JPH057238B2 - - Google Patents

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JPH057238B2
JPH057238B2 JP60048674A JP4867485A JPH057238B2 JP H057238 B2 JPH057238 B2 JP H057238B2 JP 60048674 A JP60048674 A JP 60048674A JP 4867485 A JP4867485 A JP 4867485A JP H057238 B2 JPH057238 B2 JP H057238B2
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JP
Japan
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signal
hull
estimated
course
turn rate
Prior art date
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Japanese (ja)
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JPS61207296A (en
Inventor
Takashi Morimoto
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
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Publication of JPS61207296A publication Critical patent/JPS61207296A/en
Publication of JPH057238B2 publication Critical patent/JPH057238B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 《産業上の利用分野》 本発明は、舶用オートパイロツトの省力化と、
操舵特性および省燃費性の改善に関するものであ
る。
[Detailed Description of the Invention] <<Industrial Application Field>> The present invention is directed to labor-saving marine autopilots,
This relates to improvements in steering characteristics and fuel efficiency.

《従来技術》 従来の舶用オートパイロツトは、例えば船首方
位信号発生器であるジヤイロコンパスからの船首
方位信号に基づいて自己位置を連続的に推定演算
し、船体を設定コース上にヨー軸周りの姿勢制御
のみで乗せる様な自動制御方法を採用するものが
ほとんどであつた。即ち、ヨー軸周りの姿勢制御
のみで船体の設定コースと船首方位の差、変針時
の設定ターンレート(切替スイツチ等を用いて手
動でターンレートを設定し出力していた)と実測
のターンレートの差がゼロになる様に制御ゲイン
を航海士が調整し、比例・積分・微分(以下
「PID」という)制御を行つていた。
<Prior Art> Conventional marine autopilots continuously estimate and calculate their own position based on a heading signal from a gyro compass, which is a heading signal generator, and move the ship on a set course around the yaw axis. Most of them adopted an automatic control method that allows them to board the vehicle using only attitude control. In other words, the difference between the ship's set course and heading by only controlling the attitude around the yaw axis, the set turn rate when changing course (the turn rate was manually set and output using a changeover switch, etc.), and the actually measured turn rate. The navigator used proportional, integral, and differential (hereinafter referred to as ``PID'') control to adjust the control gain so that the difference between the two became zero.

第3図はこの様な舶用オートパイロツトの従来
例を示すブロツク線図である。図において、1は
船体、2は船首方位信号ψを出力するジヤイロコ
ンパス、3は命令舵角信号U0を演算し出力する
演算部である。この演算部3は船首方位信号ψと
設定針路信号ψm0とから針路偏差信号Δψ0を出力
する減算器4と、ターンレート信号ψ〓(・は1階
微分を表わす。以下同様)を出力するターンレー
ト演算部5(図では船首方位信号ψを微分回路を
用いて微分しているが、別途ターンレートメータ
(図省略)を用いる場合もある)と、ターンレー
ト信号ψ〓と外部から機械的に設定された設定ター
ンレート信号ψ〓m0との差を取りターンレート偏差
信号Δψ〓0を出力する減算器51と、一次遅れもし
くは二次遅れフイルタ等から成る入力フイルタ部
6と、この入力フイルタ部6でフイルタリングさ
れた針路偏差F信号Δψ^0(Fはフイルタリングを
表わし、∧は計算された値(推定値)を表わす。
以下同様)及びターンレート偏差F信号Δψ^0
PID演算し命令舵角信号U0を出力するPID演算回
路7とから成る。8は命令舵角信号U0に基づい
て舵9を駆動させる舵取り機である。
FIG. 3 is a block diagram showing a conventional example of such a marine autopilot. In the figure, 1 is the hull, 2 is a gyro compass that outputs a heading signal ψ, and 3 is a calculation unit that calculates and outputs a commanded rudder angle signal U0 . This calculation unit 3 outputs a subtractor 4 that outputs a course deviation signal Δψ 0 from the heading signal ψ and the set course signal ψm 0 , and a turn rate signal ψ〓 (.denotes the first-order differential; the same applies hereinafter). The turn rate calculation unit 5 (in the figure, the heading signal ψ is differentiated using a differentiator circuit, but a separate turn rate meter (not shown) may be used) and the turn rate signal ψ a subtracter 51 that calculates the difference from the set turn rate signal ψ〓m 0 set to 0 and outputs a turn rate deviation signal Δψ〓 0 ; The course deviation F signal Δψ^ 0 filtered by the filter unit 6 (F represents filtering, and ∧ represents the calculated value (estimated value).
(same below) and turn rate deviation F signal Δψ^ 0
It consists of a PID calculation circuit 7 that performs PID calculation and outputs a commanded steering angle signal U0 . Reference numeral 8 denotes a steering device that drives the rudder 9 based on the commanded rudder angle signal U 0 .

この様な構成の舶用オートパイロツトにおける
操舵機能を以下に説明する。
The steering function of the marine autopilot having such a configuration will be explained below.

減算器4は、船首方位信号ψと設定針路信号
ψm0とを比較し、針路偏差信号Δψ0を入力フイル
タ部6に出力する。又、減算器51は、ターンレ
ート信号ψ〓と設定ターンレート信号ψ〓m0とを比較
し、ターンレート偏差信号Δψ〓0を入力フイルタ部
6に出力する。針路偏差信号Δψ0とターンレート
偏差信号Δψ〓0は、入力フイルタ部6であらかじめ
手動設定されたフイルタ設定値Mfに基づいてフ
イルタリングされ、針路偏差F信号Δψ^0、ターン
レート偏差F信号Δψ^0としてPID演算回路7に導
かれる。PID演算回路7は、外部から航海士によ
つて手動で設定される制御パラメータMg(例え
ばPID制御ゲインや時定数)に基づいて針路偏差
F信号Δψ^0とターンレート偏差F信号Δψ^0をPID
演算し、命令舵角信号U0として舵取り機8に出
力し舵9を駆動する。
The subtracter 4 compares the heading signal ψ and the set course signal ψm 0 and outputs a course deviation signal Δψ 0 to the input filter section 6 . Further, the subtracter 51 compares the turn rate signal ψ〓 and the set turn rate signal ψ〓m 0 and outputs a turn rate deviation signal Δψ〓 0 to the input filter section 6 . The course deviation signal Δψ 0 and the turn rate deviation signal Δψ〓 0 are filtered based on the filter setting value Mf manually set in advance in the input filter section 6, and the course deviation signal Δψ^ 0 and the turn rate deviation F signal Δψ are filtered. ^ It is guided to the PID calculation circuit 7 as 0 . The PID calculation circuit 7 calculates a course deviation F signal Δψ^ 0 and a turn rate deviation F signal Δψ^ 0 based on control parameters Mg (for example, PID control gain and time constant) that are manually set by the navigator from the outside. PID
It is calculated and output to the steering gear 8 as a commanded rudder angle signal U0 to drive the rudder 9.

《発明が解決しようとする問題点》 ところで、この様な構成の舶用オートパイロツ
トには、次の様な問題点があつた。
<<Problems to be Solved by the Invention>> By the way, the marine autopilot having such a configuration has the following problems.

PID演算回路7において、制御パラメータ
Mgを外部から航海士が手動設定しているた
め、船体1の運動特性の変化に対して前記制御
パラメータMgを常に適正な値に調整すること
が容易でない。制御パラメータMgを適正な値
に調整できないと、望ましい制御特性、即ち高
い保針能力(針路保持)と高い変針能力(針路
変更)が得にくく、従つて輸送の高信頼性が望
めず、又パイロツトシステムの省燃費化を達成
することも困難である。
In the PID calculation circuit 7, the control parameters
Since Mg is manually set by the navigator from the outside, it is not easy to always adjust the control parameter Mg to an appropriate value in response to changes in the motion characteristics of the hull 1. If the control parameter Mg cannot be adjusted to an appropriate value, it will be difficult to obtain the desired control characteristics, that is, high course-keeping ability (course maintenance) and high course-changing ability (course change), and therefore high transportation reliability cannot be expected, and pilot It is also difficult to achieve fuel efficiency in the system.

仮に制御パラメータMgを適正な値に調整す
ることができたとしても、気象や海象の変化に
いちいち対応してこれを設定する航海士にかか
る負担は非常に大きなものとなる。特に肥大船
など進路不安定船の場合にこれが著しい。
Even if it were possible to adjust the control parameter Mg to an appropriate value, the burden placed on the navigator who must adjust the control parameter Mg in response to changes in weather and sea conditions would be extremely heavy. This is especially noticeable in the case of ships with unstable courses, such as oversized ships.

