算方法)については限定されない。 The state quantity of the underwater vehicle 1 is a value indicating the state of the underwater vehicle 1. In this embodiment, velocity u, velocity v, velocity w, angular velocity p, angular velocity q, and angular velocity r are used as state quantities. Furthermore, roll angle φ, pitch angle θ, yaw angle ψ, and depth Z are used as state quantities. Each state quantity represents the state (attitude, etc.) of the underwater vehicle 1, and is detected by a sensor provided in the underwater vehicle 1. Each detected state quantity is used in the control device 20 described later. The sensor is, for example, an inertial navigation device provided within the aircraft. By providing each sensor inside the fuselage, it is possible to suppress the occurrence of underwater pressure resistance, increase in fluid resistance, etc. Note that the method for acquiring each state quantity is not limited to using a sensor, and other methods such as estimating and acquiring using a simulation model etc. can also be used. As long as the state quantities of the aircraft are acquired, the method for identifying each state quantity (calculation method) is not limited.

制御装置20は、機体に複数設けられた操作手段を制御して、水中航走体1のロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψを制御する(姿勢制御)。操作手段とは、水中航走体1の姿勢を制御する手段であり、具体的には舵である。操作手段については、機体の姿勢を制御でき、アクチュエータを用いて駆動される手段であれば舵に限定されない。例えば、スラスタ等を用いることとしてもよい。本実施形態においては、操作手段は、図2に示すような、1番舵R1、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4の4枚の舵(X舵)Rを用いる場合について説明する。なお、図2は、船尾から見た図であり、推進力を得るためのプロペラ2も示している。プロペラ2による推進力によって、x軸方向への力を得る。制御装置20では、X舵における各舵を制御して、機体の姿勢に係る制御対象であるロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψを制御する。このように、機体の姿勢に関する制御対象の数(本実施形態では3つ)に対して、操作手段の数(本実施形態では4つ)の方が多くなるため、本実施形態のような水中航走体1は冗長性のあるシステムとなる。制御対象は、姿勢として機体のピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φの3要素として、機体に4つ以上設けられた操作手段によって制御することとしてもよい。機体の姿勢に関する制御対象を、制御対象の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体であれば、冗長性のあるシステムとして同様に適応することができる。 The control device 20 controls the roll angle φ, the pitch angle θ, and the yaw angle ψ of the underwater vehicle 1 by controlling a plurality of operation means provided on the aircraft body (attitude control). The operating means is means for controlling the attitude of the underwater vehicle 1, and specifically is a rudder. The operating means is not limited to the rudder as long as it can control the attitude of the aircraft and is driven using an actuator. For example, a thruster or the like may be used. In this embodiment, the operating means uses four rudders (X rudders) R, which are the first rudder R1, the second rudder R2, the third rudder R3, and the fourth rudder R4, as shown in FIG. I will explain about it. Note that FIG. 2 is a view seen from the stern, and also shows the propeller 2 for obtaining propulsive force. A force in the x-axis direction is obtained by the propulsive force from the propeller 2. The control device 20 controls each rudder in the X rudder to control the roll angle φ, pitch angle θ, and yaw angle ψ, which are control targets related to the attitude of the aircraft. In this way, the number of operating means (four in this embodiment) is greater than the number of objects to be controlled regarding the attitude of the aircraft (three in this embodiment). The medium navigation vehicle 1 becomes a redundant system. The object to be controlled may be controlled by four or more operating means provided on the aircraft body as three elements of the aircraft's pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ as the attitude. Any structure in which the objects to be controlled regarding the attitude of the aircraft body are controlled by a plurality of operating means greater than the number of objects to be controlled can be similarly applied as a redundant system.

具体的には、制御装置20は、水中航走体1に設けられた1番舵用アクチュエータ、2番舵用アクチュエータ、3番舵用アクチュエータ、及び4番舵用アクチュエータに対して制御指令値を与え、機体の姿勢を制御する。各アクチュエータを駆動することで、各舵の角度(舵角)を変化させて、機体の姿勢を制御する。 Specifically, the control device 20 issues control command values to the first rudder actuator, the second rudder actuator, the third rudder actuator, and the fourth rudder actuator provided in the underwater vehicle 1. and control the aircraft's attitude. By driving each actuator, the angle of each rudder (rudder angle) is changed to control the attitude of the aircraft.

図3は、本実施形態に係る制御装置20のハードウェア構成の一例を示した図である。
図3に示すように、制御装置20は、コンピュータシステム(計算機システム)であり、例えば、CPU11と、CPU11が実行するプログラム等を記憶するためのROM(Read Only Memory)12と、各プログラム実行時のワーク領域として機能するRAM(Random Access Memory)13と、大容量記憶装置としてのハードディスクドライブ(HDD)14と、ネットワーク等に接続するための通信部15とを備えている。大容量記憶装置としては、ソリッドステートドライブ(SSD)を用いることとしてもよい。これら各部は、バス18を介して接続されている。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the control device 20 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, the control device 20 is a computer system, and includes, for example, a CPU 11, a ROM (Read Only Memory) 12 for storing programs, etc. executed by the CPU 11, and a ROM (Read Only Memory) 12 for storing programs executed by the CPU 11. A RAM (Random Access Memory) 13 that functions as a work area, a hard disk drive (HDD) 14 as a mass storage device, and a communication section 15 for connecting to a network or the like. A solid state drive (SSD) may be used as the mass storage device. These parts are connected via a bus 18.

また、制御装置20は、キーボードやマウス等からなる入力部や、データを表示する液晶表示装置等からなる表示部などを備えていてもよい。 Further, the control device 20 may include an input unit such as a keyboard and a mouse, and a display unit such as a liquid crystal display device that displays data.

なお、CPU11が実行するプログラム等を記憶するための記憶媒体は、ROM12に限られない。例えば、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等の他の補助記憶装置であってもよい。 Note that the storage medium for storing programs and the like executed by the CPU 11 is not limited to the ROM 12. For example, other auxiliary storage devices such as a magnetic disk, a magneto-optical disk, and a semiconductor memory may be used.

後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式でハードディスクドライブ14等に記録されており、このプログラムをCPU11がRAM13等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。なお、プログラムは、ROM12やその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM、DVD-ROM、半導体メモリ等である。 A series of processing steps for realizing various functions described below are recorded in the form of a program in the hard disk drive 14, etc., and the CPU 11 reads this program into the RAM 13 etc. to process information and perform arithmetic processing. As a result, various functions described below are realized. Note that the program may be pre-installed in the ROM 12 or other storage medium, provided as being stored in a computer-readable storage medium, or distributed via wired or wireless communication means. etc. may also be applied. Computer-readable storage media include magnetic disks, magneto-optical disks, CD-ROMs, DVD-ROMs, semiconductor memories, and the like.

図4は、制御装置(制御システム)20が備える機能を示した機能ブロック図である。図4に示されるように、制御装置20は、舵角指令算出部30と、故障診断部40と、縮退指令部50と、耐故障制御部60とを備えている。 FIG. 4 is a functional block diagram showing the functions of the control device (control system) 20. As shown in FIG. 4, the control device 20 includes a steering angle command calculation section 30, a fault diagnosis section 40, a regression command section 50, and a fault-tolerant control section 60.

(舵角指令算出部の構成)
舵角指令算出部30は、目標値に基づいて、X舵における各舵に対する指令値を算出する。このため、舵角指令算出部30は、仮想舵角算出部31と、分配部32とを備えている。目標値とは、機体の姿勢に関する制御量に対する目標値である。制御量とは、制御対象に属する量のうちで、目的の値にまで制御することが望まれる量である。目標値は、ロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψのそれぞれに対応する目標値となる。ピッチ角θは、機体の深度Zに関連するため、本実施形態に係る仮想舵角算出部31では、深度Zの目標値を用いて、深度制御器33によりピッチ角θの目標値を算出する場合について説明する。しかしながら、目標値としては、機体の姿勢に関する制御量を用いることができるため、ロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψに対応する目標値が仮想舵角算出部31へ入力されることとしてもよい。舵角指令算出部30では、機体の姿勢に関する制御量に対する目標値(ロール角φ、ピッチ角θ、及びヨー角ψ)に基づいて、各舵に対応する指令値を算出することができれば、図4の構成に限定されない。
(Configuration of steering angle command calculation unit)
The rudder angle command calculation unit 30 calculates command values for each rudder in the X rudder based on the target value. For this reason, the steering angle command calculation section 30 includes a virtual steering angle calculation section 31 and a distribution section 32. The target value is a target value for the control amount regarding the attitude of the aircraft. The controlled quantity is a quantity that is desired to be controlled to a target value among the quantities belonging to the controlled object. The target values correspond to each of the roll angle φ, pitch angle θ, and yaw angle ψ. Since the pitch angle θ is related to the depth Z of the aircraft, the virtual steering angle calculation unit 31 according to the present embodiment uses the target value of the depth Z to calculate the target value of the pitch angle θ by the depth controller 33. Let me explain the case. However, since the control amount related to the attitude of the aircraft can be used as the target value, the target values corresponding to the roll angle φ, pitch angle θ, and yaw angle ψ are input to the virtual steering angle calculation unit 31. Good too. If the rudder angle command calculation unit 30 can calculate the command value corresponding to each rudder based on the target values (roll angle φ, pitch angle θ, and yaw angle ψ) for the control amount regarding the attitude of the aircraft, The configuration is not limited to 4.

仮想舵角算出部31は、機体の姿勢に関する制御量の目標値に基づいて、仮想舵(横舵、縦舵、ロール舵)に対応する指令値を算出している。目標値は、深度目標値Z*、ヨー角目標値ψ*、ロール角目標値φ*である。深度目標値Z*については、ピッチ角目標値θ*を算出するために用いられるため、仮想舵の指令値は、ロール角目標値φ*、ピッチ角目標値θ*、及びヨー角目標値ψ*に基づいて算出されることとなる。仮想舵は、仮想的に設定された舵であり、具体的には横舵、縦舵、及びロール舵である。 The virtual rudder angle calculation unit 31 calculates a command value corresponding to a virtual rudder (horizontal rudder, vertical rudder, roll rudder) based on a target value of a control amount related to the attitude of the aircraft body. The target values are a depth target value Z*, a yaw angle target value ψ*, and a roll angle target value φ*. Since the depth target value Z* is used to calculate the pitch angle target value θ*, the virtual rudder command value is the roll angle target value φ*, the pitch angle target value θ*, and the yaw angle target value ψ *It will be calculated based on. The virtual rudder is a rudder set virtually, and specifically includes a horizontal rudder, a vertical rudder, and a roll rudder.

仮想舵角算出部31には、各目標値と、各目標値に対応する状態量との差分が入力される。具体的には、深度目標値Z*と深度の状態量との差分、ヨー角目標値ψ*とヨー角ψの状態量との差分、及びロール角目標値φ*とロール角φの状態量との差分が仮想舵角算出部31へ入力される。なお、仮想舵角算出部31へは、ピッチ角θの状態量についても入力される。 The difference between each target value and the state quantity corresponding to each target value is input to the virtual steering angle calculation unit 31. Specifically, the difference between the depth target value Z* and the state quantity of depth, the difference between the yaw angle target value ψ* and the state quantity of yaw angle ψ, and the difference between the roll angle target value φ* and the state quantity of roll angle φ. The difference between the two is input to the virtual steering angle calculating section 31. Note that the state quantity of the pitch angle θ is also input to the virtual steering angle calculation unit 31.

仮想舵角算出部31は、深度制御器33と、姿勢角制御器36と、方位制御器34と、ロール制御器35とを備えている。深度制御器33は、深度目標値Z*と深度の状態量との差分に基づいて、ピッチ角目標値θ*を算出する。そして、ピッチ角目標値θ*と、ピッチ角θの状態量との差分が姿勢角制御器36へ入力される。姿勢角制御器36では、ピッチ角目標値θ*とピッチ角θの状態量との差分に基づいて、横舵の指令値を算出する。すなわち、仮想舵である横舵の指令値は、ピッチ角目標値θ*に基づいて算出される。 The virtual steering angle calculation unit 31 includes a depth controller 33 , an attitude angle controller 36 , an azimuth controller 34 , and a roll controller 35 . The depth controller 33 calculates the pitch angle target value θ* based on the difference between the depth target value Z* and the depth state quantity. Then, the difference between the pitch angle target value θ* and the state quantity of the pitch angle θ is input to the attitude angle controller 36. The attitude angle controller 36 calculates a side rudder command value based on the difference between the pitch angle target value θ* and the state quantity of the pitch angle θ. That is, the command value for the horizontal rudder, which is the virtual rudder, is calculated based on the pitch angle target value θ*.

方位制御器34は、ヨー角目標値ψ*とヨー角ψの状態量との差分に基づいて、縦舵の指令値を算出する。すなわち、仮想舵である縦舵の指令値は、ヨー角目標値ψ*に基づいて算出される。 The azimuth controller 34 calculates a vertical rudder command value based on the difference between the yaw angle target value ψ* and the state quantity of the yaw angle ψ. That is, the command value for the vertical rudder, which is the virtual rudder, is calculated based on the yaw angle target value ψ*.

ロール制御器35は、ロール角目標値φ*とロール角φの状態量との差分に基づいて、ロール舵の指令値を算出する。すなわち、仮想舵であるロール舵の指令値は、ロール角目標値φ*に基づいて算出される。 The roll controller 35 calculates a roll rudder command value based on the difference between the roll angle target value φ* and the state quantity of the roll angle φ. That is, the command value for the roll rudder, which is the virtual rudder, is calculated based on the roll angle target value φ*.

横舵、縦舵、及びロール舵の指令値が算出されると、分配部32へ出力される。仮想舵角算出部31と、分配部32の間には、無効化部37が設けられている。無効化部37は、後述する縮退指令部50により制御される。具体的には、無効化部37は、縮退指令部50より縮退の指令がない場合には、仮想舵角算出部31からの出力値をそのまま分配部32へ出力する。そして、無効化部37は、縮退指令部50より縮退の指令がある場合には、仮想舵角算出部31からの出力値(特定の出力)を無効化する。本実施形態では、ロール角φに対して優先順位を低く設定しているため、具体的な構成としては、ロール制御器35の出力側に無効化部37を設けている。すなわち、後述する縮退指令部50より縮退の指令がある場合には、ロール制御器35の出力が無効化され、ロール舵の指令値として0が分配部32へ入力される。なお、縮退に関する優先順位の設定によって、ロール制御器35の出力側に無効化部37を設ける場合以外の構成とすることも可能である。 Once the command values for the horizontal rudder, longitudinal rudder, and roll rudder are calculated, they are output to the distribution section 32. An invalidation unit 37 is provided between the virtual steering angle calculation unit 31 and the distribution unit 32. The invalidation unit 37 is controlled by a degeneration command unit 50, which will be described later. Specifically, when there is no degeneration command from the degeneration command section 50, the invalidation section 37 outputs the output value from the virtual steering angle calculation section 31 as it is to the distribution section 32. Then, when there is a command for degeneration from the degeneration command unit 50, the invalidation unit 37 invalidates the output value (specific output) from the virtual steering angle calculation unit 31. In this embodiment, since a low priority is set for the roll angle φ, as a specific configuration, an invalidation unit 37 is provided on the output side of the roll controller 35. That is, when there is a command for degeneration from a degeneration command unit 50, which will be described later, the output of the roll controller 35 is invalidated, and 0 is input to the distribution unit 32 as a command value for the roll rudder. Note that, depending on the priority order regarding degeneracy, it is also possible to adopt a configuration other than the case where the invalidation section 37 is provided on the output side of the roll controller 35.

