JPH045598B2 - - Google Patents

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JPH045598B2
JPH045598B2 JP6338783A JP6338783A JPH045598B2 JP H045598 B2 JPH045598 B2 JP H045598B2 JP 6338783 A JP6338783 A JP 6338783A JP 6338783 A JP6338783 A JP 6338783A JP H045598 B2 JPH045598 B2 JP H045598B2
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kalman filter
value
ship speed
automatic steering
optimal
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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、とくに定常カ
ルマンフイルタを用いて天候調整を行なうように
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 that uses a stationary Kalman filter to adjust the weather.

〔従来技術とその問題点〕[Prior art and its problems]

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。
The so-called autopilot mechanism of a ship 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.

本発明者は、かかる従来技術の有する欠点に鑑
み鋭意研究を重ねた結果、非定常系である操舵系
が一定時間内に於ては定常系とみなせることか
ら、システム特性の変動時の処理を工夫すること
により前述した天候調整に外乱処理に有効な定常
カルマンフイルタを利用出来ることを見出し、こ
の発明をなすに至つた。
As a result of extensive research in view of the drawbacks of the prior art, the present inventor found that the steering system, which is an unsteady system, can be regarded as a steady system within a certain period of time. The present inventors have discovered that, by making some improvements, it is possible to utilize the stationary Kalman filter, which is effective for processing disturbances, in the weather adjustment described above, and have accomplished this invention.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、カルマンフイルタのイニシヤライズ
前後で最適推定値の連続性を保つことにより、シ
ステム特性の変動に何ら影響されることなく常に
確実に最適な自動調整を行なうことができ自動操
舵系の性能を無駄なく有効に発揮させることの可
能な自動操舵装置を提供することを、その目的と
する。
By maintaining the continuity of the optimal estimated value before and after the initialization of the Kalman filter, the present invention can always reliably perform optimal automatic adjustment without being affected by fluctuations in system characteristics, thereby improving the performance of the automatic steering system. The purpose is to provide an automatic steering device that can be operated effectively without waste.

〔発明の概要〕 本発明では、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定常カ
ルマンフイルタを用いて天候調整を行うようにし
た自動操舵装置において、船速を所定のきざみ幅
で量子化するとともに、該量子化に際しては船速
下降時に所定のヒステリンスループを画く形態の
船速信号を出力し、この船速の変化にともなつて
該出力が変化したとき当該出力データに基づいて
新たなフイルタ係数を計算するとともに前記カル
マンフイルタをイニシヤライズさせる多値変換部
を設けている。そして、この多値変換部によるこ
のイニシヤライズののち、前回の最適推定値を初
期値として再始動させる最適推定値演算回路を、
カルマンフイルタ部が備えている、という構成を
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。
[Summary of the Invention] The present invention provides an automatic steering system that adjusts the weather using a steady Kalman filter that estimates and outputs optimal values for turning angular velocity and azimuth deviation necessary for automatic steering. In addition to quantizing the signal in steps of A multivalue conversion section is provided that calculates new filter coefficients based on output data and initializes the Kalman filter. After this initialization by the multi-value conversion section, the optimal estimated value calculation circuit restarts using the previous optimal estimated value as the initial value.
The structure is such that the Kalman filter section is provided with the filter. This aims to achieve the above-mentioned purpose.

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

まず、本発明の原理的説明を行なう。カルマン
フイルタは、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
方位偏差等(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のであ
る。
First, the principle of the present invention will be explained. The Kalman filter is a filter that provides a computer-friendly algorithm for obtaining 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.

以下、カルマンフイルタの手法について詳述す
る。
The Kalman filter method will be described in detail below.

初めに、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
方程式は船体の操縦応答を、例えば「野本の一次
近似モデル」によると、 Tψ¨+ψ=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 χ(k+1)=Aχ(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}/(a
12 a2、{EXP(a1τ)−1}/a1=β1 β2 Γ=B χ(k)=χ1(k) χ2(k)=ψe(k) ψ〓(k) u(k)=δ(k) a1=−1/T;a2=K/T v(k):プラントノイズ、正規性白色ノイズ(平均
値O、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 describes the steering response of the ship, for example, according to Nomoto's first-order approximation model, Tψ¨+ψ=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 χ(k+1)=Aχ(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 χ(k) = χ 1 (k) χ 2 (k) = ψ e (k) ψ〓 (k) u(k)=δ(k) a 1 = -1/T; a 2 = K/T v(k): Plant noise, normal white noise (mean value O, variance Q) τ: Sampling time becomes.

