JPH0379239B2 - - Google Patents

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JPH0379239B2
JPH0379239B2 JP58040273A JP4027383A JPH0379239B2 JP H0379239 B2 JPH0379239 B2 JP H0379239B2 JP 58040273 A JP58040273 A JP 58040273A JP 4027383 A JP4027383 A JP 4027383A JP H0379239 B2 JPH0379239 B2 JP H0379239B2
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JP
Japan
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circuit
calculation
noise
rotational motion
plant noise
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Application number
JP58040273A
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Japanese (ja)
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JPS59167399A (en
Inventor
Hidemitsu Yamada
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Tokyo Keiki Inc
Original Assignee
Tokimec Inc
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Publication date
Application filed by Tokimec Inc filed Critical Tokimec Inc
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Publication of JPH0379239B2 publication Critical patent/JPH0379239B2/ja
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する分野〕 本発明は、自動操舵装置に係り、とくに天候調
整をカルマンフイルタを用いて行なうようにした
自動操舵装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of the Invention] The present invention relates to an automatic steering system, and more particularly to an automatic steering system in which weather adjustment is performed using a Kalman filter.

〔背景技術とその問題点〕 船舶の所謂オートパイロツト機構には従来から
天候調整装置が装備されている。この天候調整装
置は、海象状態が荒れたとき、波浪によつて誘起
される回頭運動の高周波成分に応答するような無
駄舵をなくし、馬力損失や舵機等の消耗を防止せ
んとするものである。
[Background Art and its Problems] The so-called autopilot mechanism of ships has conventionally been equipped with a weather adjustment device. This weather adjustment device eliminates wasted rudder that responds to high-frequency components of turning motion induced by waves when sea conditions become rough, and prevents loss of horsepower and wear and tear on the rudder, etc. be.

しかしながら、従来の線形フイルタやバツクラ
ツシ、不感帯、二重舵角比等の非線形要素を用い
た天候調整装置では、操舵で抑えることができな
い高周波成分のみを除去する目的からは必ずしも
十分なものとは言えず、例えば操舵に関連した回
頭運動の成分(本来制御すべき風による成分を含
む)も一緒に除去してしまうので操舵制御系の速
応性に欠け、性能に限界が生じるという不都合が
あつた。また、調整値の設定の仕方によつて保針
性能が大きく左右されるため、例えば航海者が手
動で調整を行なつた場合など最適な天候調整を得
ることは事実上殆んど不可能であつた。
However, conventional weather adjustment devices that use nonlinear elements such as linear filters, butterflies, dead zones, and dual steering angle ratios are not necessarily sufficient for the purpose of removing only high-frequency components that cannot be suppressed by steering. First, for example, components of turning motion related to steering (including components due to wind that should be controlled) are also removed, resulting in a lack of quick response of the steering control system and a limitation in performance. Additionally, since course-keeping performance is greatly affected by how the adjustment values are set, it is virtually impossible to obtain optimal weather adjustment, for example, when the navigator manually adjusts the weather. It was hot.

かかる欠点を有する従来の天候調整に対し、本
発明者は、これを改善するためカルマンフイルタ
(最適フイルタ)を利用した天候調整方法を考案
した。
The present inventor devised a weather adjustment method using a Kalman filter (optimal filter) in order to improve the conventional weather adjustment which has such drawbacks.

カルマンフイルタとはシステム方程式と観測方
程式の各々から得る推定値に最小自乗法を適用し
て信頼度の高い最適推定値を求めるための計算機
向きアルゴリズムを提供するフイルタであり、外
乱処理に有効なものである。このカルマンフイル
タを用いて方位偏位(時系列信号)のフイルタリ
ングを行なうことにより雑音成分、即ち操舵で抑
えることのできない高周波成分のみを除去できる
可能性がある。以下、カルマンフイルタの手法に
ついて説明する。
Kalman filter is a filter that provides a computer-friendly algorithm to obtain highly reliable optimal estimates by applying the least squares method to the estimated values obtained from each of the system equation and observation equation, and is effective for disturbance processing. It is. By filtering the azimuth deviation (time-series signal) using this Kalman filter, it is possible to remove only noise components, that is, high-frequency components that cannot be suppressed by steering. The Kalman filter method will be explained below.

