JPH0894357A - Method for automatically measuring position of marine vessel on-line - Google Patents

Method for automatically measuring position of marine vessel on-line

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JPH0894357A
JPH0894357A JP25295294A JP25295294A JPH0894357A JP H0894357 A JPH0894357 A JP H0894357A JP 25295294 A JP25295294 A JP 25295294A JP 25295294 A JP25295294 A JP 25295294A JP H0894357 A JPH0894357 A JP H0894357A
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JP
Japan
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pitching
rolling
heaving
equation
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP25295294A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuzuru Nakamura
譲 中村
Kaoru Kamaike
薫 蒲池
Shogo Tanaka
正吾 田中
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
M II C ENG SERVICE KK
Original Assignee
M II C ENG SERVICE KK
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH0894357A publication Critical patent/JPH0894357A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE: To stably measure the position of a marine vessel with high accuracy by expressing heaving, rolling, and pitching in a dynamics model expressing state variables as a linear system and combining the observation equations obtained by means of servo type inclined-angle sensors and a servo type acceleration sensor. CONSTITUTION: Three sensors of two servo type inclined-angle sensors S1 and S2 one servo type accelerometer S3 are positioned to point J on the deck 3 of a marine vessel immediately above the intersection 0 of the rolling axis X-X and pitching axis Y-Y of the vessel so that the measuring axis and sensitive axes of the sensors can intersect each other at right angles. Even when the sensors S1 , S2 , and S3 are collectively positioned to the T-point, each linear observation equation holds when the centrifugal force is contained in the term corresponding to noise. The dynamics models of heaving, rolling and pitching are prepared by introducing state variables composed of resultant waves of short-period waves and long-period waves to the equations and the outputs of the models are passed through a Kalman filter. Therefore, the attitude of the marine vessel can be detected with high accuracy regardless of the size of the vessel.

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、船舶のヒービング・ロ
ーリング・ピッチングをオンラインで高精度に計測する
ことが出来る船舶姿勢オンライン自動計測方法に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a ship attitude online automatic measuring method capable of accurately measuring the heaving, rolling and pitching of a ship online.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、海底開発或いは港湾工事等におい
て、船舶に取り付けたソナー(音波探知器)を使って、
海底面からの反射信号を採取し、その信号を解析するこ
とによって、海底面の形状探索を行っているが、その
際、主に沖合に生じる長周期波と沿岸近くで発生する短
周期波の合成波により、船舶に上下・前後・左右方向の
揺れ、即ちヒービング(heaving)・ローリング
(rolling)・ピッチング(pitching)
が生じるため、正確な海底面の探索を行う上には、これ
ら三者を正確に測定し、補正することが不可欠なことで
ある。
2. Description of the Related Art Conventionally, in a seabed development or port construction, etc.
The shape of the sea floor is searched by collecting the reflected signal from the sea floor and analyzing the signal.At that time, the long period waves mainly generated offshore and the short period waves generated near the coast are detected. Due to the synthetic waves, the ship sways in the up / down, front / rear, and left / right directions, that is, heaving, rolling, and pitching.
Therefore, it is indispensable to accurately measure and correct these three factors in order to accurately search the sea floor.

【0003】上記観点から、発明者らは先にサーボ型加
速度センサを4個船舶に適切に取り付け、これらに現れ
る出力を波動特性を考慮して情報処理することにより、
ヒービング・ローリング・ピッチングを測定することよ
りなる船舶姿勢オンライン自動計測方法を開発済であ
る。
From the above point of view, the present inventors previously installed four servo-type acceleration sensors appropriately on the ship and processed the outputs appearing on them in consideration of the wave characteristics,
We have already developed a ship attitude online automatic measurement method that consists of measuring heaving, rolling and pitching.

【0004】しかし、この計測方法では、測定量の概略
周波数を最大エントロピー法を用いて算出した後に、こ
れらの値を初期値として最適化手法により未知パラメー
タの探索を行う手法を採用しているため、情報処理に比
較的多くの時間を要すること、更に、測定量の測定を1
0秒間のデータセグメント毎に独立して行っているた
め、セグメントの接続点において波形のミスマッチを生
じること等の問題点があった。
However, since this measurement method employs a method of calculating an approximate frequency of a measurement amount by using the maximum entropy method and then using these values as initial values to search an unknown parameter by an optimization method. , It takes a relatively long time to process information, and 1
Since it is performed independently for each data segment of 0 seconds, there is a problem that a waveform mismatch occurs at the connection point of the segments.

【0005】さらに、これらの諸問題を解決すべく、発
明者らは引き続きカルマンフィルタを用いた2センサ方
式自動計測方法を提案したが、測定対象を線形システム
として状態変数表示のダイナミクスモデルで表し、これ
にサーボ型加速度センサによる観測方程式を組み合わ
せ、カルマンフィルタを適用することによって、オンラ
インで高精度な船舶姿勢計測が可能になった。
Furthermore, in order to solve these problems, the inventors continued to propose a two-sensor type automatic measuring method using a Kalman filter, but the measurement object is represented as a linear system by a dynamic model of state variable display. By combining the observation equation with the servo type acceleration sensor and applying the Kalman filter, it became possible to measure the vessel attitude with high accuracy online.

【0006】しかし、この方法の適用対象として比較的
大型の船舶を想定していたため、ピッチングの影響を無
視出来るものとして姿勢計測を行っていたが、現実には
中型や小型の船舶に対するオンライン姿勢計測、即ちこ
れらの船舶に生じるピッチングをも同時に正確に測定、
その影響を補正することが出来る計測方法が求められて
いる。
However, since a relatively large vessel was assumed to be applied to this method, the attitude was measured so that the effect of pitching could be ignored. In reality, however, the online attitude measurement for a medium-sized ship or a small ship was performed. That is, the pitching that occurs in these vessels can be accurately measured at the same time,
There is a demand for a measurement method that can correct the effect.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする問題点】発明者らの提案した
船舶姿勢のオンライン計測方法は、中型や小型の船舶、
すなわちピッチングの影響を軽視することが出来ない船
舶に対して、満足に対応する船舶姿勢のオンライン姿勢
計測がないことである。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention The on-line measuring method of the ship attitude proposed by the inventors is
In other words, there is no on-line attitude measurement of the ship attitude that is satisfactory for ships that cannot neglect the effects of pitching.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、船舶に生じる
ヒービング・ローリング及びピッチングを線形システム
として状態変数表示のダイナミクスモデルで表すこと、
及びそのダイナミクスモデルに、船舶にそれぞれ設置し
た、ローリング情報並びにピッチング情報を得る2個の
サーボ型傾斜角センサ、並びにヒービング情報を得る1
個のサーボ型加速度センサによる観測方程式を組合せ、
カルマンフィルタを適用することを特徴とするオンライ
ン船舶姿勢計測方法である。
According to the present invention, heaving rolling and pitching occurring in a ship are represented as a linear system by a dynamics model of state variable display.
And the dynamics model thereof, two servo-type tilt angle sensors, which are installed on the ship and obtain rolling information and pitching information, and heaving information 1
Combining observation equations by servo-type acceleration sensors,
An online ship attitude measurement method characterized by applying a Kalman filter.

【0009】[0009]

【実施例】本発明について図1乃至図3により説明す
る。1は船首、2は船尾である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described with reference to FIGS. 1 is the bow and 2 is the stern.

【0010】先ず、傾斜角センサ及び加速度センサの配
置について説明する。
First, the arrangement of the tilt angle sensor and the acceleration sensor will be described.

【0011】図1にサーボ型傾斜角センサS1,S2及び
サーボ型加速度センサS3の配置を示す。
FIG. 1 shows the arrangement of the servo type inclination angle sensors S 1 and S 2 and the servo type acceleration sensor S 3 .

【0012】ここで、3つのセンサはいずれもローリン
グ軸X−Xとピッチング軸Y−Yの交点0の真上の甲板
3上の点Jに、各センサの計測軸、受感軸方向が・・・
図1におけるS1の矢印,S2の矢印,S3の矢印・・・
互いに垂直になるように設置されている。
Here, in all three sensors, at a point J on the deck 3 just above the intersection 0 of the rolling axis XX and the pitching axis Y-Y, the measuring axis and the sensitive axis direction of each sensor are・ ・
Arrow S 1 in FIG. 1, the S 2 arrows, S 3 arrows ...
They are installed so that they are perpendicular to each other.