入力フイルタ部6は一時遅れ(又は、二次遅
れ)フイルタで構成されているので十分なフイ
ルタリング効果が得られず、操舵特性および省
燃費性が低下する。
Since the input filter section 6 is composed of a temporary lag (or second-order lag) filter, a sufficient filtering effect cannot be obtained, and the steering characteristics and fuel efficiency deteriorate.

変針時においては、設定ターンレートと実測
ターンレートとの差を検出しこの差に応じて一
定の設定ターンレート信号を変針終了時点まで
保持するので、船体が慣性の影響を受けて大き
なオーバーシユートを起こしてしまう。狭水道
航行中にオーバーシユートが大きいと、他船と
の衝突や対岸への坐礁等の危険が生じる。
During a course change, the difference between the set turn rate and the measured turn rate is detected, and a constant set turn rate signal is maintained according to this difference until the end of the course change, which prevents large overshoots due to the influence of inertia of the ship. I wake up. If there is a large overshoot while navigating in a narrow channel, there will be dangers such as collision with other ships or being stranded on the opposite shore.

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもの
であつて、その船体にとつて高い保針性と高い変
針性を満足しつつ燃費消費料を最小にするような
最適な制御ゲインを航海士の手をわずらわせるこ
となく、自動的に決定できるようにするととも
に、船体の運動特性等が変化した場合にあつて
も、常に最適運航を可能にする舶用オートパイロ
ツトを提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and allows navigators to set an optimal control gain that minimizes fuel consumption while satisfying high course-keeping performance and high course-changing performance for the ship. The purpose of the present invention is to provide a marine autopilot that can automatically make decisions without requiring the operator's assistance, and that enables optimal operation at all times even when the ship's motion characteristics change. shall be.

《問題点を解決するための手段および作用》 本発明の舶用オートパイロツトは、船首方位信
号、ターンレート信号および舵角信号にもとづい
て制御すべき船体に最適な操舵角信号を得るよう
にしたもので、以下のような構成および作用とし
た。
<Means and effects for solving the problems> The marine autopilot of the present invention is configured to obtain a steering angle signal optimal for the ship to be controlled based on a heading signal, a turn rate signal, and a rudder angle signal. The structure and function are as follows.

第1の発明: 船首方位信号とターンレート信号から操舵に有
害な高周波成分をフイルタ部で除外する。船体特
性推定演算部で前記船首方位信号と前記ターンレ
ート信号と舵角信号から船体特性の推定値でかつ
ターンレートの3乗項の係数を含む推定船体パラ
メータを演算・出力し、この出力信号に対応する
最適ゲインを保針変針最適ゲイン調整部から出力
する。保針変針最適操作量演算部ではこの最適ゲ
イン出力によつて制御ゲインを設定され、前記フ
イルタ部を経由した針路方位信号とターンレート
信号に演算を行なつて最適操舵角信号を出力す
る。
First invention: A filter section removes high frequency components harmful to steering from the heading signal and turn rate signal. A hull characteristic estimation calculation section calculates and outputs an estimated hull parameter, which is an estimated value of the hull characteristic and includes a coefficient of the cube of the turn rate, from the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal, and outputs the estimated hull parameter, which is an estimated value of the hull characteristic and includes a coefficient of the cube of the turn rate. The corresponding optimum gain is output from the course keeping/changing course optimum gain adjustment section. In the course keeping course change optimum operation amount calculation section, a control gain is set by this optimum gain output, and an optimum steering angle signal is output by performing calculation on the course direction signal and turn rate signal which have passed through the filter section.

第2の発明: まず船体特性推定演算部において船首方位信号
とターンレート信号と舵角信号から船体特性の推
定値でかつターンレートの3乗項の係数を含む推
定船体パラメータを演算・出力する。船体運動推
定演算部は前記船首方位信号と前記ターンレート
信号と前記舵角信号を入力して、ターンレートの
3乗項を有し前記推定船体パラメータ信号で係数
が設定される船体モデルを用いて前記船体の運動
を推定演算し推定針路方位信号と推定ターンレー
ト信号を出力する。保針変針最適ゲイン調整部は
前記推定船体パラメータ信号に対応する最適ゲイ
ンを出力し、保針変針最適操作量演算部はこの最
適ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前
記船体運動推定演算部から入力する推定針路方位
信号と推定ターンレート信号に演算を行なつて最
適操舵角信号を出力する。
Second invention: First, in the hull characteristic estimation calculating section, an estimated hull parameter that is an estimated value of the hull characteristic and includes a coefficient of the cube of the turn rate is calculated and output from the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal. The hull motion estimation calculation unit inputs the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal, and uses a hull model that has a cube term of the turn rate and whose coefficients are set by the estimated hull parameter signal. The motion of the ship is estimated and calculated, and an estimated course direction signal and an estimated turn rate signal are output. The course-keeping and course-changing optimum gain adjustment section outputs an optimum gain corresponding to the estimated hull parameter signal, and the course-keeping and course-changing optimum operation amount calculation section has a control gain set by this optimum gain output, and the ship motion estimation calculation section The optimum steering angle signal is output by performing calculations on the estimated course heading signal and estimated turn rate signal input from the

第3の発明: まず船体特性推定演算部は船首方位信号とター
ンレート信号と舵角信号から船体特性の推定値で
かつターンレートの3乗項の係数を含む推定船体
パラメータを演算し出力する。船体運動推定演算
部は前記船首方位信号と前記ターンレート信号と
前記舵角信号を入力して、ターンレートの3乗項
を有しかつ前記推定船体パラメータ信号で係数が
設定される船体モデルを用いて前記船体の運動を
推定演算し推定針路方位信号と推定ターンレート
信号を出力する。波浪外乱周波数決定部は前記推
定船体パラメータを入力し、波浪外乱周波数を決
定して波浪外乱周波数信号を出力する。波浪外乱
推定演算部は前記船首方位信号と前記ターンレー
ト信号と前記舵角信号と前記波浪外乱周波数信号
と前記推定船体パラメータから前記船体が制御可
能な周波数の前記船体に働く波浪外乱の大きさを
推定演算する。海象判定部は前記ターンレート信
号と前記波浪外乱周波数信号を入力し、前記波浪
外乱の状態から海象状況を判定し判定波浪外乱周
波数を出力する。保針変針最適ゲイン調整部は前
記船体特性推定演算部から入力する推定船体パラ
メータ信号に対応する最適ゲインを出力し、保針
変針最適操作量演算部はこの最適ゲイン出力によ
つて制御ゲインを設定され、前記船体運動推定演
算部から入力する推定針路方位信号と推定ターン
レート信号に演算を施す。波浪外乱最適ゲイン調
整部は前記海象判定部の判定波浪外乱周波数出力
に対応する最適ゲインを出力し、波浪外乱最適操
作量演算部はこの最適ゲイン出力によつて制御ゲ
インを設定され、前記波浪外乱推定演算部から入
力する推定波浪外乱信号に演算を行なう。合成最
適操作量演算部は前記保針変針最適操作量演算部
および前記波浪外乱最適操作量演算部からの操作
量出力を加算して最適操舵角信号を出力する。
Third invention: First, the hull characteristic estimation calculation section calculates and outputs estimated hull parameters, which are estimated values of the hull characteristics and include coefficients of the cube of the turn rate, from the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal. The hull motion estimation calculation unit inputs the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal, and uses a hull model that has a cubic term of the turn rate and whose coefficients are set by the estimated hull parameter signal. The motion of the ship is estimated and calculated, and an estimated course direction signal and an estimated turn rate signal are output. The wave disturbance frequency determining section inputs the estimated hull parameters, determines a wave disturbance frequency, and outputs a wave disturbance frequency signal. The wave disturbance estimation calculation unit calculates the magnitude of wave disturbance acting on the hull at a frequency that can be controlled by the hull from the heading signal, the turn rate signal, the rudder angle signal, the wave disturbance frequency signal, and the estimated hull parameters. Perform estimation calculation. The sea condition determination section inputs the turn rate signal and the wave disturbance frequency signal, determines the sea condition based on the state of the wave disturbance, and outputs a determined wave disturbance frequency. The course keeping course change optimum gain adjustment section outputs an optimum gain corresponding to the estimated hull parameter signal inputted from the ship characteristic estimation calculation section, and the course keeping course change optimum operation amount calculation section sets a control gain based on this optimum gain output. and performs calculations on the estimated course direction signal and estimated turn rate signal input from the hull motion estimation calculation section. The wave disturbance optimum gain adjustment section outputs an optimum gain corresponding to the determined wave disturbance frequency output of the sea condition judgment section, and the wave disturbance optimum operation amount calculation section sets a control gain based on this optimum gain output, and adjusts the wave disturbance. A calculation is performed on the estimated wave disturbance signal input from the estimation calculation section. The combined optimum operation amount calculation section adds the operation amount outputs from the course keeping course change optimum operation amount calculation section and the wave disturbance optimum operation amount calculation section and outputs an optimum steering angle signal.

