JPS59179497A - Automatic steering device - Google Patents

Automatic steering device

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JPS59179497A
JPS59179497A JP58055645A JP5564583A JPS59179497A JP S59179497 A JPS59179497 A JP S59179497A JP 58055645 A JP58055645 A JP 58055645A JP 5564583 A JP5564583 A JP 5564583A JP S59179497 A JPS59179497 A JP S59179497A
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noise
angular velocity
steering angle
parameter
psi
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JP58055645A
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Hidemitsu Yamada
秀光 山田
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Tokyo Keiki Inc
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Tokyo Keiki Co Ltd
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Abstract

PURPOSE:To enable an automatic steering device to perform optimum weather regulation, by a method wherein, based on the detected value of the yawing motion of a ship hull, a parameter under a marine weather condition is determined, and a noise is estimated so that large or small value of the observation noise of a karman filter corresponds to large or small value of the parameter respectively. CONSTITUTION:An azimuth deviation between a set azimuth psi1 and a bow azimuth psi of a compass 4 is detected by a comparator 8, and the result is fed to a karman filter part 9 togetherwith the furning angular velocity psi' of an angular velocity meter 5 and the steering angle delta of a steering angle indicator 7. The karman filter part 9 finds optimum estimated values psie'' and psi'' of an azimuth deviation psie and furning angular velocity psi' on a basis of these data, a ship speed S, and the marine weather parameter of a parameter computing part 15 to send the estimated values to a regulating part 3. The regulating part 3 finds an instruction steering angle delta* based on these estimated values and aforesaid azimuth deviation psie, and based on the instruction steering angle, a steering device 2 is steered.

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動操舵機に係り、とくに天候調整をカルマン
フィルタを用いて行なうようにした自動操舵機に関する
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an automatic steering system, and more particularly to an automatic steering system in which weather adjustment is performed using a Kalman filter.

船舶の所詣オートパイロット機構には従来から天候調整
装置が装備されている。この天候調整装置は海象状態が
荒れたとき、波浪Vこよって誘起される回頭運動の高周
波成分に応答するよりな無駄舵をなくシ、馬力損失や舵
機等の消耗を防止せんとするものである。しかし、従来
の線形フィルタやバツクラツシ、不感帯、二重舵角比等
の非線形要素を用いた天候調整装置では、操舵で抑える
ことができない高周波成分のみを除去する目的からは必
ずしも十分なものとは言えず操舵に関連した成分(本来
制御すべき風による成分を含む)も−緒に除去してしま
うので操舵制御系の連応性に欠は性能に限界が生じると
いう不都合があった。また、調整値の設定の仕方によっ
て保針性能が大きく左右されるため例えば航海者が手動
でA整を行なった場合など最適71天侯調整を得ること
は事実上殆んど不可能であった。
The autopilot mechanism of ships has traditionally been equipped with a weather adjustment device. This weather adjustment device is designed to eliminate wasteful rudder in response to high-frequency components of turning motion induced by waves when sea conditions become rough, and to prevent loss of horsepower and wear and tear on the rudder, etc. be. However, conventional weather adjustment devices that use nonlinear elements such as linear filters, butterflies, dead zones, and double steering angle ratios are not necessarily sufficient for the purpose of removing only high-frequency components that cannot be suppressed by steering. Since components related to steering (including components caused by wind that should originally be controlled) are also removed at the same time, the lack of coordination in the steering control system has the disadvantage of limiting performance. Furthermore, since course-keeping performance is greatly affected by how the adjustment values are set, it is virtually impossible to obtain the optimum 71-degree adjustment, for example, when the navigator manually adjusts the A. .

斯かる欠点を有する従来の天候調整に対し、これを改善
するため本発明者はカルマンフィルタ(最適フィルタ)
を利用した天候調整方法を考案した。カルマンフィルタ
とはシステム方程式と観測方程式の各々から得る推定値
に最小自乗法全適用して信頼度の高い最適推定値を求め
るための計算機向きアルゴリズムを提供するフィルタで
あり、外乱処理に有効なものである。このカルマンフィ
ルタを用いて方位偏差(時系列信号)のフィルタリング
を行なうことにより雑音成分、即ち操舵で抑えることの
できない高周阪成分のみを除去できる可能性がある。以
下、カルマンフィルタの手法について説明する。
In order to improve the conventional weather adjustment that has such drawbacks, the present inventor developed a Kalman filter (optimal filter).
We devised a weather adjustment method using The Kalman filter is a filter that provides a computer-friendly algorithm for obtaining highly reliable optimal estimates by fully applying the least squares method to the estimated values obtained from each of the system equations and observation equations, and is effective for disturbance processing. be. By filtering the azimuth deviation (time-series signal) using this Kalman filter, it is possible to remove only the noise component, that is, the high frequency component that cannot be suppressed by steering. The Kalman filter method will be explained below.