続いて観測方程式を離散化して表わすと Y(k+1)=Cχ(k+1)+W(k+1) …(3) ここで C=I=1 0 0 1 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, discretizing the observation equation and expressing it as follows: Y(k+1)=Cχ(k+1)+W(k+1)...(3) where C=I=1 0 0 1 w(k): Observation noise, normal white noise ( The mean value is 0 and the 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.

χ〓(k+1|k)=Aχ〓(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) χ^(k+1|k+1)=χ〓(k+1|k)+G(k

1) ×〔Y(k+1)−Cχ〓(k+1|k)…(7) P(k+1|k+1) =〔I−G(k+1)C〕P(k+1|k) …(8) ここでχ〓(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χの推定値
を表わす。また、^は最適水推定値を表わし、
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。
χ〓(k+1|k)=Aχ〓(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) χ^(k+1|k+1)=χ〓(k+1|k)+G(k
+
1) ×[Y(k+1)−Cχ〓(k+1|k)…(7) P(k+1|k+1) =[I−G(k+1)C]P(k+1|k)…(8) Here, χ〓 (k+1|k) represents the estimated value of χ at time (k+1) when observation data at time k is obtained. Also, ^ represents the optimal water estimation value,
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χ^(k+1|k+1)
が得られる。ここで考えているシステム(船体操
縦系及びそ観測系)船速・排水量が一定の間は信
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 χ^(k+1 | k+1)
is obtained. The system considered here (the hull control system and its observation system), as long as the ship speed and displacement are constant, 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. Moreover, since the disturbances such as waves change slowly, their statistical properties can be treated as stationary if we consider a short period of about 30 minutes. 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。このため実際を信号
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 〓 and P〓 respectively represent the estimated values of the filter gain and error covariance in the steady state.
Equation (10) is the Newton-Raphson method (Newton−
Raphson's method), and by substituting the result into equation (9), we can obtain G〓. Therefore, in actual signal processing, it is only necessary to calculate equations (4) and (7) in real time, and implementation is 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、 χ(k+1)+Aχ(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), χ(k+1)+Aχ(k)+Bu(k)+Γ(v(k)+v 0 )...(11) Here, v 0 : Use the average value of the plant noise. It is also possible to consider this, but it would increase 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 V0=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
意定数であり、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) using (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.

一方、プラントノイズの分散Qと観測ノイズの
共分散Rについては、一例として、 まず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を一定として扱い、QをMehera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
は略するがこのGodboleの方法はプラントノイズ
都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。
On the other hand, regarding the variance Q of plant noise and the covariance R of observation noise, as an example, first of all, it is assumed that the observation system is not affected much by changes in sea conditions, so the covariance R of observation noise is assumed to be constant. We extended Mehera's online estimation of the covariance of white Gaussian noise by treating Q as
It is possible to find it using Godbole's method. Although the details are omitted, Godbole's method is a variance estimation algorithm that has a correlation with observation noise and plant noise, and is applicable even when 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 the variance of plant noise.

ただし、計算量の多いこと及び推定値の安定性
等に若干不十分な点があることから、上記とは別
に例えば、 Q=const. ……(13) R=m√ψ2の平均、0 0、m′√ψ2の平均 …(14) と推定してもよい。ここでm、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。
However, since the amount of calculation is large and the stability of the estimated value is somewhat insufficient, in addition to the above, for example, Q = const. ... (13) R = m√ψ average of 2 , 0 0, the average of m′√ψ 2 …(14) You may estimate it as follows. Here, m and m' are positive arbitrary constants, which are determined experimentally taking into consideration the stability of the system.

これは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ものであるが、これを観測系
に含めて処理するものである。つまり海象が荒れ
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となる。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高周波成分
までろ過されることはない。
In reality, the ship's hull is driven by waves and a high frequency component is generated, but this is included in the observation system and processed. In other words, 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, high frequency 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ド階級をパラメ
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、前方の場合にほとんど影響がない。
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 swells are of the same rank, if the direction of the swell is diagonally backward, it will have a large effect on the control system, and if it is in the front, it will have almost no effect.