《発明の実施例》 以下図面を用いて詳細に説明する。《Embodiments of the invention》 This will be explained in detail below using the drawings.

第1図は本発明の舶用オートパイロツトの一実
施例を示すブロツク線図、第2図は第1図装置の
動作を説明するためのフローチヤートである。第
1図において第3図と重複する部分・機能につい
ては同一番号・符号を付けてその説明を省略す
る。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the marine autopilot of the present invention, and FIG. 2 is a flowchart for explaining the operation of the apparatus shown in FIG. In FIG. 1, parts and functions that overlap with those in FIG. 3 are given the same numbers and symbols, and their explanations are omitted.

第1図において、10は船首方位信号ψとター
ンレート信号ψ〓と舵角信号δから船体特性の推定
値でかつターンレートの3乗項の係数を含む推定
船体パラメータα^,β^,γ^(∧は推定値を意味する

を出力する船体特性推定演算部、11は前記船首
方位信号ψと前記ターンレート信号ψ〓と前記舵角
信号δを入力してターンレートの3乗項を有しか
つ前記推定船体パラメータ信号α^,β^,γ^で係数が
設定される船体モデルを用いて前記船体1の運動
を推定演算し推定針路方位信号ψ^と推定ターンレ
ート信号^を出力する船体運動推定演算部、12
は前記ターンレート信号ψ〓と推定船体パラメータ
信号R^,β^を入力し、波浪外乱周波数ω1,ω2を決
定して出力する波浪外乱周波数決定部、13は前
記船首方位信号ψと前記ターンレート信号ψ〓と前
記舵角信号δと前記波浪外乱周波数信号ω1,ω2
と前記推定船体パラメータ信号R^,β^から前記船
体1が制御可能な周波数の前記船体1に働く波浪
外乱の大きさを推定演算する波浪外乱推定演算
部、14は前記ターンレート信号ψ〓と前記波浪外
乱周波数信号ω1,ω2を入力し、前記波浪外乱の
状態から海象状況を判定し判定波浪外乱周波数を
出力する海象判定部、15は前記船体特性推定演
算部10から入力する推定船体パラメータ信号
R^,β^に対応する最適ゲイン〓1を出力する保針
変針最適ゲイン調整部、16はこの保針変針最適
ゲイン調整部15からの前記最適ゲイン出力〓1
によつて制御ゲインを設定され、前記船体運動推
定演算部11から入力する推定針路方位信号ψと
推定ターンレート信号ψ^に演算を行なう保針変針
最適操作量演算部、17は前記海象判定部14の
出力に対応する最適ゲイン〓2を出力する波浪外
乱最適ゲイン調整部、18はこの波浪外乱最適ゲ
イン調整部17からの前記最適ゲイン出力〓2に
よつて制御ゲインを設定され、前記波浪外乱推定
演算部13から入力する推定波浪外乱信号W^dに
演算を行なう波浪外乱最適操作量演算部、19は
前記保針変針最適操作量演算部16および前記波
浪外乱最適操作量演算部18からの操作量出力
1,Uδ2を加算して最適操舵角信号Uδを出力す
る合成最適操作量演算部である。
In Fig. 1, 10 is the estimated value of the hull characteristics from the heading signal ψ, the turn rate signal ψ〓, and the rudder angle signal δ, and the estimated hull parameters α^, β^, γ including the coefficients of the cubic term of the turn rate. ^ (∧ means estimated value)
A hull characteristic estimation calculation unit 11 inputs the heading signal ψ, the turn rate signal ψ〓, and the rudder angle signal δ, and outputs the cube term of the turn rate and the estimated hull parameter signal α^. , a hull motion estimation calculation unit 12 that estimates and calculates the motion of the hull 1 using a hull model whose coefficients are set by , β^, and γ^ and outputs an estimated course direction signal ψ^ and an estimated turn rate signal ^;
13 is a wave disturbance frequency determination unit that inputs the turn rate signal ψ〓 and the estimated hull parameter signals R^, β^, and determines and outputs the wave disturbance frequencies ω 1 , ω 2 ; Turn rate signal ψ〓, the steering angle signal δ, and the wave disturbance frequency signals ω 1 , ω 2
and a wave disturbance estimation calculation unit that estimates and calculates the magnitude of wave disturbance acting on the hull 1 at a frequency that can be controlled by the hull 1 from the estimated hull parameter signals R^ and β^; 14 is the turn rate signal ψ〓; A sea condition determining unit inputs the wave disturbance frequency signals ω 1 and ω 2 , determines the sea condition based on the state of the wave disturbance, and outputs a determined wave disturbance frequency; 15 is an estimated hull input from the hull characteristic estimation calculation unit 10; parameter signal
A course keeping course change optimum gain adjustment section outputs the optimum gain 〓1 corresponding to R^, β^, and 16 is the optimum gain output 〓1 from this course keeping course change optimum gain adjustment section 15.
17 is the sea condition determination unit; the control gain is set by the above-mentioned ship motion estimation calculation unit 11; A wave disturbance optimum gain adjustment section 18 outputs an optimum gain 〓2 corresponding to the output of 14, and 18 has a control gain set by the optimum gain output 〓2 from this wave disturbance optimum gain adjustment section 17, A wave disturbance optimum operation amount calculation section 19 performs calculations on the estimated wave disturbance signal W^d inputted from the estimation calculation section 13; Manipulated amount output
This is a composite optimal operation amount calculation unit that adds Uδ 1 and Uδ 2 and outputs an optimal steering angle signal Uδ.

以下に、これら各部を第1図及び第2図にもと
づいて更に詳細に説明する。
Each of these parts will be explained in more detail below based on FIGS. 1 and 2.

<船体運動推定演算部11> 船体運動推定演算部11は船首方位信号ψとタ
ーンレート信号ψ〓と舵角信号δを入力して、次式
により推定針路方位信号ψ^と推定ターンレート信
号ψ^を推定演算する。
<Ship motion estimation calculation unit 11> The hull motion estimation calculation unit 11 inputs the heading signal ψ, turn rate signal ψ〓, and rudder angle signal δ, and generates an estimated course heading signal ψ^ and an estimated turn rate signal ψ using the following equation. Estimate calculation of ^.

dψ^(t)/dt=−R^(t)ψ^(t)+β^(t)δ(
t)+
β^(t)W^d(t)+3γ^(t)(ψ^(t))3−γ^
(t)(ψ^
(t))3+K11(ψ〓(t)−ψ^(t))+K12(ψ(
t)−ψ^
(t)+K11V1(t)+K12V2(t) …(1) dψ^(t)/dt=ψ^(t)+K21(ψ〓(t)−ψ^(
t))+K22
(ψ(t)−ψ^(t))+K21V1(t)+K22V2(t)
…(2) ただしR^(t)=α^(t)+3γ^(t)(ψ^(t)
2…(3) で、α^(=1/Tv;Tvは追従性指数)、β^(=Kv/
Tv;Kvは旋回性指数)、γ^(非線形項の係数)は
後述の船体特性推定演算部10で推定される船体
自身のパラメータ、W^dは後述の波浪外乱推定演
算部13で推定される波浪外乱の推定値、v1,v2
は測定ノイズ、tは時間である。
dψ^(t)/dt=−R^(t)ψ^(t)+β^(t)δ(
t)+
β^(t) W^d(t) + 3γ^(t) (ψ^(t)) 3 −γ^
(t) (ψ^
(t)) 3 +K 11 (ψ〓(t)−ψ^(t))+K 12 (ψ(
t) −ψ^
(t)+K 11 V 1 (t)+K 12 V 2 (t) …(1) dψ^(t)/dt=ψ^(t)+K 21 (ψ〓(t)−ψ^(
t))+K 22
(ψ(t)−ψ^(t))+K 21 V 1 (t)+K 22 V 2 (t)
…(2) However, R^(t) = α^(t) + 3γ^(t) (ψ^(t)
) 2 ...(3), α^(=1/Tv; Tv is the followability index), β^(=Kv/
Tv; Kv is a turning performance index), γ^ (coefficient of nonlinear term) is a parameter of the hull itself estimated by the hull characteristic estimation calculation unit 10 described later, and W^d is estimated by the wave disturbance estimation calculation unit 13 described later. Estimated values of wave disturbance, v 1 , v 2
is the measurement noise and t is the time.