まf、カルマンフィルタの基本となるシステム方程式と
観測方程式について述べる。システム方程式は船体の操
縦応答であり野本の一次近似モデルによると T≠+φ=K(δ+V)・・・曲曲曲曲・曲・曲・(1
)ここで K、T:操縦性指数 φ :旋回角速度 δ :舵 角 V ニブラントノイズ で表わ妊れる。これを離散化した定差方程式は1 (k
+1 )=AZ (k )+Bu (k )+rv (
k )・−−曲(2)ここで F=B u(k)−δ(k) T     T v(k)ニブラントノイズ、正規性白色ノイズ(平均値
07分散Q) τ:サンプリングタイム となる。
First, we will discuss the system equation and observation equation that are the basis of the Kalman filter. The system equation is the maneuvering response of the ship, and according to Nomoto's first-order approximation model, T≠+φ=K(δ+V)...Mong, Mong, Mong, Tong, (1
) where K, T: Maneuverability index φ: Turning angular velocity δ: Rudder angle V Expressed by nibrant noise. The constant difference equation that discretizes this is 1 (k
+1)=AZ(k)+Bu(k)+rv(
k)・--Song (2) Here, F=Bu(k)-δ(k) T T v(k) Nibrandt noise, normal white noise (mean value 07 variance Q) τ: Sampling time .

続いて観測方程式を離散化して表わすとY (k+1 
) =Cχ(k刊3)+W(J ・四−曲−・(3)こ
こで、 w(k):観測ノイズ、正規性白色ノイズ(平均値0.
共分散R) となる。
Next, the observation equation is discretized and expressed as Y (k+1
) = Cχ (k edition 3) + W (J 4-track - (3) where, w(k): observation noise, normal white noise (average value 0.
covariance R).

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

   z (k+1 + k )=Az (k 1k 
)十f3u (k ) −−−(4)P(k+11k)
−AP(klk)AT′+FQ〆・・・・・・・・・・
・・ (5)G(’に+1)=P(k+1日OCT〔C
P(k+1目りXCT十几丁1 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・ (6)9 (k+1 l k+1 
)=”’!、 (k+1 l k) +G(k+1 )
X[Y(k+1)−Cテ(k+11k)〕・・・・・・
・・・−・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・ (力P(k+11に+1)=〔I−G(k+1)
C〕P(k+11k)・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (8)ここで
i (k+11k)はに時点での観測データが得られた
時の(k+1)時点でのχの推定値を表わす。また″は
最適推定値、P、Gはそれぞれ誤差イ の共分散行列とフィルタのヘンベクトルである。
z (k+1 + k)=Az (k 1k
) 10f3u (k) ---(4)P(k+11k)
-AP(klk)AT'+FQ〆・・・・・・・・・
... (5) G (+1 to ') = P (k + 1 day OCT [C
P(k+1 eyes XCT ten ding 1 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・ (6)9 (k+1 l k+1
)=”'!, (k+1 l k) +G(k+1)
X[Y(k+1)-Cte(k+11k)]...
・・・-・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
... (force P (+1 to k+11) = [I-G (k+1)
C]P(k+11k)・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (8) Here, i (k+11k) is the estimated value of χ at the time (k+1) when the observation data at the time point was obtained. represents. Further, '' is the optimal estimated value, and P and G are the covariance matrix of the error I and the Hen vector of the filter, respectively.

!、た は転置を表わす。! , ta represents transposition.

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

定常状態の誤差の共分散及びフィルタゲインは(5) 
、 (6) 、 (8)式よりQ=〔mi+Fqf)c
T(c(AI5f+rcg”)C”+J(:]’・・・
・・・・−・・・・−・・・・−・・・・・・・・・・
・・・・・・−・(9)P =CI −(APAT+r
QrT) cT(CCAE’AT+ rQr” )XC
T+R丁1×C〕〔Al5AT+rQF1〕・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・−・・・・・・
・・・・・・(10)ここで、G、Pはそれぞれ定常状
態におけるフイルタゲイン、誤差の共分散の推定値を表
わす。
The steady state error covariance and filter gain are (5)
, (6), From formula (8), Q=[mi+Fqf)c
T(c(AI5f+rcg")C"+J(:]'...
・・−・・−・・−・・・・・・・
・・・・・・−・(9)P=CI−(APAT+r
QrT) cT(CCAE'AT+ rQr”)XC
T+R 1 x C] [Al5AT+rQF1]...
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
(10) Here, G and P represent estimated values of filter gain and error covariance in a steady state, respectively.