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.w.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。
以下、(13)、(14)式に基づいてQ、Rを推定す
る場合を例にとり話を進めることにする。
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, the turning angular velocity "rws", which is not so affected by the controller, is used as a parameter of the sea state, and R is estimated in proportion to this parameter.
In the following, we will discuss the case where Q and R are estimated based on equations (13) and (14) as an example.

或る時間旋回角度を計測して(14)式によりR
が推定できると、船体操縦性指数K、Tにより求
めたA、Bとともに(10)、(9)式でフイルタゲインG
が得られる。定常カルマンフイルタはフイルタゲ
インG及びA、Bが求まつているとき初期値とし
て適当な仮定値を(4)式の最適推定値χ(0|0)
と舵角u(0)に入れたのち、計測データψe(1)、
ψ〓(1)、δ(1)を(7)式に入れることで始動できる。以
下、計測データψe、ψ〓、δがサンプリングされる
毎に順次(4)、(7)式の計算をくり返すと最適推定値
χ(k+1|k+1)が得られる。最適推定値χ
の時系列信号は操舵で抑えることのできない高周
波成分が除去されており、この最適推定値χを基
に舵機調節部で操作量である指令舵角を求め舵機
の制御を行なう。
Measure the turning angle for a certain period of time and calculate R using equation (14).
can be estimated, the filter gain G can be calculated using equations (10) and (9) together with A and B obtained from the hull maneuverability indexes K and T.
is obtained. For the stationary Kalman filter, when the filter gains G, A, and B are determined, appropriate assumed values are used as initial values, and the optimal estimated value χ (0 | 0) of equation (4) is used.
After entering the steering angle u(0), the measurement data ψ e (1),
It can be started by inserting ψ〓(1) and δ(1) into equation (7). Hereinafter, each time the measurement data ψ e , ψ〓, and δ are sampled, the calculations of equations (4) and (7) are repeated to obtain the optimal estimated value χ(k+1|k+1). Optimal estimate χ
High-frequency components that cannot be suppressed by steering have been removed from the time-series signal, and based on this optimal estimate χ, the rudder controller determines the command rudder angle, which is the manipulated variable, and controls the rudder.

ところで、非定常系である操舵系に定常カルマ
ンフイルタを用いる場合、船速や波浪等の外乱が
変化してシステム特性に変動があると、最適調整
が得られないばかりか不安定となり乱調を招く恐
れがある。従つて、システム特性が変化したとき
はフイルタ係数を計算し直しカルマンフイルタを
イニシヤライズする必要がある。船速変化は(1)式
の操縦性指数K、Tに影響を及ぼす。周知のよう
にサービススピードSoにおける操縦性指数をKo
Toとすると、それを船体長Lと船速Soで無次元
化した値が船速変化にかかわらず一定となり船速
と操縦性指数K、Tには、 K=Ko(S/So) ……(15) T=To(So/S) ……(16) の関係が成り立つ。Ko、ToはZ試験等で求める。
By the way, when a steady Kalman filter is used in a steering system, which is an unsteady system, if the system characteristics change due to changes in ship speed, waves, etc., not only will optimal adjustment not be obtained, but the system will become unstable and cause disturbances. There is a fear. Therefore, when the system characteristics change, it is necessary to recalculate the filter coefficients and initialize the Kalman filter. Changes in ship speed affect the maneuverability indexes K and T in equation (1). As is well known, the maneuverability index at service speed S o is K o ,
Assuming T o , the value made dimensionless by hull length L and ship speed S o is constant regardless of changes in ship speed, and for ship speed and maneuverability index K, T, K=K o (S/S o ) ...(15) The relationship T=T o (S o /S) ...(16) holds true. K o and T o are determined by Z test, etc.

船速が変化したとき、その船速Sに対するK、
Tが得られるのでA、Bを求めるこのができる。
一方、外乱変化は旋回角速度「r.m.s.」の変化と
なり(14)式で直接Rの推定値に表われる。
When the ship speed changes, K for that ship speed S,
Since T is obtained, we can find A and B.
On the other hand, a disturbance change becomes a change in the turning angular velocity "rms" and is directly expressed in the estimated value of R using equation (14).

