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JP4669283B2 - Ship automatic steering system - Google Patents
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Description

本発明は、推定器を有する船舶用自動操舵装置において、その推定器で利用する波浪モデルの波浪パラメータの同定を行なうために波浪同定器を有する船舶用自動操舵装置に関する。   The present invention relates to a marine automatic steering apparatus having a wave identifier in order to identify a wave parameter of a wave model used in the estimator.

船舶用自動操舵装置は、設定針路に、ジャイロコンパスからの方位を追従させるために舵を制御する装置であり、制御系は、設定針路と船首方位との入力から偏差と旋回角速度とを求めフィードバックゲインを乗じて制御量である命令舵角を操舵機に出力する。操舵機は命令舵角に比例した舵角を動かすため、船体は舵角によって角速度を生じ方位が変化する。   The automatic marine steering system is a device that controls the rudder so that the direction from the gyrocompass follows the set course, and the control system obtains the deviation and turning angular velocity from the input of the set course and heading and feeds back. The command steering angle, which is a control amount, is output to the steering machine by multiplying the gain. Since the steering machine moves the rudder angle proportional to the command rudder angle, the hull generates an angular velocity depending on the rudder angle, and the azimuth changes.

船舶用自動操舵装置の閉ループ系は図9に示すように船体モデルと波浪モデルとからなる制御対象と、推定器20とフィードバックループ15とからなる制御系とから構成される。簡単化のため操舵機を省くので、命令舵角は舵角と等価になる。同図においてsはラプラス演算子を、
はそれぞれ設定針路,検出方位,方位,波浪を、rは角速度を、δは命令舵角を、νは白色ノイズN(0,1)を、それぞれ示す。方位,舵角及びノイズの単位は[deg]とし、角速度のそれは[deg/s]とする。Ksn,Tsn,Ts3nは、船体パラメータのノミナル値で、それぞれ旋回力ゲイン[1/s],船体時定数[s],舵感度時定数[s]を、ζwn,ωwn,Kwnは波浪パラメータのノミナル値でそれぞれ減衰係数,固有周波数[rad/s],ゲイン[1/s]を、K,KDはフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲイン[s]を、それぞれ示す。なお添字(・),(・)はそれぞれ船体と波浪とを、(・),(・)はそれぞれノミナル値と実際値とを、アクセント
は推定値を、それぞれ意味する。
As shown in FIG. 9, the closed-loop system of the marine vessel automatic steering apparatus includes a control target including a hull model and a wave model, and a control system including an estimator 20 and a feedback loop 15. Since the steering machine is omitted for simplification, the command steering angle is equivalent to the steering angle. In the figure, s is the Laplace operator,
The preset course each detected azimuth, azimuth, the waves, r is the angular velocity, [delta] c is the command steering angle, [nu is the white noise N (0, 1), respectively. The unit of azimuth, rudder angle and noise is [deg], and that of angular velocity is [deg / s]. K sn , T sn , and T s3n are nominal values of the hull parameters, and the turning force gain [1 / s], hull time constant [s], and rudder sensitivity time constant [s] are respectively ζ wn , ω wn , K wn is the nominal value of the wave parameter, indicating the attenuation coefficient, natural frequency [rad / s], and gain [1 / s], and K P and K D are the feedback gain, indicating the proportional gain and differential gain [s], respectively. . The subscripts (·) s and (·) w are the hull and wave, respectively. (·) N and (·) a are the nominal and actual values, respectively.
Means estimated values, respectively.

荒天時、方位に含まれる外乱成分が制御系を経て舵角に入力するために、操舵機は無効な操舵を行い機器の疲労や磨耗、燃料の損失を招くことになる。かかる無駄舵を防止するために各種のフィルタや天候調節機能が提案されている(非特許文献1、非特許文献2)。その中で外乱モデルとして波浪モデルを組み込んだ推定器の外乱除去効果の有効性が報告されている(非特許文献3、非特許文献4)。   During stormy weather, disturbance components included in the direction are input to the rudder angle through the control system, so the steering machine performs invalid steering, leading to equipment fatigue and wear, and fuel loss. In order to prevent such a rudder, various filters and weather adjustment functions have been proposed (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2). Among them, the effectiveness of the disturbance removal effect of an estimator incorporating a wave model as a disturbance model has been reported (Non-patent Documents 3 and 4).