分配部32は、仮想舵である横舵、縦舵、及びロール舵の指令値に基づいて、実際の舵であるX舵(1番舵R1、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4)への指令値を算出する。例えば、横舵、縦舵、及びロール舵の各指令値を数値変換(例えば定数倍)し、数値変換された値を加減算することにより、X舵の指令値を算出する。例えば、1番舵R1に対する指令値は、横舵の指令値に基づく値と、縦舵の指令値に基づく値と、ロール舵の指令値に基づく値とを加減算することによって算出される。なお、仮想舵に基づくX舵の指令値の算出方法については上記に限定されない。 The distribution unit 32 distributes the X rudders, which are actual rudders (rudder 1 R1, rudder 2 R2, rudder 3 R3, and The command value to the rudder R4) is calculated. For example, the command value for the X rudder is calculated by numerically converting (for example, multiplying by a constant) each command value for the horizontal rudder, vertical rudder, and roll rudder, and adding or subtracting the numerically converted values. For example, the command value for the first rudder R1 is calculated by adding or subtracting a value based on the horizontal rudder command value, a value based on the longitudinal rudder command value, and a value based on the roll rudder command value. Note that the method for calculating the command value of the X rudder based on the virtual rudder is not limited to the above.

分配部32によって算出されたX舵への指令値は、X舵における各舵のアクチュエータへ出力され、舵が制御される。 The command value to the X rudder calculated by the distribution unit 32 is output to the actuator of each rudder in the X rudder, and the rudder is controlled.

(故障診断部の構成)
故障診断部40は、X舵に対して故障診断を行う。すなわち、故障診断部40では、故障が発生している舵である故障舵を特定する。図5に示すように、故障診断部40は、推定部41と、判定部42と、演算部(故障操作量演算部)45とを備えている。故障診断部40へは、水中航走体1の状態量として、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ロール角φが入力される。状態量とは、水中航走体1における所定のパラメータにおける現在の値(現状値)である。なお、故障診断部40で使用される状態量については、上記に限定されず、後述するオブザーバの構成に応じて設定される。例えば、状態量としては、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φのうち少なくともいずれか1つを用いることが可能である。機体の状態量については、例えば機体に設けられたセンサ等によって計測され、取得部61へ出力される。
(Configuration of failure diagnosis section)
The failure diagnosis section 40 performs failure diagnosis on the X rudder. That is, the failure diagnosis unit 40 identifies a failed rudder that is a rudder in which a failure has occurred. As shown in FIG. 5, the failure diagnosis unit 40 includes an estimation unit 41, a determination unit 42, and a calculation unit (failure operation amount calculation unit) 45. The speed u, speed v, speed w, angular speed p, angular speed q, angular speed r, pitch angle θ, and roll angle φ are input to the fault diagnosis unit 40 as state quantities of the underwater vehicle 1. The state quantity is the current value (current value) of a predetermined parameter in the underwater vehicle 1. Note that the state quantities used by the failure diagnosis section 40 are not limited to those described above, and are set according to the configuration of the observer described later. For example, as the state quantity, at least one of speed u, speed v, speed w, angular speed p, angular speed q, angular speed r, pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ can be used. be. The state quantity of the aircraft body is measured by, for example, a sensor provided in the aircraft body, and is output to the acquisition unit 61.

推定部41は、構造体の状態量と、操作手段のうち1つの操作手段の指令値とに基づいて、操作手段のうち他の操作手段に対する操作量を推定する推定処理を、各操作手段に対応して行う。具体的には、推定部41は、水中航走体1の状態量と、X舵のうち1つの舵(例えば1番舵R1)への指令値とに基づいて、他の舵(例えば、2番舵R2、3番舵R3、4番舵R4)における操作量を推定する(推定処理)。操作量とは、指令値に基づいて駆動された場合の舵の角度(舵角)である。そして該推定処理を、他の舵に対しても同様に行う。 The estimating unit 41 performs an estimation process on each operating means to estimate the amount of operation for another of the operating means based on the state quantity of the structure and the command value of one of the operating means. Do it accordingly. Specifically, the estimating unit 41 uses the state quantity of the underwater vehicle 1 and the command value for one of the X rudders (for example, the first rudder R1) to set the other rudder (for example, the second rudder R1). The amount of operation at the rudder R2, rudder 3 R3, and rudder 4 R4 is estimated (estimation process). The amount of operation is the angle of the rudder (rudder angle) when driven based on the command value. Then, the estimation process is similarly performed for other rudders.

推定部41は、図5に示すように、オブザーバを用いて、推定処理を行う。オブザーバは、各舵に対応してそれぞれ設けられている。図5では、オブザーバOS1のみ構成を具体的に示しており、他のオブザーバ(オブザーバOS2、オブザーバOS3、オブザーバOS4)については構成を略示しているが、オブザーバOS1と同様の構成である。 As shown in FIG. 5, the estimation unit 41 performs estimation processing using an observer. Observers are provided corresponding to each rudder. In FIG. 5, only the configuration of the observer OS1 is specifically shown, and the configurations of the other observers (observer OS2, observer OS3, and observer OS4) are schematically shown, but they have the same configuration as the observer OS1.

状態(状態変数)をxとし、入力を各舵に対する操作量とした場合には、線形近似モデル(状態方程式)は、以下の式(1)となる。1番舵R1に対する操作量をδr1、2番舵R2に対する操作量をδr2、3番舵R3に対する操作量をδr3、4番舵R4に対する操作量をδr4とする。 When the state (state variable) is x and the input is the operation amount for each rudder, the linear approximation model (state equation) becomes the following equation (1). It is assumed that the amount of operation for the first rudder R1 is δr1, the amount of operation for the second rudder R2 is δr2, the amount of operation for the third rudder R3 is δr3, and the amount of operation for the fourth rudder R4 is δr4.

Figure 0007404033000001
Figure 0007404033000001

式(1)において、Aは状態行列(A行列)、B(b1、b2、b3、b4を要素とする行列)は入力行列(B行列)である。B行列は、舵の影響係数であり、揚力係数や感度係数とも呼ばれる。式(1)では、各舵に対する操作量と、状態変数との関係が示されている。状態変数は、推定部41へ入力される各状態量(速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ロール角φ)の行列となる。式(1)において、例えば1番舵R1を正常とした場合には、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4に対するB行列を用いて、式(1)を以下の式(2)へ変形することができる。 In equation (1), A is a state matrix (A matrix), and B (a matrix whose elements are b1, b2, b3, and b4) is an input matrix (B matrix). The B matrix is an influence coefficient of the rudder, and is also called a lift coefficient or a sensitivity coefficient. Equation (1) shows the relationship between the amount of operation for each rudder and the state variable. The state variables are a matrix of state quantities (velocity u, velocity v, velocity w, angular velocity p, angular velocity q, angular velocity r, pitch angle θ, roll angle φ) that are input to the estimation unit 41. In equation (1), for example, if the first rudder R1 is assumed to be normal, then the B matrix for the second rudder R2, third rudder R3, and fourth rudder R4 is used to convert equation (1) into the following equation ( 2).

Figure 0007404033000002
Figure 0007404033000002

式(2)は、疑似逆行列を用いて、式(3)へ変形することができる。 Equation (2) can be transformed into Equation (3) using a pseudo-inverse matrix.

Figure 0007404033000003
Figure 0007404033000003

すなわち、1つの舵(式(3)では1番舵R1)を正常と仮定して(操作量と指令値が等しいとして)、各状態量を用いることによって、その他の舵の操作量を算出することができる。なお、A行列やB行列の各要素は、水中航走体1の特性に基づいて予め設定されている。 That is, assuming that one rudder (the first rudder R1 in Equation (3)) is normal (assuming that the amount of operation and the command value are equal), the amount of operation of the other rudders is calculated by using each state quantity. be able to. Note that each element of the A matrix and the B matrix is set in advance based on the characteristics of the underwater vehicle 1.

推定部41では、式(3)の算出原理を用いたオブザーバによって、舵の操作量を推定する。具体的には、図5に示すように、オブザーバOS1では、状態量にA行列を乗じ、また、状態量にsを乗じている。状態量にsを乗じることとは、時間領域において状態量を微分することに相当する。そして、1番舵R1に故障が発生していないと仮定して(すなわち、操作量と指令値とが等しいと仮定して)、1番舵R1の指令値にB行列の1番舵R1に対応する成分(b1)を乗ずる。そして、状態量xを微分した値に対して、状態量xにA行列を乗じた値及び1番舵R1の指令値にb1を乗じた値を減算した値を算出する。該算出された値は、式(2)の左辺に相当する。そして、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4に対応するB行列成分の疑似逆行列B 234を乗ずることによって、式(3)の右辺の計算を行い、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4の舵角の推定値を算出する。 The estimation unit 41 estimates the amount of operation of the rudder using an observer using the calculation principle of equation (3). Specifically, as shown in FIG. 5, in the observer OS1, the state quantity is multiplied by the A matrix, and the state quantity is multiplied by s. Multiplying the state quantity by s corresponds to differentiating the state quantity in the time domain. Then, assuming that no failure has occurred in the first rudder R1 (that is, assuming that the operation amount and the command value are equal), the command value of the first rudder R1 is set to the first rudder R1 in the B matrix. Multiply by the corresponding component (b1). Then, a value obtained by subtracting the value obtained by multiplying the state quantity x by the A matrix and the value obtained by multiplying the command value of the first rudder R1 by b1 is calculated from the value obtained by differentiating the state quantity x. The calculated value corresponds to the left side of equation (2). Then, the right side of equation (3) is calculated by multiplying the pseudo inverse matrix B + 234 of the B matrix component corresponding to the second rudder R2, the third rudder R3, and the fourth rudder R4, and the second rudder R2 , the estimated values of the rudder angles of the third rudder R3 and the fourth rudder R4 are calculated.

他のオブザーバにおいても同様の計算が行われる。なお、オブザーバOS1におけるB行列の1番舵R1に対応する成分(b1)や、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4に対応するB行列成分の疑似逆行列は、各オブザーバに対応してそれぞれ設定されている。 Similar calculations are performed for other observers. The component (b1) of the B matrix in the observer OS1 corresponding to the first rudder R1, the pseudo inverse matrix of the B matrix component corresponding to the second rudder R2, the third rudder R3, and the fourth rudder R4 are Each is set accordingly.

推定部41では、上記のような1番舵R1に対応する推定処理を、他の舵に対しても行う。すなわち、1番舵R1を正常と仮定して推定処理を行うことによって、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4の舵角の推定値を算出する(オブザーバOS1)。2番舵R2を正常と仮定して推定処理を行うことによって、1番舵R1、3番舵R3、及び4番舵R4の舵角の推定値を算出する(オブザーバOS2)。3番舵R3を正常と仮定して推定処理を行うことによって、1番舵R1、2番舵R2、及び4番舵R4の舵角の推定値を算出する(オブザーバOS3)。4番舵R4を正常と仮定して推定処理を行うことによって、1番舵R1、2番舵R2、及び3番舵R3の舵角の推定値を算出する(オブザーバOS4)。このようにして、各推定処理によって各舵に対応した舵角の推定値が3つずつ(計12つ)算出されることとなる。 The estimation unit 41 performs the estimation process corresponding to the first rudder R1 as described above for the other rudders as well. That is, by performing estimation processing assuming that the first rudder R1 is normal, estimated values of the rudder angles of the second rudder R2, the third rudder R3, and the fourth rudder R4 are calculated (observer OS1). By performing estimation processing assuming that the second rudder R2 is normal, estimated values of the rudder angles of the first rudder R1, the third rudder R3, and the fourth rudder R4 are calculated (observer OS2). By performing estimation processing assuming that the third rudder R3 is normal, estimated values of the rudder angles of the first rudder R1, the second rudder R2, and the fourth rudder R4 are calculated (observer OS3). By performing estimation processing assuming that the fourth rudder R4 is normal, estimated values of the rudder angles of the first rudder R1, the second rudder R2, and the third rudder R3 are calculated (observer OS4). In this way, each estimation process calculates three estimated values of the rudder angle corresponding to each rudder (12 in total).

このように算出された各舵角の推定値は、判定部42へ出力される。 The estimated value of each steering angle calculated in this way is output to the determination unit 42.

判定部42は、推定された各操作手段にそれぞれ対応する各操作量に基づいて、各操作手段に対する故障判定を行う。具体的には、判定部42は、各舵のそれぞれに対応する舵角の推定値に基づいて故障判定を行う。このため、図5に示すように、判定部42は、故障候補特定部43と、多数決部44とを備えている。なお、本実施形態では、推定部41により推定された各推定値に基づいて多数決ロジックにより故障診断を行う場合について説明するが、推定部41により推定された各推定値に基づいて故障診断を行うことができれば、多数決ロジックによるものに限定されない。 The determination unit 42 performs a failure determination for each operating means based on the estimated operation amount corresponding to each operating means. Specifically, the determination unit 42 performs failure determination based on the estimated value of the rudder angle corresponding to each rudder. For this reason, as shown in FIG. 5, the determination section 42 includes a failure candidate identification section 43 and a majority decision section 44. Note that in this embodiment, a case will be described where fault diagnosis is performed based on each estimated value estimated by the estimating unit 41 using majority logic; however, the fault diagnosis is performed based on each estimated value estimated by the estimating unit 41. If possible, it is not limited to majority logic.

故障候補特定部43は、同じ舵に対して推定された複数の舵角(操作量)に基づいて、故障舵の候補を特定する。具体的には、故障候補特定部43は、操作手段に対して推定された各操作量のうち最も偏差の大きい操作量を異常操作量として特定し、特定された異常操作量に基づいて故障判定を行う。このため、故障候補特定部43には、1番舵R1に対応した第1特定部S1と、2番舵R2に対応した第2特定部S2と、3番舵R3に対応した第3特定部S3と、4番舵R4に対応した第4特定部S4とが設けられている。すなわち、第1特定部S1には、1番舵R1に対して推定された各舵角が入力され、第2特定部S2には、2番舵R2に対して推定された各舵角が入力され、第3特定部S3には、3番舵R3に対して推定された各舵角が入力され、第4特定部S4には、4番舵R4に対して推定された各舵角が入力される。 The failure candidate identification unit 43 identifies failure rudder candidates based on a plurality of rudder angles (operation amounts) estimated for the same rudder. Specifically, the failure candidate identification unit 43 identifies the operation amount with the largest deviation among the operation amounts estimated for the operation means as the abnormal operation amount, and performs a failure determination based on the identified abnormal operation amount. I do. Therefore, the failure candidate identifying section 43 includes a first identifying section S1 corresponding to the first rudder R1, a second identifying section S2 corresponding to the second rudder R2, and a third identifying section corresponding to the third rudder R3. S3, and a fourth identifying section S4 corresponding to the fourth rudder R4. That is, each rudder angle estimated for the first rudder R1 is input to the first specifying section S1, and each rudder angle estimated for the second rudder R2 is input to the second specifying section S2. Each rudder angle estimated for No. 3 rudder R3 is input to the third specifying section S3, and each rudder angle estimated for No. 4 rudder R4 is input to the fourth specifying section S4. be done.

具体的には、第1特定部S1では、1番舵R1に対して推定された各舵角のうち、最も偏差の大きい舵角を異常舵角(異常と推定される舵角)として特定する。他と比較して偏差が最も大きいということは、推定処理に誤りがあったと想定されるため、異常舵角として特定された舵角の推定処理において正常と仮定した舵を、故障舵の候補とする。すなわち、第1特定部S1では、2番舵R2、3番舵R3、及び4番舵R4のいずれか1つが故障舵として特定される。故障舵として特定された舵の故障フラグを1、故障舵として特定されなかった舵の故障フラグを0として出力がされる。 Specifically, the first identification unit S1 identifies the rudder angle with the largest deviation among the rudder angles estimated for the first rudder R1 as an abnormal rudder angle (a rudder angle estimated to be abnormal). . If the deviation is the largest compared to the others, it is assumed that there was an error in the estimation process, so the rudder, which was assumed to be normal in the estimation process of the rudder angle identified as the abnormal rudder angle, is considered a candidate for the faulty rudder. do. That is, the first identification unit S1 identifies any one of the second rudder R2, the third rudder R3, and the fourth rudder R4 as the faulty rudder. The failure flag of the rudder identified as a failed rudder is set to 1, and the failure flag of a rudder not identified as a failed rudder is set to 0.

