JPH07187072A - Automatic control method for rov - Google Patents

Automatic control method for rov

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JPH07187072A
JPH07187072A JP33336593A JP33336593A JPH07187072A JP H07187072 A JPH07187072 A JP H07187072A JP 33336593 A JP33336593 A JP 33336593A JP 33336593 A JP33336593 A JP 33336593A JP H07187072 A JPH07187072 A JP H07187072A
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秀樹 木通
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Abstract

PURPOSE:To predict a periodical disturbance and properly control ROV on the basis of the prediction by generating an error signal on the basis of an error between the state of ROV and a target value for adjusting the control parameter of a neuro controller. CONSTITUTION:The diving state of a rope-operated unmanned diving vehicle (ROV) 20 such as a depth is detected with sensor and, then, the first manipulated variable UPID is determined with a PID controller 21 on the basis of the error of an output value from the sensor. Thereafter, the first manipulated variable UPID is used to operate ROV 20 and the motion characteristics thereof in a disturbance due to the operation is learned via a neuro prediction model 22, thereby modelling the characteristics. Then, an error signal is calculated with the model 22 on the basis of a deviation between the speed and acceleration of ROV and the target values. Furthermore, the control parameter of a neuro controller 23 is adjusted on the basis of the error signal, thereby determining the second manipulated variable Unn. Also, the first and second manipulated variables UPID and Unn are summed up for use as the final manipulated variable of ROV. As a result, ROV can be properly controlled even in a disturbance.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ROV(有索式無人潜
水機)の自動制御方法に係り、特に周期的な外乱等に対
してROVの位置を適正に制御できるROVの自動制御
方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an automatic control method for an ROV (roped unmanned submersible), and more particularly to an automatic ROV control method capable of appropriately controlling the position of the ROV against periodic disturbances and the like. It is a thing.

【0002】[0002]

【従来の技術】ROV(Remotely Operated Vechicle)
は、水中での作業や調査などに用いられる有索式無人潜
水機である。
2. Description of the Related Art ROV (Remotely Operated Vechicle)
Is a cable-operated unmanned submersible used for underwater work and surveys.

【0003】通常、ROVは母船上のオペレーターによ
り手動操作されるが、遠隔操作するため操縦は困難であ
る。このようなROVの操縦に関するオペレータの負担
を軽減するため、古典的制御理論による自動制御方法が
搭載されている。
Normally, the ROV is manually operated by an operator on the mother ship, but it is difficult to operate because it is operated remotely. In order to reduce the operator's burden on the operation of the ROV, an automatic control method based on the classical control theory is installed.

【0004】この従来の自動制御方法では、ROVが遭
遇する環境を予測してパラメータを調整する必要があ
る。
In this conventional automatic control method, it is necessary to predict the environment encountered by the ROV and adjust the parameters.

【0005】この自動制御方法として、図8に示すPI
D自動制御方法があり、例えば目標値である深度をPI
Dコントローラ40に入力すると、ROV42からの現
在の深度と目標深度の誤差を求め、これに適切な係数a
をかけた値を操作量1とし、また現在のROVの速度に
適切な係数bをかけた値を操作量2とし、さらに制御を
開始した時刻から現在までの各時刻における目標深度と
ROVの深度の誤差に適切な係数cをかけた値を制御開
始時刻から現在まで積分した値を操作量3とし、これら
の操作量1,2,3を足し合わせて現在から微少時間後
の操作量とするPID制御を行っている。
As the automatic control method, the PI shown in FIG. 8 is used.
D There is an automatic control method, for example, the target value depth is PI
When input to the D controller 40, the error between the current depth and the target depth from the ROV 42 is calculated, and an appropriate coefficient a
Is a manipulated variable 1, a value obtained by multiplying the current ROV speed by an appropriate coefficient b is a manipulated variable 2, and the target depth and the ROV depth at each time from the time when the control is started to the present. The value obtained by multiplying the error of (1) by an appropriate coefficient c from the control start time to the present is taken as the manipulated variable 3, and these manipulated variables 1, 2, 3 are added together to obtain the manipulated variable after a minute time from the present. PID control is performed.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この制
御は、過去のROVの状態より操作量を決定するため、
水中でROVが遭遇する環境(波浪外力、潮流を受ける
環境等)、特に周期的な外乱が加わる場合には、ROV
を一定の深度に制御することはできない。すなわち、水
中でROVが遭遇する環境は未知であり、従来の自動制
御方法では、上記係数a,b,cは、ROVがある一定
の条件下にあるとして設定しており、周期的な外乱を伴
う制御では、上記係数a,b,cの適切な設定は困難で
あり、また係数の調整も困難である。また仮に、ある外
乱に対して係数a,b,cを適切に調整したとしても、
自然環境下での外乱は様々に変化し、それを的確に予測
することは非常に困難である。そのため、従来の自動制
御方法で全ての環境に適応するような制御方法を構成す
ることが困難であった。
However, since this control determines the manipulated variable from the past ROV state,
ROV environment underwater (environment subject to wave force, tidal current, etc.), especially when a periodic disturbance is applied
Cannot be controlled to a constant depth. That is, the environment that the ROV encounters in water is unknown, and in the conventional automatic control method, the coefficients a, b, and c are set so that the ROV is under a certain condition, and a periodic disturbance is generated. With the accompanying control, it is difficult to properly set the coefficients a, b, and c, and it is also difficult to adjust the coefficients. Even if the coefficients a, b, and c are appropriately adjusted for a certain disturbance,
Disturbances in the natural environment change in various ways, and it is very difficult to accurately predict them. Therefore, it has been difficult to construct a control method adapted to all environments by the conventional automatic control method.