また、特許文献1では、定常カルマンフィルタを用いて、旋回角速度及び方位誤差の最適値を推定して天候調整を行うようにしたカルマンフィルタを含む自動操舵装置が開示されている。   Patent Document 1 discloses an automatic steering apparatus including a Kalman filter that uses a steady Kalman filter to estimate optimum values of a turning angular velocity and an azimuth error and perform weather adjustment.

しかしながら、制御対象の船体モデルは、載荷の変化によるノミナル値のパラメータ不確かさを持ち、図9中のKsn,Tsn,Ts3nはKsa,Tsa,Ts3aに変化する。そのためノミナル値のモデルベースで構成する推定器は載荷の変化によって推定値に誤差を生じる。このため、推定値の状態フィードバックによる閉ループ安定性は、推定誤差によって劣化し、船体を蛇行航行させる(ヨーイング)おそれがある。 However, the hull model to be controlled has nominal parameter uncertainty due to changes in loading, and K sn , T sn , and T s3n in FIG. 9 change to K sa , T sa , and T s3a . For this reason, an estimator configured on the basis of a nominal value model causes an error in the estimated value due to a change in loading. For this reason, the closed loop stability due to the state feedback of the estimated value deteriorates due to the estimation error, and there is a risk that the hull will meander (yaw).

しかしながら、従来の推定器の設計にあたっては、かかるパラメータ不確かさに対する検討については、何らなされていなかった。   However, in designing a conventional estimator, no consideration has been given to such parameter uncertainty.

本発明者らは、このような状況に鑑みて、船体パラメータのノミナル値のパラメータ不確かさを積極的に考慮に入れて、該パラメータ不確かさを起因とする推定誤差を小さくすることができるようにした船舶用自動操舵装置及びその推定器の設計方法を特願2004−226670で提案している。   In view of such a situation, the present inventors actively take into account the parameter uncertainty of the nominal value of the hull parameter so that the estimation error caused by the parameter uncertainty can be reduced. Japanese Patent Application No. 2004-226670 proposes a design method for a marine vessel automatic steering device and its estimator.

この特願2004−226670で提案する推定器の設計方法の1つは、まず波浪モデル無しの推定器として船体モデルの状態量を推定するための固有周波数
と減衰係数ζとを設計し、次に波浪モデル有りの推定器として船体パラメータによる推定誤差が波浪モデル無しの場合とほぼ同一になるような船体モデルの状態量を推定するための固有周波数
を設計し、波浪モデルの状態量を推定するための固有周波数ωewと減衰係数ζewとを設計するようにしている。
One of the design methods of the estimator proposed in this Japanese Patent Application No. 2004-226670 is a natural frequency for estimating a state quantity of a hull model as an estimator without a wave model.
And the damping coefficient ζ e, and then, as an estimator with a wave model, the natural frequency for estimating the state quantity of the hull model so that the estimation error due to the hull parameters is almost the same as the case without the wave model
The natural frequency ω ew and the attenuation coefficient ζ ew for estimating the state quantity of the wave model are designed.

本発明者らはこのように推定器の設計に波浪モデルを取り込んで、推定器で推定する推定方位と推定角速度に含まれる波浪成分を除去することにより、波浪モデル無しで設計した推定器に対して外乱除去性能の向上を図ることができることを見出した。   In this way, the present inventors incorporate a wave model into the design of the estimator, and remove the wave component included in the estimated azimuth and estimated angular velocity estimated by the estimator, thereby reducing the estimator designed without the wave model. It has been found that disturbance removal performance can be improved.

大津、長谷川、IX. オートパイロットの評価と展望、第3回操縦性シンホジウムテキスト、日本造船学会試験水槽委員会、p.243/279(1981)Otsu, Hasegawa, IX. Autopilot Evaluation and Prospect, 3rd Maneuverable Symfodium Text, Japan Society of Shipbuilding Research, Tank Committee, p.243 / 279 (1981) Fossen, T. I., "Guidance and Control of Ocean Vehicles", John Wiley & Sons Ltd., p.222/245(1994)Fossen, T. I., "Guidance and Control of Ocean Vehicles", John Wiley & Sons Ltd., p.222 / 245 (1994) Fossen, T. I., "High Performance Ship Autopilot With Wave Filter", Proceedings of the 10th International Ship Control Systems Symposium (SCSS’93), p.2.271/2.285 (1993)Fossen, T. I., "High Performance Ship Autopilot With Wave Filter", Proceedings of the 10th International Ship Control Systems Symposium (SCSS'93), p.2.271 / 2.285 (1993) Grimble, M. J., Patton, R. J., and Wise, D. A., "The Design of Dynamic Positioning Control System Using Stochastic Optimal Control Thory", Optimal Control Applications and Methods, Vol.1, p.167/202 (1980)Grimble, M. J., Patton, R. J., and Wise, D. A., "The Design of Dynamic Positioning Control System Using Stochastic Optimal Control Thory", Optimal Control Applications and Methods, Vol.1, p.167 / 202 (1980) 特公平4−5598号公報Japanese Patent Publication No. 4-5598