推定式(1)〜(3)は、船体の旋回時の数式モデルを
肥大船など進路不安定船の場合も考慮してターン
レートψ〓の3乗項を含ませるとともに外乱による
ヨーイングを等価的な舵角に置き換えて波浪外乱
Wdとした式 ψ¨(t)+αψ〓(t)+γ(ψ〓(t))3=β
δ(t))+βWd
(t) …(4) で表わして、これを線形近似したものに公知の
(拡張)カルマンフイルタの理論を適用すること
により得られる。この結果カルマンゲインK11
K22はψ−ψ^,ψ〓−ψ^の分散を最小にするように決
定される。
Estimation formulas (1) to (3) include the cube term of the turn rate ψ〓 in the mathematical model for turning the ship considering the case of a ship with an unstable course such as a large ship, and equivalently calculates yawing due to disturbance. wave disturbance by replacing it with a certain rudder angle.
Formula for Wd ψ¨(t) + αψ〓(t) + γ(ψ〓(t)) 3 = β
δ(t))+βWd
(t) ...(4) and is obtained by applying the well-known (extended) Kalman filter theory to a linear approximation of this. This results in Kalman gain K 11 ~
K 22 is determined to minimize the variance of ψ−ψ^, ψ〓−ψ^.

<船体特性推定演算部10> 船体特性推定演算部10は船首方位信号ψとタ
ーンレート信号ψ〓と舵角信号δから船体特性の推
定値である推定船体パラメータα^,β^,γ^を前記(1)
(2)(3)式および次の(5)(6)(7)式により推定演算する。
<Hull characteristics estimation calculation unit 10> The hull characteristics estimation calculation unit 10 calculates estimated hull parameters α^, β^, γ^, which are estimated values of the hull characteristics, from the heading signal ψ, turn rate signal ψ〓, and rudder angle signal δ. Said (1)
Estimation calculations are performed using equations (2) and (3) and the following equations (5), (6), and (7).

dα^(t)/dt=K31(ψ〓(t)−ψ^(t))+K32
(ψ(t)
−ψ^(t))+K31v1(t)+K32v2(t)…(5) dβ^(t)/dt=K41(ψ〓(t)−ψ^(t))+K42
(ψ(t)
−ψ^(t))+K41v1(t)+K42v2(t)…(6) dγ^(t)/dt=K51(ψ〓(t)−ψ^(t))+K52
(ψ(t)
−ψ^(t))+K51v1(t)+K52v2(t)…(7) これらの式は前記同様船体モデルを(4)式で表わ
すとともに、船体パラメータα,β,γも未知量
として取扱い、これに(拡張)カルマンフイルタ
の理論を適用することにより得られる。この場合
カルマンゲインK11〜K52はψ−ψ^,ψ〓−ψ^,α−
α^,β−β^,γ−γ^の分散を最小にするように決定
される。
dα^(t)/dt=K 31 (ψ〓(t)−ψ^(t))+K 32
(ψ(t)
−ψ^(t))+K 31 v 1 (t)+K 32 v 2 (t)…(5) dβ^(t)/dt=K 41 (ψ〓(t)−ψ^(t))+K 42
(ψ(t)
−ψ^(t))+K 41 v 1 (t)+K 42 v 2 (t)…(6) dγ^(t)/dt=K 51 (ψ〓(t)−ψ^(t))+K 52
(ψ(t)
−ψ^(t))+K 51 v 1 (t)+K 52 v 2 (t)…(7) These equations represent the hull model using equation (4) as above, and also the hull parameters α, β, and γ. It can be obtained by treating it as an unknown quantity and applying the (extended) Kalman filter theory to it. In this case, the Kalman gains K 11 ~ K 52 are ψ−ψ^, ψ〓−ψ^, α−
It is determined to minimize the variance of α^, β−β^, and γ−γ^.

上記の船体特性推定演算部10の演算速度を船
体運動推定演算部11よりも速くすれば、相互の
干渉をなくして動作特性を向上することができ
る。
If the calculation speed of the above-mentioned hull characteristic estimation calculation section 10 is made faster than that of the hull motion estimation calculation section 11, mutual interference can be eliminated and the operating characteristics can be improved.

<波浪外乱周波数決定部12> 海象が変化した時、船体特性推定演算部10か
らの推定船体パラメータR^,β^とターンレート信
号ψ〓を入力する波浪外乱周波数決定部12は、そ
の海象における、その船体1にとつて制御可能な
波浪外乱周波数を決定する。
<Wave disturbance frequency determination unit 12> When the sea condition changes, the wave disturbance frequency determination unit 12, which inputs the estimated hull parameters R^, β^ and the turn rate signal ψ〓 from the hull characteristic estimation calculation unit 10, , the controllable wave disturbance frequency for the hull 1 is determined.

すなわち、まず推定船体パラメータR^,β^から
船体1が制御可能(又は応答可能)な低周波数帯
域を求める。次に船体1の不規則雑音(平均値は
0)を含んだターンレート信号をフーリエ変換し
て、ターンレートψ〓に関する周波数スペクトルを
得る。この周波数スペクトルが前記低周波数帯域
において最大値(その船体の保針性に最も影響を
及ぼす値)及び2番目の値をとる周波数(正確に
は角周波数)ω1,ω2を求め、これらを波浪外乱
周波数として出力する。
That is, first, a low frequency band in which the hull 1 is controllable (or responsive) is determined from the estimated hull parameters R^ and β^. Next, the turn rate signal containing random noise (average value is 0) of the hull 1 is subjected to Fourier transformation to obtain a frequency spectrum related to the turn rate ψ〓. Find the frequencies ω 1 and ω 2 at which this frequency spectrum takes the maximum value (the value that most affects the ship's course-keeping ability) and the second value (more precisely, the angular frequency) in the low frequency band, and calculate these. Output as wave disturbance frequency.

尚、上記の例では波浪外乱周波数として前記低
周波数帯域における第1、第2の周波数成分のみ
を求めているが、これに限定されるものではな
く、第3周波数成分以降をさらに追加して後述の
波浪外乱推定に利用してもよい。このようにすれ
ば、波浪外乱に関するフイードフオワード制御特
性は更に改善される。
In the above example, only the first and second frequency components in the low frequency band are determined as the wave disturbance frequency, but the invention is not limited to this, and the third and subsequent frequency components can be further added and described later. It may be used for estimating wave disturbance. In this way, the feedforward control characteristics regarding wave disturbances are further improved.

<波浪外乱推定演算部13> 波浪外乱推定演算部13は船首方位信号ψとタ
ーンレート信号ψ〓と舵角信号δと船体特性推定演
算部10からの推定船体パラメータR^,β^および
前記波浪外乱周波数決定部12から出力される波
浪外乱周波数ω1,ω2を入力して、船体1にとつ
て制御可能な周波数の波浪外乱Wdの大きさを前
記(1)(2)(3)式および次の(8)(9)(10)(11)式により推定

算する。
<Wave disturbance estimation calculation unit 13> The wave disturbance estimation calculation unit 13 calculates the heading signal ψ, the turn rate signal ψ〓, the rudder angle signal δ, the estimated hull parameters R^, β^ from the hull characteristic estimation calculation unit 10, and the waves. By inputting the wave disturbance frequencies ω 1 and ω 2 outputted from the disturbance frequency determination unit 12, the magnitude of the wave disturbance Wd at a frequency that can be controlled by the hull 1 is determined by the above equations (1), (2), and (3). Then, estimate calculation is performed using the following equations (8), (9), (10), and (11).

dψ^12(t)/dt=−ω1x^12(t)+K61(ψ〓(t)
−ψ^
(t))+K62(ψ(t)−ψ^(t))+x^22(t)+
K61v1
(t)+K62v2(t) …(8) dx^12(t)/dt=ψ^12(t)+K71(ψ〓(t)−ψ^
(t))+
K72(ψ(t)−ψ^(t))+K71v1(t)+K72v2(t

…(9) dψ^22(t)/dt=−ω2x^22(t)+K81(ψ〓(t)
−ψ^
(t))+K82(ψ(t)−ψ^(t))+K81v1(t)
+K82v2
(t) …(10) dx^22(t)/dt=ψ^22(t)+K91(ψ〓(t)−ψ^
(t))+
K92(ψ(t)−ψ^(t))+K91v1(t)+K92v2(t