【0007】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、周期的な外乱を予測し、その予測に基づいてROV
を適性に制御できるROVの自動制御方法を提供するこ
とにある。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems, predict a periodic disturbance, and then based on the prediction, ROV.
An object of the present invention is to provide an automatic ROV control method capable of appropriately controlling the above.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、水中などを潜水するためのスラスターを備
えたROVの自動制御方法において、ROVの深度など
の潜水状態をセンサで検出し、深度などの目標値に対す
る上記センサの出力値の誤差よりPIDコントローラで
第1の操作量を決定すると共にその第1の操作量でRO
Vを操作し、その操作に基づく外乱中でのROV運動特
性をニューロ予測モデルで学習してモデル化し、その
後、実際のROVの速度及び加速度と目標値との誤差信
号を計算し、その誤差信号よりニューラルネットワーク
によるニューロコントローラの制御パラメータを調整し
て第2の操作量を決定し、上記第1の操作量と第2の操
作量を足し合わせてROVの最終操作量とするものであ
り、また、ニューロコントローラには、オシレータネッ
ワークより外乱をモデル化した波形が入力され、ニュー
ロ予測モデルが外乱中でのROV運動特性を学習した後
は、上記オシレータネッワークの波形で第2の操作量を
決定するようにしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for automatically controlling a ROV equipped with a thruster for diving underwater, in which a sensor detects a diving state such as the depth of the ROV. , The first operation amount is determined by the PID controller from the error of the output value of the sensor with respect to the target value such as depth, and the RO is determined by the first operation amount.
V is operated, ROV motion characteristics in disturbance based on the operation are learned and modeled by a neuro prediction model, and then an error signal between the actual ROV velocity and acceleration and a target value is calculated, and the error signal is calculated. A second operation amount is determined by adjusting the control parameter of the neuro controller by the neural network, and the first operation amount and the second operation amount are added to obtain the final operation amount of the ROV. , The neuro controller receives a waveform modeling the disturbance from the oscillator network, and after the neuro prediction model learns the ROV motion characteristics during the disturbance, the second manipulated variable is determined by the waveform of the oscillator network. It was done like this.

【0009】[0009]

【作用】上記構成によれば、先ずPIDコントローラに
よる制御に基づく予測モデルによる出力である速度と加
速度と実際のROVの状態から得られる速度と加速度の
偏差より外乱中でのROVの運動特性をニューロ予測モ
デルが学習し、その予測モデルを用いてROVの状態と
目標値との誤差より誤差信号を作り出してこれによりニ
ューロコントローラが学習してその制御パラメータを調
節することで、外乱に対してROVを適確に制御するこ
とができる。オシレータネットワークはニューロコント
ローラが学習するときに、外乱をニューロコントローラ
に入力する。
According to the above construction, first, the motion characteristic of the ROV in the disturbance is determined by the deviation of the speed and the acceleration which are the outputs of the prediction model based on the control by the PID controller and the actual ROV state. The predictive model learns, and the predictive model is used to generate an error signal from the error between the state of the ROV and the target value, whereby the neuro controller learns and adjusts its control parameter, thereby determining the ROV for the disturbance. It can be controlled accurately. The oscillator network inputs the disturbance into the neuro controller as it learns.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づい
て詳述する。
An embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

【0011】先ず、本発明におけるROV(有索式無人
潜水機)の構成を図2により説明する。図2において、
(a)は側面図、(b)は底面図を示す。
First, the structure of an ROV (roped unmanned submersible vehicle) according to the present invention will be described with reference to FIG. In FIG.
(A) shows a side view and (b) shows a bottom view.