上述のように、推定器に波浪モデルを取り込むためには、波浪モデルの波浪周波数と減衰係数といった波浪パラメータを特定する必要がある。波浪モデルは、海象と船体との相対運動に基づくものであるから、上記波浪パラメータの値は船体によって異なるはずである。   As described above, in order to incorporate the wave model into the estimator, it is necessary to specify the wave parameters such as the wave frequency and the attenuation coefficient of the wave model. Since the wave model is based on the relative motion between the sea state and the hull, the value of the wave parameter should be different depending on the hull.

本発明は、精度良く波浪モデルの波浪周波数と波浪減衰係数を同定することができ、該同定された波浪周波数と減衰係数を利用して推定方位と推定角速度を出力する推定器を有する船舶用自動操舵装置を提供することをその目的とする。   The present invention can accurately identify a wave frequency and a wave attenuation coefficient of a wave model, and has an estimator that outputs an estimated azimuth and an estimated angular velocity using the identified wave frequency and attenuation coefficient. The object is to provide a steering device.

かかる目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の発明は、検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、
検出方位
と命令舵角δcとを入力とし、前記波浪同定器で同定された波浪周波数と波浪減衰係数を用いて、推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記命令舵角δcを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記命令舵角δcに応じて舵角を変化させる操舵機と、を有する船舶用自動操舵装置において、前記波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データをスペクトルデータに変換するスペクトル演算部と、
スペクトルデータから包絡点群である同定データ
(fiは周波数、Si−はスペクトル値を表す)を抽出する同定データ抽出部と、
同定データに基づき中心周波数から波浪周波数fwnを求める中心周波数算出部と、
同定データのスペクトル値(Si−)と、前記中心周波数算出部によって求められた波浪周波数に基づきその波浪周波数に対応する波浪モデルのスペクトル値(Si)との偏差に基づく評価値を最小にする波浪モデルのスペクトルSの減衰係数を、波浪減衰係数ζwnとする減衰係数算出部と、を備えることを特徴とする。
To achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention includes a wave identification unit for identifying the wave frequency and wave attenuation coefficient from biopsy attitude position,
Detection direction
And the command rudder angle δc, and using the wave frequency and the wave attenuation coefficient identified by the wave identifier,
And estimated angular velocity
An estimator that outputs and
A feedback gain loop for outputting the command steering angle δc by applying a feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity,
In the marine vessel automatic steering apparatus having a steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δc output from the feedback gain loop , the wave identifier includes:
A spectrum calculation unit that converts time-series data of the detected orientation signal into spectrum data;
Identification data that is an envelope point cloud from spectral data
An identification data extraction unit that extracts (f i represents a frequency and S i − represents a spectrum value);
A center frequency calculator for determining the wave frequency f wn from the center frequency based on the identification data;
Spectral values identifying data (S i -) and, to minimize the evaluation value based on the deviation between the spectral values of wave model corresponding to the wave frequency based on the wave frequency determined by said center frequency calculation unit (S i) And an attenuation coefficient calculation unit that sets the attenuation coefficient of the spectrum S of the wave model to be the wave attenuation coefficient ζ wn .

請求項2記載の発明は、請求項1記載の前記波浪同定器が、さらに、前記スペクトル演算部で変換されたスペクトルデータを正規化する正規化部を備えることを特徴とする。   The invention according to claim 2 is characterized in that the wave identifier according to claim 1 further includes a normalization unit that normalizes the spectrum data converted by the spectrum calculation unit.

請求項3記載の発明は、請求項1または2記載のものにおいて、前記同定データ抽出部が、スペクトルデータの所定の領域において、任意の開始周波数から、その領域において最大スペクトル値をとる周波数に向って、スペクトル値が大きくなるまたは等しくなる包絡点の集まりからなる包絡点群を求め、該最大スペクトル値をとる周波数よりも低域周波数側及び高域周波数側のそれぞれにおいて求めた複数の包絡点群のうちで、包絡点の個数が最大となる包絡点群の中で、開始周波数が最大スペクトル値をとる周波数に最も近い包絡点群を、同定データとして抽出するものであることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the identification data extraction unit is directed to a frequency having a maximum spectrum value in an area from an arbitrary start frequency in a predetermined area of the spectrum data. A plurality of envelope points obtained on each of the lower frequency side and the higher frequency side than the frequency at which the maximum spectral value is obtained. Among them, the envelope point group closest to the frequency at which the start frequency takes the maximum spectrum value is extracted as identification data from among the envelope point group having the maximum number of envelope points.