まず、カルマンフイルタの基本となるシステム
方程式と観測方程式について述べる。システム方
程式は、船体の操舵応答で「野本の一次近似モデ
ル」によると T¨+〓=K(δ+v) ……(1) ここで、K、T:操縦性指数 ψ:旋回角速度 δ:舵角 v:プラントノイズ で表わされる。これを離散化した定差方程式は、 x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+Γv(k) ……(2) ここで、 A=1、{EXP(a1τ)−1}/a1 0、 EXP(a1τ) =1、α1 0、α2 B= a2、{EXP(a1τ)−a1τ−1}/(a1)2 a2、{EXP(a1τ)−1}/a1 =β1 β2 Γ=B x(k)=x1(k) x2(k)=ψe(k) 〓(k) u(k)=δ(k) a1=−1/T;a1=K/T v(k):プラントノイズ、正規性白色ノイズ (平均値0、分散Q) τ:サンプリングタイム となる。
First, we will discuss the system equation and observation equation that are the basis of the Kalman filter. The system equation is the steering response of the ship, and according to Nomoto's first-order approximation model, T¨+〓=K(δ+v)...(1) where, K, T: Maneuverability index ψ: Turning angular velocity δ: Rudder angle v: Represented by plant noise. The constant difference equation that discretizes this is x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+Γv(k)...(2) Here, A=1, {EXP(a 1 τ)−1 }/a 1 0, EXP(a 1 τ) = 1, α 1 0, α 2 B= a 2 , {EXP(a 1 τ)−a 1 τ−1}/(a 1 ) 2 a 2 , { EXP(a 1 τ)−1}/a 1 = β 1 β 2 Γ = B x(k) = x 1 (k) x 2 (k) = ψ e (k) 〓(k) u(k) = δ(k) a 1 =-1/T; a 1 =K/T v(k): Plant noise, normal white noise (mean value 0, variance Q) τ: Sampling time.

続いて観測方程式を離散化して表わすと Y(k+1)=Cx(k+1)+w(k+1) ……(3) ここで C=I=10 01 w(k):観測ノイズ、正規性白色ノイズ (平均値0、共分散R) となる。 Next, the observation equation is discretized and expressed as Y(k+1)=C x (k+1)+w(k+1)...(3) where C=I=10 01 w(k): Observation noise , normal white noise (mean value 0, covariance R).

式(2)、(3)に対し離散時間のカルマンフイルタは
周知のように以下の(4)〜(8)式で表わされる。
In contrast to equations (2) and (3), the discrete-time Kalman filter is expressed by the following equations (4) to (8), as is well known.

X〜(k+1|k)=AX〜(k|k)+Bu(k) ……(4) P(k+1|k)= AP(k|k)AT+ΓQΓT ……(5) G(k+1)=P(k+1|k)CT〔CP (k+1|k)×CT+R〕-1 ……(6) X^(k+1|k+1)= X〜(k+1|k)+G(k+1)× 〔Y(k+1)−CX〜(k+1|k) ……(7) P(k+1|k+1)= 〔I−G(k+1)C〕P(k+1|k) ……(8) ここで、X〜(k+1|k)は、k時点での観測
データが得られた時の(k+1)時点でのxの推
定値を表わす。また^は、最適推定値を表わし、
P、Gはそれぞれ誤差の共分散行列とフイルタの
ゲインベクトルである。またTは転置を表わす。
X~(k+1|k)=AX~(k|k)+Bu(k)...(4) P(k+1|k)=AP(k|k)A T +ΓQΓ T ...(5) G( k+1)=P(k+1|k)C T [CP (k+1|k)×C T +R] -1 ...(6) X^(k+1|k+1)= X~(k+1 |k)+G(k+1)× [Y(k+1)−CX〜(k+1|k) ……(7) P(k+1|k+1)= [I−G(k+ 1)C]P(k+1|k)...(8) Here, X~(k+1|k) is the estimate of x at time (k+1) when observation data at time k was obtained. represents a value. Also, ^ represents the optimal estimate,
P and G are an error covariance matrix and a filter gain vector, respectively. Also, T represents transposition.

(4)〜(8)式をデータがサンプリングされる毎に計
算すれば、最適推定値としてX〜(k+1|k+
1)が得られる。ここで考えているシステム(船
体操縦系及びその観測系)は信号過程と測定過程
のダイナミツクスが時間的に変化しないので、シ
ステムを定係数の方程式で表わすことができ、ま
た波浪等の外乱の変化も緩やかなので30分程度の
短い時間を考えれば、その統計的性質も定常とし
て取扱うことが可能である。従つて、カルマンフ
イルタは定係数の線形ダイナミカルシステムとな
る。具体的には誤差の共分散行列及びカルマンフ
イルタのゲイン行列が一定となる。
If formulas (4) to (8) are calculated every time data is sampled, the optimal estimate will be X~(k+1|k+
1) is obtained. In the system considered here (the hull control system and its observation system), the dynamics of the signal process and measurement process do not change over time, so the system can be expressed as an equation with constant coefficients, and disturbances such as waves can be expressed as an equation. Since the change is gradual, considering the short time of about 30 minutes, its statistical properties can be treated as stationary. Therefore, the Kalman filter becomes a linear dynamical system with constant coefficients. Specifically, the error covariance matrix and the Kalman filter gain matrix are constant.