【0012】潜水機体10は、図では省略しているが、
母船からのケーブルが接続されている。潜水機体10に
は、機体10を上下方向に推進する3基のスラスター1
1と前後に推進するための2基のスラスター12と左右
に方向転換するためのスラスタ13が設けられ、これら
がそれぞれ正逆転モータ14で駆動されるようになって
いる。
Although the submersible body 10 is omitted in the drawing,
The cable from the mother ship is connected. The submersible body 10 includes three thrusters 1 that propel the body 10 in the vertical direction.
1 and two thrusters 12 for propelling forward and backward and a thruster 13 for changing the direction to the left and right are provided, and these are respectively driven by a forward / reverse rotation motor 14.

【0013】潜水機体10の前方側上部には、機体10
の深度を検出する深度センサ15が設けられる。また潜
水機体10には水中に音を発するピンガー16が設けら
れ、このピンガー16で発した音を海上の母船側で3点
計測して潜水機体10の位置を検出するようになってい
る。
At the upper front side of the submersible body 10, the body 10
A depth sensor 15 is provided to detect the depth of the. Further, the submersible body 10 is provided with a pinger 16 that emits a sound in the water, and the sound produced by the pinger 16 is measured at three points on the mother ship side on the sea to detect the position of the submersible body 10.

【0014】この潜水機体10は、例えばTVカメラな
どを備えており、TVカメラを見ながら種々の水中作業
が母船側の遠隔操作で行えるようになっている。
The submersible body 10 is equipped with, for example, a TV camera, and various underwater operations can be performed by remote control on the mother ship side while watching the TV camera.

【0015】この水中作業を浅水域で行う場合、潜水機
体10には、波の揺動による周期的な上下動や前後左右
の横揺れが外乱として加わるが、これら外乱が加わって
も潜水機体10を静止状態に保って作業を行う必要があ
る。
When this underwater work is performed in a shallow water area, the diving vehicle body 10 is subject to periodic up-and-down movements due to the rocking of waves and lateral and lateral rolls as disturbances. Need to be kept stationary during work.

【0016】この潜水機体10の自動制御方法を説明す
る。
An automatic control method for the submersible body 10 will be described.

【0017】先ず潜水機体10を外乱に対して静止状態
に保つには、外乱を打ち消すように上記各スラスター1
1〜13の正逆回転方向とその回転数を制御すればよい
が、古典的制御方法ではこれら外乱を予測してシステム
のパラメータを自動的に調整して制御することは困難で
ある。そこで本発明は、目標出力に対してシステムのパ
ラメータを自動的に調整する機能(学習機能)を有する
ニューラルネットワークによる制御システムと古典制御
理論による制御システムを並列に用いた制御システムで
あるRANC(Robust Adaptive Neural-net Controlle
r )をROVの運動制御に適用して自動制御システムを
構成したものである。
First, in order to keep the submersible body 10 stationary with respect to external disturbances, the thrusters 1 are so arranged as to cancel the external disturbances.
Although it is sufficient to control the forward and reverse rotation directions of 1 to 13 and the number of rotations thereof, it is difficult for the classical control method to predict these disturbances and automatically adjust and control the system parameters. Therefore, the present invention is a control system using a control system based on a neural network having a function (learning function) of automatically adjusting system parameters with respect to a target output and a control system based on classical control theory in parallel. Adaptive Neural-net Controlle
r) is applied to motion control of ROV to configure an automatic control system.

【0018】図1は、本発明の制御方法のブロックダイ
アグラムで、20は制御対象であるROV、21はPI
Dコントローラ、22はニューロ予測モデル、23はニ
ューロコントローラ、24はオシレータネットワーク,
25,26,27は加算器,28は外乱である。
FIG. 1 is a block diagram of the control method of the present invention, in which 20 is an ROV to be controlled and 21 is a PI.
D controller, 22 is a neuro prediction model, 23 is a neuro controller, 24 is an oscillator network,
25, 26 and 27 are adders, and 28 is disturbance.

【0019】先ず、PIDコントローラ21は、加算器
25に加えられたROV20の出力yと目標値oとの偏
差信号sが入力され、その偏差及び偏差の微分、積分を
用いて第1の操作量UPID を加算器25に出力する。
First, the PID controller 21 receives the deviation signal s between the output y of the ROV 20 added to the adder 25 and the target value o, and uses the deviation and the differentiation and integration of the deviation to generate a first manipulated variable. The UPID is output to the adder 25.