請求項4記載の発明は、請求項1ないし3のいずれか1項に記載のものにおいて、前記中心周波数算出部は、同定データの中でスペクトル値が上部しきい値SH以上の値となる同定データ(fi,Si−)に対して、 The invention of claim 4, wherein, in the one described in any one of claims 1 to 3, wherein the center frequency calculation unit, the spectral value becomes a value more than the upper threshold value S H in the identification data For the identification data (f i , S i −),

で波浪周波数fwnを求めることを特徴とする。 To obtain the wave frequency f wn .

請求項5記載の発明は、請求項1ないし4のいずれか1項に記載のものにおいて、前記減衰係数算出部は、同定データの中でスペクトル値が下部しきい値SL以上の値となる同定データ(fi,Si−)に対して、そのスペクトル値とその周波数に対応する波浪モデルのスペクトルのスペクトル値Sとの偏差の2乗和Jζを最小値とする、 According to a fifth aspect of the invention, there is provided a connector described in any one of claims 1 to 4, wherein the attenuation coefficient calculation unit, the spectrum value is greater than or equal to a value lower threshold S L in the identification data For the identification data (f i , S i −), the square sum J ζ of the deviation between the spectrum value and the spectrum value S of the spectrum of the wave model corresponding to the frequency is set to the minimum value.

を満足する波浪モデルのスペクトルの減衰係数ζを、波浪減衰係数ζwnとすることを特徴とする。 The wave attenuation coefficient ζ of the wave model satisfying the above is set as the wave attenuation coefficient ζ wn .

請求項6記載の発明は、検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、
検出方位
と命令舵角δcとを入力とし、前記波浪同定器で同定された波浪周波数と波浪減衰係数を用いて、推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記指令舵角δcを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記指令舵角δcに応じて舵角を変化させる操舵機と、を有する船舶用自動操舵装置において、前記波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データのスペクトルデータから波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定部と、
時系列データと前記波浪同定部で同定した波浪周波数fwn=ωwn/2πと波浪減衰係数ζwnとを用いて波浪状態を判定し、該波浪状態に適した波浪減衰係数に修正する波浪判定部と、を備えることを特徴とする。
According to a sixth aspect of the invention, a wave identifier for identifying the wave frequency and wave attenuation coefficient from biopsy attitude position,
Detection direction
And the command rudder angle δc, and using the wave frequency and the wave attenuation coefficient identified by the wave identifier,
And estimated angular velocity
An estimator that outputs and
A feedback gain loop for applying the feedback gain to the deviation between the set course and the estimated azimuth and the estimated angular velocity to output the command steering angle δc;
In the marine vessel automatic steering device having a steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δc output from the feedback gain loop , the wave identifier includes:
A wave identification unit for identifying the wave frequency and the wave attenuation coefficient from the spectral data of the time-series data of the detected direction signal;
The wave state is determined by using the time-series data, the wave frequency identified by the wave identification unit f wn = ω wn / 2π, and the wave attenuation coefficient ζ wn, and correcting the wave attenuation coefficient suitable for the wave state And a section.

請求項7記載の発明は、請求項6記載のものにおいて、波浪判定部は、波浪から命令舵角までの伝達関数Geである The invention described in claim 7 is the one described in claim 6, wherein the wave determination unit is a transfer function G e from the wave to the command steering angle.

に対して、ζwnに前記波浪同定部で同定した波浪減衰係数を代入したときのGeである
と、ζwnに1/√2を代入したときのGeである
のそれぞれの定数を求める定数設定部と、
前記定数設定部で求めた
に対して、
In contrast, G e when the wave attenuation coefficient identified by the wave identification unit is substituted for ζ wn.
And G e when 1 / √2 is substituted for ζ wn.
A constant setting unit for obtaining each constant of
Obtained by the constant setting unit
Against

で表されるそれぞれの評価値Jon,Joffを求める評価量算出部と、
前記評価値Jon,Joffのうちで小さい方に用いたζwnの値を修正した波浪減衰係数
として採用し、即ち、
An evaluation amount calculation unit for obtaining respective evaluation values J on and J off represented by:
Wave attenuation coefficient obtained by correcting the value of ζ wn used for the smaller one of the evaluation values J on and J off
Adopted as

とする減衰係数決定部と、
を備えることを特徴とする。
An attenuation coefficient determining unit,
It is characterized by providing.