定常状態の誤差の共分散及びフイルタゲインは
(5)、(6)、(8)式より G〜=〔AP〜AT+ΓQΓT〕CT〔C〔AP〜AT +ΓQΓT〕CT+R〕-1 ……(9) P〜=〔I−〔AP〜AT+ΓQΓT〕CT〔C 〔AP〜AT+ΓQΓT〕×CT+R〕-1 ×C〕〔AP〜AT+ΓQΓT〕 ……(10) ここで、G〜、P〜はそれぞれ定常状態におけるフ
イルタゲイン、誤差の共分散の推定値を表わす。
(10)式はニユートン・ラプソン法(Newton−
Raphson法)を用いて解くことができ、結果を(9)
式に代入すればGが得られる。このため実際の信
号処理においては、実時間で(4)、(7)式を計算する
だけでよく、実現が容易となる。
The steady-state error covariance and filter gain are
From equations (5), (6), and (8), G~=[AP~A T +ΓQΓ T ]C T [C[AP~A T +ΓQΓ T ]C T +R] -1 ...(9) P~= [I-[AP~A T +ΓQΓ T ]C T [C [AP~A T +ΓQΓ T ]×C T +R] -1 ×C] [AP~A T +ΓQΓ T ] ...(10) Here, G ~, P~ represent estimated values of filter gain and error covariance in a steady state, respectively.
Equation (10) is the Newton-Raphson method (Newton−
Raphson method) can be used to solve the problem, and the result is (9)
By substituting into the formula, G can be obtained. Therefore, in actual signal processing, it is only necessary to calculate equations (4) and (7) in real time, making implementation easy.

ここではプラントノイズの平均値を0とした
が、実際には平均値0のプラントノイズはなく、
必ずあるバイアス成分を持つている。従つて(2)式
の代わりに、 x(k+1)=Ax(k)+Bu(k)+ Γ(v(k)+v0) ……(11) ここで、v0:プラントノイズの平均値 を用いることも考えられるが計算量の増大を招
く。そこで、カルマンフイルタとは別途に推定す
る。
Here, the average value of plant noise is set to 0, but in reality there is no plant noise with an average value of 0.
It always has a certain bias component. Therefore, instead of formula ( 2 ) , Although it is possible to use the average value, this would result in an increase in the amount of calculation. Therefore, it is estimated separately from the Kalman filter.

このプラントノイズのバイアス成分v0は、系が
クローズドループであり定常状態において船体に
加わる外乱のバイアス成分と操作量(舵角)の平
均値とがバランスすると考えられるので、方位偏
差信号の平均値を用いて V〓0=h・ψe ……(12) と推定できる(実際には定差方程式を用いる)。
これは従来のオートパイロツトで行なわれていた
積分制御と基本的に同じである。ただし、hは任
意常数であり、系の安定性を考慮して決定する。
The bias component v 0 of this plant noise is considered to be the average value of the azimuth deviation signal because the system is a closed loop and the bias component of the disturbance applied to the hull and the average value of the manipulated variable (rudder angle) are considered to be balanced in a steady state. It can be estimated that V〓 0 = h・ψ e ...(12) (actually, a constant difference equation is used).
This is basically the same as the integral control performed in conventional autopilots. However, h is an arbitrary constant and is determined in consideration of the stability of the system.

これに対し、プラントノイズの分散Qと観測ノ
イズの共分散Rは、その推定を如何に適切に行な
うか否かでフイルタリングの良し悪しが決定され
る程重要である。特にプラントノイズは定量的に
把握し難く、カルマンフイルタを実にシステムに
適用する場合に最も問題となるところである。
On the other hand, the variance Q of plant noise and the covariance R of observation noise are so important that the quality of filtering is determined by how appropriately they are estimated. In particular, plant noise is difficult to grasp quantitatively and is the most problematic when applying a Kalman filter to a system.

まず普通観測系は海象状態が変化してもあまり
影響を受けないと考えられるので、観測ノイズの
共分散Rは一定として扱う。一方、QはMehra
の白色ガウス雑音の共分散のオンライン推定を拡
張したGodboleの方法で求めることが考えられ
る。詳細は略すが、これはプラントノイズと観測
ノイズに相関があり、且つノイズの平均値が零で
ない場合も適用可能な分散推定のアルゴリズムで
あり、カルマンフイルタの係数の中で不明確なプ
ラントノイズの分散を定量的に把握できるという
意味では非常に有用な方法である。
First, since it is thought that a normal observation system is not affected much by changes in oceanographic conditions, the covariance R of observation noise is treated as constant. On the other hand, Q is Mehra
It is conceivable to obtain online estimation of the covariance of white Gaussian noise using an extended Godbole method. Although the details are omitted, this is a variance estimation algorithm that can be applied even when there is a correlation between plant noise and observation noise and the average value of the noise is not zero. This is a very useful method in the sense that it allows you to quantitatively understand variance.