【0020】ニューロ予測モデル22は、ROV20が
遭遇した環境(外乱)におけるROVの運動特性をモデ
ル化するニューラルネットワークである。このネットワ
ークはROVに与えられる操作量と同じ入力が与えられ
た場合に、ROVの応答と同様の出力(速度と加速度)
するように内部パラメータを調整するための誤差信号
が、このネットワークを用いてROVの応答と目標値の
偏差より生成される。すなわち、ニューロ予測モデル2
2には、PIDコントローラ21の第1の操作量UPID
とニューロコントローラ21の第2の操作量Unnとが加
算器26で足し合わされた最終操作量Uo が入力される
と共にROV20の出力yが入力され、先ず第1の操作
PID に対するROV20の応答を学習すると共にRO
V20の外乱28中での応答を予測し、また予測モデル
による速度と加速度を加算器27に出力し、加算器27
に入力される実際のROV20の速度と加速度戸の偏差
より予測モデル内部の係数を調節して外乱中でのROV
の運動特性をモデル化(学習)する。予測モデルは実際
のROVの速度と加速度と目標値との偏差より誤差信号
を作り出す。
The neuro prediction model 22 is a neural network that models the motion characteristics of the ROV in the environment (disturbance) encountered by the ROV 20. This network has the same output (speed and acceleration) as the ROV response when the same input as the operation amount given to the ROV is given.
An error signal for adjusting the internal parameters so as to operate is generated from the deviation of the ROV response and the target value using this network. That is, the neuro prediction model 2
2 is the first operation amount U PID of the PID controller 21.
And the second manipulated variable U nn of the neuro controller 21 are added by the adder 26, the final manipulated variable U o is input, and the output y of the ROV 20 is input. First, the response of the ROV 20 to the first manipulated variable PID is input. RO with learning
The response of the V20 in the disturbance 28 is predicted, and the velocity and the acceleration based on the prediction model are output to the adder 27.
The ROV in the disturbance is adjusted by adjusting the coefficient inside the prediction model based on the deviation of the actual ROV 20 and the acceleration door input to
Model (learn) the motion characteristics of. The prediction model produces an error signal from the deviation between the actual ROV velocity and acceleration and the target value.

【0021】ニューロコントローラ23は、ROVが遭
遇した環境でROVを最適にコントロールできるコント
ローラを生成するニューラルネットワークである。ニュ
ーロ予測モデル22が生成した誤差信号Eを用いて自動
的に内部のパラメータを調整(学習)し、ROVスラス
ター11〜13を制御するための最適なコントローラを
生成する。
The neuro-controller 23 is a neural network that produces a controller that can optimally control the ROV in the environment encountered by the ROV. Using the error signal E generated by the neuro prediction model 22, the internal parameters are automatically adjusted (learned), and the optimum controller for controlling the ROV thrusters 11 to 13 is generated.

【0022】オシレータネットワーク24は、ニューロ
予測モデル22と同様に、外乱28を予め学習すると共
に外乱28の周波数成分を学習し、外乱28に対してR
OV20が最適に制御される際に、その学習した周波数
成分を生成してニューロコントローラ23に出力29す
る。
Like the neuro prediction model 22, the oscillator network 24 learns the disturbance 28 in advance and also learns the frequency component of the disturbance 28, and R
When the OV 20 is optimally controlled, the learned frequency component is generated and output 29 to the neuro controller 23.

【0023】以下に制御の基本的動作を順に説明する。The basic control operation will be described below in order.

【0024】(1) PIDコントローラ21による制御 ニューロ予測モデルネットワーク及びコントローラネッ
トワークのパラメータには、初期値として微小でランダ
ムな値を与えるため、それぞれのネットワークは学習前
には微小な出力しかしない。
(1) Control by PID controller 21 Since minute and random values are given as initial values to the parameters of the neuro prediction model network and the controller network, each network has only a minute output before learning.

【0025】ROV20のスラスタ11〜13への操作
量は、コントローラネットワークの出力(第2の操作
量)とPIDコントローラの出力(第1の操作量)を足
し合わせた値(最終操作量)である。このため、コント
ローラネットワークが十分学習する前はPIDコントロ
ーラ21がROV20の制御を行う。
The operation amount of the ROV 20 to the thrusters 11 to 13 is a value (final operation amount) obtained by adding the output of the controller network (second operation amount) and the output of the PID controller (first operation amount). . Therefore, the PID controller 21 controls the ROV 20 before the controller network has sufficiently learned.

【0026】(2) ニューロ予測モデル22 PIDコントローラ21が外乱中のROV20を制御し
ている状態で、予測モデルネットワークはROVスラス
タへの操作量とROVの応答関係(すなわちROVの深
度,速度,加速度など)を学習する。
(2) Neuro Prediction Model 22 While the PID controller 21 is controlling the ROV 20 in the disturbance, the prediction model network has a relationship between the manipulated variable to the ROV thruster and the ROV response (that is, ROV depth, velocity, acceleration). Etc.) to learn.

【0027】(3) コントローラネットワークの学習 予測モデルネットワークがROVの運動特性と外乱を十
分に学習した後に生成する誤差信号Eにより、コントロ
ーラネットワークが学習し、最適なコントローラを自動
的に生成する。
(3) Learning of controller network The controller network learns by the error signal E generated after the predictive model network has sufficiently learned the motion characteristics and disturbance of the ROV, and automatically generates the optimum controller.