”     ff0)式はNewton−Raphso
n法を用いて解くことができ結果を(9)式に代入すれ
ばGが得られる。このため実際の信号処理においては実
時間で(4) 、 (’t)式全計算するだけでよく実
現が容易となる。
” ff0) formula is Newton-Raphso
It can be solved using the n method, and G can be obtained by substituting the result into equation (9). Therefore, in actual signal processing, it is only necessary to fully calculate equations (4) and ('t) in real time, and implementation is easy.

ここではプラントノイズの平均値をOとしたが、実際に
は平均値0のプラントノイズはなく、必らずあるバイア
ス成分を持っている。従って(2)式の代わりに、 χ(k +1)==Az (k )+Bu  (k )
+1’ (k ) +va )・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (1])こ
こで、■。ニブラントノイズの平均値を用いることも考
えられるが計算量の増大を招く。
Here, the average value of plant noise is set to O, but in reality, there is no plant noise with an average value of 0, and it always has a certain bias component. Therefore, instead of formula (2), χ (k + 1) = = Az (k) + Bu (k)
+1' (k) +va)・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (1]) Here, ■. Although it is possible to use the average value of the nibrant noise, this would result in an increase in the amount of calculation.

そこで、カルマン・フィルタとは別途に推定する。Therefore, estimation is performed separately from the Kalman filter.

このプラントノイズのバイアス成分■。は、系がクロー
ズトループであり定常状態において船体に加わる外乱の
バイアス成分と操作量(舵角〕の平均値とがバランスす
ると考えられるので方位偏差信号の平均値を用いて ◇。−h・ψ、・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・ (12)と推定できる(実際には冗差方程式を用
いる)。
Bias component of this plant noise■. Since the system is a closed loop and the bias component of the disturbance applied to the hull and the average value of the manipulated variable (rudder angle) are considered to be balanced in a steady state, the average value of the azimuth deviation signal is used. ,・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
... (12) can be estimated (actually, a redundant difference equation is used).

これは従来のオートパイロットで行なわれていた積分制
御と基本的に同じである。ただし、hは任意常数であり
、系の安定性を考慮して決定する。
This is basically the same as the integral control performed in conventional autopilots. However, h is an arbitrary constant and is determined in consideration of the stability of the system.

これに対し、プラントノイズの分散Qと観測ノイズの共
分散Rは、その推定を如何に適切に行なうか否かでフィ
ルタリングの良し悪しが決定される程重要である。特に
プラントノイズは定量的に把握し難くカルマンフィルタ
を実システムに適用する場合に最も問題となるところで
おる。まず普通観測系は海象状態力玉変化してもあまり
影響を受けないと考えられるので観測ノイズの共分散几
は一定として扱う。一方、QはMehra の白色ガウ
ス雑音の共分散のオンライン推定を拡張したGodbo
le の方法で求めることが考えられる。詳細は略すが
ことはプラントノイズと観測ノイズに相関がらり、且つ
ノイズの平均値が零でない場合も適用可能な分散推定の
アルゴリズムであジ、カルマンフィルタの係数の中で不
明確なプラントノイズの分散を定量的に把握できるとい
う意味では非常に有用な方法である。
On the other hand, the variance Q of plant noise and the covariance R of observation noise are so important that the quality of filtering is determined by how appropriately they are estimated. In particular, plant noise is difficult to grasp quantitatively and poses the greatest problem when applying a Kalman filter to an actual system. First, since it is thought that normal observation systems are not affected much by changes in oceanographic conditions, the covariance of observation noise is treated as constant. On the other hand, Q is Godbo's extension of Mehra's online estimation of white Gaussian noise covariance
It is conceivable to obtain it using the method of le. I will omit the details, but it is a variance estimation algorithm that can be applied even when plant noise and observation noise are correlated and the average value of the noise is not zero. This is a very useful method in the sense that it can be understood quantitatively.