しかしながら、このQをGodboleの方法で求め
るアルゴリズムを用いて方位偏差(設定方位−船
首方位)及び旋回角速度の最適推定値を得、舵機
のPD(PID)制御を行なうと次のような問題が生
じることがわかつた。即ち、Calm sea(海面がお
だやかな状態)に於て、舵角変化は滑らかである
が保針性が悪くなつた。逆にRough sea(海面が
荒れている状態)では舵角が急激に大きくなり舵
機の酷使を招いた。これはGodboleの方法では
Calm seaのときプラントノイズの分散値を小さ
く見積り過ぎてフイルタリング効果はでたが、そ
の分最適推定値に遅れを生じヨーイングが大きく
なつたのであり、Rough seaのときは方位偏差あ
るいは旋回角速度に含まれる高い周波の成分(ロ
ーリング周期に近い)をプラントノイズに起因す
るものとみなすためにQの値が非常に大きなもの
となつてしまい、特に旋回角速度に含まれる高周
波成分に忠実に追従するようになつてしまうから
である。
However, when using an algorithm to obtain this Q using Godbole's method to obtain the optimal estimated value of the heading deviation (setting heading - heading) and turning angular velocity and performing PD (PID) control of the rudder, the following problems occur. I found out that it happens. That is, in calm sea (state where the sea surface is calm), the rudder angle changes smoothly, but course keeping becomes poor. On the other hand, in rough seas, the rudder angle suddenly increased, causing overuse of the rudder. This is Godbole's method
In calm sea, the variance of plant noise was estimated too small, which produced a filtering effect, but this caused a delay in the optimal estimate and increased yaw, and in rough sea, the azimuth deviation or turning angular velocity Since the high frequency components included (close to the rolling period) are considered to be caused by plant noise, the value of Q becomes extremely large. This is because you get used to it.

また、推定値自体の安定性も悪く、同じ海象状
態でのバラツキが大きくなるという結果を生じ
た。
Furthermore, the stability of the estimated values themselves was poor, resulting in large variations under the same sea state.

考慮するに時系列信号について、信号は、本来
もつている意味のある信号成分と意味のない雑音
成分が加え合わさつたものであると考えればフイ
ルタリングとはその雑音成分を出来るだけ分離し
て意味のある信号成分のみを取り出すことであ
る。これを今の場合に当てはめれば、本来もつて
いる意味のある信号成分とは方位偏差、旋回角速
度に含まれる操舵系の固有周波数に近い低周波成
分のことであり、意味のない雑音成分とは単にジ
ヤイロ等の誤差だけではなくて、波浪によつて誘
起された操舵では抑えることのできない高周波成
分を含めたもののことである。
Considering that a time-series signal is a combination of an original meaningful signal component and a meaningless noise component, filtering is a method that separates the noise component as much as possible to make meaning. The purpose is to extract only certain signal components. Applying this to the present case, the originally meaningful signal components are the low frequency components close to the natural frequency of the steering system included in the azimuth deviation and turning angular velocity, and are the meaningless noise components. is not just an error caused by gyros, etc., but also includes high-frequency components that cannot be suppressed by steering induced by waves.

このことを踏まえて、もう一度システム方程式
(3)を見てみると、システム方程式自体はそのよう
な明確な区別は何も表現してはいない。Godbole
のアルゴリズムを適用すると、海象が荒れて操舵
では抑えることのできない高周波の成分が多くな
ると、これらはすべてプラントノイズによつて誘
起されたものと見なされ、プラントノイズの分散
Qの推定値は非常に大きな値になつてしまう。こ
うしてQの推定値が大きくなると波浪によつて誘
起された高周波成分はすべて意味のある信号と見
なされ、我々が望むフイルタリングとはまつたく
異なつたものになつてしまうのである。この原因
は、システム方程式が我々の望むフイルタリング
を十分表現していないことによるが、波浪によつ
て誘起される高周波成分のみを表現するにはまだ
運動力学的に問題点も多く、またそれをシステム
方程式に組込むとカルマンフイルタの次数が増え
計算量が増大するという不都合もある。
Based on this, we once again write the system equation
Looking at (3), the system equation itself does not express any such clear distinction. Godbole
When the above algorithm is applied, when the sea conditions become rough and there are many high-frequency components that cannot be suppressed by steering, all of these components are considered to be induced by plant noise, and the estimated value of the plant noise variance Q becomes very large. It becomes a large value. Thus, when the estimated value of Q becomes large, all high-frequency components induced by waves are considered to be meaningful signals, resulting in a filtering that is completely different from what we desire. The reason for this is that the system equation does not sufficiently express the filtering that we want, but there are still many kinematic problems in expressing only the high frequency components induced by waves, and When incorporated into the system equation, there is also the disadvantage that the order of the Kalman filter increases and the amount of calculation increases.

また、Godboleの方法は、ホワイトノイズが前
提でインベーシヨン過程の自己相関を用いること
から、データのサンプリング時間が短くてインベ
ーシヨン過程の自己相関が強くなると分散が求め
られず、また、データ数が少ないと推定値のバラ
ツキが大きくなり、従つて、サンプリング時間を
長くしかつデータ数を十分大きくとる必要がある
ため計算の準備に長時間を要するという欠点もあ
つた。
In addition, Godbole's method assumes white noise and uses the autocorrelation of the invasion process. Therefore, if the data sampling time is short and the autocorrelation of the invasion process is strong, the variance cannot be calculated, and if the number of data is small, the variance cannot be calculated. This method also has the disadvantage that it takes a long time to prepare for calculations because the variation in estimated values becomes large, and therefore, it is necessary to take a long sampling time and a sufficiently large amount of data.