第1特定部S1においては、2番舵R2に対応した故障フラグF21、3番舵R3に対応した故障フラグF31、4番舵R4に対応した故障フラグF41が出力される。第2特定部S2においては、1番舵R1に対応した故障フラグF12、3番舵R3に対応した故障フラグF32、4番舵R4に対応した故障フラグF42が出力される。第3特定部S3においては、1番舵R1に対応した故障フラグF13、2番舵R2に対応した故障フラグF23、4番舵R4に対応した故障フラグF43が出力される。第4特定部S4においては、1番舵R1に対応した故障フラグF14、2番舵R2に対応した故障フラグF24、3番舵R3に対応した故障フラグF34が出力される。各特定部では、故障舵の候補とされた舵に対応する故障フラグが1として出力される。例えば、第1特定部S1において、2番舵R2が故障舵として特定された場合には、故障フラグF21が1、故障フラグF31が0、故障フラグF31が0として出力がされる。 The first identifying section S1 outputs a failure flag F21 corresponding to the second rudder R2, a failure flag F31 corresponding to the third rudder R3, and a failure flag F41 corresponding to the fourth rudder R4. The second identifying section S2 outputs a failure flag F12 corresponding to the first rudder R1, a failure flag F32 corresponding to the third rudder R3, and a failure flag F42 corresponding to the fourth rudder R4. The third identification unit S3 outputs a failure flag F13 corresponding to the first rudder R1, a failure flag F23 corresponding to the second rudder R2, and a failure flag F43 corresponding to the fourth rudder R4. The fourth identification unit S4 outputs a failure flag F14 corresponding to the first rudder R1, a failure flag F24 corresponding to the second rudder R2, and a failure flag F34 corresponding to the third rudder R3. Each identification unit outputs a failure flag corresponding to a rudder that is a candidate for a failed rudder as 1. For example, when the second rudder R2 is identified as a failed rudder in the first identification unit S1, the failure flag F21 is output as 1, the failure flag F31 is 0, and the failure flag F31 is output as 0.

図6は、故障候補特定部43における故障舵の候補特定処理の一例を示すフローである。例えば、図6のフローは、各舵角が推定された後に開始される。図6については、1番舵R1に対して推定された各舵角に基づいて故障舵を推定する場合(第1特定部S1)について例示している。他の舵についても図6と同様の処理によって故障舵の候補特定処理を行うことができる。図6のフローでは、2番舵R2を正常と仮定した推定処理によって推定された1番舵R1の舵角をdr12とし、3番舵R3を正常と仮定した推定処理によって推定された1番舵R1の舵角をdr13とし、4番舵R4を正常と仮定した推定処理によって推定された1番舵R1の舵角をdr14として説明を行う。 FIG. 6 is a flowchart showing an example of a failure rudder candidate identification process in the failure candidate identification unit 43. For example, the flow in FIG. 6 is started after each steering angle is estimated. Regarding FIG. 6, a case is illustrated in which a faulty rudder is estimated based on each rudder angle estimated for the first rudder R1 (first identification unit S1). For other rudders, the faulty rudder candidate identification process can be performed by the same process as in FIG. 6 . In the flow of FIG. 6, the rudder angle of the first rudder R1 estimated by the estimation process assuming that the second rudder R2 is normal is set as dr12, and the rudder angle of the first rudder R1 estimated by the estimation process assuming the third rudder R3 is normal. The explanation will be given assuming that the rudder angle of R1 is dr13 and the rudder angle of the first rudder R1 estimated by the estimation process assuming that the fourth rudder R4 is normal is dr14.

故障候補特定部43では、1番舵R1に関して推定された各舵角(dr12、dr13、dr14)を取得し(S101)、各舵角の平均値を算出する(S102)。そして、各舵角について、平均値に対する偏差(絶対値)を算出する(S103)。各舵角に対応する偏差が閾値未満であるか否かを判定する(S104)。閾値については、各舵角の推定ばらつき等によって設定され、各偏差が等しいとみなせる上限値として設定される。S104では、各舵角に対応する偏差がすべて等しい(すなわちすべて0である)かを判定することがより好ましい。各舵角に対応する偏差が閾値未満である場合(S104のYES判定)には、各舵角は異常ではないとして、各舵の故障フラグを0として出力する(S105)。 The failure candidate identification unit 43 acquires each of the estimated rudder angles (dr12, dr13, dr14) regarding the first rudder R1 (S101), and calculates the average value of each rudder angle (S102). Then, the deviation (absolute value) from the average value is calculated for each steering angle (S103). It is determined whether the deviation corresponding to each steering angle is less than a threshold value (S104). The threshold value is set based on estimated variations in each steering angle, etc., and is set as an upper limit value at which each deviation can be considered to be equal. In S104, it is more preferable to determine whether the deviations corresponding to each steering angle are all equal (that is, all are 0). If the deviation corresponding to each rudder angle is less than the threshold (YES determination in S104), each rudder angle is determined not to be abnormal, and the failure flag of each rudder is output as 0 (S105).

各舵角に対応する偏差が閾値未満でない場合(S104のNO判定)には、dr12の偏差が最大か否かを判定する(S106)。dr12の偏差が最大である場合(S106のYES判定)には、2番舵R2の故障フラグを1とする(S107)。dr12の偏差が最大でない場合(S106のNO判定)には、dr13の偏差が最大か否かを判定する(S108)。dr13の偏差が最大である場合(S108のYES判定)には、3番舵R3の故障フラグを1とする(S109)。dr13の偏差が最大でない場合(S108のNO判定)には、dr14の偏差が最大である場合であるため、4番舵R4の故障フラグを1とする(S110)。なお、1とされなかった故障フラグは0となる。 If the deviation corresponding to each steering angle is not less than the threshold value (NO determination in S104), it is determined whether the deviation of dr12 is the maximum (S106). When the deviation of dr12 is the maximum (YES determination in S106), the failure flag of the second rudder R2 is set to 1 (S107). If the deviation of dr12 is not the maximum (NO determination in S106), it is determined whether the deviation of dr13 is the maximum (S108). When the deviation of dr13 is the maximum (YES determination in S108), the failure flag of the third rudder R3 is set to 1 (S109). If the deviation of dr13 is not the maximum (NO determination in S108), the deviation of dr14 is the maximum, so the failure flag of the fourth rudder R4 is set to 1 (S110). Note that the failure flag that is not set to 1 becomes 0.

このようにして、第1特定部S1では、1番舵R1に対して推定された各舵角に基づいて故障舵を特定し、故障フラグを1とする。第2特定部S2、第3特定部S3、及び第4特定部S4についても、同様に処理を行い、故障舵が特定された故障フラグが設定される。具体的には、第2特定部S2では、2番舵R2に対して推定された各舵角に基づいて故障舵を特定し、故障フラグを1とする。第3特定部S3では、3番舵R3に対して推定された各舵角に基づいて故障舵を特定し、故障フラグを1とする。第4特定部S4では、4番舵R4に対して推定された各舵角に基づいて故障舵を特定し、故障フラグを1とする。 In this manner, the first identification unit S1 identifies the faulty rudder based on each rudder angle estimated for the first rudder R1, and sets the fault flag to 1. The second specifying section S2, the third specifying section S3, and the fourth specifying section S4 perform the same process, and a failure flag indicating that a failed rudder is specified is set. Specifically, the second identification unit S2 identifies the faulty rudder based on each rudder angle estimated for the second rudder R2, and sets the fault flag to 1. The third identification unit S3 identifies the faulty rudder based on each rudder angle estimated for the third rudder R3, and sets the fault flag to 1. The fourth identification unit S4 identifies the faulty rudder based on each rudder angle estimated for the fourth rudder R4, and sets the fault flag to 1.

このように故障候補特定部43において処理が行われることによって、第1特定部S1から故障フラグ(F21、F31、F41)、第2特定部S2から故障フラグ(F12、F32、F42)、第3特定部S3から故障フラグ(F13、F23、F43)、第4特定部S4から故障フラグ(F14、F24、F34)が出力される。 By performing the processing in the failure candidate identification unit 43 in this way, the failure flags (F21, F31, F41) are sent from the first identification unit S1, the failure flags (F12, F32, F42) are sent from the second identification unit S2, and the third The identification unit S3 outputs failure flags (F13, F23, F43), and the fourth identification unit S4 outputs failure flags (F14, F24, F34).

すなわち、故障候補特定部43からは、1番舵R1に対応する故障フラグ(F12、F13、F14)、2番舵R2に対応する故障フラグ(F21、F23、F24)、3番舵R3に対応する故障フラグ(F31、F32、F34)、4番舵R4に対応する故障フラグ(F41、F42、F43)が出力される。各フラグは、多数決部44へ出力される。 That is, the failure candidate identification unit 43 outputs the failure flags (F12, F13, F14) corresponding to the first rudder R1, the failure flags (F21, F23, F24) corresponding to the second rudder R2, and the failure flags corresponding to the third rudder R3. The failure flags (F31, F32, F34) corresponding to the fourth rudder R4 and the failure flags (F41, F42, F43) corresponding to the fourth rudder R4 are output. Each flag is output to the majority decision section 44.

多数決部44では、各操作手段に対応して異常操作量が特定された後に、特定された各異常操作量の推定に用いた指令値に対応する操作手段が等しい場合に、各異常操作量に対応する操作手段に対して故障が発生していると判定する。換言すると、多数決部44は、故障候補特定部43において各舵に対応して故障舵の候補が特定された後に、特定された故障舵が等しい場合に、該故障舵に異常が発生していると推定する。このように、各操作手段に対応して異常操作量が特定された後に、各異常操作量の推定において正常と仮定した操作手段を特定し、特定された各操作手段が等しい場合に、該操作手段に異常が発生していると診断することができる。 In the majority decision unit 44, after the abnormal operation amount is specified corresponding to each operation means, if the operation means corresponding to the command values used for estimating each specified abnormal operation amount are equal, each abnormal operation amount is determined. It is determined that a failure has occurred in the corresponding operating means. In other words, the majority decision unit 44 determines that an abnormality has occurred in the failed rudders when the identified failed rudders are equal after the failed rudder candidates are identified corresponding to each rudder in the failed candidate identifying unit 43. It is estimated that In this way, after the abnormal operation amount is specified corresponding to each operation means, the operation means that is assumed to be normal in estimating each abnormal operation amount is specified, and when each of the identified operation means is equal, the operation It is possible to diagnose that an abnormality has occurred in the means.

例えば、第1特定部S1において2番舵が故障舵として特定され、第3特定部S3において2番舵が故障舵として特定され、第4特定部S4において2番舵が故障舵として特定された場合に、2番舵に故障が発生していると判定する。このため、多数決部44は、第1AND部A1と、第2AND部A2と、第3AND部A3と、第4AND部A4とを備えている。第1AND部A1には1番舵R1に対応する故障フラグ(F12、F13、F14)が入力され、第2AND部A2には2番舵R2に対応する故障フラグ(F21、F23、F24)が入力され、第3AND部A3には3番舵R3に対応する故障フラグ(F31、F32、F34)が入力され、第4AND部A4には4番舵R4に対応する故障フラグ(F41、F42、F43)が入力される。 For example, the first identifying section S1 identifies the second rudder as the failed rudder, the third identifying section S3 identifies the second rudder as the failed rudder, and the fourth identifying section S4 identifies the second rudder as the failed rudder. In this case, it is determined that a failure has occurred in the second rudder. For this reason, the majority decision section 44 includes a first AND section A1, a second AND section A2, a third AND section A3, and a fourth AND section A4. The failure flag (F12, F13, F14) corresponding to the first rudder R1 is input to the first AND section A1, and the failure flag (F21, F23, F24) corresponding to the second rudder R2 is input to the second AND section A2. The failure flag (F31, F32, F34) corresponding to the third rudder R3 is input to the third AND section A3, and the failure flag (F41, F42, F43) corresponding to the fourth rudder R4 is input to the fourth AND section A4. is input.

第1AND部A1は、1番舵R1に対応する故障フラグ(F12、F13、F14)が入力され、すべての故障フラグが1である場合に、1番舵R1に故障が発生していると判定する。すなわち、第1AND部A1は、F12、F13、F14がすべて1である場合に、1番舵故障フラグF(R1)を1として出力する。 The first AND unit A1 receives the failure flags (F12, F13, F14) corresponding to the first rudder R1, and determines that a failure has occurred in the first rudder R1 when all the failure flags are 1. do. That is, the first AND unit A1 outputs the first rudder failure flag F(R1) as 1 when F12, F13, and F14 are all 1.

第2AND部A2は、2番舵R2に対応する故障フラグ(F21、F23、F24)が入力され、すべての故障フラグが1である場合に、2番舵R2に故障が発生していると判定する。すなわち、第2AND部A2は、F21、F23、F24がすべて1である場合に、2番舵故障フラグF(R2)を1として出力する。 The second AND unit A2 receives the failure flags (F21, F23, F24) corresponding to the second rudder R2, and determines that a failure has occurred in the second rudder R2 when all the failure flags are 1. do. That is, the second AND unit A2 outputs the second rudder failure flag F(R2) as 1 when F21, F23, and F24 are all 1.

第3AND部A3は、3番舵R3に対応する故障フラグ(F31、F32、F34)が入力され、すべての故障フラグが1である場合に、3番舵R3に故障が発生していると判定する。すなわち、第3AND部A3は、F31、F32、F34がすべて1である場合に、3番舵故障フラグF(R3)を1として出力する。 The third AND unit A3 determines that a failure has occurred in the third rudder R3 when the failure flags (F31, F32, F34) corresponding to the third rudder R3 are input and all the failure flags are 1. do. That is, the third AND unit A3 outputs the third rudder failure flag F(R3) as 1 when F31, F32, and F34 are all 1.

第4AND部A4は、4番舵R4に対応する故障フラグ(F41、F42、F43)が入力され、すべての故障フラグが1である場合に、4番舵R4に故障が発生していると判定する。すなわち、第4AND部A4は、F41、F42、F43がすべて1である場合に、4番舵故障フラグF(R4)を1として出力する。 The fourth AND unit A4 receives the failure flags (F41, F42, F43) corresponding to the fourth rudder R4, and determines that a failure has occurred in the fourth rudder R4 when all failure flags are 1. do. That is, the fourth AND unit A4 outputs the fourth rudder failure flag F(R4) as 1 when F41, F42, and F43 are all 1.

故障候補特定部43における第1特定部S1、第2特定部S2、第3特定部S3、及び第4特定部S4の各部では、1つの舵に対応する故障フラグが1とされる。このため、多数決部44では、1番舵故障フラグF(R1)、2番舵故障フラグF(R2)、3番舵故障フラグF(R3)、4番舵故障フラグF(R4)のうちのいずれか1つが1となる(またはすべてのフラグが0となる場合もある)。このため、X舵のうち1つの舵の故障を特定することができる。 In each of the first identifying section S1, second identifying section S2, third identifying section S3, and fourth identifying section S4 in the failure candidate identifying section 43, a failure flag corresponding to one rudder is set to 1. Therefore, the majority decision unit 44 selects one of the first rudder failure flag F (R1), the second rudder failure flag F (R2), the third rudder failure flag F (R3), and the fourth rudder failure flag F (R4). One of the flags becomes 1 (or all flags may become 0). Therefore, a failure in one of the X rudders can be identified.

