JPS6296813A - 振り子式傾斜センサの検出角補正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、たとえばソナーシステムの振動子部の姿勢を
安定化するために、振り子式傾斜センサで船体の傾斜角
を検知する場合、該傾斜センサの検出角を補正して船体
の傾斜角を算出する補正方法に関する。

〈従来の技術〉 ソナーシステムの振動子部は、船舶の底部に取り付けら
れ、海底に向けて超音波を送波するとともに、海底や魚
群で反射されてくる超音波エコーを受波する。ソナーシ
ステムは、この超音波エコーに基づいて海底の深度や魚
群の位置を検出するものである。

ところで、船舶が横揺れしたり縦揺れしたりすると、ソ
ナーシステムの振動子部から送波される超音波の進路が
変化して、送波から受波までの検知時間が変わるために
、このソナーシステムでは海底の深度等の計測を正確に
行なうことができなくなる。そのため、ソナーシステム
については、船体の揺動角を検出して振動子部の姿勢を
鉛直線に対して一定の角度に保つ必要がある。

従来、船体の傾斜角を検出するものとしては、ソナーシ
ステムの振動子部に振り子式傾斜センサを装備したもの
がある（特開昭５６−１１１４７８号公報）。

〈発明が解決しようとする問題点〉 前記振り子式傾斜センサは、他の揺動角検出手段である
ジャイロスコープと比較すると、著しく価格が低く、現
在のところ、ジャイロスコープの５０分の１程度のコス
トで済む利点を有しているが、次のような問題がある。

すなわち、この振り子式傾斜センサで船体の揺動角を検
出する場合は、該傾斜センサを船体の揺動中心に設置し
て初めて、揺動角の真の値、もしくはそ、れに近い値を
検出することができるのであって、該傾斜センサが揺動
中心から離れた位置に取り付けられていると、船体の動
揺により傾斜センサの振り子が振られることとなって、
傾斜センサの検出角と船体の傾斜角との間に偏差が生じ
、船体の揺動角を正確に検出することができなくなる、
という問題がある。

ところが、ソナーシステムにおいては、振動子部は船底
に位置するから、傾斜センサの設置位置も船底付近とな
って揺動中心から離れており、前記従来のソナーシステ
ムにおいて、振り子式傾斜センサは、正確な検出とはほ
ど遠い状態となっている。

本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって
、振り子式傾斜センサの検出角を補正することによって
、船体の真の揺動角、もしくはそれに近似した値を算出
しうるようにして、安価な手段により振動子部の姿勢制
御等の制御を正確に行なえるようにすることを目的とす
る。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、上記の目的を達成するために、振り子式傾斜
センサは船体の揺動中心の直下位置もしくはその近傍に
設置するものとして、船体の傾斜角θに対する傾斜セン
サの検出角ψの補正係数ｋを、 ｋ＝　１−　（４ｒｒ　”／　ｇ）ｘ　Ｃｌｙ／　Ｔ　
”）と設定しくここで、ｌｙは船体の揺動中心から傾斜
センサまでの垂直方向距離、Ｔは船体の揺動周期、ｇは
重力加速度である）、前記算出式における垂直方向距離
１２Ｘを予め求めておき、前記振り子式傾斜センサによ
り船体の揺動角θを検出するに当たって、まず船体の揺
動周期Ｔを測定して該揺動周期Ｔに基づいて補正係数ｋ
を決定し、この補正係数ｋを用いて該傾斜センサの検出
角ψから次式、θ＝ψ／ｋ により船体の傾斜角θを算出するようにして振り子式傾
斜センサの検出角補正方法を構成したものである。

〈実施例〉 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

まず、本発明の補正方法の原理を第１図の説明図に示し
た単純化したモデルに基づいて説明する。

同図において、■は鉛直線を示し、Ｘ−Ｙ座標系は、船
体の揺動中心に原点０を固定しＹ方向を船体の上下方向
にとった直交座標系を示している。

該座標系のＸ方向は、船体の左右幅方向にとってもよい
し、また船体の前後方向にとってもよい。

しかＩ、て鉛直線Ｖに対して船体、すなわちＸ−Ｙ座標
系が角速度ω（ω＝ｄθ／ｄｔ）で単振動しており、か
っｘ−Ｙ座標系内の定点Ｐ　（Ｑｘ　、　−１２ｙ）　
ｌ：長さＱ１質ｆｉｎ（７）振り子Ｍが取り付けられて
いるとする。この振り子ＭがＸ−Ｙ座標系に対してその
回転面と同一の回転面で振れるとすると、その運動は、
次の（１）式の運動方程式で表わすことができる。ψは
振り子ＭのＸ−Ｙ座標系に対する角度（傾斜センサの検
出角）で、ここでは、Ｘ−Ｙ座標系の傾斜角θと同じ側
（図において右側）にψの正をとっている。