しかしながら、このQ、をQodboleの方法で求め
るアルゴリズムを用いて方位偏差(設定方位−船首方位
)及び旋回角速度の最適推定値を得、舵機のP工(PI
D)制御を行なうと次のような問題が生じることがわか
った。即ち、Ca1m seaに於て、舵角変化は滑ら
かであるが保針性が悪くなった。逆にRough se
aでは舵角が急激に大きくなり舵機の酷使を招いた。こ
れは、Godboleの方法ではCa1m seaのと
きプラントノイズの分散値を小さく見積り過ぎてフィル
タリング効果はでたが、その分最適推定値に遅れを生じ
ヨーイングが大きくなったのであり、Rough se
aのときは方位偏差あるいは旋回角速度に含まれる高い
周波の成分(ローリング周期に近い)をプラントノイズ
に起因するものとみなすためにQの値が非常に大きなも
のとなってし1い、特に旋回角速度に含まれる高周波成
分に忠実に追従するようになってしまうからである。
However, by using an algorithm that calculates this Q using the Qodbole method, we can obtain the optimal estimated values of the heading deviation (set heading - heading) and turning angular velocity, and calculate the steering gear P engineering (PI
D) It was found that the following problems occur when the control is performed. That is, in Ca1m sea, the steering angle change was smooth, but course keeping was poor. On the contrary, Rough se
In case a, the rudder angle suddenly increased, causing overuse of the rudder gear. This is because Godbole's method estimates the variance of the plant noise too small when the sea is Ca1m, and the filtering effect was achieved, but the optimal estimate was delayed and the yawing became large.
In the case of a, the value of Q becomes very large because high frequency components (close to the rolling period) included in the azimuth deviation or turning angular velocity are considered to be caused by plant noise. This is because the high frequency components included in the angular velocity will be faithfully followed.

また、推定値自体の安定性も悪く、同じ海象状態で9バ
ラツキが太きくなるという結果を生じた。
Furthermore, the stability of the estimated value itself was poor, resulting in large variations in the 9 values under the same sea state.

考察するに時系列信号について、信号は、本来もってい
る意味のある信号成分と意味のない雑音成分が加え合わ
さったものであると考えればフィルタリングとはその雑
音成分を出来るだけ分離し  。
Considering a time-series signal, if we consider that the signal is a combination of the original meaningful signal component and the meaningless noise component, filtering is the process of separating the noise component as much as possible.

て意味のある信号成分のみを取り出すことである。The goal is to extract only meaningful signal components.

これを今の場合に当てはめれば、本来もっている意味の
ある信号成分とは方位偏差、旋回角速度に含まれる操舵
系の固イ]周波数に近い低周波成分のことであり、意味
のない雑音成分とは単にジャイロ等の誤差だけではなく
て、波浪によって誘起された操舵では抑えることので@
ない高周波成分を含めたもののことである。このことを
踏まえてもう一度システム方程式(3)を見てみると、
システム方程式自体はそのような明確な区別は何も表現
してはいない。Q□dbole のアルゴリズムを適用
すると、海象が荒れて操舵では抑えることので@ない高
周波の成分が多くなるとこれらはすべてプラントノイズ
によって誘起されたものと見なされ、プラントノイズの
分散Qの推定値は非常に大きな値になってしまう。こう
してQの推定値が大きくなると波浪によって誘起された
高周波成分(はすべて意味のある信号と見なされ、我々
が望むフィルタリングと(は捷ったく異なったものKな
ってし捷うのである。この原因はシステム方程式が我々
の望むフィルタリングを十分表現していないことによる
が、波浪によって誘起される高周波成分のみを表現する
に1l−t−tだ運動力学的に問題点も多く、またそれ
をシステム方程式に組込むとカルマンフィルタの次数が
増え計算量が増大する不都合もある。
Applying this to the present case, the signal components that originally have meaning are the low frequency components close to the steering system frequency included in the azimuth deviation and turning angular velocity, and the meaningless noise components. It's not just the error of the gyro, etc., but it can be suppressed by steering induced by waves.
This includes high-frequency components that are not present in the air. Taking this into account, if we look at system equation (3) again, we get
The system equation itself does not express any such clear distinction. When the Q□dbole algorithm is applied, if the sea conditions are rough and there are many high-frequency components that cannot be suppressed by steering, they are all considered to be induced by plant noise, and the estimated value of the variance Q of the plant noise is extremely low. becomes a large value. In this way, when the estimated value of Q becomes large, all high-frequency components (( This is because the system equation does not sufficiently express the filtering that we want, but there are many kinematic problems in expressing only the high frequency components induced by waves, and the system equation There is also the disadvantage that the order of the Kalman filter increases and the amount of calculation increases.

才たGodboleの方法1d、ホワイトノイズが前提
でインベーション過程の自己相関を用いることから、デ
ータのサンプリング時間が短くてインベーション過程の
自己相関が強くなると分散が求められず、また、データ
数が少ないと推定値の〕くラツキが太きくなり、従って
、サンプリング時間を長くしかつデータ数を十分大きく
とる必要があるため計算の準備に長時間を要するという
欠点もあつた。
Godbole's method 1d assumes white noise and uses the autocorrelation of the invasion process, so if the data sampling time is short and the autocorrelation of the invasion process is strong, the variance cannot be calculated, and the number of data is If it is too small, the estimation value will be more irregular, and therefore the sampling time must be longer and the amount of data must be sufficiently large, which has the disadvantage of requiring a long time to prepare for calculation.