…(11) ただし W^d(t)=x^12(t) これらの式は前記同様船体モデルを(4)式で表わ
すとともに、波浪外乱のモデル式を2つの周波数
ω1,ω2の正弦波と白色ノイズWrとで構成した次
の(12)(13)(14)式で表わし、これにカルマンフイル
タの理論を適用することにより得られる。
dψ^ 12 (t)/dt=-ω 1 x^ 12 (t)+K 61 (ψ〓(t)
−ψ^
(t))+K 62 (ψ(t)−ψ^(t))+x^ 22 (t)+
K61v1 _
(t)+K 62 v 2 (t) …(8) dx^ 12 (t)/dt=ψ^ 12 (t)+K 71 (ψ〓(t)−ψ^
(t))+
K 72 (ψ(t)−ψ^(t))+K 71 v 1 (t)+K 72 v 2 (t
)
…(9) dψ^ 22 (t)/dt=−ω 2 x^ 22 (t)+K 81 (ψ〓(t)
−ψ^
(t))+K 82 (ψ(t)−ψ^(t))+K 81 v 1 (t)
K82v2
(t) …(10) dx^ 22 (t)/dt=ψ^ 22 (t)+K 91 (ψ〓(t)−ψ^
(t))+
K 92 (ψ(t)−ψ^(t))+K 91 v 1 (t)+K 92 v 2 (t
)
...(11) However, W^d(t)=x^ 12 (t) These equations are similar to those described above, in which the hull model is expressed by equation (4), and the wave disturbance model equation is expressed by two frequencies ω 1 and ω 2 . It is expressed by the following equations (12), (13), and (14) composed of a sine wave and white noise Wr, and is obtained by applying the Kalman filter theory to this.

x12(t)=Wd(t) …(12) X¨12(t)=−ω1x12(t)+x22(t)…(13) X¨22(t)=−ω2x22(t)+Wr(t) …(14) この場合カルマンゲインK61〜K92はψ−ψ^,ψ〓
−ψ^,x12−x^12,x〓12−ψ^12,x22−x^22,x〓22−
ψ^22
の分散を最小にするように決定される。
x 12 (t)=Wd(t)...(12) X¨ 12 (t ) =-ω 1 x 12 (t) + x 22 (t)...(13 ) (t) + Wr (t) ...(14) In this case, Kalman gain K 61 ~ K 92 is ψ−ψ^, ψ〓
−ψ^, x 12 −x^ 12 , x〓12−ψ^ 12 , x 22 −x^ 22 , x〓22−
ψ^ 22
is determined to minimize the variance of

<海象判定部14> 海象が変化すれば波浪外乱Wdの状態も変化
し、波浪外乱Wdの大きさの推定も再度実行しな
ければならないし、波浪外乱フイードフオワード
量も変更しなければならない。海象判定部14は
ターンレート信号ψ〓と、前記波浪外乱周波数決定
部12で決定された波浪外乱周波数ω1,ω2を入
力して海象の状態を判定する。
<Sea conditions determination unit 14> If the sea conditions change, the state of wave disturbance Wd also changes, and the magnitude of wave disturbance Wd must be estimated again, and the amount of wave disturbance feed forward must also be changed. . The sea condition determining section 14 inputs the turn rate signal ψ〓 and the wave disturbance frequencies ω 1 and ω 2 determined by the wave disturbance frequency determining section 12 and determines the state of the sea conditions.

即ち、海象判定部14はターンレート信号をフ
ーリエ変換してパワースペクトル密度S(n)(n
はスペクトル次数)を演算する。下記のように、
このパワースペクトル密度S(n)の最大値を、
あらかじめ決めておいた設定値Φwd0,Φwd1
Φwd2と比較することにより、その時の海象レベ
ルを判定する。
That is, the sea condition determination unit 14 Fourier transforms the turn rate signal to obtain the power spectrum density S(n)(n
is the spectral order). As described below,
The maximum value of this power spectrum density S(n) is
Predetermined setting values Φwd 0 , Φwd 1 ,
By comparing with Φwd 2 , determine the sea level at that time.

CALM SEA(目視波高が0〜0.1m程度の鏡
のように滑らかな海象)の場合は、 MAX[S(n)]≦Φwd0 …(15) となるので、波浪外乱の推定および制御は原則
として行なわない。
In the case of CALM SEA (mirror-smooth sea conditions with visible wave heights of about 0 to 0.1 m), MAX[S(n)]≦Φwd 0 ...(15) Therefore, wave disturbance estimation and control are basically Don't do it as a.

ROUGH SEA(目視波高が2.5〜4m程度の波
がやや高い海象)の場合は、 Φwd0<MAX[S(n)]≦Φwd1 …(16) となるので、波浪外乱の推定を行なう。
In the case of ROUGH SEA (a sea condition in which waves are relatively high with a visual wave height of about 2.5 to 4 m), Φwd 0 < MAX[S(n)] ≦ Φwd 1 (16), so wave disturbance is estimated.

VERY ROUGH SEA(目視波高が4.0〜6m
程度の波がかなり高い海象)の場合は、 Φwd1<MAX[S(n)]≦Φwd2 …(17) となるので、波浪外乱の推定を行なう。
VERY ROUGH SEA (visual wave height 4.0~6m)
In the case of a sea condition in which the waves are quite high, Φwd 1 < MAX [S(n)] ≦ Φwd 2 (17), so the wave disturbance is estimated.

HIGH ROUGH SEA(目視波高が6m以上の
非常に荒れた海象)の場合は、 Φwd2<MAX[S(n)] …(18) となるので、船体の安全性のために波浪外乱の
推定および制御は原則として行なわない。
In the case of HIGH ROUGH SEA (very rough sea conditions with a visual wave height of 6 m or more), Φwd 2 < MAX [S(n)] ...(18) Therefore, wave disturbance estimation and In principle, no control is performed.

上記のの場合には判定波浪外乱周波数ω10
=ω1,ω20=ω2を波浪外乱最適ゲイン調整部17
に出力する。
In the above case, the determined wave disturbance frequency ω 10
= ω 1 , ω 20 = ω 2 as the wave disturbance optimum gain adjustment unit 17
Output to.

なお、上記の海象判定部14は、ターンレート
信号を用いているが、推定された波浪外乱W^dを
フーリエ変換する構成としてもよい。
Although the above-mentioned sea condition determination unit 14 uses a turn rate signal, it may be configured to perform Fourier transform on the estimated wave disturbance W^d.

<保針変針最適ゲイン調整部15> 保針変針最適ゲイン調整部15は前記船体特性
推定演算部10で推定されたR^,β^を入力し、そ
の船の大きさ、重さ、不安定度などに見合つた最
適フイードバツクゲインを最適ゲインテーブルか
ら選択して、ゲイン行列〓1として出力する。最
適ゲインテーブルとしては、あらかじめ各クラス
の船について求めた最適フイードバツクゲインを
書込んだROMなどを用いる。
<Course-keeping and course-changing optimum gain adjustment section 15> The course-keeping and course-changing optimum gain adjustment section 15 inputs R^ and β^ estimated by the hull characteristic estimation calculation section 10, and calculates the size, weight, and instability of the ship. The optimal feedback gain corresponding to the degree of power, etc. is selected from the optimal gain table and output as a gain matrix 〓1. As the optimal gain table, a ROM or the like is used in which the optimal feedback gains determined for each class of ships are written in advance.

<保針変針最適操作量演算部16> 保針変針最適操作量演算部16は、前記保針変
針最適ゲイン調整部15で決定される最適フイー
ドバツクゲイン〓1=(K1P,K1D,K1I,KC1
KC2)を入力して、これと設定ターンレート
ψ〓m0、設定針路方位ψm0、前記船体運動推定演算
部11からの推定針路方位信号ψ^および推定ター
ンレート信号〓を、次式で示すように掛合わせる
ことにより第1の操作量Uδ1(t)を演算・出力
する。
<Route-keeping and course-changing optimum operation amount calculation section 16 > The course-keeping and course-changing optimum operation amount calculation section 16 calculates the optimum feedback gain determined by the course-keeping and course-changing optimum gain adjustment section 15 = 1 = (K 1P , K 1D , K 1I , K C1 ,
K C2 ), and the set turn rate ψ〓m 0 , the set course heading ψm 0 , the estimated course direction signal ψ^ from the hull motion estimation calculation unit 11, and the estimated turn rate signal 〓 are calculated using the following equation. By multiplying as shown, the first manipulated variable Uδ 1 (t) is calculated and output.