ｍ１２！−（２ｍＡ−、＋ｍＡｔ、ｘ＋ｍ６　・ｙ）ｃ
ｏｓψ１　１−　　Ｆ ＋　（−２ｍθ−Ｘ＋ＩＩｌθｔ、　ｙ　　ｎθ−ｘ）
ｓｉｎψ−ｍｇ−ｓｉｎ（θ＋ψ）　　　　　・・・・
・・（１）上記（１）式において、 ｘ＝　１２ｘ＋　ｆｆ５ｉｎψ ｙ＝　−ｌｙ　−Ｑｃｏｓψであって、是＝σ・ｃｏｓ
ψ・る ＋＝ｅ−ｓｉｎψ・※　　　　　　　　　　・・・・・
・（２）である。この（２）式を（１）式に代入して整
理すると、（３）式のようになる。

ｃ！　＝　−Ｃｌｙ−ｃｏｓψ＋Ｑ＋　Ｑ、ｘ−ｓｉｎ
ψ）２−　（Ｉ２ｙ−ｓｉｎψ−（２ｘ　−ｃｏｓψ）
δ′−ｇ−ｓｉｎ（θ＋ψ）　　　　　　・・・・・・
（３）ここで、ｓｉｎψ等の５ｉｎｘの値を５ｉｎｘ＝
ｘＳｃｏｓψ等のｃｏｓｘの値をｃｏｓｘ＝　１−　（
ｘ”／　２　）とし、３次以上の項を省略すると、 り孕＝　−（４ｙ＋　（１＋　Ｑｘ・ψ）５＋７２Ｘ・
θ２−ｇ（θ＋ψ）　　　・・・・・・（４）となる。

この（４）式で、 θ＝Ａ畢ｅｘｐ（ｉωＬ） ψ−Ｂ　−ｅｘｐ（ｉωｔ）　　　　　　　　　−−（
５）とおいて代入すると、（６）式が得られる。

（ｌｘＡ　Ｂ　（ＩＪ　”　−ＱｘＡ　”（１）す・ｅ
ｘｐ（ｉωｔ）＋（ＱＢω”＋　（＆＋　ｌｙ）Ａω”
−ｇ（Ａ　＋　Ｂ））＝　０・・・・・・（６） したがって、ψが単振動する条件は、 ｌｙ、Ａω”（Ａ　−Ｂ）＝　０　　　　　　　　・・
・・・・（７）Ｂ（Ｑω”−ｇ）＝Ａ（ｇ−（ｆｆ＋（
ｙ）ω”）　　・：・（８）である。上記式より、ｌｘ
−＊０であるときには、ψは、角周波数ω、振幅Ｂ１ Ｂ　＝　−［（ｇ−（Ｑ＋　１２ｙ）ω”）／　（ｇ−
Ｑω”）］ｘＡ・・・・・・（９） の単振動をする。したがって、 ψ＝Ｂ働ｅｘｐ（ｉωｔ） ＝　−［（ｇ　−（１２＋　ｌｙ）ωＪ／（ｇ　−１２
（ＩＪ　”）］Ａ−ｅｘｐ（ｔωｔ）−−［（ｇ　−（
（２＋　ｆ２ｙ）ω’）／（ｇ−Ｑω２）］×θ・・・
・・・（１０） となる。ここで、第１図に鎖線で示すように、ψの正を
左側にとると、次の（イ）式が得られる。

ψ＝　［（ｇ−（ｆ２＋　（２ｙ）ω”）／（ｇ−Ｑω
つ］×θ・・・・・・（イ） 通常、傾斜センサを船体の揺動中心の直下位置、または
その近傍に設置することは可能であって、該位置に設置
することによって、揺動中心から振り子の支点までの水
平方向距離（２ｘを無視しうる程度に小きくすることが
できる。このように振り子の水平方向距離（ｈを充分に
小さくすることによって、前記（イ）式が適用可能とな
る。

前記（イ）式を変形すると、 ψ−［（（ｇ／ωリー（＋２＋　（２ｙ））／　（（ｇ
／ω′）−σ）］×θ・・・・・・（ロ） となる。ここで、Ｌ　＝　（ｇ／ω″）とおくと、前記
（ロ）式は、次式のようになる。