なお、上記例では、多数決部44において故障舵を特定することとしているが、AND処理(論理積処理)ではなくOR処理(論理和処理)を行うこととしてもよい。また、故障候補特定部43から出力された情報を分析して故障舵の特定を行うこととしてもよい。分析については統計的手法ともちいてもよいし、AI等の機械学習を利用することとしてもよい。 In the above example, the malfunctioning rudder is identified in the majority decision unit 44, but OR processing (logical sum processing) may be performed instead of AND processing (logical product processing). Alternatively, a faulty rudder may be identified by analyzing the information output from the failure candidate identification unit 43. For analysis, statistical methods may be used, or machine learning such as AI may be used.

操作手段に対して推定された各操作量のそれぞれに対応する各偏差が閾値未満である場合に、該操作手段に対して故障が発生していると判定することとしてもよい。具体的には、ある舵に対応して推定された舵角の各偏差が閾値未満である場合とは、各舵に故障が生じていない場合、または、該舵に故障が発生している場合のいずれかである。すなわち、X舵において異常が発生していることを前提として、特定の舵に対応して推定された舵角の各偏差が閾値未満である場合には、該特定の舵に故障が発生していると推定することもできる。なお、この場合には、目標軌道から外れている等の原因によっていずれかの舵に故障が発生していることを推定することができる。 If each deviation corresponding to each operation amount estimated for the operating means is less than a threshold value, it may be determined that a failure has occurred in the operating means. Specifically, a case where each deviation of the estimated rudder angle corresponding to a certain rudder is less than a threshold value means a case where no failure has occurred in each rudder, or a case where a failure has occurred in the rudder. Either. That is, assuming that an abnormality has occurred in the X rudder, if each deviation of the estimated rudder angle corresponding to a specific rudder is less than a threshold, it is determined that a failure has occurred in the specific rudder. It can also be assumed that there are. In this case, it can be estimated that a failure has occurred in one of the rudders due to a cause such as deviation from the target trajectory.

演算部(故障操作量演算部)45は、操作手段に対して推定された各操作量に基づいて、故障した操作手段の操作量である故障操作量を演算する。具体的には、演算部45は、故障舵として特定された舵に対して推定された各舵角に基づいて、故障舵角を推定する。例えば、各舵角に対して平均値を算出することによって、故障舵角を算出する。なお、算出方法については平均値に限定されず中央値等の値とすることとしてもよい。 The calculation unit (failure operation amount calculation unit) 45 calculates a failure operation amount, which is the operation amount of the failed operation means, based on each operation amount estimated for the operation means. Specifically, the calculation unit 45 estimates the faulty rudder angle based on each rudder angle estimated for the rudder identified as the faulty rudder. For example, the faulty steering angle is calculated by calculating an average value for each steering angle. Note that the calculation method is not limited to the average value, but may be a median value or the like.

図7は、演算部45における故障舵角算出処理の一例を示すフローである。例えば、図7のフローは、故障舵が特定された後に開始される。なお、図7では、1番舵R1が故障舵として特定された場合を例としている。故障舵として特定された舵に対して推定された舵角(dr12、dr13、dr14)を取得し(S201)、各舵角の平均値を算出する(S202)。そして、算出した平均値を、故障舵の舵角として出力する(S203)。なお、舵角の平均値はS102でも算出しているため、S102で算出した平均値を使用することとしてもよい。 FIG. 7 is a flowchart showing an example of a failure steering angle calculation process in the calculation unit 45. For example, the flow of FIG. 7 is initiated after a faulty rudder is identified. In addition, in FIG. 7, the case where the number 1 rudder R1 is specified as a faulty rudder is taken as an example. The estimated rudder angles (dr12, dr13, dr14) for the rudder identified as the failed rudder are acquired (S201), and the average value of each rudder angle is calculated (S202). Then, the calculated average value is output as the rudder angle of the failed rudder (S203). Note that since the average value of the steering angle is also calculated in S102, the average value calculated in S102 may be used.

演算部45は、平均値を算出する際には、故障が発生していると判定された操作手段の指令値に基づいて推定された操作量を除いて、故障操作量を演算する。図7のフローでは、1番舵R1に故障が発生した場合に、正常である舵(2番舵R2、3番舵R3、4番舵R4)を正常と仮定してオブザーバにより推定した舵角(dr12、dr13、dr14)に基づいて1番舵R1の故障舵角を算出しているため、より正確に故障舵角を算出することができる。 When calculating the average value, the calculation unit 45 calculates the faulty manipulated variable by excluding the manipulated variable estimated based on the command value of the operating means determined to be malfunctioning. In the flow of FIG. 7, when a failure occurs in the first rudder R1, the rudder angle is estimated by the observer assuming that the normal rudders (the second rudder R2, the third rudder R3, and the fourth rudder R4) are normal. Since the faulty rudder angle of the first rudder R1 is calculated based on (dr12, dr13, dr14), the faulty rudder angle can be calculated more accurately.

(故障診断部による故障舵特定処理の効果)
次に、上述の故障診断部40による故障舵特定処理による効果について図11を参照して説明する。図11では、4番舵R4に固着故障が発生した場合において、舵角推定を行う場合を例示している。このため、図11では、縦軸を角度(舵角)、横軸を時間としている。時刻T1において4番舵R4に故障が発生したとする。そうすると、4番舵R4の指令値は舵角に反映されず、4番舵R4の舵角は、特定の舵角に固着する。故障が発生すると、故障診断部40では故障舵特定処理が実行される。故障舵特定処理によって、図11に示すように、推定舵角は故障舵角へより迅速に収束する。そして、より正確な故障舵角が推定される。
(Effects of faulty rudder identification processing by fault diagnosis section)
Next, the effect of the faulty rudder identification process by the above-mentioned fault diagnosis section 40 will be explained with reference to FIG. 11. FIG. 11 illustrates a case where the steering angle is estimated when a sticking failure occurs in the fourth rudder R4. Therefore, in FIG. 11, the vertical axis is the angle (steering angle), and the horizontal axis is the time. Assume that a failure occurs in the fourth rudder R4 at time T1. In this case, the command value for the fourth rudder R4 is not reflected in the rudder angle, and the rudder angle of the fourth rudder R4 is fixed at a specific rudder angle. When a failure occurs, the failure diagnosis section 40 executes failure rudder identification processing. By the faulty rudder identification process, the estimated rudder angle converges to the faulty rudder angle more quickly, as shown in FIG. 11. A more accurate faulty steering angle is then estimated.

(縮退指令部の構成)
縮退指令部50は、舵角指令算出部30における無効化部37に指令を出力して、舵角指令算出部30における制御系を縮退化する。具体的には、縮退指令部50は、正常に制御可能な操作手段の数が制御量の数以上である場合には、各制御量のそれぞれに対応する目標値に基づいて、各操作手段に対する指令値を算出させ、正常に制御可能な操作手段の数が制御量の数未満である場合には、各指令値の算出に使用する制御量の数を縮退し、各目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各操作手段に対する指令値を算出させる。なお、故障舵の数については、故障診断部40の結果を用いる。
(Configuration of degeneration command unit)
The degeneration command unit 50 outputs a command to the invalidation unit 37 in the steering angle command calculation unit 30 to degenerate the control system in the steering angle command calculation unit 30. Specifically, when the number of operating means that can be normally controlled is greater than or equal to the number of control variables, the degeneration command unit 50 controls the control for each operating means based on the target value corresponding to each controlled variable. If a command value is calculated and the number of operating means that can be normally controlled is less than the number of control variables, the number of control variables used to calculate each command value is reduced, and at least one of each target value is A command value for each operating means is calculated based on one. Note that the results of the failure diagnosis section 40 are used for the number of failed rudders.

冗長性のある水中航走体1において、舵に故障が発生した場合に、制御可能な正常な舵の数が、機体の制御量(姿勢に係る制御の対象)の数より少ない場合には、正常な舵だけで各目標値に対応した制御を行うことが困難となる。例えば、制御量をピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φとしており、機体に4つ設けられた舵のうち2つ故障した場合(正常な舵は2つ)、2つの舵でピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φを制御することは困難である。もし制御した場合には、各制御が干渉し合い目的の制御を行うことができない場合もある。このため、縮退指令部50では、舵の故障数に応じて、制御系の縮退化を行う。 In the underwater vehicle 1 with redundancy, if a failure occurs in a rudder, and the number of normal controllable rudders is smaller than the number of control variables (objects of control related to attitude) of the aircraft, It becomes difficult to perform control corresponding to each target value using only a normal rudder. For example, if the control variables are pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ, and two of the four rudders on the aircraft fail (there are two normal rudders), two rudders will adjust the pitch angle. It is difficult to control θ, yaw angle ψ, and roll angle φ. If controlled, each control may interfere with each other, making it impossible to perform the desired control. Therefore, the degeneration command unit 50 degenerates the control system depending on the number of rudder failures.

縮退とは、舵角指令算出部30における制御系統を縮退化することである。具体的には、舵角指令算出部30は、各目標値に対応した制御系(深度(ピッチ角θ)に対応した制御系、ヨー角ψに対応した制御系、ロール角φに対応した制御系)を有しているため、制御系の制御量の数(次元数)を減らすことによって縮退を行う。例えば、ロール角φに対応した制御系は使用せずに、深度(ピッチ角θ)に対応した制御系及びヨー角ψに対応した制御系のみで指令値を算出する。換言すると、X舵の指令値算出に用いる目標値の数を減少させ、各目標値の少なくともいずれか1つに基づいてX舵に対する指令値を算出する。 Degeneration means degenerating the control system in the steering angle command calculation unit 30. Specifically, the steering angle command calculation unit 30 executes a control system corresponding to each target value (a control system corresponding to depth (pitch angle θ), a control system corresponding to yaw angle ψ, a control system corresponding to roll angle φ). system), degeneracy is performed by reducing the number of controlled variables (number of dimensions) of the control system. For example, the command value is calculated using only a control system corresponding to depth (pitch angle θ) and a control system corresponding to yaw angle ψ, without using a control system corresponding to roll angle φ. In other words, the number of target values used to calculate the command value for the X rudder is reduced, and the command value for the X rudder is calculated based on at least one of the target values.

縮退については、各制御量に対して予め設定された優先順位に基づいて縮退を行う。本実施形態では、ロール角φの優先順位が低い場合について説明する。すなわち、制御量は、姿勢として機体のピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φであり、正常に制御可能な舵の数が2つである場合には、ピッチ角θ及びヨー角ψの目標値に基づいて、各舵に対する指令値を算出する。このように、正常に制御可能な舵の数と、使用する目標値の数が等しくなるように、縮退を行う。 Regarding degeneration, degeneration is performed based on a preset priority order for each control amount. In this embodiment, a case will be described in which the roll angle φ has a low priority. In other words, the control amount is the pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ of the aircraft as the attitude, and when the number of normally controllable rudders is two, the pitch angle θ and the yaw angle ψ are A command value for each rudder is calculated based on the target value. In this way, degeneration is performed so that the number of normally controllable rudders and the number of target values used are equal.

このため、図4に示すように、ロール制御器35の出力側(分配部32の入力側)に、無効化部37が設けられている。ピッチ角θ及びヨー角ψを優先的に制御することによって、進行方向の制御を継続することが可能となる。このため、舵に故障が発生した場合であっても、目標軌道への航行を継続することが可能となる。無効化の方法については、優先順位の低い制御対象の目標値がX舵の指令値算出に反映されない方法であれば、上記に限定されない。例えば、対象の目標値の入力を遮断する等の方法でもよい。無効化する制御対象(優先順位)についても運行目的等によって適宜変更可能である。 For this reason, as shown in FIG. 4, a nullifying section 37 is provided on the output side of the roll controller 35 (input side of the distribution section 32). By preferentially controlling the pitch angle θ and the yaw angle ψ, it becomes possible to continue controlling the traveling direction. Therefore, even if a failure occurs in the rudder, it is possible to continue navigating toward the target trajectory. The method of invalidation is not limited to the above, as long as it does not reflect the target value of the controlled object with a low priority in the calculation of the command value of the X rudder. For example, a method such as blocking input of the target value may be used. The control objects (priorities) to be invalidated can also be changed as appropriate depending on the purpose of operation, etc.

縮退指令部50は、正常な舵の数が、制御量の数以上である場合に、舵角指令算出部30において、各制御対象のそれぞれに対応する目標値に基づいて各舵に対する指令値を算出させる。正常な舵の数が制御対象の数以上である場合とは、例えば、制御量であるピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φに対して3つ以上の舵が正常である場合である。縮退指令部50は、正常な舵の数が制御量の数以上である場合には、無効化部37においてロール制御器35の出力をそのまま分配部32へ出力させる。すなわち、正常な舵の数が制御量の数以上である場合には、制御系の縮退を行うことなく、通常の制御を行うこととなる。 When the number of normal rudders is equal to or greater than the number of control variables, the degeneration command unit 50 causes the rudder angle command calculation unit 30 to calculate a command value for each rudder based on the target value corresponding to each controlled object. Have it calculated. The case where the number of normal rudders is greater than the number of controlled objects is, for example, the case where three or more rudders are normal with respect to the control variables pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ. . When the number of normal rudders is greater than or equal to the number of control amounts, the degeneration command unit 50 causes the invalidation unit 37 to output the output of the roll controller 35 to the distribution unit 32 as is. That is, when the number of normal rudders is equal to or greater than the number of control variables, normal control is performed without degenerating the control system.

縮退指令部50は、正常に制御可能な操作手段の数が制御量の数未満である場合には、舵角指令算出部30において、制御量の数を縮退し、各目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各舵に対する指令値を算出させる。正常な舵の数が制御量の数未満である場合とは、例えば、制御量であるピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φに対して2つ以下の舵が正常である場合である。縮退指令部50は、正常な舵の数が制御量の数未満である場合には、無効化部37においてロール制御器35の出力を分配部32へ出力させず(無効化)、0(零)をロール舵の指令値として分配部32へ出力させる。すなわち、正常な舵の数が制御量の数未満である場合には、制御系を縮退して制御を行うこととなる。正常に制御可能な舵の数と、使用する目標値の数が等しくなるように縮退を行うこととしてもよいし、使用する目標値の数を、正常に制御可能な舵の数より少なくすることとしてもよい。 If the number of operating means that can be normally controlled is less than the number of control variables, the degeneration command unit 50 causes the steering angle command calculation unit 30 to degenerate the number of control variables and set at least one of each target value. A command value for each rudder is calculated based on one. The case where the number of normal rudders is less than the number of control variables is, for example, the case where two or less rudders are normal with respect to the control variables pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ. . When the number of normal rudders is less than the number of control amounts, the degeneration command unit 50 does not cause the invalidation unit 37 to output the output of the roll controller 35 to the distribution unit 32 (invalidation), and outputs the output of the roll controller 35 to 0 (zero). ) is output to the distribution unit 32 as a roll rudder command value. That is, if the number of normal rudders is less than the number of control variables, the control system is degenerated to perform control. Degeneration may be performed so that the number of rudders that can be normally controlled is equal to the number of target values used, or the number of target values used may be made smaller than the number of rudders that can be normally controlled. You can also use it as

縮退が行われた場合には、分配部32には横舵の指令値、縦舵の指令値、及びロール舵の指令値(零)が入力されるため、横舵の指令値及び縦舵の指令値に基づいて、各舵の指令値が算出される。本実施形態では、分配部32を各仮想舵の指令値の加減算としているため、縮退対象の制御系の出力を0とすることで、無効化を行うことができる。 When degeneration is performed, the horizontal rudder command value, the vertical rudder command value, and the roll rudder command value (zero) are input to the distribution unit 32, so the horizontal rudder command value and the vertical rudder command value are A command value for each rudder is calculated based on the command value. In this embodiment, since the distribution unit 32 adds and subtracts the command values of each virtual rudder, invalidation can be performed by setting the output of the control system to be degenerated to 0.