1=−K1Pψ^−K1Dψ^−K1I∫{ψ^−ψm0}dt)+
KC1ψm0+KC2ψ〓m0 …(19) ただし保針時はψ〓m0=0である。
1 = −K 1P ψ^−K 1D ψ^−K 1I ∫{ψ^−ψm 0 }dt)+
K C1 ψm 0 +K C2 ψ〓m 0 ...(19) However, when the course is kept, ψ〓m 0 = 0.

この第1の操作量Uδ1は、積荷等によつて生じ
る、船体への外乱の影響を減らすように操舵角を
変化させる。
This first manipulated variable Uδ 1 changes the steering angle so as to reduce the influence of disturbances on the hull caused by cargo and the like.

<波浪外乱最適ゲイン調整部17> 波浪外乱最適ゲイン調整部17は前記海象判定
部14の出力値である判定波浪外乱周波数ω10
ω20を入力し、最適ゲインテーブルから最適フイ
ードフオワードゲインを選択して、ゲイン行列〓
2として出力する。最適ゲインテーブルとして、
あらかじめROMなどに種々の海象に対応する最
適フイードフオワードゲインを書込んでおく。
<Wave disturbance optimum gain adjustment unit 17> The wave disturbance optimum gain adjustment unit 17 uses the determined wave disturbance frequency ω 10 which is the output value of the sea condition determination unit 14,
Input ω 20 , select the optimal feed forward gain from the optimal gain table, and create the gain matrix 〓
Output as 2. As an optimal gain table,
The optimum feed forward gain corresponding to various sea conditions is written in ROM etc. in advance.

<波浪外乱最適操作量演算部18> 波浪外乱最適操作量演算部18は、前記波浪外
乱最適ゲイン調整部17で決定される最適フイー
ドフオワードゲイン〓2=K21,K22,K23,K24
を入力して、これと前記波浪外乱推定演算部13
からの波浪外乱推定値W^d,ψ^12,x^22,ψ^22を、次
式で示すように掛合わせることにより第2の操作
量Uδ2(t)を演算・出力する。Uδ2=−K21W^d
−K22ψ^12−K23x^22−K24ψ^22 …(20) この第2の操作量Uδ2(t)は、波浪外乱の影
響を減らすように操舵角を変化させる。
<Wave disturbance optimum operation amount calculation unit 18> The wave disturbance optimum operation amount calculation unit 18 calculates the optimum feed forward gain determined by the wave disturbance optimum gain adjustment unit 17 = 2 = K 21 , K 22 , K 23 , K24 )
Input this and the wave disturbance estimation calculation unit 13
The second manipulated variable Uδ 2 (t) is calculated and output by multiplying the estimated wave disturbance values W^d, ψ^ 12 , x^ 22 , ψ^ 22 from the equation as shown in the following equation. Uδ 2 = −K 21 W^d
-K 22 ψ^ 12 -K 23 x^ 22 -K 24 ψ^ 22 (20) This second manipulated variable Uδ 2 (t) changes the steering angle so as to reduce the influence of wave disturbance.

<合成最適操作量演算部19> 合成最適操作量演算部19は前記保針変針最適
操作量演算部16から出力される第1の操作量
1と前記波浪外乱最適操作量演算部18から出
力される第2の操作量Uδ2を下式のように加算し
て最適舵角信号Uδを操舵機8に出力する。
<Composite optimum operation amount calculation unit 19> The combination optimum operation amount calculation unit 19 calculates the first operation amount output from the course-keeping and heading change optimum operation amount calculation unit 16.
1 and the second manipulated variable Uδ 2 outputted from the wave disturbance optimal manipulated variable calculating section 18 are added as shown in the following formula, and an optimal steering angle signal Uδ is output to the steering gear 8.

Uδ=Uδ1+Uδ2 …(21) 上記の保針変針最適ゲイン調整部15、保針変
針最適操作量演算部16、波浪外乱最適ゲイン調
整部17、波浪外乱最適操作量演算部18、合成
最適操作量演算部19は以下に示すようなアルゴ
リズムに従つて動作している。
Uδ=Uδ 1 +Uδ 2 ...(21) The above-mentioned course-keeping and course-changing optimum gain adjustment section 15, course-keeping and course-changing optimum operation amount calculation section 16, wave disturbance optimum gain adjustment section 17, wave disturbance optimum operation amount calculation section 18, composite optimization The manipulated variable calculation unit 19 operates according to the algorithm shown below.

船体の運動方程式(4)を推定ターンレートψ〓(t)
について展開し、線形近似すると、 ψ¨(t)=−R(t)ψ〓(t)+βδ(t)+β
(t)
…(22) となる。ただし、 R(t)=α(t)+3γ(t)(ψ^(t))2 …(23) (t)=Wd(t)+3γ(t)(ψ^(t))3/β
…(24) さらに関係式 e〓1(t)=ψ(t)−ψm0(t) …(25) e〓2(t)=ψ〓(t)−ψ〓m0(t) …(26) ψ〓m0(t)=0 …(27) ψ¨m0(t)=0 …(28) を追加する。上記(22)〜(28)式と波浪外乱のモデ
ル式(12)(13)(14)式からなる制御対象について、次
式の評価関数Jを最小にするようなδを公知の最
適レギユレータ理論を用いて求めることにより、
最適フイードバツクゲイン〓1、フイードフオワ
ードゲイン〓2を決定する。
Estimating the equation of motion (4) of the hull Turn rate ψ〓(t)
When expanded and linearly approximated, ψ¨(t)=-R(t)ψ〓(t)+βδ(t)+β
(t)
…(22) becomes. However, R(t)=α(t)+3γ(t)(ψ^(t)) 2 …(23) (t)=Wd(t)+3γ(t)(ψ^(t)) 3
…(24) Furthermore, the relational expression e〓 1 (t)=ψ(t)−ψm 0 (t) …(25) e〓 2 (t)=ψ〓(t)−ψ〓m 0 (t) …( 26) Add ψ〓m 0 (t)=0 …(27) ψ¨m 0 (t)=0 …(28). For the controlled object consisting of the above equations (22) to (28) and the wave disturbance model equations (12), (13), and (14), δ that minimizes the evaluation function J of the following equation is calculated using the known optimal regulator theory. By finding it using
Determine the optimal feedback gain =1 and the optimal feedback gain =2.

J=E[∫{λ1(ψ−ψm02+λ2(ψ〓−ψ〓m02
+λ3(∫
(ψ−ψm0)dt)2+λ4δ2}dt] …(29) ただしE[ ]は集合平均を表わす。評価関数J
は省エネルギー性、保針性、変針性を表わしてい
る。
J=E[∫{λ 1 (ψ−ψm 0 ) 22 (ψ〓−ψ〓m 0 ) 2
3 (∫
(ψ−ψm 0 )dt) 24 δ 2 }dt] (29) where E[ ] represents the collective average. Evaluation function J
represents energy saving, course maintenance, and course changeability.

以上の解析をあらかじめ各種波浪外乱および各
種船体(R,β)について行い、最適ゲイン行列
〓1=(K1P,K1D,K1I,KC1,KC2,〓2=K21
K22,K23,K24)を船体パラメータ(R^,β^)お
よび海象判定出力から参照できるように保針変針
最適ゲイン調整部15および波浪外乱最適ゲイン
調整部17内にテーブル化しておく。
The above analysis is performed in advance for various wave disturbances and various hulls (R, β), and the optimal gain matrix 〓1=(K 1P , K 1D , K 1I , K C1 , K C2 , 〓2=K 21 ,
K 22 , K 23 , K 24 ) are tabulated in the course keeping/changing course optimum gain adjustment unit 15 and the wave disturbance optimum gain adjustment unit 17 so that they can be referenced from the hull parameters (R^, β^) and sea condition judgment output. .

ここでR^(t)=α^(t)+3γ^(t)(ψ^(t)
2であ
り、α^,γ^は一定な定常解を持つが、ψ^(t)が零
点の周りに振動するので、R^もα^の周りに振動す
る。ゲインを調整するための参照情報は一定な値
を持つことが望ましいので、R^の2乗平均 を参照用のR^の値とする。R^が振動していてもそ
の振動の性質が定常ならRMSR^も定常値となる。
Here, R^(t) = α^(t) + 3γ^(t) (ψ^(t)
) 2 , and α^ and γ^ have a constant steady-state solution, but since ψ^(t) oscillates around the zero point, R^ also oscillates around α^. It is desirable that the reference information for adjusting the gain has a constant value, so the root mean square of R^ Let be the value of R^ for reference. Even if R^ is oscillating, if the nature of the vibration is steady, RMSR^ will also be a steady value.