従つて、船速Vが変化したとき、又はRの推定
値が得られたとき前記定常カルマンフイルタをイ
ニシヤライズするとともに新たなフイルタ係数を
(9)、(10)式で計算し、適当初期値を入れて再始動さ
せる。このとき初期値=計算値とすると第3図の
点線に示す如くカルマンフイルタが出力する最適
推定値、とくにψの不連続が大きく、これに基づ
く指令舵角も不連続となりイニシヤライズする毎
に船体が大きく蛇行することになる。そこで、本
発明は初期値=前回の最適推定値とし、イニシヤ
ライズ前後のカルマンフイルタの出力する最適推
定値の連続性を保ち蛇行を回避せんとするのであ
る。
Therefore, when the ship speed V changes or when an estimated value of R is obtained, the stationary Kalman filter is initialized and new filter coefficients are set.
Calculate using formulas (9) and (10), enter appropriate initial values, and restart. In this case, if the initial value = calculated value, as shown by the dotted line in Figure 3, the optimal estimated value output by the Kalman filter, especially the discontinuity of ψ, is large, and the commanded rudder angle based on this is also discontinuous, and the hull changes every time it is initialized. It will mean a long meander. Therefore, in the present invention, the initial value is set as the previous optimal estimated value, and the continuity of the optimal estimated values output by the Kalman filter before and after initialization is maintained to avoid meandering.

次に、第1図に従つて具体的に説明する。 Next, a detailed explanation will be given with reference to FIG.

第1図に、天候調整用の定常カルマンフイルタ
を含む自動操舵機の系統図を示す。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
制御を行なうようになつている。船体1には、
各々船首方位ψ、旋回角速度ψ〓、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ψIとコンパス4の出力する船首方位ψとの方位
偏差ψe(=ψI−ψ)が比較器8で検出されたのち
旋回角速度ψ〓、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 shows a system diagram of an automatic steering system including a stationary Kalman filter for weather adjustment. In FIG. 1, reference numeral 1 indicates a ship body 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. In hull 1,
Heading ψ, turning angular speed ψ〓, ship speed S, rudder angle δ
A compass 4, an angular velocity meter 5, a speed log 6, and a steering angle indicator 7 are provided.
Further, after the comparator 8 detects the azimuth deviation ψ e (= ψ I − ψ) between the set azimuth ψ I set by a course setting device (not shown) and the heading ψ output from the compass 4, the turning angular velocity ψ , and are sent to the Kalman filter unit 9 together with the steering angle δ.

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、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1
1、船体操縦指数K、Tを推定しフイルタ係数
A、Bを求めるAB演算回路12、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および方位偏差ψe及び旋回角速度ψ〓の最適
推定値ψ^e、ψ〓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 unit 9 includes an R calculation circuit 10 for estimating observation noise, and a Q of plant noise.
Plant noise data generation circuit 1 that outputs values
1. AB calculation circuit 12 for estimating the hull steering indexes K and T and calculating filter coefficients A and B, PG calculation circuit 13 for calculating error covariance and filter gains P and G, and azimuth deviation ψ e and turning angular velocity ψ〓 and an optimal estimated value calculation circuit 14 that calculates the optimal estimated values ψ^ e and ψ〓.

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ψ〓をパラメ
ータ演算部15へ送る機能を有している。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。また、
Rを推定できたときカルマンフイルタ部9のイニ
シヤライズも行なう。
The angular velocity meter 5 has the function of detecting the turning motion of the hull 1 and has the function of sending the detected turning angular velocity ψ〓 to the parameter calculating section 15. The parameter calculation unit 15 calculates "rms" based on data within a certain period of time, uses it as a sea condition parameter, and sends it to the R calculation circuit 10. This R calculation circuit 10 is (14)
Observation noise R is estimated according to the formula. Also,
When R can be estimated, the Kalman filter section 9 is also initialized.

一方、スピードログ6が検出した船速Sは、第
2図に示す如く多値変換部16で所定のきざみ幅
(例えば2K′tなど定常系としての取扱いが許容さ
れる範囲できめる)で量子化され、船速S′として
AB演算回路12で送られるようになつている。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the ship speed S detected by the speed log 6 is determined by the multi-value converter 16 in a predetermined step width (for example, 2K't, which is a range that allows handling as a steady system). as the ship speed S′
It is designed to be sent by the AB calculation circuit 12.