本発明によれば、波浪モデルが反映されているはずである検出方位信号の時系列データをスペクトルデータに変換する。検出方位信号のスペクトルにおいて、低域周波数は操舵成分であり、高域周波数は波浪成分となる。従って、所定領域のスペクトルデータを求めて、その波浪成分が反映しているスペクトルデータのスペクトル解析を行なうことで、波浪パラメータである波浪周波数及び波浪減衰係数を求めることができる。   According to the present invention, the time-series data of the detected azimuth signal that should reflect the wave model is converted into spectral data. In the spectrum of the detected azimuth signal, the low frequency is a steering component and the high frequency is a wave component. Therefore, the wave frequency and the wave attenuation coefficient, which are wave parameters, can be obtained by obtaining spectrum data of a predetermined region and performing spectrum analysis of the spectrum data reflected by the wave component.

請求項2記載の発明によれば、検出方位信号の時系列データから得られたスペクトルデータを正規化することにより、波浪モデルの理論的なスペクトルとの一致度合いを比較することが可能になり、波浪モデルのスペクトルとの一致度合いからそのスペクトルに対応する波浪減衰係数値を決定することができるようになる。   According to the invention of claim 2, by normalizing the spectrum data obtained from the time-series data of the detected azimuth signal, it becomes possible to compare the degree of coincidence with the theoretical spectrum of the wave model, The wave attenuation coefficient value corresponding to the spectrum can be determined from the degree of coincidence with the spectrum of the wave model.

請求項3記載の発明によれば、任意の開始周波数から、所定の領域において最大スペクトル値をとる周波数に向って、スペクトル値が大きくなるまたは等しくなる包絡点の集まりからなる包絡点群を求めることで、凹凸のあるスペクトルデータから包絡的なデータを抽出することができる。また、複数の包絡点群のうちで、包絡点の個数が最大となる包絡点群の中で、開始周波数が最大スペクトル値をとる周波数に最も近い包絡点群を、同定データとすることで、データ数を確保し、且つデータ数/データ周波数範囲を大きくとることができて、同定データの精度を高めることができる。   According to the third aspect of the present invention, an envelope point group consisting of a set of envelope points at which the spectrum value increases or becomes equal to a frequency having the maximum spectrum value in a predetermined region from an arbitrary start frequency is obtained. Thus, enveloped data can be extracted from uneven spectral data. Further, among the plurality of envelope points, among the envelope points where the number of envelope points is the maximum, the envelope point group closest to the frequency at which the start frequency takes the maximum spectral value is used as identification data. The number of data can be secured and the number of data / data frequency range can be increased, and the accuracy of identification data can be increased.

請求項4記載の発明によれば、波浪モデルの理論上のスペクトルは、中心周波数に対して左右対称にはならないが、中心周波数に近いスペクトル値が高い領域では、その非対称性が小さいので、スペクトル値が上部しきい値以上となる同定データのみを用いて中心周波数を求め、それを波浪周波数とすることにより、非対称性の影響を低減させることができる。   According to the invention described in claim 4, the theoretical spectrum of the wave model is not symmetrical with respect to the center frequency, but in the region where the spectrum value close to the center frequency is high, the asymmetry is small. The influence of asymmetry can be reduced by obtaining the center frequency using only the identification data whose value is equal to or higher than the upper threshold value and using it as the wave frequency.

請求項5記載の発明によれば、時系列データを変換したスペクトルデータでは、スペクトルの裾野においてノイズ成分が主要となるため、スペクトル値が下部しきい値SL以上の値となる同定データ(fi,Si−)に対してのみ処理を行なうことで、ノイズ成分の影響を低減させることができる。また、同定データのスペクトル値と波浪モデルのスペクトル値との偏差の2乗和を最小とする波浪モデルのスペクトルの減衰係数から波浪減衰係数を求めることができる。 According to the invention of claim 5, wherein, when the spectral data obtained by converting the series data, since the noise component is the main in the foot of the spectrum, identification data (f where spectral values is greater than or equal to a value lower threshold S L By performing processing only on i , S i- ), the influence of noise components can be reduced. Further, the wave attenuation coefficient can be obtained from the attenuation coefficient of the spectrum of the wave model that minimizes the sum of squares of the deviation between the spectrum value of the identification data and the spectrum value of the wave model.