なお第2図のフローチヤートに示すように、上
記の実施例においてスタート時は、船体特性推定
値の初期値R^(O),β^(O)を設定され、これを演
算に使用している。
As shown in the flowchart of Fig. 2, at the start of the above embodiment, initial values R^(O) and β^(O) of estimated values of hull characteristics are set, and these are used for calculation. There is.

また上記の実施例では船体運動推定演算部11
として(拡張)カルマンフイルタを用いている
が、これに限らず、通常のアナログフイルタなど
を使用することも可能である。
Further, in the above embodiment, the hull motion estimation calculation unit 11
Although an (extended) Kalman filter is used as an example, the present invention is not limited to this, and it is also possible to use a normal analog filter.

また波浪外乱の推定を行なわなければ、波浪外
乱周波数決定部12、波浪外乱推定演算部13、
海象判定部14、波浪外乱最適ゲイン調整部1
7、波浪外乱最適操作量演算部18を省略でき、
構成をより簡単にすることができる。
If the wave disturbance is not estimated, the wave disturbance frequency determining section 12, the wave disturbance estimation calculation section 13,
Sea condition determination unit 14, wave disturbance optimum gain adjustment unit 1
7. The wave disturbance optimum operation amount calculation unit 18 can be omitted;
The configuration can be made simpler.

また、上述した実施例ではあらかじめ多くの最
適制御ゲインを計算により求めておき、それをゲ
インテーブル(メモリ記憶形式)として記憶さ
せ、これを推定船体パラメータR^,β^と判定波浪
外乱周波数ω10,ω20により選択する場合を説明
したが、必ずしもこのようにテーブル形式で行な
う必要はなく、最適制御ゲイン行列〓1の演算を
オンラインで行なつてもよい。
Furthermore, in the embodiment described above, many optimal control gains are calculated in advance, stored as a gain table (memory storage format), and used as the estimated hull parameters R^, β^ and the determined wave disturbance frequency ω 10 , ω 20 has been described, but it is not necessarily necessary to perform the selection in a table format like this, and the calculation of the optimal control gain matrix 〓1 may be performed online.

上記の実施例において、保針変針最適ゲイン調
整部15、保針変針最適操作量演算部16、波浪
外乱最適ゲイン調整部17、波浪外乱最適操作量
演算部18、合成最適操作量演算部19の部分を
まとめてマイクロコンピユータで構成してもよ
い。また他の各部も同様にマイクロコンピユータ
で構成できる。
In the above embodiment, the course-keeping and course-changing optimum gain adjustment section 15, the course-keeping and course-changing optimum operation amount calculation section 16, the wave disturbance optimum gain adjustment section 17, the wave disturbance optimum operation amount calculation section 18, and the combined optimum operation amount calculation section 19 are configured. The parts may be collectively configured by a microcomputer. Further, each of the other parts can be similarly configured by a microcomputer.

尚、本発明に船速信号を用いる構造、即ち、船
速信号を船体特性推定演算部に取り入れて船体特
性を推定するような構成としてもよい。このよう
にすれば船速変化に逐次対応した補正値が得られ
るので、本システムの精度はさらに向上する。
It should be noted that the present invention may have a structure in which a ship speed signal is used, that is, a structure in which the ship speed signal is incorporated into the ship characteristics estimation calculation section to estimate the ship characteristics. In this way, correction values corresponding to changes in ship speed can be obtained, thereby further improving the accuracy of the present system.

またターンレートψ〓を推定演算部入力とせず、
船首方位信号ψのみを用いて各推定演算を行なう
こともできる。また各推定演算部の入力として、
針路方位信号ψおよびターンレート信号ψ〓のかわ
りに針路方位偏差ψm0−ψ、ターンレート偏差ψ〓
=ψ〓m0−ψ〓を用いることもできる。
Also, without using the turn rate ψ〓 as an input to the estimation calculation unit,
It is also possible to perform each estimation calculation using only the heading signal ψ. Also, as an input to each estimation calculation section,
Instead of the heading signal ψ and the turn rate signal ψ〓, the heading deviation ψm 0 −ψ and the turn rate deviation ψ〓
=ψ〓m 0 −ψ〓 can also be used.

《発明の効果》 以上述べたように、 第1の発明によれば、船体の重さや大きさによ
つて変化する操舵特性を、船体の特性を推定する
船体特性推定演算部によつて自動制御しているた
めに、積荷の変化やバラストの変化による船体質
量等の船体特性が変化しても変化に追従した操舵
が可能である。
<<Effects of the Invention>> As described above, according to the first invention, the steering characteristics that change depending on the weight and size of the ship are automatically controlled by the ship characteristics estimation calculation unit that estimates the characteristics of the ship. Therefore, even if the hull characteristics such as hull mass change due to changes in cargo or ballast, it is possible to perform steering that follows the changes.

このため、変針時にオーバーシユートすること
もなく、安定した操舵を実現できる。
Therefore, stable steering can be achieved without overshooting when changing course.

第2の発明によれば、船体の運動をターンレー
トの3乗項を有する船体モデルを用いて推定演算
する船体運動推定演算部を設けているので、肥大
形の針路不安定船であつても船体特性に見合つた
省エネルギー航行と最適な保針変針特性を実現で
きる。
According to the second aspect of the invention, since the hull motion estimation calculation section is provided which estimates and calculates the hull motion using a hull model having a cubic term of the turn rate, even if the ship is of an enlarged type and has an unstable course. It is possible to achieve energy-saving navigation and optimal course-keeping characteristics that match the characteristics of the ship.

第3の発明によれば、気象、海象の変化により
変動するカルマンフイルタで推定演算し、操舵特
性を波浪外乱から直接フイードフオワード制御し
ているので、波浪外乱に対応した制御量を得るこ
とができる。
According to the third invention, since the steering characteristics are directly feed-forward controlled from wave disturbances by performing estimation calculations using a Kalman filter that varies depending on changes in weather and sea conditions, it is possible to obtain a control amount corresponding to wave disturbances. I can do it.

このために航海士が気象や海象を見て制御ゲイ
ンを調整しなくても良く、航海士の負担を軽減で
きると共に、波浪外乱に影響を受けないで的確な
舵を切りを実現できる。
This eliminates the need for the navigator to adjust the control gain by looking at the weather and sea conditions, which reduces the burden on the navigator and enables accurate steering without being affected by wave disturbances.