【0013】傾斜角センサS1はローリング情報を、S2
はピッチング情報を得るため、それぞれセンサの計測軸
方向がローリング軸、ピッチング軸に垂直になるように
甲板上に取り付けられている。
The tilt angle sensor S 1 supplies rolling information to S 2
In order to obtain the pitching information, is mounted on the deck so that the measuring axis directions of the sensors are perpendicular to the rolling axis and the pitching axis, respectively.

【0014】また加速度センサS3は、ヒービング情報
を得るために、センサの受感軸Z−Z方向が甲板に対し
て垂直上方向になるように設置されている。
Further, the acceleration sensor S 3 is installed so that the sensing axis ZZ of the sensor is vertically upward with respect to the deck in order to obtain the heaving information.

【0015】本発明では、実用的な見地から傾斜角セン
サS1,S2と加速度センサS3をJ点にまとめて配置した
が、後述するように、傾斜角センサS1,S2をそれぞれ
ローリング軸の真上及びピッチング軸の真上の任意の点
にシフト(平行移動)してもJ点に置いた場合と同様の
出力が得られる。
In the present invention, the tilt angle sensors S 1 and S 2 and the acceleration sensor S 3 are collectively arranged at the point J from a practical standpoint, but as will be described later, the tilt angle sensors S 1 and S 2 are respectively arranged. Even if it is shifted (translated) to an arbitrary point just above the rolling axis and just above the pitching axis, the same output as that at the point J is obtained.

【0016】次に傾斜角センサの出力について説明す
る。傾斜角センサは本来静的な傾斜角を測定するもので
あり、振り子4が常に計器の主軸方向を向くようにサー
ボ機構によりトルクが加えられており、このときのトル
クの大きさにより傾斜角γが指示される。5は計器箱で
ある。
Next, the output of the tilt angle sensor will be described. The tilt angle sensor originally measures a static tilt angle, and torque is applied by the servo mechanism so that the pendulum 4 always faces the main axis direction of the instrument. The tilt angle γ depends on the magnitude of the torque at this time. Is instructed. 5 is an instrument box.

【0017】傾斜角センサの原理図を図2に示す。甲板
3の傾斜面が静止状態にあるとき、傾斜角センサの振り
子にサーボ機構により加えられるトルクTcは、重力に
より振り子に生ずるトルクに等しく、振り子の質量を
M、重力加速度をg、振り子の支点から重心までの長さ
をlcとすれば
A principle view of the tilt angle sensor is shown in FIG. When the inclined surface of the deck 3 is in a stationary state, the torque T c applied to the pendulum of the tilt angle sensor by the servo mechanism is equal to the torque generated in the pendulum by gravity, the mass of the pendulum is M, the gravitational acceleration is g, and the pendulum's if the length from the fulcrum to the center of gravity and l c

【0018】[0018]

【数1】 [Equation 1]

【0019】(γは小より、sinγ≒γ)となるので、(Since γ is small, sin γ≈γ)

【0020】[0020]

【数2】 [Equation 2]

【0021】により傾斜角γが測定でき、これが傾斜角
センサの出力zc(t)となる。なお「≒」及び「−」上
に「〜」を画いた符号はいずれも略等しいを表わす。ま
たQ−Qは水平面を表わす。
The tilt angle γ can be measured by means of the tilt angle sensor output z c (t). It should be noted that the symbols in which "to" is drawn on "≈" and "-" represent approximately the same. Q-Q represents a horizontal plane.

【0022】実際には、サーボ機構によるトルクTc
比例関係にあるサーボ機構に流れる電流値より傾斜角γ
が指示される仕組みになっている。
In practice, the inclination angle γ is calculated from the value of the current flowing through the servo mechanism, which is proportional to the torque T c of the servo mechanism.
Is instructed.

【0023】ところが、船舶上に傾斜角センサを設置し
た場合、船舶の運動により傾斜角センサS1,S2の振り
子4にヒービング、ローリング、ピッチングの(重力加
速度以外の)加速度が加わるため、出力は正しい傾斜角
を指示せず、それらの影響を反映した値となる。
However, when the inclination angle sensor is installed on the vessel, the pendulum 4 of the inclination angle sensors S 1 and S 2 is applied with accelerations of heaving, rolling and pitching (other than gravity acceleration) due to the movement of the vessel. Does not indicate the correct tilt angle and becomes a value that reflects their influence.

【0024】以下、図1のように配置された傾斜角セン
サS1,S2のトルク及び出力を求める。いま、図3に示
すように船舶静止状態における0点を原点、ローリング
軸をX軸、ピッチング軸をY軸、鉛直上方向をZ軸にと
ると、ローリング信号を検出するために設置された傾斜
角センサS1内の剛体振り子の重心Gの座標XG,YG
G
Hereinafter, the torque and output of the tilt angle sensors S 1 and S 2 arranged as shown in FIG. 1 will be obtained. As shown in FIG. 3, when the ship is at rest, the zero point is the origin, the rolling axis is the X axis, the pitching axis is the Y axis, and the vertically upward direction is the Z axis, the inclination installed to detect the rolling signal. The coordinates X G , Y G of the center of gravity G of the rigid pendulum in the angle sensor S 1 ,
Z G is

【0025】[0025]

【数3】 [Equation 3]

【0026】[0026]

【数4】 [Equation 4]

【0027】[0027]

【数5】 [Equation 5]

【0028】である。但し、θ,p,h,φはそれぞれロ
ーリング角、ピッチング角、ヒービング変位及び計器主
軸方向からの振り子の回転角であり、いずれも時間の関
数である。また、Lはローリング軸とピッチング軸との
交点0から振り子の支点までの距離、lcは振り子の支
点から重心Gまでの距離をそれぞれ表している。また文
字の頭上に付けた「1つの黒丸」又は文字の右肩に付け
た「′」はいずれも1回微分を表わし、文字の頭上に付
けた「2つの黒丸」又は文字の右肩につけた「″」はい
ずれも2回微分を表わす。
[0028] However, θ, p, h, and φ are the rolling angle, the pitching angle, the heaving displacement, and the rotation angle of the pendulum from the instrument main axis direction, respectively, which are functions of time. Further, L represents the distance from the intersection 0 of the rolling axis and the pitching axis to the fulcrum of the pendulum, and l c represents the distance from the fulcrum of the pendulum to the center of gravity G. Also, "1 black circle" attached to the head of the character or "'" attached to the right shoulder of the character both represent the first differentiation, and "2 black circles" attached to the head of the character or the right shoulder of the character “″” Represents the second differentiation.

【0029】上式より、傾斜角センサS1内の剛体振り
子の運動エネルギーK1
The above equation, the kinetic energy K 1 rigid pendulum inclination angle sensor S 1 is

【0030】[0030]

【数6】 [Equation 6]

【0031】となる。但し、Iは振り子の重心回りの慣
性モーメントであり、Mは振り子の質量を表している。
It becomes However, I is the moment of inertia around the center of gravity of the pendulum, and M is the mass of the pendulum.

【0032】またポテンシャルエネルギーU1は、The potential energy U 1 is

【0033】[0033]

【数7】 [Equation 7]

【0034】となる。It becomes

【0035】従って、これらを次のLagrangeの運動方
程式
Therefore, these are calculated by the following Lagrange equation of motion.

【0036】[0036]

【数8】 [Equation 8]

【0037】に代入し、φ,p,θが微小角のためcosφ
≒1,sinφ≒φ,cosp≒1,sinp≒p,cosθ≒1,
sinθ≒θと近似できることに注意すると、振り子に加
わる(サーボ機構による)トルクT1
Substituting into, and φ, p, θ are small angles, cosφ
≈1, sinφ≈φ, cosp≈1, sinp≈p, cosθ≈1,
Note that the torque T 1 (due to the servo mechanism) applied to the pendulum can be approximated as sin θ ≈ θ

【0038】[0038]

【数9】 [Equation 9]

【0039】と表される。Is represented as

【0040】但し、ζ1は傾斜角センサの特性からφ≒0
なので、この項をゼロとしたときの近似誤差相当項であ
り、またA=lc+I/(Mlc)である。
However, ζ 1 is φ≈0 from the characteristics of the tilt angle sensor.
So, an approximation error corresponding section when this section is zero, also the A = l c + I / ( Ml c).