このように縮退を行うことによって、ロール角目標値φ*がX舵の指令値の算出に反映されなくなる。このためロール角φに対する制御は無効化して、ピッチ角θ及びヨー角ψを目標値に追従するように制御を行うことが可能となる。すなわち、目標軌道への航行を継続することが可能となる。 By performing the degeneration in this manner, the roll angle target value φ* is no longer reflected in the calculation of the command value for the X rudder. Therefore, it becomes possible to invalidate the control on the roll angle φ and perform control so that the pitch angle θ and the yaw angle φ follow the target values. In other words, it becomes possible to continue navigating to the target orbit.

本実施形態では、ロール角φに対する優先順位を低く設定する場合について説明したが、縮退に関する優先順位については、運行の目的(運行優先事項)に応じて適宜設定可能である。例えば、ピッチ角θの優先順位を低く設定することとしてもよい。具体的には、制御量は、姿勢として機体のピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φであり、正常に制御可能な操作手段の数が2つである場合には、ヨー角ψ及びロール角φの目標値に基づいて、各操作手段に対する指令値を算出する。この場合には、ピッチ角θに対する制御は無効化されるものの、ヨー角ψ及びロール角φに対して制御を行うことができるため、機体をなるべく移動させずに、その場にとどまらせることができる。 In this embodiment, a case has been described in which the priority order for roll angle φ is set low, but the priority order for degeneration can be set as appropriate depending on the purpose of operation (operation priority). For example, the pitch angle θ may be given a lower priority. Specifically, the control amount is the pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ of the aircraft as the attitude, and if the number of operating means that can be normally controlled is two, the yaw angle ψ and A command value for each operating means is calculated based on the target value of the roll angle φ. In this case, although the control for the pitch angle θ is disabled, the yaw angle ψ and roll angle φ can be controlled, so it is possible to keep the aircraft in place without moving it as much as possible. can.

図8は、縮退指令部50における縮退処理の一例を示すフローである。例えば、図8のフローは、所定の制御周期で繰り返し実行される。 FIG. 8 is a flowchart showing an example of the degeneration process in the degeneration command unit 50. For example, the flow in FIG. 8 is repeatedly executed at a predetermined control cycle.

まず、故障が発生したか否かを判定する(S301)。S301は、故障診断部40による診断結果に応じて行う。故障が発生していない場合(S301のNO判定)には、縮退を行うことなく、処理を終了する。水中航走体1は、冗長性のあるシステムであるため、S301のNO判定では、正常な舵の数が制御対象の数以上である場合となり、舵角指令算出部30では、各制御対象のそれぞれに対応する目標値に基づいて各舵に対する指令値を算出する。 First, it is determined whether a failure has occurred (S301). S301 is performed according to the diagnosis result by the failure diagnosis section 40. If no failure has occurred (NO determination in S301), the process ends without degeneracy. Since the underwater vehicle 1 is a redundant system, the NO determination in S301 indicates that the number of normal rudders is greater than or equal to the number of control objects, and the rudder angle command calculation unit 30 calculates the number of normal rudders for each control object. A command value for each rudder is calculated based on the corresponding target value.

故障が発生した場合(S301のYES判定)には、正常に制御可能な舵の数が機体の姿勢に関する制御量の数未満であるか否かを判定する(S302)。正常に制御可能な舵の数が機体の姿勢に関する制御量の数未満でない場合(S302のNO判定)には、正常な舵の数が制御量の数以上である場合であるため、縮退を行うことなく、処理を終了する。この場合には、舵角指令算出部30では、各制御量のそれぞれに対応する目標値に基づいて各舵に対する指令値を算出する。 If a failure occurs (YES determination in S301), it is determined whether the number of normally controllable rudders is less than the number of control variables related to the attitude of the aircraft (S302). If the number of normally controllable rudders is not less than the number of control variables related to the attitude of the aircraft (NO determination in S302), the number of normal rudders is greater than or equal to the number of control variables, so degeneration is performed. The process ends without any changes. In this case, the rudder angle command calculation unit 30 calculates the command value for each rudder based on the target value corresponding to each control amount.

正常に制御可能な舵の数が機体の姿勢に関する制御量の数未満である場合(S302のYES判定)には、縮退を行う(S303)。具体的には、優先順位の低い制御量(例えばロール角φ)に対応した制御を無効化させるため、無効化部37へ無効化指示を行う。このため、舵角指令算出部30では、制御量の数が縮退され、各目標値の少なくともいずれか1つに基づいて各舵に対する指令値を算出する。なお、無効化部37への指示により縮退を行う場合に限定されず、縮退方法によって、S303の具体的な縮退処理は異なる。 If the number of normally controllable rudders is less than the number of control variables related to the attitude of the aircraft (YES determination in S302), degeneration is performed (S303). Specifically, in order to invalidate control corresponding to a control amount with a low priority (for example, roll angle φ), an invalidation instruction is given to the invalidation unit 37. Therefore, in the rudder angle command calculation unit 30, the number of control variables is reduced, and a command value for each rudder is calculated based on at least one of each target value. Note that the degeneration is not limited to the case where the degeneration is performed by an instruction to the invalidation unit 37, and the specific degeneration processing in S303 differs depending on the degeneration method.

このように縮退制御を行うことで、より確実に目的にあう運行を行うことが可能となる。 By performing degeneracy control in this way, it becomes possible to perform operations that more reliably meet the objectives.

(耐故障制御部の構成)
耐故障制御部60は、故障舵の影響を非干渉化するように、各舵に対する指令値を算出する。例えば、X舵のうちの1つの舵が故障して一定の舵角で固着した場合には、該故障舵は固着した舵角に応じて機体に力を及ぼす。このような故障舵の及ぼす力は、機体の姿勢制御に影響を及ぼす。このため、耐故障制御部60では、故障舵の影響を抑制するように、他の舵(正常に動く舵)を制御する。
(Configuration of fault-tolerant control unit)
The fault-tolerant control unit 60 calculates command values for each rudder so as to eliminate the influence of the faulty rudder. For example, if one of the X rudders fails and becomes stuck at a certain rudder angle, the failed rudder exerts a force on the aircraft according to the stuck rudder angle. The force exerted by such a failed rudder affects the attitude control of the aircraft. Therefore, the fault-tolerant control unit 60 controls the other rudders (rudders that operate normally) so as to suppress the influence of the faulty rudder.

耐故障制御部60は、図9に示すように、取得部61と、演算部(指令値演算部)62とを備えている。 As shown in FIG. 9, the fault-tolerant control section 60 includes an acquisition section 61 and a calculation section (command value calculation section) 62.

取得部61は、機体の状態量を取得する。機体の状態量とは、水中航走体1における所定のパラメータにおける現在の値(現状値)である。取得部61は、耐故障制御部60における演算に用いるために、状態量を取り込む。状態量は、例えば、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ロール角φが入力される。なお、耐故障制御部60で使用される状態量については、上記に限定されず、後述する状態方程式の構成に応じて設定される。例えば、状態量としては、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ヨー角ψ、及びロール角φのうち少なくともいずれか1つを用いることが可能である。 The acquisition unit 61 acquires the state quantity of the aircraft. The state quantity of the body is the current value (current value) of a predetermined parameter in the underwater vehicle 1. The acquisition unit 61 acquires state quantities for use in calculations in the fault-tolerant control unit 60. As the state quantities, for example, velocity u, velocity v, velocity w, angular velocity p, angular velocity q, angular velocity r, pitch angle θ, and roll angle φ are input. Note that the state quantities used in the fault-tolerant control unit 60 are not limited to those described above, and are set according to the configuration of the state equation described later. For example, as the state quantity, at least one of speed u, speed v, speed w, angular speed p, angular speed q, angular speed r, pitch angle θ, yaw angle ψ, and roll angle φ can be used. be.

機体の状態量については、例えば機体に設けられたセンサ等によって計測され、取得部61へ出力される。機体のシミュレーションモデルを用いて、各状態量の値を推定することとしてもよい。 The state quantity of the aircraft body is measured by, for example, a sensor provided in the aircraft body, and is output to the acquisition unit 61. The value of each state quantity may be estimated using a simulation model of the aircraft.

取得部61において取得された状態量は、演算部62へ出力される。 The state quantity acquired by the acquisition unit 61 is output to the calculation unit 62.

演算部(指令値演算部)62は、機体の状態量を状態変数とし、操作手段の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した操作手段である故障操作手段に関する情報に基づいて故障操作手段に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて故障操作手段以外の操作手段の操作量を演算する。故障操作手段に関する情報とは、故障操作手段の識別情報(故障舵特定情報)、及び故障操作手段の故障操作量(故障舵角)である。演算部62は、状態方程式に基づいて、外乱項を打ち消すように故障操作手段以外の操作手段の操作量を演算する。具体的には、演算部62は、状態方程式において、状態変数の微分項を0とし、故障操作手段以外の操作手段の操作量に対して解くことにより、演算を行う。すなわち、演算部62では、状態方程式を操作量に対して解くことで、故障舵の影響を非干渉化するように、正常に制御可能な舵(正常舵)の指令値(解として得られる操作量)を演算する。 The calculation unit (command value calculation unit) 62 uses the state quantity of the aircraft as a state variable and the operation amount of the operation means as an input in a state equation, and calculates a failure based on information regarding the failed operation means, which is the operation means in which the failure has occurred. A term related to the operating means is set as a disturbance term, and the manipulated variables of the operating means other than the faulty operating means are calculated based on the acquired state quantity. The information regarding the faulty operating means is the identification information of the faulty operating means (faulty rudder identification information) and the faulty operation amount (faulty rudder angle) of the faulty operating means. The calculation unit 62 calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the state equation so as to cancel the disturbance term. Specifically, the calculation unit 62 performs the calculation by setting the differential term of the state variable to 0 in the state equation and solving for the operation amount of the operation means other than the failure operation means. That is, in the calculation unit 62, by solving the state equation for the operation amount, the command value (operation obtained as a solution) of the normally controllable rudder (normal rudder) is calculated so as to eliminate the influence of the failed rudder. amount).

本実施形態では、演算部62は、舵角指令算出部30において算出された各舵に対する指令値に対して、故障舵の影響を非干渉化するための補正値を演算する場合について説明する。なお、本実施形態における耐故障制御部60では、故障が発生した操作手段である故障操作手段に関する情報として、故障診断部40の出力である故障操作手段の識別情報(故障舵特定情報)、及び故障操作手段の故障操作量(故障舵角)を用いる場合について説明しているが、耐故障制御部60では故障操作手段の特定及び故障操作量が入力されれば、故障診断部40の出力を用いる場合に限定されない。また、縮退指令部50は、耐故障制御部60とともに制御装置20に設けられることとしているが、縮退指令部50のみを制御装置20に設けることとしてもよい。 In the present embodiment, a case will be described in which the calculation unit 62 calculates a correction value for making the influence of the failed rudder non-interfering with respect to the command value for each rudder calculated by the rudder angle command calculation unit 30. In addition, in the fault-tolerant control unit 60 in this embodiment, the identification information of the faulty operating means (faulty rudder identification information), which is the output of the fault diagnosis unit 40, and the faulty rudder identification information are used as information regarding the faulty operating means, which is the operating means in which the fault has occurred. Although a case has been described in which the faulty operation amount (failure steering angle) of the operating means is used, if the failure tolerant control section 60 specifies the faulty operation means and inputs the faulty operation amount, then the output of the fault diagnosis section 40 is used. but not limited to. Moreover, although the degeneration command section 50 is provided in the control device 20 together with the fault-tolerant control section 60, only the degeneration command section 50 may be provided in the control device 20.

水中航走体1の状態方程式は、以下の式(4)によって表される。なお、式(4)は、船体座標系における線形化状態方程式である。 The state equation of the underwater vehicle 1 is expressed by the following equation (4). Note that equation (4) is a linearized state equation in the hull coordinate system.

Figure 0007404033000004
Figure 0007404033000004

式(4)において、Δuは速度uの変化量(微小増減分)、Δvは、速度vの変化量、Δwは、速度wの変化量、Δpは角速度pの変化量、Δqは角速度qの変化量、Δrは角速度rの変化量である。a11からa66は、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、及び角速度rのそれぞれに対応したA行列の各要素である。Δφはロール角φの変化量であり、Δθはピッチ角θの変化量である。a18からa69は、ロール角φ、及びピッチ角θのそれぞれに対応したA行列の各要素である。Δnは、機体において推進力を得るためのプロペラ2の回転数(スラスタ回転数)の変化量であり、Δδr1は、1番舵R1の舵角の変化量であり、Δδr2は、2番舵R2の舵角の変化量であり、Δδr3は、3番舵R3の舵角の変化量であり、Δδr4は、4番舵R4の舵角の変化量である。b11からb65は、回転数、1番舵R1の舵角、2番舵R2の舵角、3番舵R3の舵角、及び4番舵R4の舵角のそれぞれに対応したB行列の各要素である。式(4)においてA行列及びB行列については、水中航走体1の特性に応じて予め設定されている。 In equation (4), Δu is the amount of change in speed u (minimal increase/decrease), Δv is the amount of change in speed v, Δw is the amount of change in speed w, Δp is the amount of change in angular velocity p, and Δq is the amount of change in angular velocity q. The amount of change, Δr, is the amount of change in the angular velocity r. a11 to a66 are each element of the A matrix corresponding to velocity u, velocity v, velocity w, angular velocity p, angular velocity q, and angular velocity r, respectively. Δφ is the amount of change in roll angle φ, and Δθ is the amount of change in pitch angle θ. a18 to a69 are each element of the A matrix corresponding to the roll angle φ and the pitch angle θ, respectively. Δn is the amount of change in the rotation speed of the propeller 2 (thruster rotation speed) for obtaining propulsive force in the aircraft, Δδr1 is the amount of change in the rudder angle of the first rudder R1, and Δδr2 is the amount of change in the rudder angle of the second rudder R2. Δδr3 is the amount of change in the rudder angle of the third rudder R3, and Δδr4 is the amount of change in the rudder angle of the fourth rudder R4. b11 to b65 are each element of the B matrix corresponding to the rotation speed, the rudder angle of the first rudder R1, the rudder angle of the second rudder R2, the rudder angle of the third rudder R3, and the rudder angle of the fourth rudder R4, respectively. It is. In equation (4), the A matrix and the B matrix are set in advance according to the characteristics of the underwater vehicle 1.

式(4)において、各舵の舵角(Δδr1、Δδr2、Δδr3、Δδr4)は変数としているが、舵が故障して舵角が固着した場合には、舵角は一定(固定値)となる。具体的には、1番舵R1が固着した場合、式(4)について、1番舵R1に関する項を外乱項(定数項)として変形すると、式(5)を得る。 In equation (4), the rudder angles (Δδr1, Δδr2, Δδr3, Δδr4) of each rudder are variables, but if the rudder fails and the rudder angle becomes fixed, the rudder angle becomes constant (fixed value). . Specifically, when the No. 1 rudder R1 is stuck, Equation (5) is obtained by transforming the term related to the No. 1 rudder R1 into a disturbance term (constant term) in Equation (4).