請求項6記載の発明によれば、海象が凪状態といった波浪状態においては、波浪同定部における検出方位信号の時系列データのスペクトルのS/N比が低下するので、波浪周波数と波浪減衰係数の同定誤差が増加するが、このような凪状態といった波浪状態を判定し、波浪状態に適した波浪減衰係数に修正することにより、フィードバックループ及び推定器による外乱除去性能の悪化を防ぎ、外乱が増幅されるといった状況を回避することができるようになる。   According to the sixth aspect of the present invention, in the wave state where the sea state is the dredged state, the S / N ratio of the spectrum of the time series data of the detection direction signal in the wave identification unit is lowered, so that the wave frequency and the wave attenuation coefficient are Although the identification error increases, the wave state such as the drought state is judged and corrected to the wave attenuation coefficient suitable for the wave state, thereby preventing the deterioration of the disturbance removal performance by the feedback loop and the estimator and amplifying the disturbance. It becomes possible to avoid the situation of being done.

請求項7記載の発明によれば、波浪から命令舵角までの伝達関数Geにノッチフィルタ特性を持たせた場合と、ノッチフィルタ特性を持たせない場合(ζwn=1/√2)のそれぞれの伝達関数
を求め、それぞれの伝達関数
に対して、それぞれ検出方位信号との2乗和を評価値とし、その評価量が小さい方に用いたζwnの値を波浪減衰係数
として採用することにより、波浪から命令舵角までの伝達関数Geが大きくなり外乱が増幅されることを回避することができる。
According to the seventh aspect of the present invention, the transfer function G e from the wave to the command rudder angle has the notch filter characteristic and the case where the notch filter characteristic is not given (ζ wn = 1 / √2). Each transfer function
For each transfer function
For each, the sum of squares with the detected azimuth signal is used as the evaluation value, and the value of ζ wn used for the smaller evaluation value is the wave attenuation coefficient.
By employing as, the transfer function G e is increased disturbance from waves to the instruction steering angle can be prevented from being amplified.

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
1 全体概略構成
本発明で対象とする船舶用自動操舵装置10の制御系は、図1に示したように、設定針路と検出方位とに基づいて命令舵角δを出力する自動操舵装置の制御系において、閉ループを安定化するフィードバックループ15と、検出方位に含まれる波浪成分を除去する推定器20とから構成され、推定器20は、検出方位
と命令舵角δcとを入力とし、検出方位の推定値である推定方位
と旋回角速度の推定値である推定角速度
とを出力し、フィードバックループ15は推定器20の出力
を設定針路にフィードバックする。このとき、推定器20は、波浪同定器22によって同定される波浪周波数ωwnと波浪減衰係数ζwnを利用して、推定方位と推定角速度を求める。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
Control system for marine autopilot 10 of interest in one overall schematic configuration the present invention, as shown in FIG. 1, the automatic steering device for outputting an instruction steering angle [delta] c on the basis of the detected orientation as the preset course The control system includes a feedback loop 15 that stabilizes the closed loop, and an estimator 20 that removes a wave component included in the detected direction.
And the command rudder angle δ c as inputs, and the estimated direction that is the estimated value of the detected direction
And the estimated angular velocity, which is an estimate of the turning angular velocity
And the feedback loop 15 outputs the output of the estimator 20
Is fed back to the set course. At this time, the estimator 20 obtains the estimated azimuth and the estimated angular velocity using the wave frequency ω wn and the wave attenuation coefficient ζ wn identified by the wave identifier 22.

推定器20の構成の理解を図るために、まず特願2004−226670で本発明者らが提案する波浪モデル無しの推定器(即ち、2次推定器)と、波浪モデル有りの推定器(即ち、4次推定器)について概略説明する。   In order to understand the configuration of the estimator 20, first, an estimator without a wave model (ie, a secondary estimator) proposed by the present inventors in Japanese Patent Application No. 2004-226670 and an estimator with a wave model (ie, an estimator with a wave model) (4th order estimator) will be outlined.

2次推定器は、図2に示すように、ノミナル値の船体モデル(野本モデルを基に考案したもの)と、検出方位と推定方位との差   As shown in Fig. 2, the secondary estimator is the difference between the nominal value hull model (devised based on the Nomoto model) and the detected and estimated directions.