【0041】現実には、ヒービング加速度h″は重力加
速度gの5%程度であり、またピッチング角速度の2乗
値p2′も微小でしかもL(>>lc)が高々数mであるこ
とを考慮すると、g+h″−(L−lc)p2′≒gと近
似できる。また、A=lc+I/(Mlc)はLに比べて
十分に小さいので、結局トルクT1
In reality, the heaving acceleration h ″ is about 5% of the gravitational acceleration g, the pitching angular velocity squared value p 2 ′ is minute, and L (>> l c ) is at most several meters. Considering the above, it can be approximated as g + h ″ − (L−1 c ) p 2 ′ ≈g. Further, since A = l c + I / ( Ml c) is sufficiently smaller than L, and eventually the torque T 1 is

【0042】[0042]

【数10】 [Equation 10]

【0043】と書き表せる。Can be written as

【0044】ここでη1は、近似誤差項をまとめて表し
たものである。傾斜角センサS1に現れる出力z1(t)
は、前述したようにトルクT1をMglcで割ったもので
あるので、
Here, η 1 is a collective expression of the approximation error terms. Output z 1 (t) appearing on the tilt angle sensor S 1
Since, in which the torque T 1 as described above divided by Mgl c,

【0045】[0045]

【数11】 [Equation 11]

【0046】但し、υ1(t)はυ1(t)=η1/(Mgl
c)の意であり、雑音相当項である。
However, υ 1 (t) is υ 1 (t) = η 1 / (Mgl
c ), which is a noise equivalent term.

【0047】このように、傾斜角センサS1の出力値は
ローリング角θ(t)及びローリング角加速度θ″(t)
に対して線形観測方程式となる。
As described above, the output values of the tilt angle sensor S 1 are the rolling angle θ (t) and the rolling angular acceleration θ ″ (t).
Is a linear observation equation.

【0048】同様にして、ピッチング情報検出のために
設置した傾斜角センサS2の出力は
Similarly, the output of the tilt angle sensor S 2 installed for detecting the pitching information is

【0049】[0049]

【数12】 [Equation 12]

【0050】と書き表され、ピッチング角p(t)及び
ピッチング角加速度p″(t)に対して同様な線形観測
方程式が得られる。但し、υ2(t)は傾斜角センサS2
に関する雑音相当項である。
A similar linear observation equation is obtained for the pitching angle p (t) and the pitching angular acceleration p ″ (t), where υ 2 (t) is the tilt angle sensor S 2
Is a noise equivalent term for.

【0051】また傾斜角センサS1,S2をJ点でなく、
それぞれローリング軸の真上、及びピッチング軸の真上
の任意の点にシフトさせても、それぞれのセンサ出力に
は遠心力によるごくわずかな影響が加わるだけである。
Further, the tilt angle sensors S 1 and S 2 are not set at the J point,
Shifting to any point directly above the rolling axis and just above the pitching axis will only have a slight effect of centrifugal force on each sensor output.

【0052】従って、この遠心力に関する項を雑音相当
項に含めれば、S1,S2の出力に関してそれぞれ数11,
数12式と同じ線形観測方程式が成立する。
Therefore, if the term relating to this centrifugal force is included in the term corresponding to noise, the output of S 1 and S 2 can be expressed by Equation 11,
The same linear observation equation as Equation 12 holds.

【0053】加速度センサの出力について説明する。加
速度センサS3に現れる出力z3(t)は、上述したよう
に、ヒービング、ローリング及びピッチングによる影響
を加え合わせたものであり、α(t)をヒービング加速
度として
The output of the acceleration sensor will be described. The output z 3 (t) that appears in the acceleration sensor S 3 is a combination of the effects of heaving, rolling, and pitching, as described above, and α (t) is the heaving acceleration.

【0054】[0054]

【数13】 [Equation 13]

【0055】と表される。It is expressed as follows.

【0056】但し、υ3(t)は加速度センサに加わる固
有の雑音である。
However, υ 3 (t) is a noise peculiar to the acceleration sensor.

【0057】このように加速度センサの出力には、ヒー
ビング加速度α(t)の他にローリング角θ(t)及びピ
ッチング角p(t)の影響も現れるが、ローリング角及
びピッチング角については、別途オンライン計測を行っ
ているので、それらの測定値即ち推定値θ(t),推定値
p(t)を代入することにより
As described above, the output of the acceleration sensor is affected by the rolling angle θ (t) and the pitching angle p (t) in addition to the heaving acceleration α (t), but the rolling angle and the pitching angle are separately described. Since online measurement is performed, by substituting those measured values, that is, estimated value θ (t) and estimated value p (t)

【0058】[0058]

【数14】 [Equation 14]

【0059】なるヒービング加速度α(t)に関する線
形観測方程式が得られる。なお、文字の上につけた山形
記号(フランス語のアクサン・シルコンフレックス)は
推定値を表わす。
A linear observation equation for the heaving acceleration α (t) is obtained. The chevron symbol (French Axan Silconflex) above the letters represents the estimated value.

【0060】また加速度センサS3をJ点以外に設置し
た場合は、センサの出力式数13式にローリング加速度
及びピッチング加速度の影響を追加する必要がある。
When the acceleration sensor S 3 is installed at a point other than point J, it is necessary to add the effects of rolling acceleration and pitching acceleration to the sensor output equation (13).

【0061】しかしこの場合も、ローリング加速度及び
ピッチング加速度はそれぞれローリング角及びピッチン
グ角と同時にオンライン計測されるので、それらの測定
値即ち推定値θ″(t),推定値p″(t)をローリング
角及びピッチング角の測定値即ち推定値θ(t),推定値
p(t)と共に加速度センサの出力式に代入することに
より、ヒービング加速度α(t)に関する線形観測方程
式が得られる。
However, also in this case, since the rolling acceleration and the pitching acceleration are measured online at the same time as the rolling angle and the pitching angle, respectively, those measured values, that is, the estimated value θ ″ (t) and the estimated value p ″ (t) are rolled. By substituting the measured values of the angle and the pitching angle, that is, the estimated value θ (t) and the estimated value p (t) into the output formula of the acceleration sensor, a linear observation equation regarding the heaving acceleration α (t) is obtained.

【0062】従って船舶の構造や積み荷の状態等の理由
からJ点にセンサを取り付けられない場合でも、傾斜角
センサS1,S2をそれぞれローリング軸の真上とピッチ
ング軸の真上の点に取り付けておけば(甲板上でなくと
もよい)、加速度センサS3を任意の点に設置してもオ
ンライン計測が可能である。
Therefore, even if the sensor cannot be attached to the point J due to the structure of the ship, the state of the cargo, etc., the inclination angle sensors S 1 and S 2 are placed at the points directly above the rolling axis and the pitching axis, respectively. If attached (not necessarily on the deck), online measurement is possible even if the acceleration sensor S 3 is installed at an arbitrary point.

【0063】但しセンサをJ点にまとめて設置すれば、
システムのハードウェア部分がコンパクトになり、取り
扱いが容易になるため本発明ではこの配置法を採ってい
る。
However, if the sensors are collectively installed at point J,
This arrangement is adopted in the present invention because the hardware part of the system is compact and easy to handle.

【0064】次に船舶姿勢の自動計測の概要について説
明する。
Next, an outline of automatic measurement of the ship attitude will be described.

【0065】先ず船舶姿勢信号のダイナミクス表現につ
いて説明する。
First, the dynamics expression of the ship attitude signal will be described.