Figure 0007404033000005
Figure 0007404033000005

式(5)において、右辺の最右項は、1番舵R1が故障したことによる力を示す項であり、外乱項となる。外乱項については、故障舵が特定されており、該故障舵の舵角がわかれば、固定値として設定される。故障舵が特定及び該故障舵の舵角(すなわち故障操作手段に関する情報)については、故障診断部40の出力が使用される。すなわち、外乱項において、Δδr1は固着角自体となる。固着故障の影響を外乱項として扱うため、舵の平衡状態(δr1=0deg)からの差をΔδr1としている。 In Equation (5), the rightmost term on the right side is a term indicating the force caused by the failure of the first rudder R1, and is a disturbance term. As for the disturbance term, if the faulty rudder is identified and the rudder angle of the faulty rudder is known, it is set as a fixed value. The output of the failure diagnosis section 40 is used to identify the failed rudder and to determine the rudder angle of the failed rudder (that is, information regarding the failed operating means). That is, in the disturbance term, Δδr1 becomes the sticking angle itself. In order to treat the influence of the stuck failure as a disturbance term, the difference from the equilibrium state of the rudder (δr1=0deg) is set as Δδr1.

式(5)について、機体の姿勢(ロール角φ、ピッチ角θ、ヨー角ψ)に関して、加速度と対角項を0となるように変形すると、式(6)を得る。式(6)では、角速度p、角速度q、及び角速度rの影響がないように式(5)が変形されている。 When formula (5) is transformed so that the acceleration and diagonal terms become 0 with respect to the attitude of the aircraft (roll angle φ, pitch angle θ, yaw angle ψ), formula (6) is obtained. In equation (6), equation (5) is modified so that there is no influence of angular velocity p, angular velocity q, and angular velocity r.

Figure 0007404033000006
Figure 0007404033000006

すなわち、式(6)は、外乱項と、正常舵(2番舵R2、3番舵R3、4番舵R4)の操作量の干渉項と各制御軸における状態量の干渉項の関係を示す式となっている。式(6)について、正常舵(2番舵R2、3番舵R3、4番舵R4)の操作量について解くことにより、外乱項や操作量と状態量の干渉項を打ち消すための正常舵(2番舵R2、3番舵R3、4番舵R4)の操作量を得ることができる。すなわち、式(6)から算出される操作量(Δδr2、Δδr3、Δδr4)は、舵角指令算出部30において算出された各舵の指令値に対する補正値となる。 In other words, Equation (6) shows the relationship between the disturbance term, the interference term of the operation amount of the normal rudders (No. 2 rudder R2, No. 3 rudder R3, and No. 4 rudder R4), and the interference term of the state amount of each control axis. It is a ceremony. By solving equation (6) for the operation amount of the normal rudder (2nd rudder R2, 3rd rudder R3, 4th rudder R4), the normal rudder (2nd rudder R2, 3rd rudder R3, 4th rudder R4) is calculated to cancel the disturbance term and the interference term between the manipulated variable and the state quantity. The operation amounts of the second rudder R2, the third rudder R3, and the fourth rudder R4 can be obtained. That is, the operation amounts (Δδr2, Δδr3, Δδr4) calculated from equation (6) are correction values for the command values for each rudder calculated by the rudder angle command calculation unit 30.

状態方程式において、状態量には機体の前進速度(速度u)が含まれており、前進速度にかかる係数は0に設定されていることが好ましい。前進速度にかかる係数は、操作手段の操作量に関する情報が影響している場合がある。このような場合において前進速度を加味して操作量を演算すると、操作量として正確な値が得られない可能性がある。このため、状態方程式において、前進速度にかかる係数を0とすることで、演算の不安定性を抑制することができる。具体的には、式(6)において、a41、a51、及びa61が0と設定される。 In the state equation, the state quantity includes the forward speed (velocity u) of the aircraft, and the coefficient related to the forward speed is preferably set to zero. The coefficient related to the forward speed may be influenced by information regarding the amount of operation of the operating means. In such a case, if the operation amount is calculated by taking the forward speed into account, there is a possibility that an accurate value for the operation amount will not be obtained. Therefore, by setting the coefficient related to the forward speed to 0 in the state equation, instability of calculation can be suppressed. Specifically, in equation (6), a41, a51, and a61 are set to 0.

状態方程式における各係数(A行列及び/またはB行列の要素)のうち少なくともいずれか1つは、機体の状態量に関するパラメータの関数として表されることが好ましい。A行列及び/またはB行列の要素は、水中航走体1の特性に応じて値が設定されるが、線形化は近似的に設定される。具体的には、特定の平衡点周りで線形近似が行われる。すなわち、線形近似した平衡点から離れた運転状態では、近似精度が低下する場合がある。このため、A行列及び/またはB行列の要素を、機体の状態量に関するパラメータの関数として設定しておくことで、運転状態に合わせて適切にA行列やB行列を設定することが可能となる。なお、A行列及び/またはB行列の要素のうち少なくともいずれか1つを機体の状態量に関するパラメータの関数として表すことが可能である。 It is preferable that at least one of the coefficients (elements of the A matrix and/or the B matrix) in the state equation be expressed as a function of a parameter related to the state quantity of the aircraft. The values of the elements of the A matrix and/or the B matrix are set according to the characteristics of the underwater vehicle 1, but linearization is set approximately. Specifically, a linear approximation is performed around a particular equilibrium point. That is, in operating conditions far from the linearly approximated equilibrium point, the approximation accuracy may decrease. Therefore, by setting the elements of the A matrix and/or B matrix as a function of parameters related to the state quantity of the aircraft, it becomes possible to appropriately set the A matrix and B matrix according to the operating state. . Note that at least one of the elements of the A matrix and/or the B matrix can be expressed as a function of a parameter related to the state quantity of the aircraft.

このため、耐故障制御部60の出力は、舵角指令算出部30の出力側で目標値に基づいて算出された各舵の指令値に対して加算処理される。このように、故障舵に関する外乱力を非干渉化するように設定した補正値によって正常舵の指令値を補正するため、正常舵の操作によって外乱力を無効化し、より安定的に航行を継続することが可能となる。 Therefore, the output of the fault-tolerant control unit 60 is added to the command value for each rudder calculated based on the target value on the output side of the rudder angle command calculation unit 30. In this way, the command value for the normal rudder is corrected using the correction value set to eliminate the disturbance force related to the faulty rudder, so the disturbance force is nullified by operating the normal rudder, and navigation can be continued more stably. becomes possible.

なお、本実施形態では、演算部62は、舵角指令算出部30において算出された各舵に対する指令値に対して、故障舵の影響を非干渉化するための補正値を演算する場合について説明したが、耐故障制御部60の機能を舵角指令算出部30へ含めてもよい。すなわち、目標値を加味しつつ故障舵の影響を低減するような各舵の指令値を算出することとしてもよい。すなわち、式(6)へ変形せずに式(5)を解くことによって、補正値としてではなく、指令値を算出することも可能である。 In the present embodiment, a case will be described in which the calculation unit 62 calculates a correction value for non-interfering with the influence of the failed rudder with respect to the command value for each rudder calculated by the rudder angle command calculation unit 30. However, the functions of the fault-tolerant control section 60 may be included in the steering angle command calculation section 30. That is, the command value for each rudder may be calculated so as to reduce the influence of the failed rudder while taking the target value into consideration. That is, by solving equation (5) without transforming it into equation (6), it is also possible to calculate a command value instead of a correction value.

また、式(5)では、固着による故障が発生した場合を例としたが、変形による故障が発生した場合には、式(5)に代えて式(7)を用いることとしてもよい。 Furthermore, in equation (5), a case where a failure occurs due to sticking is taken as an example, but if a failure occurs due to deformation, equation (7) may be used instead of equation (5).

Figure 0007404033000007
Figure 0007404033000007

変形では、舵角を操作することができるものの、指令値に一定の変形量が付加された舵角となる。式(7)では、1番舵R1の変形量(オフセット量)をδ1として、右辺の最右項に外乱項を示している。 In the deformation, although the steering angle can be manipulated, the steering angle becomes a command value with a fixed amount of deformation added. In Equation (7), the amount of deformation (the amount of offset) of the first rudder R1 is set as δ1, and the disturbance term is shown in the rightmost term on the right side.

耐故障制御部60の上記演算処理では、1番舵R1が故障した場合を例示して説明したが、他の舵についても同様に適応することが可能である。また、2枚故障(X舵のうち2つの舵が故障)の場合についても同様に適応することができる。 Although the above calculation processing of the fault-tolerant control unit 60 has been described by exemplifying the case where the first rudder R1 has failed, it is possible to apply the same to other rudders. Further, the same can be applied to a case where two rudders are out of order (two rudders out of the X rudders are out of order).

図10は、耐故障制御部60における演算処理の一例を示すフローである。例えば、図10のフローは、舵に故障が発生した場合に開始される。 FIG. 10 is a flowchart showing an example of arithmetic processing in the fault-tolerant control unit 60. For example, the flow in FIG. 10 is initiated when a failure occurs in the rudder.

まず、機体の状態量を取得する(S401)。例えば、機体の状態量として、速度u、速度v、速度w、角速度p、角速度q、角速度r、ピッチ角θ、ロール角φが取得される。 First, the state quantity of the aircraft is acquired (S401). For example, the speed u, speed v, speed w, angular speed p, angular speed q, angular speed r, pitch angle θ, and roll angle φ are acquired as state quantities of the aircraft.

次に、故障舵に関する情報を取得する(S402)。例えば、故障舵特定情報及びその故障舵角である。故障舵に関する情報については、故障舵の特定及び故障時の舵角がわかれば、故障舵特定情報及びその故障舵角に限定されず用いることが可能である。 Next, information regarding the failed rudder is acquired (S402). For example, it is the faulty rudder identification information and its faulty rudder angle. Information regarding a faulty rudder can be used without being limited to the faulty rudder identification information and its faulty rudder angle, as long as the faulty rudder is identified and the rudder angle at the time of the fault is known.

そして、正常舵に対する補正値を算出する(S403)。具体的には、故障舵の影響を外乱として設定した状態方程式を解くことによって、故障舵の影響を低減するように、故障舵以外の舵の指令値の補正値が演算される。なお、S403においては、補正値を演算する場合に限定されず、状態方程式を解くことにより外乱を加味した舵の指令値を算出することとしてもよい。 Then, a correction value for the normal rudder is calculated (S403). Specifically, by solving a state equation in which the influence of the failed rudder is set as a disturbance, correction values for the command values of rudders other than the failed rudder are calculated so as to reduce the influence of the failed rudder. Note that S403 is not limited to calculating a correction value, but may also calculate a rudder command value that takes into account disturbances by solving a state equation.

(耐故障制御部による非干渉化の効果)
次に、上述の耐故障制御部60の非干渉化による効果について図12を参照して説明する。図12では、4番舵R4に固着故障が発生した場合における水中航走体1の移動軌跡を示している。このため、図12では、絶対座標系において3次元直交座標系を示している。具体的には、z軸方向を深度Zとし、x軸方向及びy軸方向を位置X及び位置Yとして示している。
(Effect of non-interference by fault-tolerant control unit)
Next, the effect of non-interference of the above-mentioned fault-tolerant control section 60 will be explained with reference to FIG. 12. FIG. 12 shows a movement trajectory of the underwater vehicle 1 when a sticking failure occurs in the fourth rudder R4. For this reason, FIG. 12 shows a three-dimensional orthogonal coordinate system in the absolute coordinate system. Specifically, the z-axis direction is shown as the depth Z, and the x-axis direction and the y-axis direction are shown as the position X and the position Y.

水中航走体1は、直進方向を目標軌道として運転されており、点Pにおいて故障(4番舵R4の固着)が発生したとする。すると、非干渉化制御を行わない場合には、固着した故障舵の影響によって機体は目標軌道から大きくずれる。一方で、非干渉化制御を行った場合には、機体は直ちに目標軌道へ復帰して運行を継続することができる。 It is assumed that the underwater vehicle 1 is being operated with the straight-ahead direction as the target trajectory, and that a failure (the number four rudder R4 is stuck) occurs at a point P. Then, if non-interference control is not performed, the aircraft will deviate significantly from the target trajectory due to the influence of the stuck faulty rudder. On the other hand, when non-interference control is performed, the aircraft can immediately return to the target trajectory and continue operation.

このように、非干渉化制御を行うことによって、故障舵の影響を抑制して迅速に運行復帰を行うことが可能となる。 In this way, by performing non-interference control, it becomes possible to suppress the influence of the failed rudder and quickly return to operation.

なお、縮退化制御では、2故障の場合(正常に制御可能な舵の数が機体の姿勢に関する制御量の数よりも少なくなってしまった場合)でも、優先順位の低い制御対象に対する制御を省略して、優先順位の高い制御対象に対する制御を実行する。このため、縮退化制御では、より重篤な故障の場合でも制御不安定となることを抑制し、優先的な目的運行をより確実に行うことが可能となる。 In addition, in degenerate control, even in the case of 2 failures (when the number of normally controllable rudders becomes smaller than the number of control variables related to the aircraft attitude), control for lower priority control targets is omitted. Then, control is executed for the control target with high priority. Therefore, in degenerate control, control instability can be suppressed even in the case of a more serious failure, and preferential target operation can be performed more reliably.

すなわち、縮退化制御と、非干渉化制御とによって、舵の故障に対してより効果的に運行継続を行うことが可能となる。 In other words, degeneracy control and non-interference control make it possible to continue operation more effectively in the event of a rudder failure.

以上説明したように、本実施形態に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムによれば、水中航走体1の状態量を状態変数とし舵の操作量を入力とした状態方程式において、状態変数として取得した状態量を用い、故障舵に関する情報に基づいて故障舵に関する項を外乱項とすることで、故障舵以外の舵の操作量を演算することができる。そして、操作量は、故障が発生した故障舵に係る外乱項を考慮して演算される。すなわち、故障舵の影響を低減するように、故障舵以外の舵の操作量が演算される。例えば、舵に故障(例えば固着や変形)が発生し、水中航走体1の姿勢に影響を及ぼす可能性がある場合であっても、他の舵(故障が発生していない舵)によって、該影響を抑制することが可能となる。なお、故障舵に関する情報とは、例えば故障が発生した舵を特定するための情報や、故障が発生した舵の操作量(例えば固着した操作量)である。 As explained above, according to the control system, structure, control method, and control program according to the present embodiment, the state equation uses the state quantity of the underwater vehicle 1 as the state variable and the rudder operation amount as the input. In this case, by using the state quantity acquired as a state variable and setting the term related to the failed rudder as a disturbance term based on the information regarding the failed rudder, it is possible to calculate the operation amount of the rudder other than the failed rudder. The manipulated variable is calculated in consideration of the disturbance term related to the failed rudder in which the failure has occurred. That is, the operation amounts of rudders other than the failed rudder are calculated so as to reduce the influence of the failed rudder. For example, even if a failure (for example, sticking or deformation) occurs in a rudder, which may affect the attitude of the underwater vehicle 1, other rudders (rudders with no failure) may It becomes possible to suppress this influence. Note that the information regarding the failed rudder is, for example, information for specifying the rudder in which the failure has occurred, or the amount of operation of the rudder in which the failure has occurred (for example, the amount of operation that is stuck).

また、状態方程式において、外乱項を打ち消すように故障舵以外の舵の操作量を演算することによって、該故障舵による影響分をキャンセルするための舵(故障が発生していない)の操作量を演算することができる。例えば、演算した操作量を補正値として用いることにより、故障舵の影響を抑制するような各舵の操作量を演算することができる。 In addition, in the state equation, by calculating the operation amount of rudders other than the faulty rudder so as to cancel the disturbance term, we can calculate the operation amount of the rudder (no fault has occurred) to cancel the influence of the faulty rudder. Can be calculated. For example, by using the calculated operation amount as a correction value, it is possible to calculate the operation amount of each rudder so as to suppress the influence of the failed rudder.