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

本発明は、簡便な構成に3レリカルスンフイルタの持つ
機能を十分に発揮させて自動操舵系の制御の安定性・連
応性を高め、かつ、最適な天候調整を自動的に確実に行
なうことができる自動操舵機を提供することを・、その
目的とする。
The present invention is to fully utilize the functions of a 3-relational filter in a simple configuration to improve the stability and coordination of automatic steering system control, and to automatically and reliably perform optimal weather adjustment. The purpose is to provide an automatic steering system that can.

本発明は、船首方位、旋回角速度等よシ回頭運動を検出
し、この検出値に基づいて波浪の程度即ち海象状態のパ
ラメータを決定し、このパラメータの大小でカルマンフ
ィルタの観測ノイズの相対値が大小となるようにノイズ
の推定を行なうとともに、静海時には該ノイズにリミッ
タを掛けるようにしたことにより、前記目的を達成しよ
うとするものである。
The present invention detects turning movements such as the heading, turning angular velocity, etc., determines the degree of waves, that is, the parameter of the sea state based on this detected value, and the relative value of the observation noise of the Kalman filter is determined depending on the magnitude of this parameter. The above objective is achieved by estimating the noise so that the following occurs and applying a limiter to the noise when the sea is calm.

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

前述したQodboleの方法を用いるカルマンフィル
タのアルゴリズでは海象が荒れても観測系は影響を受け
ないとした。このように考える限りシステム方程式には
波浪によって誘起される高周波成分を表現する必要があ
る。そこで、本実施例では、システム方程式は(2)の
ま捷使用し実際には波浪によって船体が駆動され高周波
成分が発生するのであるが、これを観測系に含めて処理
することとした。即ち、海象が荒れてくると観、側糸も
影響を受けて観測ノイズが多くなってくるとし、海象状
態のパラメータから凡の推定を行なう。カルマンフィル
タの性質上、凡の大小とフィルタリング効果の大小が一
致するため、(Qは簡単のため一定とする)海象状態が
荒れて1もが大きくなると波浪によって誘起された高周
波成分がフィルトアウトされることVCするのである。
The Kalman filter algorithm using the Qodbole method described above assumes that the observation system will not be affected by rough sea conditions. As long as we consider this, it is necessary to express the high frequency components induced by waves in the system equation. Therefore, in this embodiment, the system equation (2) is used, and although the hull is actually driven by waves and a high frequency component is generated, it was decided to include this in the observation system and process it. That is, assuming that when the sea conditions become rough, the side threads will also be affected and the observation noise will increase, and a rough estimate will be made from the parameters of the sea conditions. Due to the nature of the Kalman filter, the general size and the filtering effect size match, so (Q is assumed to be constant for simplicity), when the sea condition becomes rough and 1 becomes large, high frequency components induced by waves are filtered out. This is what VC does.

この際、最適推定値はシステム方程式を主にして求めら
れるので操舵系の固有周波数に近い高周波成分1で濾過
されることはない。
At this time, since the optimal estimated value is obtained mainly from the system equation, it is not filtered by the high frequency component 1 close to the natural frequency of the steering system.

一方、海象状態はビューフォート階級ンパラメータとす
ると個人差の介入を免れ得す、また海象状態が船体操縦
系に与える影響もビューフォート階級に比例するもので
はなく、波やうねりの方向によって太きく左右される。
On the other hand, if sea conditions are expressed as Beaufort class parameters, interference from individual differences can be avoided, and the influence of sea conditions on the hull control system is not proportional to the Beaufort class, but varies depending on the direction of waves and swells. Depends on it.

よく知られているようにビューフォート階級が同じでも
うねりの方向が斜め後方の場合には操縦系に与える影響
は大きく、前方の場合にはほとんど影響がない。そこで
オートパイロットから見た海象状態のパラメータとして
は旋回角速度など船体の回頭運動を検出し所定の演算処
理を施したものを用いる。例えはコントローラの影響も
それ程受けない旋回角速度のr、ITL S、e海象状
態のパラメータとしRはこのパラメータに比例させて推
定を行なうとすると、プラントノイズ及び観測ノイズは
、 Q二const、・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (1
3)となる。ここでm、In1d正の任意定数であり、
系の安定性等を考慮し実験的に決める。
As is well known, even if the Beaufort class is the same, if the direction of the swell is diagonally to the rear, it will have a large effect on the control system, and if it is in the front, it will have little effect. Therefore, as the parameters of the sea state seen from the autopilot, parameters obtained by detecting the turning motion of the ship, such as turning angular velocity, and performing predetermined calculation processing are used. For example, if the turning angular velocity r, ITL S, and e are parameters of the sea state that are not affected by the controller, and R is estimated in proportion to this parameter, the plant noise and observation noise are Q2 const...・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ (1
3). Here, m and In1d are positive arbitrary constants,
It is determined experimentally, taking into consideration the stability of the system.