【0066】船舶に生じるヒービング、ローリング及び
ピッチングは、局所的にはいずれも周期が3秒前後の短
周期波と6〜10秒前後の長周期波の2つの正弦波の合成
波でほぼ表されることが知られている。従って、例えば
ヒービングに関しては
Heaving, rolling, and pitching that occur in a ship are almost locally represented by a composite wave of two sine waves, a short period wave having a period of about 3 seconds and a long period wave having a period of about 6 to 10 seconds. It is known that So, for example, for heaving

【0067】[0067]

【数15】 (Equation 15)

【0068】のようにモデル化することができる。ここ
でω12の一方が長周期に、他方が短周期に対応する
が、正弦波の振幅a1,a2及び初期位相φ12はいずれ
も未知パラメーターである。χ(t)は次の微分方程式
It can be modeled as follows. Here, one of ω 1 and ω 2 corresponds to a long cycle and the other corresponds to a short cycle, but the amplitudes a 1 and a 2 of the sine wave and the initial phases φ 1 and φ 2 are unknown parameters. χ (t) is the differential equation

【0069】[0069]

【数16】 [Equation 16]

【0070】を満足するので、相変数表示の状態変数χ
n=dn-1χ/dtn-1(n=1,..,4)を導入すれば、ヒ
ービングに関して次の線形ダイナミクス方程式が得られ
る。
Since the following condition is satisfied, the state variable χ in the phase variable display
Introducing n = d n-1 χ / dt n-1 (n = 1, ..., 4) gives the following linear dynamics equation for heaving:

【0071】[0071]

【数17】 [Equation 17]

【0072】但し、χ≒(χ1234THowever, χ ≈ (χ 1 , χ 2 , χ 3 , χ 4 ) T

【0073】[0073]

【数18】 (Equation 18)

【0074】一方、ローリング及びピッチング゛に関し
ては一般にバイアスが生じるため、短周期波、長周期波
にバイアスを加えた次のモデルが考えられる。
On the other hand, since a bias generally occurs in rolling and pitching, the following model in which a bias is added to a short period wave and a long period wave can be considered.

【0075】[0075]

【数19】 [Formula 19]

【0076】もちろん,{ai}{ωi}{φi}、bは
ヒービング、ローリング及びピッチングで異なる。数1
9式は微分方程式
Of course, {a i } {ω i } {φ i }, b are different for heaving, rolling and pitching. Number 1
9 is a differential equation

【0077】[0077]

【数20】 [Equation 20]

【0078】を満足するので、いまヒービングの場合と
同様に状態変数χn=dn-1χ/dtn-1(n=1,..,5)を導
入すれば、ローリング及びピッチングの従うダイナミク
ス方程式は数17式となる。
Since the above condition is satisfied, if the state variables χ n = d n-1 χ / dt n-1 (n = 1, .., 5) are introduced as in the case of heaving, rolling and pitching are followed. The dynamics equation is given by the equation (17).

【0079】但し、このときAはHowever, at this time, A

【0080】[0080]

【数21】 [Equation 21]

【0081】このようにヒービング、ローリング及びピ
ッチングは線形ダイナミクスシステムとしてモデル化さ
れるが、これらは局所的といえども常に2個の正弦波の
1次結合で表されるとは限らず、時間によっては3〜5
個、あるいはそれ以上の多数の正弦波の1次結合で表さ
れる場合も考えられる。
As described above, the heaving, rolling and pitching are modeled as a linear dynamics system, but they are not always expressed by a linear combination of two sinusoidal waves even though they are local, and they are time-dependent. Is 3-5
It may be represented by a first-order combination of a number of sine waves or more.

【0082】しかし、支配的なものは、上述した2個の
短周期と長周期の合成波である。
However, the dominant ones are the above-mentioned two short-cycle and long-cycle composite waves.

【0083】従ってモデル化に際し、非支配的な成分も
考慮する必要があり、本発明では平均値ゼロ、適切な分
散値σ2の白色雑音を数17式のダイナミクスに加え
て、各信号に対して時間変化の柔軟性を与えた。すなわ
ち、次のダイナミクスを採用した。
Therefore, in modeling, it is necessary to consider the non-dominant component. In the present invention, white noise with an average value of zero and an appropriate variance value σ 2 is added to the dynamics of the equation (17) to obtain each signal. To give flexibility over time. That is, the following dynamics were adopted.

【0084】[0084]

【数22】 [Equation 22]

【0085】但しBは定数行列であり、ヒービングの場
合B=(0,0,1,0)T、ローリング及びピッチングの場合
B=(0,0,1,0,0)Tとした。これは変位が滑らかに変化
するよう考慮したからである。
[0085] However B is a constant matrix, when the heaving B = (0,0,1,0) T, if the rolling and pitching was B = (0,0,1,0,0) T. This is because the displacement is considered to change smoothly.

【0086】実際問題、船舶においては非支配的な周期
波の寄与は小さく、上記の3つの信号は局所的には長短
2つの周期波の合成波で十分近似可能である。
In practice, the contribution of non-dominant periodic waves is small in ships, and the above three signals can be locally sufficiently approximated by a composite wave of two long and short periodic waves.

【0087】従って本発明ではオンライン計測の立場か
ら、非支配的な周期波を追加してモデル次数を上げるこ
とにより、白色雑音の追加により信号波形に時間変化の
融通性を与える方式を採った。
Therefore, in the present invention, from the standpoint of on-line measurement, a method is adopted in which a non-dominant periodic wave is added to increase the model order, thereby adding flexibility to the signal waveform by adding white noise.

【0088】ローリング及びピッチングの自動計測方法
について説明する。まず、船舶に生じるローリング及び
ピッチングの観測方程式は、前章の数11,数12式に
おいて、観測データがサンプリングタイム毎に得られる
ことを考慮すれば、前述の状態変数表示を用いて
An automatic measuring method of rolling and pitching will be described. First, regarding the observation equations of rolling and pitching that occur in a ship, considering that the observation data is obtained at each sampling time in the equations 11 and 12 in the previous chapter, the above-mentioned state variable display is used.

【0089】[0089]

【数23】 [Equation 23]

【0090】と表される。It is represented by

【0091】但し、уK=у(kΔT),χK=χ(kΔ
T)であり、υKは観測雑音の意である。
However, у K = у (kΔT), χ K = χ (kΔ
T) and υ K means observation noise.

【0092】つまり、ローリングの場合はυK=υ1(k
ΔT),ピッチングの場合はυK=υ2(kΔT)で定義
される。また観測行列Hは、ローリング、ピッチング共
にH=[1,0,−L/g,0,0]となる。
That is, in the case of rolling, υ K = υ 1 (k
ΔT), and in the case of pitching, ν K = υ 2 (kΔT). The observation matrix H is H = [1,0, -L / g, 0,0] for both rolling and pitching.

【0093】ダイナミクスについても同様に離散値化す
ると
Similarly, if the dynamics are discretized,

【0094】[0094]

【数24】 [Equation 24]

【0095】が得られる。ここで、Is obtained. here,

【0096】[0096]

【数25】 (Equation 25)

【0097】[0097]

【数26】 (Equation 26)

【0098】であり、L-1はラプラス逆変換を表す。Where L −1 represents the inverse Laplace transform.

【0099】また、遷移雑音WKは平均値ゼロ、共分散The transition noise W K has a mean value of zero and covariance.

【0100】[0100]

【数27】 [Equation 27]

【0101】の白色ガウス雑音となる。White Gaussian noise of

【0102】このように、ローリング及びピッチングの
測定は結局数23,数24式で与えられる線形離散形ダ
イナミックシステムの状態推定問題に帰着でき、いま観
測雑音υKの白色ガウス性を仮定すれば、推定に以下の
カルマンフィルタが適用できる。
Thus, the measurement of rolling and pitching can be reduced to the state estimation problem of the linear discrete dynamic system given by the equations (23) and (24), and if the white Gaussian property of the observation noise ν K is assumed, The following Kalman filter can be applied to the estimation.

【0103】[0103]

【数28】 [Equation 28]

【0104】[0104]

【数29】 [Equation 29]

【0105】[0105]

【数30】 [Equation 30]

【0106】[0106]

【数31】 [Equation 31]

【0107】[0107]

【数32】 [Equation 32]

【0108】但し、However,

【0109】[0109]

【数33】 [Expression 33]

【0110】[0110]

【数34】 [Equation 34]

【0111】ここに、Vは観測雑音の分散である。観測
雑音υKには、センサ固有の雑音以外にエンジン振動の
影響や数23式を導出する際の近似誤差も入るため、V
の値にはセンサ固有の雑音よりも大きめの値を採用する
必要がある。
Here, V is the variance of the observation noise. In addition to the noise peculiar to the sensor, the observation noise υ K includes the influence of the engine vibration and the approximation error when deriving the equation (23).
It is necessary to use a value larger than the noise peculiar to the sensor.