【0028】(4) コントローラネットワーク23による
制御 コントローラネットワークが最適なコントローラを学習
により自動的に生成するとフィードバックされる値が減
衰する。このためPIDコントローラの出力が減衰さ
れ、ROVスラスタへの操作量は、コントローラネット
ワークとPIDコントローラの和であるので、最終的に
ROVはコントローラネットワークのみにより制御され
ることになる。
(4) Control by the controller network 23 When the controller network automatically generates the optimum controller by learning, the value fed back is attenuated. For this reason, the output of the PID controller is attenuated, and the operation amount to the ROV thruster is the sum of the controller network and the PID controller, so that the ROV is finally controlled only by the controller network.

【0029】次にニューラルネットワークの学習を更に
詳しく説明する。
Next, the learning of the neural network will be described in more detail.

【0030】ニューラルネットワークはAI技術の1つ
で、脳の神経回路網の機能を数値化した情報処理システ
ムである。
The neural network is one of the AI technologies and is an information processing system that digitizes the functions of the neural network of the brain.

【0031】このニューラルネットワークの基本を図3
により説明する。
The basics of this neural network are shown in FIG.
Will be described.

【0032】図3(a),(b)に示すように、プロセ
ッシングエレメント30を多数、結合させて構成する。
ここではプロセッシングエレメントを層状に並べるPD
P(Parallel Distributed Processing )タイプのニュ
ーラルネットワークを用いた。
As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), a large number of processing elements 30 are combined to form a structure.
Here, a PD in which processing elements are arranged in layers
A P (Parallel Distributed Processing) type neural network was used.

【0033】このプロセッシングエレメントは、数1,
数2に示す処理を行う要素である。
This processing element is represented by
This is an element that performs the processing shown in Expression 2.

【0034】[0034]

【数1】 [Equation 1]

【0035】[0035]

【数2】 [Equation 2]

【0036】但し、iはいま考えている層のプロセッシ
ングエレメント番号を示し、jは1つ前のプロセッシン
グエレメント番号を示す。またoはプロセッシングエレ
メントの出力を表し、θはオフセットと呼ばれる変数で
ある。fは任意の連続な関数で、通常シグモイド関数が
用いられる。
However, i represents the processing element number of the layer currently under consideration, and j represents the previous processing element number. Further, o represents the output of the processing element, and θ is a variable called offset. f is an arbitrary continuous function, and a sigmoid function is usually used.

【0037】各プロセッシングエレメントからの出力は
数1に示すように変数wijを掛けて他のプロセッシング
エレメントへの入力とされる。この変数wijを重みと呼
ぶ。この重みがニューラルネットワーク内部の調整すべ
きパラメータである。
The output from each processing element is multiplied by the variable w ij as shown in the equation 1 to be input to another processing element. This variable w ij is called a weight. This weight is a parameter to be adjusted inside the neural network.

【0038】図3のネットワークにおいて最も左の入力
層に入力値が与えられると、以上のような処理が中間層
を通して右の出力層へと順に行われる。
When an input value is given to the leftmost input layer in the network of FIG. 3, the above processing is sequentially performed through the intermediate layer to the right output layer.

【0039】ニューラルネットワークの学習(重みの調
整)は誤差逆伝搬学習アルゴリズムにより行う。ネット
ワークから出力ok と本来のネットワークに出力して欲
しい値(教師データ)Yk との誤差Eを次式で評価す
る。
Learning of the neural network (adjustment of weight) is performed by an error backpropagation learning algorithm. The error E between the output o k from the network and the value (teaching data) Y k desired to be output to the original network is evaluated by the following equation.

【0040】[0040]

【数3】 [Equation 3]

【0041】この誤差が減少するように重みの更新量Δ
ijを数4により決定して重みを更新する。(最急降下
法)
The weight update amount Δ is set so that this error is reduced.
w ij is determined by the equation 4 and the weight is updated. (Steepest descent method)

【0042】[0042]

【数4】 [Equation 4]

【0043】ここで、ηは学習係数と呼ばれ、重みの更
新量を決定する係数である。
Here, η is called a learning coefficient, and is a coefficient that determines the update amount of the weight.

【0044】さて、図1に示したシステムを構成するユ
ーラルネットワークを図4で説明する。
Now, referring to FIG. 4, an explanation will be given of the ural network which constitutes the system shown in FIG.

【0045】ニューロ予測モデルネットワークは、図4
(a)に示すように、PIDコントローラ21の第1の
操作量UPID と、ニューロコントローラ23の第2の操
作量UnnとROV20の深度などの位置情報Ztが入力
され、それら入力に基づいて図4(b)のニューロコン
トローラネットワークを学習させるための誤差信号を生
成する。
The neuro prediction model network is shown in FIG.
As shown in (a), the first operation amount U PID of the PID controller 21, the second operation amount U nn of the neuro controller 23, and position information Zt such as the depth of the ROV 20 are input, and based on these inputs. An error signal is generated to train the neuro controller network of FIG. 4 (b).