但し、Ca1m sea  においては波浪によって誘
起される旋回角速度のレベルが舵角によって誘起される
レベルと同程度となり旋回角速度のr、m、s。
However, at Ca1m sea, the level of the turning angular velocity induced by waves is comparable to the level induced by the steering angle, and the turning angular velocity r, m, s.

にコントローラの影響が太きく出、又、このとき旋回角
速度のr、m、s、に比例して観測ノイズの共分散Rを
小さくすると最適推定値に波浪による高周波成分が現わ
れるのでリミッタを設けRを一定とする。一方、](o
ugb seaでは旋回角速度のr、亀S、E比例して
観測ノイズの共分散Rを大きくしたため最適推定値に遅
れが出るようなときは必要に応じてRを一定とする(第
3図参照几 次に第1図に従って具体的に説明する。
The influence of the controller becomes large in is constant. On the other hand, ](o
In ugb sea, the covariance R of the observation noise was increased in proportion to the turning angular velocity r, turtle S, and E, so if there is a delay in the optimal estimate, R may be kept constant as necessary (see Figure 3). Next, a detailed explanation will be given according to FIG.

第1図は天候調整用のカルマンフィルタ金倉む自動操舵
機の系統図である。図に於て、1は制御対象としての船
体であり、この船体Iの船尾シこ設けられた舵機2を調
節部3で操舵することにより目標針路の保針制御が行な
われるようになっている。前記船体lには、各々船首方
位ψ、旋回角速度委、船速S、舵角δを測定するコンパ
ス4.角速度計5.スピードログ6、舵角指示器7が備
えられている。図示しない針路設定器で設定した設定方
位ψ1と前記コンパス4の出力する船灯方位ψとの方位
偏差ψ6(−ψ1−ψ)が比較器8で検出されたのち旋
回角速度み、舵角δとともにカルマンフィルタ部9へ送
出される。このカルマンフィルタ部9は:観測ノイズの
推定を行なうR演算部10、プラントノイズのQ値出力
を行なうデータ発生部11、船体操縦指数に、Tを船速
Sから推定しフィルタ係数A、Bを求めるA、B演算部
12、誤差の共分散及びフィルタゲインP、Gを計算す
るP、Q演算部13、方位偏差ψ。及び旋回角速度委の
最適推定値内、ψを求める最適値演算部14とから構成
されている。前記角速度計5は船体lの回頭運動検出手
段としての機能を有し、検出した旋回角速度委がパラメ
ータ演算部15へ送られる。このパラメータ演算部15
は、一定時間内のデータを基にr、m、s、を求めて海
象パラメータとしR演算部10へ送る。このR演算部1
0は第3図の線図に従って観測ノイズR?推定全行なう
。A、B演算部12は船速Sが一定以上変化したとき、
その船速Sに対応する船体操縦性指数K。
FIG. 1 is a system diagram of an automatic steering system using a Kalman filter for weather adjustment. In the figure, reference numeral 1 denotes a hull as a controlled object, and by steering a rudder 2 installed at the stern of the hull I with an adjustment section 3, course keeping control of the target course is performed. There is. The hull l is equipped with a compass 4 for measuring the heading ψ, turning angular velocity, ship speed S, and rudder angle δ, respectively. Angular velocity meter5. A speed log 6 and a steering angle indicator 7 are provided. After the comparator 8 detects the azimuth deviation ψ6 (-ψ1-ψ) between the set azimuth ψ1 set by a course setting device (not shown) and the boat light azimuth ψ output from the compass 4, the turning angular velocity is determined and the rudder angle δ is determined. The signal is sent to the Kalman filter unit 9. This Kalman filter section 9 includes: an R calculation section 10 that estimates observation noise, a data generation section 11 that outputs a Q value of plant noise, and a hull steering index that estimates T from the ship speed S to obtain filter coefficients A and B. A, B calculating section 12, P, Q calculating section 13 which calculates error covariance and filter gains P, G, azimuth deviation ψ. and an optimum value calculation unit 14 that calculates ψ from among the optimum estimated values of the turning angular velocity. The angular velocity meter 5 has a function as a turning motion detecting means for the hull l, and the detected turning angular velocity is sent to the parameter calculating section 15. This parameter calculation section 15
calculates r, m, and s based on data within a certain period of time and sends them to the R calculation unit 10 as sea parameters. This R calculation section 1
0 is the observation noise R according to the diagram in Figure 3? Do all the estimations. When the ship speed S changes beyond a certain level, the A and B calculation units 12
Hull maneuverability index K corresponding to the ship speed S.