【0112】また実際の海洋の状況を考えると、ローリ
ング、ピッチングのそれぞれにおいて支配的な長、短周
期波成分の周期はそれぞれ6〜10sec及び2〜3secとい
うものの、これらも時間的に変動しうるものである。そ
こで本発明では、これらの値の範囲内で角周波数ω1
2の候補{(ωi 1,ωi 2);(1≦i≦M)}を適切な
数だけ設け、各候補に対してそれぞれ独立にカルマンフ
ィルタを適用する。
Considering the actual state of the ocean, the periods of the long and short period wave components which are dominant in rolling and pitching are 6 to 10 seconds and 2 to 3 seconds, respectively, but these can also change with time. It is a thing. Therefore, in the present invention, within the range of these values, the angular frequencies ω 1 , ω
An appropriate number of 2 candidates {(ω i 1 , ω i 2 ); (1 ≦ i ≦ M)} are provided, and the Kalman filter is applied to each candidate independently.

【0113】そして各候補により得られた推定値に対し
て期待値
The expected value for the estimated value obtained by each candidate

【0114】[0114]

【数35】 [Equation 35]

【0115】を計算し、これを各時刻における最終的な
状態推定値として採用する。
Is calculated and this is adopted as the final state estimated value at each time.

【0116】なお、推定値χi K/Kはi番目の候補Ωi
(ωi 1,ωi 2)に対して計算された状態推定値χ
K/Kを、pi KはBayesの定理によって求められた事後確
The estimated value χ i K / K is the i-th candidate Ω i =
State estimate χ calculated for (ω i 1 , ω i 2 )
K / K and p i K are posterior probabilities obtained by Bayes' theorem

【0117】[0117]

【数36】 [Equation 36]

【0118】を表している。Is represented.

【0119】但し、p(уKi,Yk-1)はi番目の候
補Ωi=(ωi 1,ωi 2)及びYK-1≡{уj;j≦k−1}
に対するykの条件付き確率密度関数を表し、
However, p (у K / Ω i , Y k-1 ) is the i-th candidate Ω i = (ω i 1 , ω i 2 ) and Y K-1 ≡ {у j ; j≤k-1. }
Represents the conditional probability density function of y k for

【0120】[0120]

【数37】 (37)

【0121】ここで推定値χi k/k-1i kはそれぞれi
番目の候補に対して計算される数28,数34式の予測
値、分散を示す。
Here, the estimated values χ i k / k-1 and Λ i k are i
The predicted values and variances of the equations (28) and (34) calculated for the th candidate are shown.

【0122】また、事後確率pi kの計算において、先験
確率はたとえばpi -1=1/M(1≦i≦M)とすればよ
い。
In the calculation of the posterior probability p i k , the a priori probability may be, for example, p i −1 = 1 / M (1 ≦ i ≦ M).

【0123】さらに計測に際しては、支配的な周期波成
分の変動に対する応答を高めるため、事後確率の値に十
分小なる下限εを設定した。
Further, in the measurement, in order to enhance the response to the fluctuation of the dominant periodic wave component, the lower limit ε of the posterior probability value is set to be sufficiently small.

【0124】すなわち、pj k<ε(jEΩ3)なる事後
確率は強制的にpj k=εとし、この確率上昇分だけそれ
以外の事後確率を確率比に応じて低下させる方法を採っ
た。このように、支配的な長、短周期波が時間変動する
場合においても、本計測システムでは変化後の支配的な
波の周期に対応して、与えられた候補の中で最適なもの
が自動選択されるようになっており、基本波をつなげた
ような複雑な姿勢信号波形も高精度でオンライン計測で
きる。
That is, the posterior probability that p j k <ε (jEΩ 3 ) is forcibly set to p j k = ε, and the other posterior probabilities are decreased by this probability increase according to the probability ratio. . In this way, even when the dominant long and short periodic waves fluctuate with time, this measurement system automatically determines the optimum one among the given candidates according to the changed dominant wave period. It has been selected, and online can be performed with high accuracy even for complicated attitude signal waveforms that combine fundamental waves.

【0125】ヒービングの自動計測方法について説明す
る。
An automatic heaving measurement method will be described.

【0126】ヒービングの観測方程式は、前章で述べた
ように数14式で与えられる。従って、
The observation equation of heaving is given by the equation 14 as described in the previous section. Therefore,

【0127】[0127]

【数38】 (38)

【0128】により、ヒービングについても数23式と
同一形式の観測方程式が得られる。
As a result, the observation equation of the same form as the equation 23 can be obtained for heaving.

【0129】但し、Hk=[0,0,COS推定値θ(t)×cos
推定値p(t),0]|t=kΔTK=υ3(kΔT)であ
る。ヒービングのダイナミクスは数22式で表されるの
で、ローリングやピッチングのときと全く同じ手法を用
いてヒービングを自動計測することができる。
However, H k = [0,0, COS estimated value θ (t) × cos
Estimate p (t), 0] | t = k Δ T, it is υ K = υ 3 (kΔT) . Since the dynamics of heaving is represented by the formula (22), heaving can be automatically measured by using exactly the same method as in rolling or pitching.

【0130】本発明の計測システムでは、ヒービング、
ローリング及びピッチングに対する状態推定値χo k/k
第1,2,3成分はそれぞれ各信号の変位、速度、加速度
に相当する。従って本計測システムでは、船舶姿勢のみ
ならず姿勢信号の速度や加速度も同時に測定できる利点
がある。
In the measuring system of the present invention, heaving,
The first, second and third components of the state estimation value χ o k / k for rolling and pitching respectively correspond to the displacement, velocity and acceleration of each signal. Therefore, this measuring system has an advantage that not only the vessel attitude but also the velocity and acceleration of the attitude signal can be measured at the same time.

【0131】作用について説明する。先ずシミュレーシ
ョンとして、次のようなヒービング、ローリング、ピッ
チング変位を考えた。
The operation will be described. First, as a simulation, the following heaving, rolling, and pitching displacement were considered.

【0132】[0132]

【数39】 [Formula 39]

【0133】[0133]

【数40】 [Formula 40]

【0134】[0134]

【数41】 [Formula 41]

【0135】ここで、{ahi10 i=1={0.15,0.037
5,0.0375, 0.0225 ,0.0225,0.045,0.01125,0.0112
5,0.00675,0.00675},{ωhi10 i=1={0.8,0.9,
0.7,1.0,0.6,2.5,2.25,2.75,2.0,3.0},
{φhi10 i=1={5π/18,π/9,π/2,π/3,4π/9,
5π/9,π/6,2π/9,7π/18,11π/18},{aθi10
i=1={0.45,0.1125,0.1125,0.0675,0.0675,1.5,
0.375,0.375,0.225,0.225},{ωθi10 i=1={0.
8,0.9,0.7,1.0,0.6,2.5,2.75,2.25,3.0,2.
0},{φθi}={π/2,7π/18,11π/18,2π/9,5
π/9,π/3,5π/18,π/6,4π/9,π/9},{api
={0.5,0.125,0.125,0.0625,0.0625,2.0,0.4,
0.4,0.24,0.24},{ωpi}={0.8,0.9,0.7,1.
0,0.6,2.25,2.0,2.5,2.75,1.75},{φpi10
i=1={4π/9,π/3,5π/9,2π/9,2π/3,π/2,11
π/18,7π/18,5π/18,13π/18}である。またローリ
ング、ピッチングのバイアスはそれぞれbθ=0.8u
(t)−0.4u(t−30)(deg),bp=−2.5u(t)−
0.5u(t−30)(deg)のように時間的に変動するもの
を考えた。
Here, {a hi } 10 i = 1 = {0.15, 0.037
5, 0.0375, 0.0225, 0.0225, 0.045, 0.01125, 0.0112
5, 0.00675, 0.00675}, {ω hi } 10 i = 1 = {0.8, 0.9,
0.7, 1.0, 0.6, 2.5, 2.25, 2.75, 2.0, 3.0},
hi } 10 i = 1 = {5π / 18, π / 9, π / 2, π / 3, 4π / 9,
5π / 9, π / 6, 2π / 9, 7π / 18, 11π / 18}, {aθ i } 10
i = 1 = {0.45, 0.1125, 0.1125, 0.0675, 0.0675, 1.5,
0.375, 0.375, 0.225, 0.225}, {ωθ i } 10 i = 1 = {0.
8, 0.9, 0.7, 1.0, 0.6, 2.5, 2.75, 2.25, 3.0, 2.
0}, {φθ i } = {π / 2, 7π / 18, 11π / 18, 2π / 9, 5
π / 9, π / 3, 5π / 18, π / 6, 4π / 9, π / 9}, {a pi }
= {0.5, 0.125, 0.125, 0.0625, 0.0625, 2.0, 0.4,
0.4, 0.24, 0.24}, {ω pi } = {0.8, 0.9, 0.7, 1.
0, 0.6, 2.25, 2.0, 2.5, 2.75, 1.75}, {φ pi } 10
i = 1 = {4π / 9, π / 3, 5π / 9, 2π / 9, 2π / 3, π / 2, 11
π / 18, 7π / 18, 5π / 18, 13π / 18}. The rolling and pitching biases are bθ = 0.8u.
(T) −0.4u (t−30) (deg), b p = −2.5u (t) −
A time-varying one such as 0.5u (t-30) (deg) was considered.