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

第1図は本発明の舶用オートパイロツトのブロ
ツク構成図、第2図は第1図のフローチヤート、
第3図は舶用オートパイロツトの従来例を示すブ
ロツク線図である。 1……船体、10……船体特性推定演算部、1
1……船体運動推定演算部、12……波浪外乱周
波数決定部、13……波浪外乱推定演算部、14
……海象判定部、15……保針変針最適ゲイン調
整部、16……保針変針最適操作量演算部、17
……波浪外乱最適ゲイン調整部、18……波浪外
乱最適操作量演算部、19……合成最適操作量演
算部、ψ……船首方位信号、ψ〓……ターンレート
信号、δ……舵角信号、Uδ……操舵角信号、α^,
β^,γ^,R^……推定船体パラメータ、ψ……推定針
路方位信号、ψ^……推定ターンレート信号、ω1
ω2……波浪外乱周波数、Wd……波浪外乱の大き
さ、ω10,ω20……判定波浪外乱周波数、〓1,
〓2……最適ゲイン、W^d……推定波浪外乱信
号。
Fig. 1 is a block diagram of a marine autopilot according to the present invention, Fig. 2 is a flowchart of Fig. 1,
FIG. 3 is a block diagram showing a conventional example of a marine autopilot. 1...Hull, 10...Hull characteristic estimation calculation section, 1
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Hull motion estimation calculation part, 12... Wave disturbance frequency determination part, 13... Wave disturbance estimation calculation part, 14
... Sea condition determination section, 15 ... Course keeping course change optimum gain adjustment section, 16 ... Course keeping course change optimum operation amount calculation section, 17
... Wave disturbance optimum gain adjustment section, 18 ... Wave disturbance optimum operation amount calculation section, 19 ... Combined optimum operation amount calculation section, ψ ... Heading signal, ψ = ... Turn rate signal, δ ... Rudder angle Signal, Uδ... Steering angle signal, α^,
β^, γ^, R^... Estimated hull parameters, ψ... Estimated course heading signal, ψ^... Estimated turn rate signal, ω 1 ,
ω 2 ... Wave disturbance frequency, Wd ... Size of wave disturbance, ω 10 , ω 20 ... Judgment wave disturbance frequency, 〓1,
〓2...optimal gain, W^d...estimated wave disturbance signal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 船首方位信号、ターンレート信号および舵角
信号にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角
信号を得る構成の舶用オートパイロツトにおい
て、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号から
操舵に有害な高周波成分を除外するフイルタ部
と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
記舵角信号から船体特性の推定値でかつターンレ
ートの3乗項の係数を含む推定船体パラメータを
演算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体
パラメータ信号に対応する最適ゲインを出力する
保針変針最適ゲイン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適
ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
フイルタ部を経由した針路方位信号とターンレー
ト信号に演算を行なつて最適操舵角信号を出力す
る保針変針最適操作量演算部と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロツ
ト。 2 船体特性推定演算部をカルマンフイルタで構
成した特許請求の範囲第1項の舶用オートパイロ
ツト。 3 船首方位信号、ターンレート信号および舵角
信号にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角
信号を得る構成の舶用オートパイロツトにおい
て、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
記舵角信号から船体特性の推定値でかつターンレ
ートの3乗項の係数を含む推定船体パラメータを
演算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
記舵角信号を入力してターンレートの3乗項を有
し前記推定船体パラメータ信号で係数が設定され
る船体モデルを用いて前記船体の運動を推定演算
し推定針路方位信号と推定ターンレート信号を出
力する船体運動推定演算部と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体
パラメータ信号に対応する最適ゲインを出力する
保針変針最適ゲイン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適
ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
船体運動推定演算部から入力する推定針路方位信
号と推定ターンレート信号に演算を行なつて最適
操舵角信号を出力する保針変針最適操作量演算部
と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロツ
ト。 4 船体特性推定演算部および船体運動推定演算
部をカルマンフイルタで構成した特許請求の範囲
第3項の舶用オートパイロツト。 5 船首方位信号、ターンレート信号および舵角
信号にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角
信号を得る構成の舶用オートパイロツトにおい
て、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
記舵角信号から船体特性の推定値でかつターンレ
ートの3乗項の係数を含む推定船体パラメータを
演算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
記舵角信号を入力してターンレートの3乗項を有
しかつ前記推定船体パラメータ信号で係数が設定
される船体モデルを用いて前記船体の運動を推定
演算し推定針路方位信号と推定ターンレート信号
を出力する船体運動推定演算部と、 前記ターンレート信号と前記推定船体パラメー
タを入力し、波浪外乱周波数を決定して波浪外乱
周波数信号を出力する波浪外乱周波数決定部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前
記舵角信号と前記波浪外乱周波数信号と前記推定
船体パラメータから前記船体が制御可能な周波数
の前記船体に働く波浪外乱の大きさを推定演算す
る波浪外乱推定演算部と、 前記ターンレート信号と前記波浪外乱周波数信
号を入力し、前記波浪外乱の状態から海象状況を
判定し判定波浪外乱周波数を出力する海象判定部
と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体
パラメータ信号に対応する最適ゲインを出力する
保針変針最適ゲイン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適
ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
船体運動推定演算部から入力する推定針路方位信
号と推定ターンレート信号に演算を行なう保針変
針最適操作量演算部と、 前記海象判定部の出力に対応する最適ゲインを
出力する波浪外乱最適ゲイン調整部と、 この波浪外乱最適ゲイン調整部からの前記最適
ゲイン出力によつて制御ゲインを設定され、前記
波浪外乱推定演算部から入力する推定波浪外乱信
号に演算を行なう波浪外乱最適操作量演算部と、 前記保針変針最適操作量演算部および前記波浪
外乱最適操作量演算部からの操作量出力を加算し
て最適操舵角信号を出力する合成最適操作量演算
部と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロツ
ト。 6 船体特性推定演算部、船体運動推定演算部お
よび波浪外乱推定演算部をカルマンフイルタで構
成した特許請求の範囲第5項の舶用オートパイロ
ツト。
[Scope of Claims] 1. In a marine autopilot configured to obtain a steering angle signal optimal for a ship to be controlled based on a heading signal, a turn rate signal, and a rudder angle signal, from the heading signal and the turn rate signal. a filter unit that excludes high-frequency components harmful to steering; and calculating estimated hull parameters that are estimated values of hull characteristics and include coefficients of the cube of the turn rate from the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal. a hull characteristic estimation calculation unit that outputs the estimated hull parameter signal; a course-keeping course change optimum gain adjustment unit that outputs an optimum gain corresponding to the estimated ship parameter signal inputted from the ship characteristic estimation calculation unit; and a course-keeping course change optimum gain adjustment unit that outputs the a course-keeping and course-changing optimum operation amount calculation unit that has a control gain set by the optimum gain output, performs calculations on the course heading signal and turn rate signal that have passed through the filter unit, and outputs an optimum steering angle signal; A marine autopilot characterized by comprising: 2. The marine autopilot according to claim 1, wherein the hull characteristic estimation calculation section is configured with a Kalman filter. 3. In a marine autopilot configured to obtain a steering angle signal optimal for a ship to be controlled based on a heading signal, a turn rate signal, and a rudder angle signal, the steering angle signal is determined based on the heading signal, turn rate signal, and rudder angle signal. a hull characteristic estimation calculation unit that calculates and outputs an estimated hull parameter that is an estimated value of the characteristic and includes a coefficient of the cube term of the turn rate, and inputs the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal to perform a turn. a hull motion estimation calculation unit that estimates the motion of the hull using a hull model having a cube term of rate and whose coefficients are set by the estimated hull parameter signal, and outputs an estimated course heading signal and an estimated turn rate signal; , a course keeping course change optimum gain adjustment section that outputs an optimum gain corresponding to the estimated ship parameter signal inputted from the ship characteristic estimation calculating section; and a control gain based on the optimum gain output from the course keeping course change optimum gain adjustment section. and a course-keeping course change optimum operation amount calculation unit that performs calculations on the estimated course direction signal and the estimated turn rate signal inputted from the hull motion estimation calculation unit and outputs an optimum steering angle signal. Characteristic marine autopilot. 4. The marine autopilot according to claim 3, wherein the hull characteristic estimation calculation section and the hull motion estimation calculation section are constructed with a Kalman filter. 5. In a marine autopilot configured to obtain a steering angle signal optimal for a ship to be controlled based on a heading signal, a turn rate signal, and a rudder angle signal, the steering angle signal is determined based on the heading signal, turn rate signal, and rudder angle signal. a hull characteristic estimation calculation unit that calculates and outputs an estimated hull parameter that is an estimated value of the characteristic and includes a coefficient of the cube term of the turn rate, and inputs the heading signal, the turn rate signal, and the rudder angle signal to perform a turn. A hull motion estimation calculation unit that estimates the motion of the hull using a hull model having a cube term of rate and whose coefficients are set by the estimated hull parameter signal, and outputs an estimated course heading signal and an estimated turn rate signal. a wave disturbance frequency determination unit that inputs the turn rate signal and the estimated hull parameters, determines a wave disturbance frequency, and outputs a wave disturbance frequency signal; and a wave disturbance estimation calculation unit that estimates and calculates the magnitude of wave disturbance acting on the ship body at a frequency that the ship body can control from the wave disturbance frequency signal and the estimated ship parameter; and the turn rate signal and the wave disturbance frequency signal. a sea condition determining unit that inputs the wave disturbance, determines the sea condition based on the state of the wave disturbance, and outputs a determined wave disturbance frequency; and a course-keeping unit that outputs an optimal gain corresponding to the estimated hull parameter signal input from the hull characteristic estimation calculation unit. A control gain is set by the optimum gain output from the course change optimum gain adjustment section and the course keeping course change optimum gain adjustment section, and is calculated on the estimated course azimuth signal and estimated turn rate signal input from the ship motion estimation calculation section. a wave disturbance optimum gain adjustment section that outputs an optimum gain corresponding to the output of the sea condition determination section; and a wave disturbance optimum gain adjustment section that outputs the optimum gain from the wave disturbance optimum gain adjustment section. a wave disturbance optimum operation amount calculation section that has a control gain set and performs calculations on the estimated wave disturbance signal input from the wave disturbance estimation calculation section; the course keeping course change optimum operation amount calculation section and the wave disturbance optimum operation amount calculation section A marine autopilot, comprising: a composite optimum operation amount calculation section that adds operation amount outputs from the two and outputs an optimum steering angle signal; 6. The marine autopilot according to claim 5, wherein the hull characteristic estimation calculation section, the hull motion estimation calculation section, and the wave disturbance estimation calculation section are constructed with Kalman filters.
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