Tを得る機能を有している。これはシズテム特性の変動
に対応するためのものであり、実際には(2)式中のフ
ィルタ係数A、Bを計算する。P、G演算部13は各R
、Q 、 A 、 BデータiC基ツ@ QO) +(
9)式によl’、Gi推定する。カルマンフィルタ部9
は、観測ノイズRが推定できたとき、又は、船速Sが一
定以上変化したときにイニシャライズ−されるようKな
っており、最適値演算部15は、イニシャライズされる
と初回の最適推定値χ(010)と舵角u(0)として
適当な値を入れ、A、B演算部12から送られるA、B
データ及びP、G演算部13から送られるGデータに基
づき、前記比較器8及び角速度計5から送られるYデー
タとしてのψ。、?)並びに舵角δがサンプリングされ
る毎に順次(4) l (7)式に従って最適推定値χ
(k+11 ic十i )の演算を行なう。
It has the function of obtaining T. This is to deal with fluctuations in system characteristics, and actually the filter coefficients A and B in equation (2) are calculated. The P, G calculation section 13
, Q, A, B data iC basis @QO) +(
9) Estimate l' and Gi using equations. Kalman filter section 9
is initialized when the observation noise R can be estimated or when the ship speed S changes beyond a certain level, and when the optimum value calculation section 15 is initialized, the initial optimum estimated value χ (010) and appropriate values as the steering angle u(0), and A and B are sent from the A and B calculation unit 12.
ψ as Y data sent from the comparator 8 and the angular velocity meter 5 based on the G data sent from the data and the P, G calculation section 13. ,? ) and each time the rudder angle δ is sampled, the optimal estimated value χ is sequentially calculated according to equation (4) l (7)
(k+11 ic1i ) is calculated.

このようにしてカルマンフィルタ部9でフィルタリング
された最適推定値φ。、φは調節部3内のPD調節部1
6に送出され □δ、’ −KF(φ8十T=ゐ) の演算がなされる。一方調節部3内の■調節部17では
(12)式を定差化した δ;=LΣψ。(k) 1゛l の演算が行なわれる。これらのbl l 6Mが加算器
18で加算され指令舵角δ°として前記舵機2へ出され
るようになっている。
The optimal estimated value φ is thus filtered by the Kalman filter unit 9. , φ is the PD adjustment section 1 in the adjustment section 3
6, and the calculation of □δ,' -KF (φ8+T=ゐ) is performed. On the other hand, in the adjustment section 17 in the adjustment section 3, δ;=LΣψ is obtained by converting the equation (12) into a constant difference. (k) An operation of 1゛l is performed. These bl l 6M are added by an adder 18 and output to the steering gear 2 as a command rudder angle δ°.

ただし、前記プラントノイズのバイアス成分については
■調節部で処理するかわりに、第2図に示す如く、舵角
指示器7とカルマンフィルタの最適値演算部14との間
にバイアス処理部20を装備し、このバイアス処理部2
0にて 6=6−〒12゛ψ・(k) の演算を行ない、バイアス成分を除去した舵角δ全カル
マンフィルタの舵角入力とすることもできる。
However, as for the bias component of the plant noise, instead of processing it in the adjusting section, a bias processing section 20 is installed between the steering angle indicator 7 and the optimum value calculation section 14 of the Kalman filter, as shown in FIG. , this bias processing section 2
It is also possible to perform the calculation of 6=6-〒12゛ψ·(k) at 0, and use the steering angle δ from which the bias component is removed as the steering angle input of the total Kalman filter.

次に第2実施例として前記(13)+ (14)式の代
わりに例えば、 ”=fi  ””””””””””””°°゛°゛(1
5)R= cons t、   ・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・ (1すnは正の任童定数であり、実験的に決める。
Next, as a second embodiment, instead of formulas (13) + (14), for example,
5) R=const, ・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・(1sn is a positive constant and is determined experimentally.

とじ、プラントノイズQi海象状態のパラメータに反比
例するように推定してもよい。何故ならカルマンフィル
タの性質上フィルタリング効果の大小とQの小太が一致
するため(1(が一定のときり、海象状態が荒れでQが
小さくなれば波浪によって誘起された高周波成分がフィ
ルトアウトされるからである。ただし、Ca+1m s
ea 、 Ro’ugh seaでは第3図と同様にリ
ミッタを設ける(第4図参照)。
In addition, the plant noise Qi may be estimated to be inversely proportional to the parameters of the sea state. This is because, due to the nature of the Kalman filter, the magnitude of the filtering effect matches the magnitude of Q (1), and if Q becomes small due to rough sea conditions, high frequency components induced by waves will be filtered out. However, Ca+1m s
ea and low sea, a limiter is provided in the same way as in Fig. 3 (see Fig. 4).