この多値変換部16は、R演算回路10と同様
にS′が変化したときカルマンフイルタ部9のイニ
シヤライズを行なう。従つて、船速Sが一定以上
変化したときにフイルタ係数の計算がなされるこ
とになる。
Similar to the R arithmetic circuit 10, the multi-value conversion section 16 initializes the Kalman filter section 9 when S' changes. Therefore, the filter coefficient is calculated when the ship speed S changes by a certain amount or more.

AB演算回路12は、船速S′に対応する船体操
縦指数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。
The AB arithmetic circuit 12 has a function of obtaining the hull steering indices K and T corresponding to the ship speed S'. this is,
This is to deal with fluctuations in system characteristics, and actually calculates the filter coefficients A and B in equation (2). The PG calculation circuit 13 estimates P and G using equations (10) and (9) based on each R, Q, A, and B data.

カルマンフイルタ部9は、観測ノイズRが推定
できたとき、又は船速S′が変化してイニシヤライ
ズされると、A、B、P、Gの各計算を行なつて
新たなフイルタ係数を求める。そして、最適推定
値演算回路14は、イニシヤライズされると前回
の最適推定値を初期値χ(0|0)とし、また舵
角u(0)に適当な値を入れ、AB演算回路12
から送られるA、Bデータ及びPG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、ψ〓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χ^(k+1|k+
1)の演算を行なう。ただし、運航の始めにおい
ては前回の最適推定値がないので適当な値を初期
値χとする。
When the observation noise R can be estimated, or when the ship speed S' changes and is initialized, the Kalman filter unit 9 calculates A, B, P, and G to obtain new filter coefficients. Then, when the optimal estimated value calculation circuit 14 is initialized, it sets the previous optimal estimated value to the initial value χ (0 | 0), also inputs an appropriate value to the steering angle u (0), and the AB calculation circuit 14
A, B data and PG calculation circuit 13 sent from
Based on the G data sent from the comparator 8 and the angular velocity meter 5, ψ e , ψ〓 and the steering angle δ as Y data sent from the above-mentioned comparator 8 and angular velocity meter 5 are sequentially calculated according to equations (4) and (7) each time they are sampled. The optimal estimated value χ^(k+1 | k+
Perform calculation 1). However, at the beginning of the flight, there is no previous optimal estimate, so an appropriate value is set as the initial value χ.

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ψ^e、ψ〓は、舵機調節部
3内の多値変換部16に送出され、 δ* 1=KP(ψ^e+TDψ〓) の演算がなされる。一方、舵機調節用部3内のI
調節回路3Aでは、(12)式を定差化した、 δ* 2=(τ/TI)Σψe(k) の演算が行なわれる。これらのδ* 1、δ* 2が加算器
18で加算され指令舵角δ*として舵機2へ出力さ
れるようになつている。
The optimal estimated values ψ^ e and ψ〓 filtered by the Kalman filter section 9 in this way are sent to the multivalue conversion section 16 in the rudder gear adjustment section 3, and δ * 1 = K P (ψ^ e +T D ψ〓) is calculated. On the other hand, I in the rudder adjustment section 3
The adjustment circuit 3A performs the calculation of δ * 2 =(τ/T I )Σψ e (k), which is a constant difference equation (12). These δ * 1 and δ * 2 are added by an adder 18 and outputted to the steering gear 2 as a command steering angle δ * .