【0046】ここで、ニューロ予測モデルネットワーク
が誤差信号を生成するために行う処理は、数5に示すよ
うに上記数4の偏微分の項を展開することにより得られ
る。
Here, the processing performed by the neuro prediction model network to generate the error signal can be obtained by expanding the partial differential term of the above-mentioned expression 4 as shown in the expression 5.

【0047】[0047]

【数5】 [Equation 5]

【0048】ここで、uはuPID とunnを足し合わせた
値である。
Here, u is a value obtained by adding u PID and u nn .

【0049】数5において、ニューロ予測モデルネット
ワークが行うべき計算は、ok をuで偏微分した部分で
ある。この部分をヤコビアンと呼ぶ。
In Equation 5, the calculation to be performed by the neuro prediction model network is a partial differentiation of o k with u. This part is called Jacobian.

【0050】ヤコビアンを計算するために必要なニュー
ロ予測モデルネットワーク内の部分はROVスラスタへ
の操作量の入力とニューロ予測モデルネットワークの出
力を結合する部分である。この部分の重みを十分学習し
て正しい誤差信号を生成するためには、この部分の重み
が、深度から出力への結合より十分に大きくなるように
学習する必要がある。また、ヤコビアンが十分に大きく
得られるように、ニューロ予測モデルネットワークを構
成する必要がある。
The part in the neuro prediction model network necessary for calculating the Jacobian is the part that combines the input of the manipulated variable into the ROV thruster and the output of the neuro prediction model network. In order to sufficiently learn the weights of this part to generate a correct error signal, it is necessary to learn that the weights of this part are sufficiently larger than the coupling from the depth to the output. Moreover, it is necessary to configure the neuro prediction model network so that the Jacobian can be obtained sufficiently large.

【0051】図4(a)におけるニューロ予測モデルネ
ットワークで出力を速度と加速度の2つにしてあるの
は、ヤコビアンが大きく得られるようにニューロ予測モ
デルネットワークを学習させるためである。以下にその
根拠を述べる。
The output of the neuro prediction model network in FIG. 4 (a) is two, that is, the velocity and the acceleration, in order to learn the neuro prediction model network so that a large Jacobian can be obtained. The basis is described below.

【0052】今、ROVの状態である深度に関する伝達
関数を線形化して求めれば、数6のように表すことがで
きる。
Now, if the transfer function relating to the depth of the ROV is linearized and obtained, it can be expressed as shown in equation 6.

【0053】[0053]

【数6】 [Equation 6]

【0054】この伝達関数のボード線図を図5に示す。
ここで、K=0.5、T=20.8とした。またROV
の速度、加速度に関する伝達関数も図6に示した。
A Bode diagram of this transfer function is shown in FIG.
Here, K = 0.5 and T = 20.8. Also ROV
FIG. 6 also shows the transfer functions relating to the velocity and acceleration.

【0055】図5,図6より、ヤコビアンを大きく得る
ためには、低周波域では、速度により予測モデルネット
ワークを学習し、高周波域では加速度で学習するほうが
有利であることがわかる。ここで入出力の位相が同期し
ていれば、ヤコビアンは正で最大となり、反転していれ
ば負で最少となる。また位相がπ/2ずれていれば、ヤ
コビアンの平均値は0となる。
From FIGS. 5 and 6, it can be seen that it is more advantageous to learn the predictive model network by the velocity in the low frequency region and the acceleration in the high frequency region in order to obtain a large Jacobian. Here, if the input and output phases are synchronized, the Jacobian is positive and maximum, and if inverted, the Jacobian is negative and minimum. If the phases are shifted by π / 2, the average Jacobian value becomes zero.

【0056】何故なら、ヤコビアンはボード線図におい
て位相がπ/2のとき0となり、位相が減少するにした
がい+に増加し、位相が0のときに最大となる。位相が
0から−に減少するとヤコビアンは減少しはじめ、位相
が−π/2のとき再び0となる。位相がさらに減少させ
るとヤコビアンは−に減少し、−πのとき最少になる。
This is because the Jacobian becomes 0 when the phase is π / 2 in the Bode diagram, increases to + as the phase decreases, and becomes maximum when the phase is 0. When the phase decreases from 0 to −, the Jacobian starts to decrease, and becomes 0 again when the phase is −π / 2. As the phase is further reduced, the Jacobian decreases to-and becomes minimum at -π.