を用いると、ここで Where

とし、 age,

を満足する。ここでk1,k2は推定ゲインを示す。上式と実際値の船体モデル関係式 Satisfied. Here, k 1 and k 2 indicate estimated gains. The above equation and actual hull model relationship

とを整理することによって、2次推定器の伝達関数は、 And the transfer function of the second order estimator is

として得られる。ここで、
は、それぞれ方位と波浪とから推定方位までの伝達関数、
はそれぞれ方位と波浪とから推定角速度までの伝達関数で、
は2次推定器を意味し、
As obtained. here,
Is the transfer function from azimuth and wave to estimated azimuth,
Is the transfer function from azimuth and wave to the estimated angular velocity,
Means a second order estimator,

をそれぞれ示す。λe2は2次推定器の特性多項式で、 Respectively. λ e2 is the characteristic polynomial of the second order estimator,

を示し、Δ2,Δ1は船体パラメータのノミナル値のパラメータ不確かさで Δ 2 and Δ 1 are the parameter uncertainty of the nominal value of the hull parameter.

をそれぞれ示す。 Respectively.

上記パラメータ不確かさを表すΔ2,Δ1による伝達関数への影響を調べ、閉ループ安定性が劣化しないように上記(1)式の2次推定器の特性多項式における設計パラメータである減衰係数ζeと固有周波数ωe[rad/s]を決定する。 The influence of Δ 2 and Δ 1 representing the parameter uncertainty on the transfer function is examined, and the attenuation coefficient ζ e, which is a design parameter in the characteristic polynomial of the second-order estimator of equation (1), so as not to deteriorate the closed-loop stability. And the natural frequency ω e [rad / s].

検討の結果、固有周波数ωeについては、ωeを高くすると、
の伝達誤差が低減することが分かるので、操舵系の固有周波数ωnと推定係数ρ>1とを用いて、固有周波数ωeは、
As a result of the study, for natural frequency ω e , if ω e is increased,
Therefore, using the natural frequency ω n of the steering system and the estimation coefficient ρ> 1, the natural frequency ω e is

と設定する。ここで、ρの設定は閉ループ安定性を満足する適切な値に選択される。また、減衰係数ζeは1/√2とすると、Δによる伝達関数
のパラメータ不確かさ感度を最小にすることができる。
And set. Here, the setting of ρ is selected to an appropriate value that satisfies the closed loop stability. If the damping coefficient ζ e is 1 / √2, the transfer function by Δ 1
The parameter uncertainty sensitivity can be minimized.

次に、波浪モデル有りの推定器を考える。波浪モデル有りの推定器(即ち、4次推定器)は、2次推定器に波浪モデルを組み込むことで、検出方位に含まれる波浪成分を推定波浪として分離抽出することができる。そのため推定方位と推定角速度とに含まれる波浪成分が除去され無駄舵が防止できる。しかし波浪モデルの導入が推定誤差を増加させる状況は避けなければならない。よって2次推定器の推定誤差を保持しつつ、かつ効果的な外乱除去性能を実現する4次推定器を設計する必要がある。4次推定器は、例えば、図3に示すように、ノミナル値の船体モデル(野本モデルを基に考案したもの)と、検出方位
から推定方位
と推定波浪
とを差し引いた
Next, consider an estimator with a wave model. An estimator with a wave model (that is, a fourth-order estimator) can separate and extract a wave component included in the detection direction as an estimated wave by incorporating the wave model into the second-order estimator. Therefore, the wave component contained in the estimated azimuth and the estimated angular velocity is removed, and useless steering can be prevented. However, the situation where the introduction of the wave model increases the estimation error must be avoided. Therefore, it is necessary to design a fourth-order estimator that maintains an estimation error of the second-order estimator and realizes effective disturbance removal performance. For example, as shown in FIG. 3, the fourth-order estimator includes a nominal hull model (devised based on the Nomoto model) and a detection direction.
Estimated from
And estimated waves
And minus

とを用いて、 And

と表すことができる。ここで、ki,i=1〜4は推定ゲインを、
は状態量を、それぞれ示す。波浪モデルの固有周波数ωwn、減衰係数ζwnは、波浪同定器22によって、検出方位
から同定される。波浪モデルの未知入力νは白色ノイズを仮定しているので平均値ゼロになる。したがってψwおよびψwに対応する
もまた平均値ゼロになるから、上式でνの入力の必要はない。上式と前記δcについての船体モデル関係式とを整理すると、4次推定器の伝達関数は、
It can be expressed as. Here, k i, i = 1 to 4 are estimated gains,
Indicates a state quantity, respectively. The natural frequency ω wn and the attenuation coefficient ζ wn of the wave model are detected by the wave identifier 22 using the detection direction.
Identified from Since the unknown input ν of the wave model assumes white noise, the average value becomes zero. Thus corresponding to ψ w and ψ w
Since the average value is also zero, it is not necessary to input ν in the above equation. By rearranging the above equation and the hull model relational equation for δ c , the transfer function of the fourth-order estimator is