尚、多値変換部16において、船速Sがきざみ
幅の境界近傍を中心に微小変動するとS′がくり返
し変化するので、カルマンフイルタ部9も、くり
返しイニシヤライズされることになる。そして、
イニシヤライズ毎に前回の最適推定値を初期値と
するため、連続性に保たれるが該カルマンフイル
タ部9の出力が第5図に示す如く或る時間一定値
となつてしまい、制御に遅れを生ずる結果とな
る。かかる点を改善するため、多値変換部16の
きざみ幅の境界に第3図に示すようにヒステリシ
スを設けて長周期の船首揺の発生を抑え、合わせ
てハンチング現象の防止を図るようにしてもよ
い。
In the multi-value conversion section 16, when the ship speed S slightly fluctuates around the boundary of the increment width, S' changes repeatedly, so the Kalman filter section 9 is also initialized repeatedly. and,
Since the previous optimal estimated value is used as the initial value at each initialization, continuity is maintained, but the output of the Kalman filter section 9 remains at a constant value for a certain period of time as shown in FIG. result. In order to improve this problem, hysteresis is provided at the boundaries of the increments of the multi-value converter 16 as shown in FIG. 3 to suppress the occurrence of long-period bow rocking and also to prevent the hunting phenomenon. Good too.

また、プラントノイズのバイアス成分について
は、I調節回路3Aで処理するかわりに、第6図
に示す如く、舵角指示器7とカルマンフイルタの
最適推定値演算回路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/TI)Σψe(k) の演算を行ない、バイアス成分を除去した舵角
δ′をカルマンフイルタの舵角入力とすることもで
きる。
Furthermore, as for the bias component of plant noise, instead of processing it in the I adjustment circuit 3A, as shown in FIG. The bias processing unit 20 calculates δ′=δ−(τ/T I )Σψ e (k), and the steering angle δ′ from which the bias component has been removed is used as the steering angle input to the Kalman filter. You can also do that.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように本発明によれば、システム
特性の変動時においてもカルマンフイルタの出力
する最適推定値の連続性を保つことができ、よつ
て指令舵角が連続で蛇行が生じず、定常カルマン
フイルタを用いて良好な保針性能のもとに常に確
実に最適な天候調整を行なうことができるという
従来にない優れた自動操舵装置を提供することが
できる。
As explained above, according to the present invention, it is possible to maintain the continuity of the optimal estimated value output by the Kalman filter even when the system characteristics fluctuate. It is possible to provide an unprecedented automatic steering system that can always reliably perform optimal weather adjustment with good course-keeping performance using a filter.

【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を
示す系統図、第2図は第1図中の多値変換部の動
作を示す線図、第3図は多値変換部の他の動作例
を示す線図、第4図及び第5図はそれぞれカルマ
ンフイルタ部の出力特性を説明する波形図、第6
図はプラントノイズのバイアス処理方法の他の実
施例を示す線図である。 1……船体、2……舵機、3……舵機調節部、
9……カルマンフイルタ部、14……最適推定値
演算回路、16……多値変換部。
FIG. 1 is a system diagram showing an automatic steering system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing the operation of the multi-value conversion section in FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram showing the operation of the multi-value conversion section and other parts. 4 and 5 are waveform diagrams illustrating the output characteristics of the Kalman filter section, respectively.
The figure is a diagram showing another embodiment of the plant noise bias processing method. 1... Hull, 2... Rudder gear, 3... Rudder gear adjustment section,
9...Kalman filter section, 14...Optimum estimate calculation circuit, 16...Multi-value conversion section.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 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定常カルマンフイ
ルタを用いて天候調整を行うようにした自動操舵
装置において、 船速を所定のきざみ幅で量子化するとともに、
該量子化に際しては船速下降時に所定のヒステリ
ンスループを画く形態の船速信号を出力し、この
船速の変化にともなつて該出力が変化したとき当
該出力データに基づいて新たなフイルタ係数を計
算するとともに前記カルマンフイルタをイニシヤ
ライズさせる多値変換部を設け、 この多値変換部によるこのイニシヤライズのの
ち、前回の最適推定値を初期値として再始動させ
る最適推定値演算回路を、前記カルマンフイルタ
部が備えていることを特徴とした自動操舵装置。
[Scope of Claims] 1. In an automatic steering system that adjusts the weather using a steady Kalman filter that estimates and outputs optimal values regarding the turning angular velocity and azimuth deviation necessary for automatic steering, the system comprises: Along with quantizing by width,
In this quantization, a ship speed signal in the form of a predetermined hysterin loop is output when the ship speed decreases, and when the output changes as the ship speed changes, a new filter coefficient is generated based on the output data. A multi-value conversion section is provided which calculates the above-mentioned Kalman filter and also initializes the Kalman filter. An automatic steering device characterized by the fact that the section is equipped with an automatic steering device.
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