【0136】但し、u(t)はユニットステップ関数で
ある。
However, u (t) is a unit step function.

【0137】ヒービング、ローリング、ピッチングいず
れにおいても最初の5項が長周期波成分を、残りの5項
が短周期波成分を表しており、支配的な周期波は第1項
と第6項の成分がこれに当たる。
In any of the heaving, rolling, and pitching, the first five terms represent long-period wave components, and the remaining five terms represent short-period wave components. The dominant periodic waves are the first and sixth terms. This is the ingredient.

【0138】各成分の振幅に関しては、実際の船舶の揺
れの状況を考慮し、ヒービングでは長周期波成分の振幅
を、ローリング及びピッチングでは短周期波成分の振幅
を大きくとっている。
Regarding the amplitude of each component, the amplitude of the long-period wave component is set large in heaving and the amplitude of the short-period wave component is set large in rolling and pitching in consideration of the actual swaying condition of the ship.

【0139】なお、これらのデータを用いて傾斜角セン
サの出力を作成する際、振り子の構造に関係する数9式
のlc,Aの値はそれぞれlc=0.03(m),A=0.04
(m)とおいた。
When the output of the tilt angle sensor is created using these data, the values of l c and A in the equation 9 related to the structure of the pendulum are l c = 0.03 (m) and A = 0.04, respectively.
I said (m).

【0140】一方、姿勢自動計測に際して、カルマンフ
ィルタに用いる初期推定値χi o/-1(1≦i≦M)はヒ
ービング、ローリング、ピッチング共に0とした。ま
た、先験誤差共分散pi o/-1は、全てのi(1≦i≦
M)に対してヒービングではpi o/ -1=15I4、ローリン
グ及びピッチングではpi o/-1=60I5とそれぞれおいた
(Inはn次元の単位行列を表す)。
On the other hand, in the automatic posture measurement, the initial estimated value χ i o / -1 (1≤i≤M) used for the Kalman filter was set to 0 for heaving, rolling and pitching. Further, the a priori error covariance p i o / -1 is calculated for all i (1 ≦ i ≦
For M), p i o / -1 = 15I 4 for heaving, and p i o / -1 = 60I 5 for rolling and pitching (I n represents an n-dimensional identity matrix).

【0141】これは、ローリング、ピッチングの状態変
数ベクトルの次元がヒービングのそれよりも一つ大き
く、かつ上述の単位系では、ローリング、ピッチングの
値がヒービングのそれよりも大きな値をとることを考慮
したからである。
This takes into consideration that the dimension of the rolling and pitching state variable vector is one larger than that of heaving, and that the rolling and pitching values are larger than those of heaving in the above unit system. Because I did.

【0142】更に、支配的な周期波の候補Ωi=(ωi 1,
ωi 2)(1≦i≦M)の設定においては、長、短周期波
の内、より優勢に現れる方を重視した。
Further, the dominant periodic wave candidates Ω i = (ω i 1 ,
In setting ω i 2 ) (1 ≦ i ≦ M), the one that appears more predominantly among the long and short period waves was emphasized.

【0143】すなわち、長周期波と短周期波の周期長に
ついては、ヒービングではそれぞれ6〜10秒で等間隔に
とった9個と2.0秒,2.3秒,2.5秒の3個を、またロー
リングとピッチングとではそれぞれ6.5秒,8.5秒,10.5
秒の3個と2〜3秒で等間隔にとった9個の、いずれも
計27個の候補を考えた。また、これら候補の事後確率の
下限値εは10-5とし、傾斜角センサ、加速度センサに加
わる雑音の平均値を共にゼロ、標準偏差をそれぞれ1.0
×10-4(分解能10″等から算出)と0.02(定格値2gの0.
1%)とした。
That is, regarding the period lengths of the long-period wave and the short-period wave, in heaving, nine periods were taken at regular intervals of 6 to 10 seconds, three periods at 2.0 seconds, 2.3 seconds, and 2.5 seconds, and rolling was performed. 6.5 seconds, 8.5 seconds, 10.5 with pitching, respectively
A total of 27 candidates were considered, 3 for each second and 9 for equally spaced 2-3 seconds. The lower limit ε of the posterior probability of these candidates is set to 10 -5 , the average value of noise added to the tilt angle sensor and the acceleration sensor is both zero, and the standard deviation is 1.0, respectively.
× 10 -4 (calculated from resolution 10 "etc.) and 0.02 (rated value 2g of 0.
1%).

【0144】またセンサの配置に関しては、シミュレー
ション対象を中、小型の船舶を想定し、L=0.5(m)
とした。一方、ダイナミクスにおける白色雑音の分散値
σ2については、非支配的な成分波の大きさを考慮し
て、ヒービング、ローリング、ピッチングに対しそれぞ
れ1.0×10-2,5.0×10-3,1.0×10-3の値を採用した。
Regarding the arrangement of the sensors, assuming that the simulation target is a medium or small vessel, L = 0.5 (m)
And On the other hand, regarding the variance value σ 2 of white noise in dynamics, considering the magnitude of the non-dominant component wave, 1.0 × 10 -2 , 5.0 × 10 -3 , 1.0 × for heaving, rolling, and pitching, respectively. A value of 10 -3 was adopted.

【0145】以上の条件でサンプリングタイムΔTを0.
2sとして60秒間のシミュレーションを行った。
Under the above conditions, the sampling time ΔT is set to 0.
Simulation was performed for 60 seconds for 2 s .

【0146】図4に傾斜角センサS1の出力値及びロー
リング角の測定値に基づく出力値を示す。また図5に加
速度センサS3の出力値とヒービング加速度、ローリン
グ角及びピッチング角の測定値に基づく出力値を示す。
FIG. 4 shows the output value of the tilt angle sensor S 1 and the output value based on the measured value of the rolling angle. Further, FIG. 5 shows the output value of the acceleration sensor S 3 and the output value based on the measured values of the heaving acceleration, the rolling angle and the pitching angle.

【0147】図4,5のいずれの図においても、測定値
に基づく出力波形が真の出力波形にほぼ完全に一致して
いる。
In each of FIGS. 4 and 5, the output waveform based on the measured value almost completely matches the true output waveform.

【0148】他のセンサS2についても全く同様な結果
が得られている。
Exactly the same results are obtained for the other sensors S 2 .

【0149】図6〜図8に、このときのヒービング変
位、ローリング角及びピッチング角の測定波形をシミュ
レーション波形と共に示す。
6 to 8 show the measured waveforms of the heaving displacement, rolling angle and pitching angle together with the simulation waveforms at this time.

【0150】図には20〜40秒間の結果を示しているが、
他の区間でも同様な結果が得られている。更に図6と図
7に、発明者らが以前提案した2センサ方式によるヒー
ビングとローリングの測定結果も示す。
Although the result of 20 to 40 seconds is shown in the figure,
Similar results were obtained in other sections. Further, FIGS. 6 and 7 also show measurement results of heaving and rolling by the two-sensor method previously proposed by the inventors.