【0057】このように、ヤコビアンは位相に関して周
期的に変化する性質を持つため、低周波数域では速度、
高周波域では深度(位置)、加速度のヤコビアンしか生
成しない。また、ヤコビアンは予測モデルの出力をその
予測モデルへの操作量で偏微分したものであるから、位
相の他にゲインが効いてくる。
As described above, since the Jacobian has the property of changing periodically with respect to the phase, the velocity in the low frequency range
In the high frequency range, only Jacobian of depth (position) and acceleration is generated. Further, since the Jacobian is a partial differentiation of the output of the prediction model by the operation amount to the prediction model, the gain is effective in addition to the phase.

【0058】しかし、ゲインについて考えると、加速度
が高周波域で一定になるのに対して、深度では高周波に
なるにしたがいゲインが減少することがわかる。このた
め高周波域において深度よりも加速度を用いた方が正し
いヤコビアンを得るために有利である。
However, considering the gain, it can be seen that the acceleration becomes constant in the high frequency range, whereas the gain decreases as the frequency becomes higher in the depth. For this reason, it is advantageous to use the acceleration rather than the depth in the high frequency region in order to obtain a correct Jacobian.

【0059】ニューロコントローラネットワークの特徴
は入力としてフィードバックされた深度の他にオシレー
タ要素が含まれることである。入力にオシレータを含ま
ねばならない理由は、層構造のニューラルネットワーク
では自動的に周期的な出力を発生することができないた
め、オシレータネッワーク24により外乱の周期成分を
コントローラ21に入力する。
A feature of the neurocontroller network is that it contains oscillator elements in addition to the depth fed back as an input. The reason why the oscillator must be included in the input is that the neural network having the layer structure cannot automatically generate the periodic output, and therefore the oscillator network 24 inputs the periodic component of the disturbance to the controller 21.

【0060】次に、図1に示した本発明の自動制御方法
と図8で説明した従来の制御方法でそれぞれROVの模
型(全長1.5m,幅0.8m,高さ0.8m)をを制
御した実験結果を説明する。
Next, a ROV model (total length 1.5 m, width 0.8 m, height 0.8 m) was formed by the automatic control method of the present invention shown in FIG. 1 and the conventional control method described in FIG. The experimental results of controlling the will be described.

【0061】このROVの模型は、空中重量403Kg
で、水中では略中性浮力となる。模型には図2で説明し
たと同様に6基のスラスタがあるが、実験では3基の垂
直方向のスラスタのみを使用し、また試験条件は、深さ
118mmの水槽で、規則的波として±50mmの波を
発生させ、ROV模型が、目標深度0.8mになるよう
に制御を行った。また両システムのPIDコントローラ
の係数は、比例係数kp =10.2、微分計数kd =
0.195、積分係数ki =1.28とした。
This ROV model has an aerial weight of 403 kg.
So, it becomes almost neutral buoyancy in water. The model has 6 thrusters as described in FIG. 2, but only 3 vertical thrusters were used in the experiment, and the test conditions were a water tank with a depth of 118 mm, ± A wave of 50 mm was generated and the ROV model was controlled so that the target depth was 0.8 m. The coefficients of the PID controllers of both systems are proportional coefficient kp = 10.2 and differential coefficient kd =
0.195 and an integration coefficient ki = 1.28.

【0062】図7は本発明の自動制御方法の結果、図9
は従来のシステムの結果を示すグラフである。
FIG. 7 shows the result of the automatic control method of the present invention, which is shown in FIG.
Is a graph showing the result of the conventional system.

【0063】先ず従来のシステムの図9において、
(a)はPIDコントローラの出力(操作量)Upid
変化、(b)は模型ROVの深度変化、(c)は模型R
OVの速度変化、(d)は水槽の水面変化を示してい
る。
First, referring to FIG. 9 of the conventional system,
(A) is the output (operation amount) of the PID controller Upid
Change, (b) model ROV depth change, (c) model R
OV velocity change, (d) shows the water surface change of the water tank.

【0064】また同様に本発明のシステムの図7におい
て、(a)はPIDコントローラの出力(第1の操作
量)Upid変化、(b)は模型ROVの深度変化、
(c)は模型ROVの速度変化、(d)は水槽の水面変
化、(e)はニューロコントローラの操作量変化(第2
の操作量)Unnを示している。
Similarly, in FIG. 7 of the system of the present invention, (a) changes the output (first operation amount) of the PID controller Upid, (b) changes the depth of the model ROV,
(C) changes in speed of the model ROV, (d) changes in water level of the water tank, (e) changes in operation amount of the neuro controller (second
Operation amount) Unn.

【0065】この図9からPIDコントローラのみで
は、規則波中のROV模型の深度を目標値(0.8m)
に維持することができず、むしろ波高よりROV模型の
深度変動の方が大きくなっていることが分かる。
From FIG. 9, the depth of the ROV model in the regular wave is set to the target value (0.8 m) with only the PID controller.
It can be seen that the depth variation of the ROV model is larger than the wave height.