本発明者はかかる上記手法の有する欠点に鑑み
鋭意研究を重ねた結果、フイルタ係数の推定方法
を工夫すると、方位偏差等の最適推定値が波浪に
よる高周波成分の影響を受けないように出来るこ
とを見出し、この発明をなすに至つた。
As a result of intensive research in view of the drawbacks of the above-mentioned method, the present inventor found that by devising a method for estimating filter coefficients, it is possible to prevent the optimal estimated value of azimuth deviation, etc. from being influenced by high-frequency components caused by waves. This discovery led to this invention.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、簡便な構成によりカルマンフイルタ
の持つ機能を十分に発揮させて自動操舵系の制御
の安定性・適応性を高め、かつ、最適な天候調整
を自動的に確実に行なうことができる自動操舵装
置を提供することを、その目的とする。
The present invention has a simple configuration that fully utilizes the functions of the Kalman filter to improve the stability and adaptability of automatic steering system control. Its purpose is to provide a steering device.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、船体の回動運動を検出する回動運動
検出手段と、この回動運動検出手段より出力され
る旋回角速度信号、船首方位と設定方位より演算
される方位偏差信号、および舵角指示器より検出
された舵角信号、ならびに船速計より検出される
船速信号をそれぞれ入力して自動操舵に必要な旋
回角速度および方位偏差に係る最適値を推定し出
力する天候調整用のカルマンフイルタ部とを備え
ている。この内、カルマンフイルタ部が、その演
算に必要な所定のプラントノイズデータを出力す
るプラントノイズデータ発生回路と、所定の海象
パラメータに基づいて観測ノイズの推定を行うR
演算回路とを有すると共に、これらR演算回路と
プラントノイズデータ発生回路の内のいずれか一
方の回路の入力段に、回動運動検出手段からの出
力信号に基づいて所定の海象パラメータを演算し
出力するパラメータ演算部を設ける。更に、R演
算回路とプラントノイズデータ発生回路の内の他
方の回路の出力値を一定に設定する、という手法
を採つている。これによつて前述した目的を達成
しようとするものである。
The present invention provides a rotational motion detection means for detecting the rotational motion of a hull, a turning angular velocity signal outputted from the rotational motion detection means, an azimuth deviation signal calculated from a heading and a set azimuth, and a rudder angle instruction. A Kalman filter for weather adjustment that inputs the rudder angle signal detected by the instrument and the ship speed signal detected by the speedometer, estimates and outputs the optimal values for the turning angular velocity and azimuth deviation necessary for automatic steering. It has a section. Among these, the Kalman filter section includes a plant noise data generation circuit that outputs predetermined plant noise data necessary for the calculation, and an R that estimates observation noise based on predetermined oceanographic parameters.
and an arithmetic circuit, and calculates and outputs predetermined oceanographic parameters based on the output signal from the rotational motion detection means at the input stage of either the R arithmetic circuit or the plant noise data generation circuit. A parameter calculation unit is provided. Furthermore, a method is adopted in which the output value of the other circuit of the R calculation circuit and the plant noise data generation circuit is set constant. This aims to achieve the above-mentioned purpose.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

まず、本発明の一実施例の原理的説明を行な
う。
First, the principle of an embodiment of the present invention will be explained.

前述したGodboleの方法を用いるカルマンフイ
ルタのアルゴリズでは海象が荒れても観測系は影
響を受けないとした。このように考える限りシス
テム方程式には波浪によつて誘起される高周波成
分を表現する必要がある。そこで、本実施例では
システム方程式は(2)のまま使用し、実際には波浪
によつて船体が駆動され高周波成分が発生するの
であるが、これを観測系に含めて処理することと
した。
The Kalman filter algorithm, which uses Godbole's method mentioned above, assumes that the observation system will not be affected by rough sea conditions. As long as we consider this, it is necessary to express the high frequency components induced by waves in the system equation. Therefore, in this example, the system equation (2) is used as is, and although the hull is actually driven by waves and a high frequency component is generated, it was decided to include this in the observation system and process it.

即ち、海象が荒れてくると観測系も影響を受け
て観測ノイズが多くなつてくるとし、海象状態の
パラメータからRの推定を行なう。カルマンフイ
ルタの性質上、Rの大小とフイルタリング効果の
大小が一致するため(Qは簡単のため一定とす
る)、海象状態が荒れてRが大きくなると波浪に
よつて誘起された高周波成分がフイルトアウトさ
れることになるのである。この際、最適推定値は
システム方程式を主にして求められるので操舵系
の固有周波数に近い成分までろ過されることはな
い。
That is, it is assumed that when the sea conditions become rough, the observation system is affected and observation noise increases, and R is estimated from the parameters of the sea conditions. Due to the nature of the Kalman filter, the magnitude of R matches the magnitude of the filtering effect (Q is assumed constant for simplicity), so when R becomes large due to rough sea conditions, high frequency components induced by waves will filter out. It will be done. At this time, since the optimal estimated value is obtained mainly from the system equation, components close to the natural frequency of the steering system are not filtered out.