ψ＝［（ｌ　−（Ｑ＋１２ｙ）／Ｌ）／（１−ｆｆ／Ｌ
）ｌｘθ・・・・・・（ハ） この（ハ）式でＬは、船体を一つの振り子と考えた場合
の振り子長さである。

さらに、Ｑ’＜＜１，１Ｑ＜＜ＱＹとみなすと、前記（
ハ）式は、次式（ニ）のように書き替えられる。

ψ＝（１−ｈ／Ｌ）θ　　　　　　　・・・・・・（ニ
）一般に、船体に振り子式傾斜センサを取り付けた場合
を考えてみると、船体を一つの振り子と考えた場合の振
り子長さしは、振り子式傾斜センサの振り子長さＱに比
べて著しく長く、また、揺動中心から振り子の支点まで
の垂直方向距離（すなわち、傾斜センサ設置位置までの
垂直方向距離）ｌｙは、振り子長さσに比べると著しく
長く、したがって前記（ニ）式は成立しうる。

前記（ニ）式にＬ　＝　（ｇ／ωつを代入すると、ψ＝
（１−（ｆｆｙ・ω”／ｇ））ｘθ　　　・・・・・・
（ホ）となる。ここで揺動周期をＴ（ω：２π／Ｔ）と
すると、 ψ＝（１−（４π’／ｇ）（ｌｙ／Ｔ’））ｘθ　・・
・（へ）が得られる。この（へ）式は、船体の揺動を単
振動とみなせる場合、振り子式傾斜センサの検出角ψは
、揺動の周期Ｔと、振り子式傾斜センサの揺動中心から
の垂直方向距離ｌｙとで決まる値にだけ倍増されること
を表わしている。そして前記には次の（ト）式で表わす
ことができる。

ｋ＝１−（４π”／　ｇ）　ｘ　Ｃｌｙ／　Ｔ　”）　
　　　・・・・・・（ト）この値ｋが分かれば、該値に
で傾斜センサの検出角・ψを補正することによって、船
体の傾斜角θを求めることができる。以下、この値ｋを
補正係数という。

前記（へ）式に補正係数ｋを代入すると、θ；ψ／ｋ　
　　　　　　　　　　　・・・・・・（チ）が得られる
。

上記の補正係数にの算出式である（ト）式において、振
り子式傾斜センサの垂直方向距離１２ｙや揺動周期Ｔは
設置状況によって異なる変数である。このうち、傾斜セ
ンサの垂直方向距離ｌｙは、傾斜センサの取り付は位置
によって決まり、船体に取り付けた後は、一定である。

揺動周期Ｔは常時計測して該周期Ｔに基づいて補正係数
ｋを決定する必要がある。

以下に、補正係数ｋを決定するに当たって、垂直方向距
離ｌｙと揺動周期Ｔとを求める具体的な方法もしくは手
段を説明する。

（Ａ）　　垂直方向距離ｌｙの決定 船体の揺動中心から傾斜センサの取り付は位置までの垂
直方向短Ｈ（ｌｙは、船体の構造を示す図面の記載から
求めることができる。

船舶理論においては、横揺れ、縦揺れの中心は不定で、
常に変化するものであるが、はぼ浮面心付近にあると考
えられる。第２図（Ａ　）（Ｂ　）に示すように、船体
１の構造図面、または実際の船舶に浮面心Ｏを与えるも
のとして、吃水線りが表示されており、この吃水線りを
含む面から傾斜センサの取り付は位置までの距離を計測
することによって、傾斜センサの垂直方向距離ｌｙが得
られる。

また、構造図面により揺動中心０が特定することができ
ない場合でも、ジャイロスコープを用いて垂直方向距離
ｌｙを求めることができる。

すなわち、振り子式傾斜センサによる傾斜角ψの検出と
同時に、ジャイロスコープにより傾斜角θを検出する。

第３図は、振り子式傾斜センサの検出値ψとジャイロス
コープの検出値θとの波形図を表わしている。ジャイロ
スコープは、その設置位置の影響をほとんど受けること
なく、船体の傾斜角θをほぼ正確に検出することができ
る。船体の傾斜角θと傾斜センサの検出角ψとの間には
、前記（チ）式の関係（θ＝ψ／ｋ）があるから、この
式に基づいて補正係数ｋが得られる。このとき、揺動周
期Ｔも同時に計測しておく。補正係数ｋについては、前
記（ト）式の関係［ｋ＝１−（４π２／ｇ）Ｘ　（（２
ｙ／　Ｔ″）〕があるから、該関係式（ト）と揺動周期
Ｔとから垂直方向距離１２ｙが求められる。