【0066】これに対して本発明のシステムにおいて
は、(e)に示すようにはじめ18秒程度、ニューロコ
ントローラの操作量を略ゼロとして学習した後は、徐々
にその第2の操作量Unnが増えていき、(a)に示す
PIDコントローラの出力Upidは徐々に少なくなっ
て120秒程度で操作量ゼロとなり、また(b)に示す
ようにROV模型の深度変化も無くなっていることがわ
かる。
On the other hand, in the system of the present invention, as shown in (e), after the learning amount of the neuro controller is set to about zero for about 18 seconds, the second manipulation amount Unn is gradually changed. It can be seen that the output UPID of the PID controller shown in (a) gradually decreases and the manipulated variable becomes zero in about 120 seconds, and the depth change of the ROV model also disappears as shown in (b).

【0067】[0067]

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、従来のP
ID制御では、外乱に対してROVを一定に制御するこ
とが困難であったが、本発明のPIDとニューラルネッ
トワークを並列に用いる制御スシテムにより、ROVが
外乱中にあっても適確に制御することが可能となる。
In summary, according to the present invention, the conventional P
In the ID control, it was difficult to control the ROV to be constant with respect to the disturbance, but the control system using the PID and the neural network of the present invention in parallel enables the ROV to be accurately controlled even during the disturbance. It becomes possible.

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

【図1】本発明の一実施例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.

【図2】本発明におけるROVの詳細を示し、(a)は
側面図、(b)は平面図を示す。
2A and 2B show details of an ROV in the present invention, in which FIG. 2A is a side view and FIG. 2B is a plan view.

【図3】ニューラルネットワークとプロセッシングエレ
メントの詳細を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing details of a neural network and a processing element.

【図4】図1のニューラルネットワークの構成を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the neural network of FIG.

【図5】本発明における制御方法の周波数に対する位相
のボード線図を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a Bode diagram of phase with respect to frequency in the control method according to the present invention.

【図6】本発明における制御方法の周波数に対するゲイ
ンのボード線図を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a Bode diagram of gain with respect to frequency in the control method according to the present invention.

【図7】本発明の制御方法を用いた実験結果を示す図で
ある。
FIG. 7 is a diagram showing experimental results using the control method of the present invention.

【図8】従来の制御方法のブロック図である。FIG. 8 is a block diagram of a conventional control method.

【図9】従来の制御方法を用いた実験結果を示す図であ
る。
FIG. 9 is a diagram showing an experimental result using a conventional control method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20 ROV 21 PIDコントローラ 22 ニューロ予測モデル 23 ニューロコントローラ 24 オシレータネットワーク 20 ROV 21 PID controller 22 Neuro prediction model 23 Neuro controller 24 Oscillator network

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水中などを潜水するためのスラスターを
備えたROVの自動制御方法において、ROVの深度な
どの潜水状態をセンサで検出し、深度などの目標値に対
する上記センサの出力値の誤差よりPIDコントローラ
で第1の操作量を決定すると共にその第1の操作量でR
OVを操作し、その操作に基づく外乱中でのROV運動
特性をニューロ予測モデルで学習してモデル化し、その
後、実際のROVの速度及び加速度と目標値との誤差信
号を計算し、その誤差信号よりニューラルネットワーク
によるニューロコントローラの制御パラメータを調整し
て第2の操作量を決定し、上記第1の操作量と第2の操
作量を足し合わせてROVの最終操作量とすることを特
徴とするROVの自動制御方法。
1. An automatic control method for a ROV equipped with a thruster for diving underwater, etc., wherein a sensor detects a diving state such as the depth of the ROV, and an error of the output value of the sensor with respect to a target value such as the depth is detected. The PID controller determines the first manipulated variable and R
The OV is operated, and the ROV motion characteristics in the disturbance based on the operation are learned and modeled by the neuro prediction model, and then the error signal between the actual ROV velocity and acceleration and the target value is calculated, and the error signal is calculated. It is characterized in that the second operation amount is determined by adjusting the control parameter of the neuro controller by the neural network, and the first operation amount and the second operation amount are added to obtain the final operation amount of the ROV. ROV automatic control method.
【請求項2】 ニューロコントローラには、オシレータ
ネッワークより外乱をモデル化した波形が入力され、ニ
ューロ予測モデルが外乱中でのROVの運動特性を学習
した後は、上記オシレータネッワークの波形で第2の操
作量を決定する請求項1記載のROVの自動制御方法。
2. The neuro controller receives a waveform modeling a disturbance from the oscillator network, and after the neuro prediction model learns the motion characteristics of the ROV in the disturbance, the waveform of the oscillator network becomes a second waveform. The automatic ROV control method according to claim 1, wherein an operation amount is determined.
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