一方、海象状態はビユーフオート階級をパラメ
ータとすると個人差の介入を免れ得ず、また海象
状態が船体操縦系に与える影響もビユーフオート
階級に比例するものではなく、波やうねりの方向
によつて大きく左右される。よく知られているよ
うにビユーフオート階級が同じでもうねりの方向
が斜め後方の場合には操縦系に与える影響は大き
く、前方の場合にはほとんど影響がない。そこで
オートパイロツトから見た海象状態のパラメータ
としては旋回角速度など船体の回頭運動を検出し
所定の演算処理を施したものを用いる。例えばコ
ントローラの影響もそれ程受けない旋回角速度の
「r.m.s.」を海象状態のパラメータとし、Rはこ
のパラメータに比例させて推定を行なうとする
と、プラントノイズ及び観測ノイズは、 Q=const. ……(13) R=m√2の平均 ……(14) となる。ここでm、は正の任意定数であり、系
の安定性等を考慮し実験的に決める。
On the other hand, when sea conditions are taken as a parameter, the influence of individual differences cannot be avoided, and the influence of sea conditions on the hull control system is not proportional to the view force class, but is largely influenced by the direction of waves and swells. be done. As is well known, even if the vehicle weight class is the same, if the direction of the swell is diagonally backward, it will have a large effect on the control system, but if it is in the front, it will have almost no effect. Therefore, as the parameters of the sea state seen from the autopilot, parameters obtained by detecting the turning motion of the ship, such as turning angular velocity, and performing predetermined calculation processing are used. For example, if the ``rms'' of the turning angular velocity, which is not affected by the controller, is a parameter of the sea state, and R is estimated in proportion to this parameter, then the plant noise and observation noise are Q = const. ... (13 ) Average of R= m√2 ...(14) Here, m is a positive arbitrary constant, which is determined experimentally in consideration of the stability of the system.

次に、第1図に基づいてこれを具体的に説明す
る。
Next, this will be explained in detail based on FIG.

第1図は天候調整用のカルマンフイルタを含む
自動操舵機の系統図である。この第1図に於て、
符号1は制御対象としての船体を示す。この船体
1の船尾に設けられた舵機2は舵機調節部3で操
舵される。これにより、目標針路の保針制御が行
なわれるようになつている。船体1には、各々船
首方位ψ、旋回角速度〓、船速s、舵角δをそれ
ぞれ測定するコンパス4、角速度計5、スピード
ログ6、舵角指示器7が備えられている。また、
図示しない針路設定器で設定された設定方位ψ1
とコンパス4の出力する船首方位ψとの方位偏差
ψe(=ψ1−ψ)が比較器8で検出されたのち旋回
角速度〓、舵角δとともにカルマンフイルタ部9
へ送出される。
FIG. 1 is a system diagram of an automatic steering system including a Kalman filter for weather adjustment. In this Figure 1,
Reference numeral 1 indicates a hull as a controlled object. A rudder 2 provided at the stern of the hull 1 is steered by a rudder adjustment section 3. This allows course-keeping control of the target course to be performed. The hull 1 is equipped with a compass 4, an angular velocity meter 5, a speed log 6, and a rudder angle indicator 7, which respectively measure the heading ψ, turning angular velocity 〓, ship speed s, and rudder angle δ. Also,
Setting direction ψ 1 set with a course setting device (not shown)
After the comparator 8 detects the azimuth deviation ψ e (=ψ 1 - ψ) between the heading ψ and the heading ψ output from the compass 4, the comparator 8 detects the deviation ψ e (=ψ 1 - ψ) between the azimuth ψ and the heading ψ output from the compass 4.
sent to.

このカルマンフイルタ部9は、観測ノイズの推
定を行なうR演算回路10と、プラントノイズの
Q値出力を行なうプラントノイズデータ発生回路
11と、船体操縦指数K,Tを船速sから推定し
フイルタ係数A,Bを求めるAB演算回路12
と、誤差の共分散及びフイルタゲインP,Gを計
算するPG演算回路13と、方位偏差ψe及び旋回
角速度〓の最適推定値^e,〓を求める最適推定値
演算回路14とから構成されている。
This Kalman filter section 9 includes an R calculation circuit 10 that estimates observation noise, a plant noise data generation circuit 11 that outputs a Q value of plant noise, and a filter coefficient that estimates hull steering indices K and T from ship speed s. AB calculation circuit 12 for calculating A and B
, a PG calculation circuit 13 that calculates the error covariance and filter gains P and G, and an optimal estimated value calculation circuit 14 that calculates the optimal estimated values ^ e and 〓 of the azimuth deviation ψ e and the turning angular velocity 〓. There is.