また、状態方程式における係数を、水中航走体1の状態量に関するパラメータの関数とすることによって、水中航走体1の状態によって適切に係数の値を設定することができる。このため、より精度よく、状態方正式を用いた演算を行うことが可能となる。状態方程式において水中航走体1の前進速度にかかる係数を0と設定した。前進速度にかかる係数には、舵の操作量に関する情報が影響している場合がある。このような場合において前進速度を加味して操作量を演算すると、操作量として正確な値が得られない可能性がある。このため、状態方程式において、前進速度にかかる係数を0とすることで、より正確な演算を行うことが可能となる。 Further, by making the coefficients in the state equation a function of parameters related to the state quantities of the underwater vehicle 1, the values of the coefficients can be appropriately set depending on the state of the underwater vehicle 1. Therefore, it becomes possible to perform calculations using the state formula with higher accuracy. In the state equation, the coefficient related to the forward speed of the underwater vehicle 1 was set to 0. The coefficient related to the forward speed may be influenced by information regarding the amount of operation of the rudder. In such a case, if the operation amount is calculated by taking the forward speed into account, there is a possibility that an accurate value for the operation amount will not be obtained. Therefore, by setting the coefficient related to the forward speed to 0 in the state equation, it becomes possible to perform more accurate calculations.

〔第2実施形態〕
次に、本開示の第2実施形態に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムについて説明する。
上述した第1実施形態では、単一故障によるオブザーバを使用する場合についてしていたが、本実施形態では、複数故障におけるオブザーバについて説明する。以下、本実施形態に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムについて、第1実施形態と異なる点について主に説明する。
[Second embodiment]
Next, a control system, structure, control method, and control program according to a second embodiment of the present disclosure will be described.
In the first embodiment described above, the case where an observer due to a single failure is used is described, but in this embodiment, an observer based on multiple failures will be described. Hereinafter, the control system, structure, control method, and control program according to the present embodiment will be mainly described with respect to differences from the first embodiment.

上記の実施形態のように各オブザーバを用いて多数決ロジックにより1つの故障舵を特定した場合、1回の処理では1つの故障舵が特定される。そして、複数故障(例えば2つの舵が故障)が発生した場合には、特定処理毎に、異なる故障舵が特定されることとなる。具体的には、1番舵R1と2番舵R2が故障している場合には、ある特定処理では1番舵R1の故障が特定され別の特定処理では2番舵R2の故障が特定される。これは、使用する状態量の変化に応じて、多数決ロジックにおいて特定される故障舵が異なる場合があるからである。すなわち、特定された故障舵の情報を保有しておくことで、複数故障の場合における故障舵を特定することができる。 When one faulty rudder is identified by majority logic using each observer as in the above embodiment, one faulty rudder is identified in one process. If multiple failures occur (for example, two rudders are out of order), different failed rudders will be identified in each identification process. Specifically, when the first rudder R1 and the second rudder R2 are out of order, one specific process identifies the failure in the first rudder R1, and another specific process identifies the failure in the second rudder R2. Ru. This is because the faulty rudder specified in the majority logic may differ depending on the change in the state quantity used. That is, by retaining information on the identified failed rudder, it is possible to identify the failed rudder in the case of multiple failures.

このため、本実施形態における故障診断部40は、2故障用のオブザーバを用いて故障舵角の推定を行う。図13に示すように、故障診断部40は、複数故障用推定部71と、選択部72とを更に備えている。本実施形態では、2故障の場合について説明するが複数故障の場合であれば同様に適応することができる。 Therefore, the failure diagnosis unit 40 in this embodiment estimates the failure steering angle using an observer for two failures. As shown in FIG. 13, the failure diagnosis unit 40 further includes a multiple failure estimation unit 71 and a selection unit 72. In this embodiment, a case of two failures will be described, but the present invention can be similarly applied to cases of multiple failures.

複数故障用推定部71は、複数の操作手段に対して故障が発生していると判定された場合に、構造体の状態量と、故障が発生していると判定された操作手段以外の操作手段の指令値とに基づいて、故障が発生していると判定された操作手段に対する操作量を推定する。具体的には、複数故障用推定部71は、2故障用オブザーバを用いて、故障舵角を推定する。 When it is determined that a failure has occurred with respect to a plurality of operation means, the multiple failure estimation unit 71 calculates the state quantity of the structure and the operation of the operation means other than the operation means for which it has been determined that a failure has occurred. Based on the command value of the means, the amount of operation for the operating means determined to be malfunctioning is estimated. Specifically, the multiple failure estimation unit 71 estimates the failure steering angle using two failure observers.

2故障用オブザーバとは、2つの舵を正常と仮定してその他の舵における舵角を推定するオブザーバである。2故障用オブザーバによる舵角推定原理は、上記実施形態と同様である。例えば、1番舵R1及び2番舵R2を正常と仮定して3番舵R3及び4番舵R4の舵角を推定する2故障用オブザーバは、以下の式(8)となる。

Figure 0007404033000008
The two-failure observer is an observer that assumes that two rudders are normal and estimates the rudder angles of the other rudders. The principle of estimating the steering angle using the two failure observers is the same as in the above embodiment. For example, a two-failure observer that estimates the rudder angles of the third rudder R3 and the fourth rudder R4 assuming that the first rudder R1 and the second rudder R2 are normal is expressed by the following equation (8).
Figure 0007404033000008

式(8)は、式(1)において、1番舵R1及び2番舵R2を正常として変形した式である。式(8)によれば、1番舵R1及び2番舵R2を正常と仮定して(指令値を用いて)3番舵R3及び4番舵R4の舵角を推定することができる。 Equation (8) is a modified form of Equation (1), assuming that the first rudder R1 and the second rudder R2 are normal. According to Equation (8), the rudder angles of the third rudder R3 and the fourth rudder R4 can be estimated assuming that the first rudder R1 and the second rudder R2 are normal (using the command values).

複数故障用推定部71は、図13のように、各舵の2つ故障に対応する各2故障用オブザーバを備えている。具体的には、1番舵R1及び2番舵R2を正常と仮定して3番舵R3及び4番舵R4の舵角を推定する2故障用オブザーバ#12、1番舵R1及び3番舵R3を正常と仮定して1番舵R1及び4番舵R4の舵角を推定する2故障用オブザーバ#13、1番舵R1及び4番舵R4を正常と仮定して2番舵R2及び3番舵R3の舵角を推定する2故障用オブザーバ#14、2番舵R2及び3番舵R3を正常と仮定して1番舵R1及び4番舵R4の舵角を推定する2故障用オブザーバ#23、2番舵R2及び4番舵R4を正常と仮定して1番舵R1及び3番舵R3の舵角を推定する2故障用オブザーバ#24、及び3番舵R3及び4番舵R4を正常と仮定して1番舵R1及び2番舵R2の舵角を推定する2故障用オブザーバ#34を備えている。 As shown in FIG. 13, the multiple failure estimation unit 71 includes two failure observers corresponding to two failures of each rudder. Specifically, two failure observers #12, which estimate the rudder angles of the third rudder R3 and the fourth rudder R4 assuming that the first rudder R1 and the second rudder R2 are normal, the first rudder R1 and the third rudder 2 failure observer #13 estimates the rudder angles of the first rudder R1 and the fourth rudder R4 assuming that R3 is normal, and the second rudder R2 and R3 assumes that the first rudder R1 and the fourth rudder R4 are normal. 2 failure observer #14 that estimates the rudder angle of rudder R3; 2 failure observer #14 that estimates the rudder angle of 1st rudder R1 and 4th rudder R4 assuming that 2nd rudder R2 and 3rd rudder R3 are normal; #23, 2-failure observer #24 that estimates the rudder angles of No. 1 rudder R1 and No. 3 rudder R3 assuming that No. 2 rudder R2 and No. 4 rudder R4 are normal, and No. 3 rudder R3 and No. 4 rudder R4 The second failure observer #34 is provided for estimating the rudder angles of the first rudder R1 and the second rudder R2 assuming that the rudders are normal.

すなわち、故障舵に応じて、対応する2故障用オブザーバを用いて故障舵角を推定する。例えば、故障が発生したと判定された舵以外の舵を正常と仮定する2故障用オブザーバによって、2つの故障舵の推定舵角を算出する。 That is, depending on the faulty rudder, the faulty rudder angle is estimated using two corresponding faulty observers. For example, the estimated rudder angles of the two failed rudders are calculated using a two-failure observer that assumes that the rudders other than the rudder determined to have failed are normal.

例えば、判定部42において、1番舵R1と2番舵R2に故障が発生していると判定された場合には、2故障用オブザーバ#34を用いて、3番舵R3及び4番舵R4を正常と仮定して1番舵R1及び2番舵R2の舵角を推定する。 For example, when the determination unit 42 determines that a failure has occurred in the first rudder R1 and the second rudder R2, the second failure observer #34 is used to The rudder angles of the first rudder R1 and the second rudder R2 are estimated assuming that the rudder is normal.

選択部72は、2の舵に故障が判定された場合に、2故障用オブザーバを選択する。具体的には、選択部72は、判定部42からの出力を保有し、2つの異なる舵に故障が発生していると判定された場合に、対応する2故障用オブザーバを選択する。判定部42では、1つの故障舵を特定しているため、2故障の場合には、処理毎に、異なる故障舵が特定されることとなる。このため選択部72では、判定部42からの出力を保有しておくことで、2つの異なる舵の故障を認識することができる。 The selection unit 72 selects the second failure observer when it is determined that the second rudder has a failure. Specifically, the selection unit 72 retains the output from the determination unit 42, and selects two corresponding failure observers when it is determined that failures have occurred in two different rudders. Since the determination unit 42 identifies one faulty rudder, in the case of two faults, a different faulty rudder will be identified for each process. Therefore, by retaining the output from the determination unit 42, the selection unit 72 can recognize two different rudder failures.

例えば、選択部72において1番舵R1と2番舵R2の故障を認識した場合には、2故障用オブザーバ#34を選択する。 For example, when the selection unit 72 recognizes failures in the first rudder R1 and the second rudder R2, the second failure observer #34 is selected.

選択部72において2故障用オブザーバが選択されると、複数故障用推定部71では、該2故障用オブザーバによって、2つの異なる故障舵の推定舵角が推定される。例えば、複数故障用推定部71が選択された場合には、故障舵である1番舵R1と2番舵R2の舵角が推定される。選択部72では、選択した2故障用オブザーバから出力された2つの故障舵の推定舵角を、各故障舵の故障舵角として出力する。このようにして、複数の故障舵の特定と、該故障舵のそれぞれの故障舵角が特定される。 When the selection unit 72 selects the two failure observers, the multiple failure estimation unit 71 estimates the estimated rudder angles of two different failure rudders using the two failure observers. For example, when the multiple failure estimator 71 is selected, the rudder angles of the first rudder R1 and the second rudder R2, which are the failed rudders, are estimated. The selection unit 72 outputs the estimated rudder angles of the two failed rudders output from the selected two failure observers as the failed rudder angles of each failed rudder. In this way, a plurality of faulty rudders and the faulty rudder angles of each of the faulty rudders are identified.

上記例では、2故障の場合を例として説明をしたが、複数故障の場合であれば同様に適応することができる。 In the above example, the case of two failures was explained as an example, but the same can be applied to the case of multiple failures.

以上説明したように、本実施形態に係る制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムによれば、2つの操作手段に対して故障が発生していると判定された場合であっても、構造体の状態量と、操作手段のうち2つの操作手段の指令値とに基づいて、操作手段のうち他の操作手段に対する操作量を推定する複数故障用推定処理を、各操作手段に対応して行うことで、各操作手段に対応する各操作量を推定することができる。このため、推定された各操作手段にそれぞれ対応する各操作量に基づいて故障判定を行うことができる。 As explained above, according to the control system, structure, control method, and control program according to the present embodiment, even when it is determined that a failure has occurred in two operating means, , based on the state quantity of the structure and the command values of two of the operating means, a multi-failure estimation process is applied to each operating means to estimate the operation amount for other operating means. By doing so, each operation amount corresponding to each operation means can be estimated. Therefore, failure can be determined based on the estimated operation amounts corresponding to each operation means.

本開示は、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。なお、各実施形態を組み合わせることも可能である。 The present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention. Note that it is also possible to combine each embodiment.

以上説明した各実施形態に記載の制御システム及び構造体、並びに制御方法、並びに制御プログラムは例えば以下のように把握される。
本開示に係る制御システムは、機体の姿勢に関する制御量(θ、ψ、φ)を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段(R)によって制御する構造体(1)に適用される制御システムであって、機体の状態量を取得する取得部(61)と、機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段(R)の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段(R)である故障操作手段(R)に関する情報に基づいて前記故障操作手段(R)に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段(R)以外の前記操作手段(R)の前記操作量を演算する演算部(62)と、を備える。
The control system, structure, control method, and control program described in each of the embodiments described above can be understood, for example, as follows.
The control system according to the present disclosure is applied to a structure (1) in which control amounts (θ, ψ, φ) regarding the attitude of the aircraft are controlled by a plurality of operating means (R) larger than the number of control amounts. In the control system, a failure has occurred in the acquisition unit (61) that acquires the state quantity of the aircraft and the state equation in which the state quantity of the aircraft is the state variable and the manipulated variable of the operating means (R) is input. A term related to the failure operation means (R) is set as a disturbance term based on information regarding the failure operation means (R) which is the operation means (R), and a term other than the failure operation means (R) is set based on the acquired state quantity. a calculation unit (62) that calculates the operation amount of the operation means (R).

本開示に係る制御システムによれば、機体の状態量を状態変数とし操作手段(R)の操作量を入力とした状態方程式において、状態変数として取得した状態量を用い、故障操作手段(R)に関する情報に基づいて故障操作手段(R)に関する項を外乱項とすることで、故障操作手段(R)以外の操作手段(R)の操作量を演算することができる。そして、操作量は、故障が発生した故障操作手段(R)に係る外乱項を考慮して演算される。すなわち、故障操作手段(R)の影響を低減するように、故障操作手段(R)以外の操作手段(R)の操作量が演算される。例えば、操作手段(R)に故障(例えば固着や変形)が発生し、機体の姿勢に影響を及ぼす可能性がある場合であっても、他の操作手段(R)(故障が発生していない操作手段(R))によって、該影響を抑制することが可能となる。なお、故障操作手段(R)に関する情報とは、例えば故障が発生した操作手段(R)を特定するための情報や、故障が発生した操作手段(R)の操作量(例えば固着した操作量)である。 According to the control system according to the present disclosure, in the state equation in which the state quantity of the aircraft body is the state variable and the operation amount of the operating means (R) is input, the state quantity acquired as the state variable is used, and the fault operating means (R) is By setting the term related to the failure operation means (R) as a disturbance term based on the information regarding the failure operation means (R), it is possible to calculate the operation amount of the operation means (R) other than the failure operation means (R). The operation amount is calculated in consideration of the disturbance term related to the faulty operating means (R) in which the fault has occurred. That is, the operation amount of the operating means (R) other than the faulty operating means (R) is calculated so as to reduce the influence of the faulty operating means (R). For example, even if a failure (e.g. sticking or deformation) occurs in the operating means (R), which may affect the attitude of the aircraft, other operating means (R) (which is not malfunctioning) The operating means (R)) makes it possible to suppress this influence. Note that the information regarding the faulty operating means (R) includes, for example, information for identifying the operating means (R) in which the fault has occurred, and the amount of operation of the operating means (R) in which the fault has occurred (for example, the amount of operation that is stuck). It is.

本開示に係る制御システムは、前記演算部(62)は、前記状態方程式に基づいて、前記外乱項を打ち消すように前記故障操作手段(R)以外の前記操作手段(R)の前記操作量を演算することとしてもよい。 In the control system according to the present disclosure, the calculation unit (62) adjusts the operation amount of the operation means (R) other than the failure operation means (R) based on the state equation so as to cancel the disturbance term. It may also be calculated.