【0151】図6〜図8から明らかなように、本計測シ
ステムではヒービング、ローリング、ピッチングのいず
れの測定波形もシミュレーション波形と良く一致し、高
精度な測定が行われていることがわかる。
As is clear from FIGS. 6 to 8, in the present measurement system, the measurement waveforms of heaving, rolling, and pitching are in good agreement with the simulation waveforms, and it is understood that highly accurate measurement is performed.

【0152】更に、以前提案の2センサ方式では、大型
船舶に搭載することを前提にヒービングとローリングの
みの計測を考えたが、本発明で提案した新計測システム
では、ヒービング、ローリングに関しては2センサ方式
とほぼ同程度の精度の計測が行われるだけでなく(図
6,7参照)、ピッチングについても高精度な計測が可
能になっていることがわかる(図8)。
Further, in the previously proposed two-sensor method, the measurement of only heaving and rolling was considered on the assumption that it is mounted on a large ship, but the new measuring system proposed by the present invention uses two sensors for heaving and rolling. It can be seen that not only the measurement with almost the same accuracy as the method is performed (see FIGS. 6 and 7), but also the pitching can be performed with high accuracy (FIG. 8).

【0153】雑音系列を50回変えてシミュレーションを
行ったときの2センサ方式によるヒービング変位及びロ
ーリング角の測定誤差率([測定誤差の実効値/被測定
量の実効値]×100(%))の平均値はそれぞれ18.0%,
8.7%であるが、本計測システムではヒービング、ロー
リング、ピッチングに対してそれぞれ17.4%,10.5%,
4.6%の結果が得られた。
Measurement error rate of the heaving displacement and rolling angle by the two-sensor method when the noise series was changed 50 times and the simulation was performed ([effective value of measurement error / effective value of measured quantity] × 100 (%)) Average of 18.0%,
8.7%, but with this measurement system, heaving, rolling, and pitching are 17.4%, 10.5%, and
A result of 4.6% was obtained.

【0154】本計測システムでは2センサ方式に比べ、
ヒービングに関してはほぼ同精度の、またローリングに
関しては若干劣るが、高精度な測定が行われている。
In this measurement system, compared with the two-sensor system,
Highly accurate measurements have been made with almost the same accuracy for heaving and slightly inferior for rolling.

【0155】ピッチングの測定誤差率がローリング角の
それよりも低いのは、ピッチングのバイアスの絶対値が
ローリング角のそれよりも大きいためである。
The pitching measurement error rate is lower than that of the rolling angle because the absolute value of the pitching bias is larger than that of the rolling angle.

【0156】更に、本計測システムで傾斜角センサS1,
2と0点との距離Lを0.2(m)にして上と同様に測定
誤差率の平均値を求めると、ヒービングに対してはL=
0.5(m)の場合と同程度、ローリング、ピッチングに
対してはそれぞれ7.7%,2.6%となり、本計測システム
が傾斜角センサを0点に近づけたときに更に効果を発揮
することがわかる。
Furthermore, in this measurement system, the tilt angle sensor S 1 ,
When the average value of the measurement error rates is calculated in the same manner as above, with the distance L between S 2 and the 0 point set to 0.2 (m), L =
Similar to the case of 0.5 (m), it is 7.7% and 2.6% for rolling and pitching, respectively, and it can be seen that this measurement system is more effective when the tilt angle sensor is brought close to 0 point.

【0157】これに対し、2センサ方式は加速度センサ
を用いているため、センサを0点に近づけても測定精度
は改善されない。
On the other hand, since the two-sensor method uses the acceleration sensor, the measurement accuracy cannot be improved even if the sensor is brought close to the zero point.

【0158】また、2センサ方式ではピッチングを無視
できるものとして測定を行っているため、船舶にピッチ
ングが生じるとセンサ出力にピッチングの影響が現れて
くる。
Further, in the two-sensor system, the pitching is negligible for the measurement. Therefore, if the vessel is pitched, the sensor output will be affected by the pitching.

【0159】図に示した2センサ方式の測定結果は、ピ
ッチングがセンサ出力に影響を与えないように加速度セ
ンサをピッチング軸の真上に(かつローリング軸心より
90(deg)の角度をなして放射状、対称に伸びている2つ
の直線上に)配置したときのものであり、それ以外の場
所ではピッチングの影響を受けて測定精度はかなり劣化
する。
The measurement result of the two-sensor method shown in the figure shows that the acceleration sensor is placed directly above the pitching axis (and above the rolling axis so that the pitching does not affect the sensor output).
The measurement accuracy is considerably deteriorated due to the influence of pitching at other places, which are arranged radially and symmetrically at an angle of 90 (deg).

【0160】従って本発明の計測システムは、中、小型
及び大型船舶に限らずローリング軸とピッチング軸の交
点0に近い位置に傾斜角センサを取り付けられる場合に
は、ローリングに関して2センサ方式よりも更に高精度
な測定を行うことができることになる。
Therefore, the measuring system of the present invention is not limited to medium-sized, small-sized and large-sized vessels, and when the tilt angle sensor is attached at a position near the intersection 0 of the rolling axis and the pitching axis, the rolling system is more effective than the two-sensor method. Highly accurate measurement can be performed.

【0161】次に、本計測方法を瀬戸内海で採取した実
験データに適用した例を示す。測定には小型船舶を用
い、ローリング軸とピッチング軸との交点0から3つの
センサまでの距離L=0.66(m)の条件でデータを採取
した。姿勢自動計測に際して、ローリング、ピッチング
に関する支配的な周期波の候補Ωi=(ωi 1,ωi 2
(1≦i≦M)はシミュレーションと同じ値を用いた
が、ヒービングに関しては小型船舶に短周期波の影響が
かなり大きく現れることを考慮して、長周期波と短周期
波の周期長をそれぞれ6〜10秒で等間隔にとった7個と
2〜3秒で等間隔にとった4個の、計28個の候補を考え
た。
Next, an example in which this measurement method is applied to experimental data collected in the Seto Inland Sea will be shown. A small boat was used for the measurement, and data was collected under the condition that the distance L from the intersection 0 of the rolling axis and the pitching axis to the three sensors was L = 0.66 (m). Dominant periodic wave candidates for rolling and pitching in automatic posture measurement Ω i = (ω i 1 , ω i 2 )
(1 ≤ i ≤ M) used the same value as in the simulation, but regarding heaving, considering that the influence of short-period waves on fairly small vessels appears considerably, the period lengths of long-period waves and short-period waves were respectively We considered a total of 28 candidates, 7 equally spaced in 6-10 seconds and 4 equally spaced in 2-3 seconds.

【0162】また、傾斜角センサ、加速度センサに加わ
る雑音の標準偏差は、センサの仕様及びエンジン振動等
の影響を考慮して、それぞれ5.0×10-4と0.2とした。
The standard deviation of noise applied to the tilt angle sensor and the acceleration sensor was set to 5.0 × 10 −4 and 0.2, respectively, in consideration of the sensor specifications and engine vibration.

【0163】先験誤差共分散pi o/-1(1≦i≦M)、
ダイナミクスにおける白色雑音の分散値σ2等に関して
はシミュレーションと同じ値を用いた。
A priori error covariance p i o / -1 (1 ≦ i ≦ M),
The same value as the simulation was used for the variance value σ 2 of white noise in dynamics.

【0164】図9には傾斜角センサS1に関して実出力
とローリング角の測定値に基づく計算出力を示してい
る。また、図10には加速度センサS3の実出力とヒービ
ング加速度、ローリング角及びピッチング角の測定値に
基づく計算出力を示している。実センサ出力には、エン
ジン振動等の影響による高周波成分が含まれるため、測
定値に基づいたセンサ出力と若干異なる部分が現れる
が、それでも測定値によるセンサ出力は実センサ出力を
ほぼ正確に表していることがわかる。
FIG. 9 shows the actual output and the calculated output based on the measured rolling angle for the tilt angle sensor S 1 . Further, FIG. 10 shows the actual output of the acceleration sensor S 3 and the calculated output based on the measured values of the heaving acceleration, rolling angle and pitching angle. Since the actual sensor output contains high-frequency components due to the effects of engine vibration, etc., there are some differences from the sensor output based on the measured values, but the sensor output based on the measured values still represents the actual sensor output almost accurately. You can see that

【0165】ただ、図10に示した加速度センサ出力には
測定値による計算出力波形で表現できない部分もある
が、これは加速度センサS3が甲板から垂直上方向に設
置されているため、エンジン振動等に強く影響された結
果だと考えられる。
However, in the acceleration sensor output shown in FIG. 10, there is a portion that cannot be expressed by the calculation output waveform based on the measured value. However, this is because the acceleration sensor S 3 is installed vertically upward from the deck, so engine vibration It is thought to be the result of being strongly influenced by the above.