角速度計5は、船体1の回頭運動検出手段とし
ての機能を有し、検出した旋回角速度〓がパラメ
ータ演算部15へ送られる。このパラメータ演算
部15は、一定時間内のデータを基に「r.m.s.」
を求めて海象パラメータとしR演算回路10へ送
る。このR演算回路10は、(14)式に従つて観
測ノイズRの推定を行なう。AB演算回路12
は、船速sが一定以上変化したとき、その船速s
に対応する船体操縦性指数K,Tを得る機能を有
している。これはシステム特性の変動に対応する
ためのものであり、実際には(2)式中のフイルタ係
数A,Bを計算する。PG演算回路13は、各R,
Q,A,Bデータに基づき(10)、(9)式によりP,G
を推定する。カルマンフイルタ部9は、観測ノイ
ズRの推定が成されたとき、又は、船速sが一定
以上変化したときにイニシヤライズされるように
なつている。最適値演算回路14は、イニシヤラ
イズされると初回の最適推定値X^(0|0)と舵
角u(0)として適当な値を入れ、AB演算回路
12から送られるA,Bデータ及びP,G演算回
路13から送られるGデータに基づき、前述した
比較器8及び角速度計5から送られるYデータと
してのψe、〓並びに舵角δがサンプリングされる
毎に、順次(4)、(7)式に従つて最適推定値x(k+
1|k+1)の演算を行なう。
The angular velocity meter 5 has a function as a turning motion detecting means of the hull 1, and the detected turning angular velocity 〓 is sent to the parameter calculating section 15. This parameter calculation unit 15 calculates "rms" based on data within a certain period of time.
is determined and sent to the R calculation circuit 10 as a sea condition parameter. This R calculation circuit 10 estimates the observation noise R according to equation (14). AB calculation circuit 12
is the ship speed s when the ship speed s changes by a certain amount or more.
It has a function to obtain hull maneuverability indexes K and T corresponding to the following. This is to deal with fluctuations in system characteristics, and in reality, the filter coefficients A and B in equation (2) are calculated. The PG arithmetic circuit 13 has each R,
Based on the Q, A, B data, P, G is calculated by equations (10) and (9).
Estimate. The Kalman filter unit 9 is initialized when the observation noise R is estimated or when the ship speed s changes by a certain amount or more. When the optimum value calculation circuit 14 is initialized, it inputs appropriate values as the initial optimum estimated value , based on the G data sent from the G calculation circuit 13, each time ψ e , 〓 and steering angle δ as Y data sent from the comparator 8 and the angular velocity meter 5 are sampled, (4), ( 7), the optimal estimated value x(k+
1|k+1) is performed.

このようにしてカルマンフイルタ部9でフイル
タリングされた最適推定値^e、〓は、舵機調節部
3内のPD調節回路3Aに送出され、 δ* 1=KP(^e+TD〓) の演算がなされる。一方、舵機調節部3内のI調
整回路17では、(12)式を定差化した δ* 2=(τ/T1)Σψe(K) の演算が行われる。これらのδ* 1、δ* 2が加算器1
8で加算され指令舵角δ*として前述した舵機2へ
出力されるようになつている。
The optimal estimated value ^ e , 〓 filtered by the Kalman filter section 9 in this way is sent to the PD adjustment circuit 3A in the rudder gear adjustment section 3, and δ * 1 = K P (^ e + T D 〓) The following calculations are performed. On the other hand, the I adjustment circuit 17 in the rudder gear adjustment section 3 calculates δ * 2 = (τ/T 1 )Σψ e (K), which is a constant difference of equation (12). These δ * 1 and δ * 2 are added to adder 1
8 and outputted to the aforementioned rudder 2 as the command rudder angle δ * .

ただし、前述したプラントノイズのバイアス成
分については、I調整回路で処理するかわりに、
第2図に示す如く、舵角指示器7とカルマンフイ
ルタの最適値演算回路14との間にバイアス処理
部20を装備し、このバイアス処理部20にて δ′=δ−(τ/T1)Σψe(K) の演算を行ない、バイアス成分を除去した舵角
σ′をカルマンフイルタ部の舵角入力とすることも
できる。
However, instead of processing the bias component of the plant noise mentioned above in the I adjustment circuit,
As shown in FIG. 2, a bias processing unit 20 is installed between the steering angle indicator 7 and the Kalman filter optimum value calculation circuit 14, and the bias processing unit 20 calculates the following equation: δ′=δ−(τ/T 1 ) Σψ e (K) and the steering angle σ' from which the bias component has been removed can also be used as the steering angle input to the Kalman filter section.