本開示に係る制御システムによれば、状態方程式において、外乱項を打ち消すように故障操作手段(R)以外の操作手段(R)の操作量を演算することによって、該故障操作手段(R)による影響分をキャンセルするための操作手段(R)(故障が発生していない)の操作量を演算することができる。例えば、演算した操作量を補正値として用いることにより、故障操作手段(R)の影響を抑制するような各操作手段(R)の操作量を演算することができる。 According to the control system according to the present disclosure, by calculating the operation amount of the operating means (R) other than the fault operating means (R) so as to cancel the disturbance term in the state equation, It is possible to calculate the amount of operation of the operating means (R) (in which no failure has occurred) for canceling the influence. For example, by using the calculated operation amount as a correction value, it is possible to calculate the operation amount of each operation means (R) that suppresses the influence of the failed operation means (R).

本開示に係る制御システムは、前記演算部(62)は、前記状態方程式において、前記状態変数の微分項を0とし、前記故障操作手段(R)以外の前記操作手段(R)の前記操作量に対して解くことにより、演算を行うこととしてもよい。 In the control system according to the present disclosure, the calculation unit (62) sets the differential term of the state variable to 0 in the state equation, and sets the operation amount of the operation means (R) other than the failure operation means (R) to 0. The calculation may be performed by solving for .

本開示に係る制御システムによれば、状態方程式における状態変数の微分項を0として、該状態方程式を、故障操作手段(R)以外の操作手段(R)の操作量に対して解くことによって、外乱項を打ち消すような故障操作手段(R)以外の操作手段(R)の操作量を演算することができる。 According to the control system according to the present disclosure, by setting the differential term of the state variable in the state equation to 0, and solving the state equation for the operation amount of the operation means (R) other than the failure operation means (R), It is possible to calculate the operation amount of the operation means (R) other than the failure operation means (R) that cancels out the disturbance term.

本開示に係る制御システムは、前記状態方程式における各係数のうち少なくともいずれか1つは、機体の状態量に関するパラメータの関数として表されることとしてもよい。 In the control system according to the present disclosure, at least one of the coefficients in the state equation may be expressed as a function of a parameter related to the state quantity of the aircraft.

本開示に係る制御システムによれば、状態方程式における係数を、機体の状態量に関するパラメータの関数とすることによって、機体の状態によって適切に係数の値を設定することができる。このため、より精度よく、状態方正式を用いた演算を行うことが可能となる。 According to the control system according to the present disclosure, by making the coefficient in the state equation a function of a parameter related to the state quantity of the aircraft, the value of the coefficient can be appropriately set depending on the state of the aircraft. Therefore, it becomes possible to perform calculations using the state formula with higher accuracy.

本開示に係る制御システムは、前記状態方程式において、前記状態量には機体の前進速度が含まれており、前記前進速度にかかる係数は0に設定されていることとしてもよい。 In the control system according to the present disclosure, in the state equation, the state quantity may include a forward speed of the aircraft, and a coefficient related to the forward speed may be set to zero.

本開示に係る制御システムによれば、状態方程式において機体の前進速度にかかる係数を0と設定した。前進速度には、操作手段(R)の操作量に関する情報が影響している場合がある。このような場合において前進速度にかかる係数を加味して操作量を演算すると、操作量として正確な値が得られない可能性がある。このため、状態方程式において、前進速度にかかる係数を0とすることで、より正確な演算を行うことが可能となる。 According to the control system according to the present disclosure, the coefficient related to the forward speed of the aircraft is set to 0 in the state equation. The forward speed may be influenced by information regarding the amount of operation of the operating means (R). In such a case, if the manipulated variable is calculated by taking into account the coefficient related to the forward speed, an accurate value may not be obtained as the manipulated variable. Therefore, by setting the coefficient related to the forward speed to 0 in the state equation, it becomes possible to perform more accurate calculations.

本開示に係る制御システムは、前記操作手段(R)は、アクチュエータにより駆動されることとしてもよい。 In the control system according to the present disclosure, the operating means (R) may be driven by an actuator.

本開示に係る制御システムによれば、操作手段(R)としてアクチュエータを対象とすることができる。 According to the control system according to the present disclosure, an actuator can be used as the operating means (R).

本開示に係る構造体(1)は、機体の姿勢を制御する複数の操作手段(R)と、上記の制御システムとを備える。 A structure (1) according to the present disclosure includes a plurality of operating means (R) for controlling the attitude of the aircraft body, and the above-mentioned control system.

本開示に係る制御方法は、機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段(R)によって制御する構造体(1)に適用される制御方法であって、機体の状態量を取得する工程と、機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段(R)の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段(R)である故障操作手段(R)に関する情報に基づいて前記故障操作手段(R)に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段(R)以外の前記操作手段(R)の前記操作量を演算する工程と、を有する。 A control method according to the present disclosure is a control method applied to a structure (1) in which a control amount related to the attitude of an aircraft body is controlled by a plurality of operating means (R) that is larger than the number of control amounts, In the state equation in which the state quantity of the aircraft is the state variable and the operation amount of the operation means (R) is input, the failure operation means is the operation means (R) in which the failure has occurred. A term related to the failure operation means (R) is set as a disturbance term based on information regarding the failure operation means (R), and the operation amount of the operation means (R) other than the failure operation means (R) is set based on the obtained state quantity. and a step of calculating.

本開示に係る制御プログラムは、機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段(R)によって制御する構造体(1)に適用される制御プログラムであって、機体の状態量を取得する処理と、機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段(R)の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段(R)である故障操作手段(R)に関する情報に基づいて前記故障操作手段(R)に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段(R)以外の前記操作手段(R)の前記操作量を演算する処理と、をコンピュータに実行させる。 A control program according to the present disclosure is a control program that is applied to a structure (1) that controls a control amount regarding the attitude of an aircraft body by a plurality of operating means (R) that is larger than the number of control amounts, In a state equation in which the state quantity of the aircraft is a state variable and the operation amount of the operation means (R) is input, a failure operation means is the operation means (R) in which a failure has occurred. A term related to the failure operation means (R) is set as a disturbance term based on information regarding the failure operation means (R), and the operation amount of the operation means (R) other than the failure operation means (R) is set based on the obtained state quantity. A computer is made to perform a process of calculating .

1 :水中航走体(構造体)
2 :プロペラ
11 :CPU
12 :ROM
13 :RAM
14 :ハードディスクドライブ
15 :通信部
18 :バス
20 :制御装置(制御システム)
30 :舵角指令算出部
31 :仮想舵角算出部
32 :分配部
33 :深度制御器
34 :方位制御器
35 :ロール制御器
36 :姿勢角制御器
37 :無効化部
40 :故障診断部(故障診断システム)
41 :推定部
42 :判定部
45 :演算部(故障操作量演算部)
50 :縮退指令部
60 :耐故障制御部
61 :取得部
62 :演算部(指令値演算部)
71 :複数故障用推定部
72 :選択部
A1 :第1AND部
A2 :第2AND部
A3 :第3AND部
A4 :第4AND部
R1~R4:舵(操作手段)
S1 :第1特定部
S2 :第2特定部
S3 :第3特定部
S4 :第4特定部
Z :深度
p :角速度
q :角速度
r :角速度
u :速度
v :速度
w :速度
θ :ピッチ角
φ :ロール角
ψ :ヨー角
1: Underwater vehicle (structure)
2: Propeller 11: CPU
12:ROM
13: RAM
14: Hard disk drive 15: Communication section 18: Bus 20: Control device (control system)
30: Rudder angle command calculation unit 31: Virtual steering angle calculation unit 32: Distribution unit 33: Depth controller 34: Direction controller 35: Roll controller 36: Attitude angle controller 37: Invalidation unit 40: Failure diagnosis unit ( failure diagnosis system)
41: Estimation unit 42: Determination unit 45: Calculation unit (failure operation amount calculation unit)
50: Degeneration command unit 60: Fault-tolerant control unit 61: Acquisition unit 62: Calculation unit (command value calculation unit)
71: Multiple failure estimation section 72: Selection section A1: First AND section A2: Second AND section A3: Third AND section A4: Fourth AND section R1 to R4: Rudder (operating means)
S1: First specifying section S2: Second specifying section S3: Third specifying section S4: Fourth specifying section Z: Depth p: Angular velocity q: Angular velocity r: Angular velocity u: Velocity v: Velocity w: Velocity θ: Pitch angle φ : Roll angle ψ : Yaw angle

Claims (7)

機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御システムであって、
機体の状態量を取得する取得部と、
機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段である故障操作手段に関する情報に基づいて前記故障操作手段に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する演算部と、
を備え
前記演算部は、前記状態方程式に基づいて、前記外乱項を打ち消すように前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する制御システム。
A control system applied to a structure in which a control amount regarding the attitude of an aircraft body is controlled by a plurality of operating means greater than the number of control amounts, the control system comprising:
an acquisition unit that acquires state quantities of the aircraft;
In a state equation in which the state quantity of the aircraft is a state variable and the operation amount of the operation means is input, a term regarding the failure operation means is set as a disturbance term based on information regarding the failure operation means, which is the operation means in which a failure has occurred. a calculation unit that calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the set and acquired state quantity;
Equipped with
The calculation unit is a control system that calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the state equation so as to cancel the disturbance term.
前記状態方程式における各係数のうち少なくともいずれか1つは、機体の状態量に関するパラメータの関数として表される請求項1に記載の制御システム。 The control system according to claim 1 , wherein at least one of the coefficients in the state equation is expressed as a function of a parameter related to a state quantity of the aircraft. 前記状態方程式において、前記状態量には機体の前進速度が含まれており、前記前進速度にかかる係数は0に設定されている請求項1または2に記載の制御システム。 3. The control system according to claim 1 , wherein in the state equation, the state quantity includes a forward speed of the aircraft, and a coefficient related to the forward speed is set to zero. 前記操作手段は、アクチュエータにより駆動される請求項1からのいずれか1項に記載の制御システム。 The control system according to any one of claims 1 to 3 , wherein the operating means is driven by an actuator. 機体の姿勢を制御する複数の操作手段と、
請求項1からのいずれか1項に記載の制御システムと
を備える構造体。
multiple operating means for controlling the attitude of the aircraft,
A structure comprising a control system according to any one of claims 1 to 4 .
機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御方法であって、
機体の状態量を取得する取得工程と、
機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段である故障操作手段に関する情報に基づいて前記故障操作手段に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する演算工程と、
を有し、
前記演算工程において、前記状態方程式に基づいて、前記外乱項を打ち消すように前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する制御方法。
A control method applied to a structure in which a control amount regarding the attitude of an aircraft body is controlled by a plurality of operating means greater than the number of control amounts, the control method comprising:
an acquisition step of acquiring state quantities of the aircraft;
In a state equation in which the state quantity of the aircraft is a state variable and the operation amount of the operation means is input, a term regarding the failure operation means is set as a disturbance term based on information regarding the failure operation means, which is the operation means in which a failure has occurred. a calculation step of calculating the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the set and acquired state quantity;
has
In the calculation step, the control method calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the state equation so as to cancel the disturbance term .
機体の姿勢に関する制御量を、前記制御量の数よりも多い複数の操作手段によって制御する構造体に適用される制御プログラムであって、
機体の状態量を取得する取得処理と、
機体の状態量を状態変数とし、前記操作手段の操作量を入力とした状態方程式において、故障が発生した前記操作手段である故障操作手段に関する情報に基づいて前記故障操作手段に関する項を外乱項として設定し、取得した状態量に基づいて前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する演算処理と、
をコンピュータに実行させ
前記演算処理において、前記状態方程式に基づいて、前記外乱項を打ち消すように前記故障操作手段以外の前記操作手段の前記操作量を演算する制御プログラム。
A control program applied to a structure that controls a control amount related to the attitude of an aircraft body by a plurality of operating means greater than the number of control amounts, the control program comprising:
Acquisition processing for acquiring state quantities of the aircraft,
In a state equation in which the state quantity of the aircraft is a state variable and the operation amount of the operation means is input, a term regarding the failure operation means is set as a disturbance term based on information regarding the failure operation means, which is the operation means in which a failure has occurred. calculation processing for calculating the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the set and acquired state quantity;
make the computer run
In the calculation process, the control program calculates the operation amount of the operation means other than the failure operation means based on the state equation so as to cancel the disturbance term .
JP2019202331A 2019-11-07 2019-11-07 Control system and structure, control method, and control program Active JP7404033B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019202331A JP7404033B2 (en) 2019-11-07 2019-11-07 Control system and structure, control method, and control program

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019202331A JP7404033B2 (en) 2019-11-07 2019-11-07 Control system and structure, control method, and control program

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021077014A JP2021077014A (en) 2021-05-20
JP7404033B2 true JP7404033B2 (en) 2023-12-25

Family

ID=75899930

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019202331A Active JP7404033B2 (en) 2019-11-07 2019-11-07 Control system and structure, control method, and control program

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7404033B2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040163581A1 (en) 2003-02-21 2004-08-26 Solomon Budnik Multi-propulsion submersible ship
JP2008107943A (en) 2006-10-24 2008-05-08 Japan Agengy For Marine-Earth Science & Technology Stable robust control unit for sailing body, stable robust control system, stable robust control method and stable robust control program
JP2009179087A (en) 2008-01-29 2009-08-13 Ihi Corp Thrust control method and device for turning type thruster vessel

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040163581A1 (en) 2003-02-21 2004-08-26 Solomon Budnik Multi-propulsion submersible ship
JP2008107943A (en) 2006-10-24 2008-05-08 Japan Agengy For Marine-Earth Science & Technology Stable robust control unit for sailing body, stable robust control system, stable robust control method and stable robust control program
JP2009179087A (en) 2008-01-29 2009-08-13 Ihi Corp Thrust control method and device for turning type thruster vessel

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021077014A (en) 2021-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2687438B1 (en) Control system of aircraft, aircraft, control program for aircraft, and control method for aircraft
JP3967381B2 (en) Fault-tolerant automatic control system using analytical redundancy.
KR101189697B1 (en) Fault detector and detecting method for attitude control system of spacecaft
US10822113B2 (en) Actuator monitoring system using inertial sensors
Tang et al. Methodologies for adaptive flight envelope estimation and protection
Hu et al. Active fault-tolerant attitude tracking control with adaptive gain for spacecrafts
EP3030911B1 (en) Air data probe contamination monitor
JP7467076B2 (en) Fault diagnosis system and structure, fault diagnosis method, and fault diagnosis program
CN111880410B (en) Four-rotor unmanned aerial vehicle fault-tolerant control method for motor faults
JP2013049408A (en) Method and system for determining flight parameter of aircraft
CA2785692A1 (en) Control system of aircraft, method for controlling aircraft, and aircraft
CN113128035B (en) Civil aircraft flight control sensor signal reconstruction fault-tolerant control method
CN108732919A (en) The flight-control computer of aircraft
US20190378419A1 (en) Aircraft control system with residual error containment
Gao et al. EKF-based actuator fault detection and diagnosis method for tilt-rotor unmanned aerial vehicles
Falconí et al. Hexacopter outdoor flight test results using adaptive control allocation subject to an unknown complete loss of one propeller
Al Younes et al. Sensor fault diagnosis and fault tolerant control using intelligent-output-estimator applied on quadrotor UAV
Caliskan et al. Actuator fault diagnosis in a Boeing 747 model via adaptive modified two-stage Kalman filter
US9797726B2 (en) Reduced-order fail-safe IMU system for active safety application
Wang et al. A robust fault-tolerant control for quadrotor helicopters against sensor faults and external disturbances
JP7404033B2 (en) Control system and structure, control method, and control program
Falconì et al. Adaptive fault–tolerant position control of a hexacopter subject to an unknown motor failure
JP2021075126A (en) Control system, structure, control method, and control program
Keller et al. Aircraft flight envelope determination using upset detection and physical modeling methods
Ochi et al. Application of restructurable flight control system to large transport aircraft

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20220825

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20230628

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20230711

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20230825

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20231114

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20231213

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7404033

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150