（Ｂ）　　揺動周期Ｔの計測 第４図のブロック図は、船体の揺動周期Ｔを計測する周
期検出回路２を示している。該周期検出回路２は、揺動
角に応じて変化する信号をローパスフィルタ３を通じて
導入し、これを一定角度（具体的にはθ°）を示す基準
値と比較するコンパレ−タ４と、該コンパレータ４の出
力信号を導入して波形整形する波形整形回路５と、波形
整形された比較出力のパルス幅を計測するカウンタ６と
からなる。カウンタ６に入力するパルスは、揺動の１／
２周期に対応するものであって、カウンタ出力を２倍す
れば、揺動周期Ｔが得られる。

このほか、揺動周期Ｔは、第５図のフローチャートに示
すルーチンにより、計測することができる。

ステップＳｌで、計測変Ｐｔを初期値（−〇）に設定す
る。ステップＳ２で、揺動角度を示す角度データＸを読
み取る。そしてステップＳ３で、今回の角度データＸと
前回の角度データＸ°との積がｒｏｌより小であるか否
かを判断する。両角度データＸ。

Ｘｏの符号が異なるとき、または、一方の角度データが
「０」であるときとは、揺動角度が零度点を通過したと
きであって、要するに、このステップＳ３は、揺動の零
度点の到来を判断している。該ステップＳ３での判断が
ｒＹｅｓＪとなると、ステップＳ４に移行するが、判断
が「ＮＯ」である場合は、ステップＳ５に進んで、計測
変数ｔに「ｌ」を加える（を−ｊ＋１）。そしてステッ
プＳ６で一定時間ΔＴだけ待機する。次のステップＳ７
では今回の角度データＸを前回の角度データＸ″とし、
ステップＳ２に戻る。

揺動が零度点に達して、角度データＸの符号が変わるか
、あるいは今回もしくは前回の角度データｘ（ｘ’　）
が「０」になるまで、ステップＳ２，３，５゜６．７の
各ステップを繰り返して、計測変数ｔをアップカウント
していく。揺動の零度点に達すると、ステップＳ３の判
断がｒ　Ｙ　ｅｓ　Ｊとなるので、ステップＳ４に移行
し、該ステップＳ４において、それまでの計測変数ｔの
値と一定の待機時間ΔＴとから揺動周期Ｔを算出し、こ
の値をメモリに格納して、ステップＳｌに戻る。

なお、このルーチンによれば、リアルタイムで揺動周期
Ｔを求めることができないので、揺動周期は急激に変化
しないとの前提のもとで、今回の揺動周期Ｔを前回のデ
ータから予測する。すなわち、今回の予測揺動周期をＴ
ｏ、ｎ回前までの揺動周期の検出値をそれぞれＴ　−＋
　、　Ｔ−ｔ、・・・、Ｔ−＋＋として、 Ｔｏ＝ΣβｋＴ−ｋ　　　　　　　　　　　　・・・・
・・（す）の式から今回の揺動周期Ｔ０を線形予測によ
求める。

上記（Ａ　）（Ｂ　）の項で説明した手段もしくは方法
により垂直方向距離ｌｙと揺動周期Ｔとを求めて、補正
係数にの算出式である前記（ト）式、ｋ＝１−（４π”
／　ｇ）　ｘ　（１２ｙ／　Ｔ″）　　　・・・・・・
（ト）により逐次補正係数ｋを決定し、さらに該補正係
数ｋに基づいて、揺動角θと検出角ψとの関係式である
前記（チ）式、 θ＝ψ／ｋ　　　　　　　　　　　　　・・・・・・（
チ）により検出角ψを補正して、揺動角θを算出するの
である。

なお、揺動角θを検出してからその揺動角θに基づいて
制御を行なうまでには、遅れがある。この遅れの要因と
なるのは、傾斜センサ自体の応答速度、制御用アクチュ
エータの応答速度、マイクロコンピュータの演算速度等
がある。そこでこの遅れを解消するものとして、制御時
点での揺動角をそれまでの揺動角から予測する方法があ
る。

その一つの方法として、デジタルフィルタを用いた線形
予測がある。これは、ｎ番目の揺動角の予測値をθｎと
して、これをそれまでの検出値から計算するものである
。すなわち、 ｏｎ＝Σαにθｎ−ｋ　　　　　　　　　　　・・・・
・・（ヌ）ｋｌｌ＋ このデジタルフィルタの伝達関数の周波数特性は、 Ｈ（Ｄ＝１／（１＋Σａ　ｋ　−ｅｘｐ（−ｊ２πｒ　
ｒ　ｋ））・・・・・・（ヲ） で表わすことができる。上記の式においてては、θのサ
ンプリング周期である。