次に第2実施例として前述した(13)、(14)式
の代わりに例えば、 R=const. ……(16) 但し、nは正の(実験的に決める)任意定数と
し、プラントノイズQを海象状態のパラメータに
反比例するように推定してもよい。何故ならカル
マンフイルタの性質上フイルタリング効果の大小
とQの小大が一致するため(Rが一定のとき)、
海象状態が荒れてQが小さくなれば波浪によつて
誘起された高周波成分がフイルトアウトされるか
らである。
Next, instead of formulas (13) and (14) described above as the second embodiment, for example, R=const. (16) However, n may be a positive (experimentally determined) arbitrary constant, and the plant noise Q may be estimated to be inversely proportional to the parameters of the sea state. This is because due to the nature of the Kalman filter, the magnitude of the filtering effect matches the magnitude of Q (when R is constant),
This is because when the sea conditions become rough and Q becomes small, high frequency components induced by waves are filtered out.

尚、船体の回頭運動は、船首方位から検出する
ようにしてもよく、又海象状態へのパラメータ化
は「r.m.s.」のほか、絶対値平均等他の手法を用
いてよく、更にノイズの推定も比例・反比例以外
の方法で行なつてよい。
Note that the turning motion of the ship may be detected from the heading of the ship, and other methods such as absolute value averaging may be used in addition to "rms" for parametrization of the sea state, and noise estimation may also be used. Methods other than proportional and inverse proportion may be used.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明は以上のように構成され機能するので、
これによると、簡便なアルゴリズムでカルマンフ
イルタのノイズ係数を安定して推定することがで
き、計算機の負担が軽減するとともに波浪によつ
て誘起された操舵系で抑えることのできない高周
波成分のみを有効にフイルトアウトさせることが
でき、このため舵角が滑らかで操舵量が少なくか
つ保針性に優れた自動操舵装置が得られる。
Since the present invention is configured and functions as described above,
According to this, it is possible to stably estimate the noise coefficient of the Kalman filter using a simple algorithm, which reduces the burden on the computer and makes effective only the high-frequency components that cannot be suppressed by the steering system, which are induced by waves. Therefore, an automatic steering system with a smooth steering angle, a small amount of steering, and excellent course keeping performance can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は本発明の一実施例に係る自動操舵系の
系統図、第2図はプラントノイズのバイアス処理
方法の他の実施例を示すブロツク図である。 1……船体、2……舵機、3……舵機調節部、
4……コンパス、5……回動運動検出手段として
の角速度計、6……スピードログ、7……舵角指
示器、8……比較器、9……カルマンフイルタ
部、10……R演算回路、11……プラントノイ
ズデータ発生回路、12……AB演算回路、13
……PG演算回路、14……最適推定値演算回路、
15……パラメータ演算部。
FIG. 1 is a system diagram of an automatic steering system according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of a plant noise bias processing method. 1... Hull, 2... Rudder gear, 3... Rudder gear adjustment section,
4... Compass, 5... Angular velocity meter as rotational motion detection means, 6... Speed log, 7... Rudder angle indicator, 8... Comparator, 9... Kalman filter section, 10... R calculation Circuit, 11... Plant noise data generation circuit, 12... AB calculation circuit, 13
...PG calculation circuit, 14...optimum estimated value calculation circuit,
15...Parameter calculation section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 船体の回動運動を検出する回動運動検出手段
と、この回動運動検出手段より出力される旋回角
速度信号、船首方位と設定方位より演算される方
位偏差信号、および舵角指示器より検出された舵
角信号、ならびに船速計より検出される船速信号
をそれぞれ入力して自動操舵に必要な旋回角速度
および方位偏差に係る最適値を推定し出力する天
候調整用のカルマンフイルタ部を備え、 前記カルマンフイルタ部が、その演算に必要な
所定のプラントノイズデータを出力するプラント
ノイズデータ発生回路と、所定の海象パラメータ
に基づいて観測ノイズの推定を行うR演算回路と
を有すると共に、 前記R演算回路とプラントノイズデータ発生回
路の内のいずれか一方の回路の入力段に、前記回
動運動検出手段からの出力信号に基づいて所定の
海象パラメータを演算し出力するパラメータ演算
部を設けると共に、前記R演算回路の出力とプラ
ントノイズデータ発生回路の内の他方の回路の出
力値を一定に設定したことを特徴とする自動操舵
装置。
[Scope of Claims] 1. A rotational motion detection means for detecting the rotational motion of the hull, a turning angular velocity signal output from the rotational motion detection means, an azimuth deviation signal calculated from the ship's heading and a set azimuth, and Weather adjustment device that inputs the rudder angle signal detected by the rudder angle indicator and the ship speed signal detected by the ship speedometer, estimates and outputs the optimal values for the turning angular velocity and azimuth deviation required for automatic steering. A plant noise data generation circuit that outputs predetermined plant noise data necessary for the calculation, and an R calculation circuit that estimates observation noise based on predetermined sea state parameters. and a parameter for calculating and outputting a predetermined sea state parameter based on the output signal from the rotational motion detection means, at the input stage of either the R calculation circuit or the plant noise data generation circuit. An automatic steering system characterized in that a calculation section is provided, and the output value of the R calculation circuit and the output value of the other circuit of the plant noise data generation circuit are set constant.
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