【0166】図11〜図13には本計測システムによるヒー
ビング変位、ローリング角及びピッチング角の測定結果
を示す。
11 to 13 show the measurement results of the heaving displacement, rolling angle and pitching angle by this measuring system.

【0167】図11のヒービング変位の測定値には、周期
が2秒前後の短周期波の影響が強く現れるが、20〜30秒
の区間には周期が9〜10秒の、また30〜40秒の区間には
周期が8〜9秒の長周期波も現れていることが観測され
る。
In the measured values of the heaving displacement shown in FIG. 11, the influence of short-period waves with a period of about 2 seconds appears strongly, but in the section of 20 to 30 seconds, the period of 9 to 10 seconds, and 30 to 40 seconds. It is observed that long-period waves with a period of 8 to 9 seconds also appear in the second section.

【0168】また図12,13より、ローリング角とピッチ
ング角の測定値にはいずれも周期が2秒前後の短周期波
が主に現れるが、長周期波成分は著ではなく、シミュレ
ーション結果とよく対応していることがわかる。
Also, from FIGS. 12 and 13, the measured values of the rolling angle and the pitching angle mainly show short-period waves with a period of about 2 seconds, but the long-period wave component is not remarkable, and the simulation results are good. You can see that it corresponds.

【0169】図11〜図13より、ヒービング変位の振幅は
約10(cm)、ローリング角のバイアスとその時間変動分
の振幅はおよそ2.5(deg)と3.0(deg)、ピッチング角
のバイアスとその時間変動分の振幅はそれぞれ0.8(de
g)と2.0(deg)と推定され、いずれも測定に用いた船
舶の規模及び瀬戸内海の状況に照らして妥当なものであ
る。
From FIGS. 11 to 13, the amplitude of the heaving displacement is about 10 (cm), the bias of the rolling angle and its time-varying amplitude are about 2.5 (deg) and 3.0 (deg), and the bias of the pitching angle and that The amplitude of the time variation is 0.8 (de
g) and 2.0 (deg), both of which are reasonable in light of the scale of the vessel used for measurement and the conditions of the Seto Inland Sea.

【0170】[0170]

【発明の効果】本発明は以上のように構成されるため、
船舶の規模に関わらず、安定、且つ高精度に船舶姿勢が
オンラインで計測可能であり、従来のものに比して、適
用範囲の広さ、測定精度、オンライン計測等の点で優れ
ている。また、情報処理にEWS(東芝AS4080)
を用いたが、EWSを用いなくともDSPボードを用い
たり、或はサンプリングタイムを若干大きくとることに
より、安価なパソコンでも十分にオンライン計測に対応
可能である。
Since the present invention is constructed as described above,
Regardless of the scale of the ship, the ship attitude can be measured online with stability and high accuracy, and it is superior to the conventional ones in terms of wide application range, measurement accuracy, online measurement, and the like. For information processing, EWS (Toshiba AS4080)
However, by using a DSP board without using EWS or by slightly increasing the sampling time, an inexpensive personal computer can sufficiently support online measurement.

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

【図1】サーボ型加速度センサ及び傾斜角センサの配置
を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing an arrangement of a servo type acceleration sensor and a tilt angle sensor.

【図2】船舶に設置した傾斜角センサの動作原理図であ
る。
FIG. 2 is an operation principle diagram of a tilt angle sensor installed on a ship.

【図3】甲板上の傾斜角センサS1の振り子の運動図で
ある。
FIG. 3 is a motion diagram of a pendulum of a tilt angle sensor S 1 on a deck.

【図4】傾斜角センサの出力値と測定値に基づく出力値
を示す相関図である。
FIG. 4 is a correlation diagram showing an output value of an inclination angle sensor and an output value based on a measured value.

【図5】加速度センサの出力値と測定値に基づく出力値
を示す相関図である。
FIG. 5 is a correlation diagram showing the output value of the acceleration sensor and the output value based on the measured value.

【図6】ヒービング変位の真値と提案手法による測定値
との対比を示す相関図である。
FIG. 6 is a correlation diagram showing a comparison between a true value of a heaving displacement and a measured value by the proposed method.

【図7】ローリング角の真値と提案手法による測定値と
の対比を示す相関図である。
FIG. 7 is a correlation diagram showing the comparison between the true value of the rolling angle and the measured value by the proposed method.

【図8】ピッチング角の真値と提案手法による測定値と
の対比を示す相関図である。
FIG. 8 is a correlation diagram showing a comparison between a true value of a pitching angle and a measured value by the proposed method.

【図9】傾斜角センサの実出力値と測定値に基づく出力
値との対比を示す相関図である。
FIG. 9 is a correlation diagram showing a comparison between the actual output value of the tilt angle sensor and the output value based on the measured value.

【図10】加速度センサの実出力値と測定値に基づく出
力値との対比を示す相関図である。
FIG. 10 is a correlation diagram showing a comparison between the actual output value of the acceleration sensor and the output value based on the measured value.

【図11】ヒービング変位の計測値を示す相関図であ
る。
FIG. 11 is a correlation diagram showing measured values of heaving displacement.

【図12】ローリング角の計測値を示す相関図である。FIG. 12 is a correlation diagram showing measured values of rolling angles.

【図13】ピッチング角の計測値を示す相関図である。FIG. 13 is a correlation diagram showing measured values of pitching angles.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 船首 2 船尾 3 甲板 4 振り子 5 計器箱 J 甲板上の基準点 L ローリング軸とピッチング軸の交点から振り子
の支点までの距離 lc 振り子の重心から支点までの長さ O ローリング軸とピッチング軸との交点 Q 水平面 S1 ローリングの傾斜角センサ S2 ピッチングの傾斜角センサ S3 ヒービングの変位量センサ Tc 振り子に加えられるトルク X ローリング軸 Y ピッチング軸 Z ヒービング測定方向 γ 振り子の振れ角
1 Bow 2 Stern 3 Deck 4 Pendulum 5 Instrument box J Reference point on deck L Distance from intersection of rolling axis and pitching axis to fulcrum of pendulum l c Length from center of gravity of pendulum to fulcrum O Rolling axis and pitching axis Intersection point Q Horizontal plane S 1 Rolling tilt angle sensor S 2 Pitching tilt angle sensor S 3 Heaving displacement sensor T c Torque applied to the pendulum X Rolling axis Y Pitching axis Z Heaving measurement direction γ Pendulum swing angle

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 船舶に生じるヒービング・ローリング及
びピッチングを線形システムとして状態変数表示のダイ
ナミクスモデルで表すこと、及びそのダイナミクスモデ
ルに、船舶にそれぞれ設置した、ローリング情報並びに
ピッチング情報を得る2個のサーボ型傾斜角センサ、並
びにヒービング情報を得る1個のサーボ型加速度センサ
による観測方程式を組合せ、カルマンフィルタを適用す
ることを特徴とする船舶姿勢オンライン自動計測方法。
1. Heaving / rolling and pitching occurring on a ship are represented by a dynamics model of a state variable display as a linear system, and two servos installed on the ship to obtain rolling information and pitching information are provided in the dynamics model. A vessel attitude online automatic measuring method, characterized in that a Kalman filter is applied by combining observation equations by a type inclination angle sensor and one servo type acceleration sensor for obtaining heaving information.
JP25295294A 1994-09-20 1994-09-20 Method for automatically measuring position of marine vessel on-line Pending JPH0894357A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103693171A (en) * 2013-12-20 2014-04-02 陈洪灿 Ship gradient detecting device

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