船体揺動周期の周波数帯域は、１０Ｈｚ以下の極めて低
い周波数帯域に限られるため、前記（ヲ）式中のＮを大
きくしなくても、Ｎを小さく設定して低次のモデリング
により精度の高い予測を行なうことができる。

〈発明の効果〉 以上のように、本発明は、本件発明者が船体に取り付け
た振り子穴傾斜センサの状況を勘案して導き出した補正
係数により、振り子穴傾斜センサの検出角を補正するよ
うにしたもので、振り子穴傾斜センサが揺動中心から離
れた位置に取り付けられていても、前記補正係数で傾斜
センサの検出角を補正することによって、船体の真の傾
斜角、もしくはこれに極めて近似した値を算出すること
ができ、これによって、ソナーシステムの振動子の姿勢
制御を正確に行なうことができる。

また、現在、ジャイロスコープの価格の５０分の１程度
の価格である振り子穴傾斜センサを用いるので、高精度
のソナーシステムを安価に構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を示す説明図、第２図（Ａ）（Ｂ
）はいずれも船体の揺動中心を図面から求める場合の説
明図、第３図はジャイロスコープによる検出値と振り子
穴傾斜センサの検出値との関係を示す波形図、第４図は
揺動周期を計測する周期検出回路のブロック図、第５図
は揺動周期を計測するルーチンを示すフローチャートで
ある。 θ・・・船体の揺動角、ψ・・・振り子穴傾斜センサの
検出角、ｋ・・・補正係数、（ｌｙ・・・垂直方向距離
、Ｔ・・・揺動周期。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）船体に取り付けられた振り子式傾斜センサの検出
   角を補正して船体の傾斜角を算出する方法であって、 前記振り子式傾斜センサは船体の揺動中心の直下位置も
   しくはその近傍に設置するものとし、船体の揺動中心か
   ら傾斜センサまでの垂直方向距離をｌ＿ｙ、船体の揺動
   周期をＴ、重力加速度をｇとした場合に船体の傾斜角θ
   に対する傾斜センサの検出角ψの補正係数ｋを、 ｋ＝１−（４π＾２／ｇ）×（ｌ＿ｙ／Ｔ＾２）と設定
   し、前記算出式における垂直方向距離ｌ＿ｘを予め求め
   ておき、前記振り子式傾斜センサにより船体の揺動角θ
   を検出するに当たって、まず船体の揺動周期Ｔを測定し
   て該揺動周期Ｔに基づいて補正係数ｋを決定し、この補
   正係数ｋを用いて該傾斜センサの検出角ψから次式、 θ＝ψ／ｋ により船体の傾斜角θを算出することを特徴とする振り
   子式傾斜センサの検出角補正方法。
2. （２）補正係数ｋを決定するに当たって、揺動中心から
   傾斜センサまでの垂直方向距離ｌ＿ｙを、船体構造を示
   す図面から算出する特許請求の範囲第１項記載の振り子
   式傾斜センサの検出角補正方法。
3. （３）補正係数ｋを決定するに当たって、振り子式傾斜
   センサによる計測と同期してジャイロスコープにより船
   体の傾斜角θを検出するとともに、揺動周期Ｔを計測し
   、傾斜センサの検出角ψと船体の傾斜角θとの前記関係
   式（θ＝ψ／ｋ）から補正係数ｋを算出した上で、この
   補正係数ｋの算出式〔ｋ＝１−（４π＾２／ｇ）×（ｌ
   ＿ｙ／Ｔ＾２）〕と、計測した揺動周期Ｔとから振り子
   式傾斜センサの垂直方向距離ｌ＿ｙを求める特許請求の
   範囲第１項に記載の振り子式傾斜センサの検出角補正方
   法。
4. （４）補正係数ｋを決定するに当たって、船体の揺動周
   期Ｔを、揺動角を示す信号と一定角度を示す基準値とを
   比較するコンパレータと、該コンパレータの出力信号を
   導入する波形整形回路と、該波形整形回路で波形整形さ
   れた比較出力のパルス幅を計測するカウンタとからなる
   周期検出回路により検出する特許請求の範囲第１項、第
   ２項、または第３項に記載の振り子式傾斜センサの検出
   角補正方法。 （４）補正係数ｋを決定するに当たって、船体の揺動周
   期Ｔを、揺動角を示す信号を一定周期毎に読み取るステ
   ップと、該傾斜角信号の零度点の到来を判断するステッ
   プと、零度点間の時間を計測するステップとからなるル
   ーチンで検出する特許請求の範囲第１項、第２項、また
   は第３項に記載の振り子式傾斜センサの検出角補正方法
   。