尚、船体の回頭運動は船首方位から検出するようにして
もよく、又海象状態へのパラメータ化はr、m、s、の
他、絶対値平均等地の手法を用いてよく、更にノイズの
推定も比例・反比例以外の方法で行なってよく捷た、第
1.第2実施例に於て各々のQ、RはCON S T、
に何ら限定されるものではない。
Incidentally, the turning motion of the ship may be detected from the bow direction, and parameterization to the sea state may be performed using r, m, s, or an absolute value average isogeometric method. Estimation was also done using methods other than proportional/inverse proportional, and the results were good. In the second embodiment, each Q and R are CON S T,
It is not limited in any way.

以上説明したように本発明によれば、簡便なアルゴリズ
ムでカルマンフィルタのノイズ係数’i安定して推定す
ることができ、計算機の負担が軽減するとともに、Ca
1m seaで波浪による高周波成分に追従して無駄舵
をとったり、Rough seaで最適推定値に遅れを
生じ船体が大きく蛇行したりすることなく、波浪によっ
て誘起された操舵系で抑えることのできはい高周波成分
のみを確実にフィルトアウトさぜることかでき、このた
め天候調整性能に優れ、かつ、保針性の著しく高い自動
操舵機が得られる。
As explained above, according to the present invention, it is possible to stably estimate the noise coefficient 'i of the Kalman filter using a simple algorithm, reduce the burden on the computer, and
It is possible to suppress high frequencies induced by waves by the steering system, without causing wasteful steering due to following high frequency components caused by waves at 1 m sea, or causing a delay in the optimal estimated value and causing the ship to meander significantly at rough seas. Only the components can be reliably filtered out, so an automatic steering machine with excellent weather adjustment performance and extremely high course keeping performance can be obtained.

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

第1図は本発明の一実施例に係る自動操舵系の系統図、
第2図はプラントノイズのバイアス処理方法の他の実施
例を示すブロック図、第3図は第一実施例における観測
ノイズ凡の推定方法を示す線図、第4図は第2実施例に
おけるプラントノイズQの推定方法を示す線図である。 ■・・・船体、5・・・角速度計、9・・・カルマンフ
ィルタ部、10・・・R演算部、11・・・データ発生
部、15・・・パラメータ演算部。 特許出願人 株式会社 東 京 計 器第2図 φ % Te 第3図 必所 砧可
FIG. 1 is a system diagram of an automatic steering system according to an embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a block diagram showing another embodiment of the plant noise bias processing method, FIG. 3 is a diagram showing the observation noise estimation method in the first embodiment, and FIG. 4 is a block diagram showing the plant noise bias processing method in the second embodiment. 3 is a diagram showing a method for estimating noise Q. FIG. ■... Hull, 5... Angular velocity meter, 9... Kalman filter section, 10... R calculation section, 11... Data generation section, 15... Parameter calculation section. Patent Applicant: Tokyo Co., Ltd. Meter Figure 2 φ % Te Figure 3 Mustsho Kinka

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)、天候調整用のカルマンフィルタを備えた自動操
舵機に於て、船体の目頭運動を検出する装置と、この目
頭運動の検出データに所定の演算処理を施し海象状態の
パラメータを求める装置とを設け、このパラメータの大
小で前記−)ノルマンフィルタのプラントノイズに対す
る観測ノイズの相対値が大小となるようにノイズの推定
を行なうとともに、静海時111cは該ノイズVこリミ
ッタを掛けるようにしたことを特徴とする自a操舵機。
(1) In an automatic steering system equipped with a Kalman filter for weather adjustment, a device for detecting the canthus movement of the ship, and a device for calculating parameters of sea conditions by performing predetermined arithmetic processing on the detected data of the canthus movement. , and the noise is estimated so that the relative value of the observation noise to the plant noise of the -) Norman filter becomes large or small depending on the size of this parameter, and the noise V limiter is applied during calm sea 111c. A self-a steering system featuring:
JP58055645A 1983-03-31 1983-03-31 Automatic steering device Granted JPS59179497A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61263895A (en) * 1985-05-16 1986-11-21 Yokogawa Electric Corp Auto pilot for ship
KR100429067B1 (en) * 2001-05-12 2004-04-28 삼영이엔씨 (주) Electronic lever apparatus for ship engine
KR100429068B1 (en) * 2001-05-12 2004-04-28 삼영이엔씨 (주) Automatic steering and control apparatus for ship

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