として得られる。ここで、
はそれぞれ方位と波浪とから推定波浪までの伝達関数で、
は4次推定器を意味し、
As obtained. here,
Is the transfer function from direction and wave to estimated wave,
Means a fourth order estimator,

をそれぞれ示す。λe4は4次推定器の特性多項式で Respectively. λ e4 is the characteristic polynomial of the fourth-order estimator

を示す。λw,cewは波浪モデルのそれぞれ多項式とゲイン多項式とで Indicates. λ w and c ew are the wave model polynomial and gain polynomial respectively.

を示す。 Indicates.

前記4次推定器の特性多項式λe4を2つの2次標準系を用いて The characteristic polynomial λ e4 of the fourth order estimator is expressed using two second order standard systems.

に定める。ここでλeは船体モデルの状態推定に、λewは波浪モデルのそれにそれぞれ対応すると仮定する。ζe,ωeは2次推定器で設計したものである。ζew,ωewは4次推定器の設計パラメータでそれぞれ減衰係数と固有周波数[rad/s]とを示す。よって推定ゲインは Stipulated in Here, it is assumed that λ e corresponds to the state estimation of the hull model, and λ ew corresponds to that of the wave model. ζ e and ω e are designed by a secondary estimator. ζ ew and ω ew are design parameters of the fourth-order estimator and indicate an attenuation coefficient and a natural frequency [rad / s], respectively. So the estimated gain is

になる。 become.

検討の結果、波浪除去に対応する伝達関数
に波浪周波数ωwnでのノッチフィルタ特性を持たせると共に、推定誤差の悪化を防ぐために、ωew≧ωeを満足するように、波浪モデルが無い(λew=1)としたときの推定器の船体パラメータに対する感度が、波浪モデルが有るときの推定器の船体パラメータに対する感度とほぼ等しくなるときの、ωe=ωwn(ωwn:波浪モデルの固有周波数である波浪周波数を表す)を満足するときのωeの値をωx、ωe=ωwnを満足しないときのωeの値をωyとしたときに、波浪周波数ωwnがωxよりも大きいときには、固有周波数ωeをωyに設定し、固有周波数ωewを波浪周波数ωwnと等しく設定し、波浪周波数ωwnがωx以下のときには、固有周波数ωeをωxに設定し、波浪周波数ωwnを修正の波浪周波数ωwn =ωxに修正し、固有周波数ωewを修正の波浪周波数ωwn と等しく設定するとよいことが分かっている。
As a result of examination, transfer function corresponding to wave removal
In order to provide a notch filter characteristic at the wave frequency ω wn and to prevent deterioration of the estimation error, an estimator when there is no wave model (λ ew = 1) so as to satisfy ω ew ≧ ω e Satisfies ω e = ω wn (where ω wn is the natural frequency of the wave model) when the sensitivity to the hull parameter is approximately equal to the sensitivity of the estimator to the hull parameter when the wave model is present the value of omega e at the time of omega x, the value of omega e when not satisfied ω e = ω wn when the omega y, when wave frequency omega wn is greater than omega x is the natural frequency omega e set omega y, the natural frequency omega ew set equal to the wave frequency omega wn, when wave frequency omega wn is less omega x, set the natural frequency omega e to omega x, waves of modifying the wave frequency omega wn The frequency ω wn * = ω x and the natural frequency ω ew is corrected. It has been found that it should be set equal to the wave number ω wn * .

推定器の構成は、以上に概略説明したものに限るものではなく、任意の構成とすることができるが、波浪モデルを導入する推定器とする場合には、波浪モデルの波浪周波数ωwn及び波浪減衰係数ζwnを特定する必要がある。 The configuration of the estimator is not limited to the one outlined above, and may be any configuration. However, when the estimator is to introduce a wave model, the wave frequency ω wn and the wave It is necessary to specify the damping coefficient ζ wn .

上記波浪モデルの波浪周波数ωwn及び波浪減衰係数ζwnを同定するための波浪同定器22の構成を、図4に示す。この実施形態では、バッチ方式で波浪パラメータを同定するもので、波浪同定器22は、データストア部24、スペクトル演算部26、波浪同定部28及び波浪判別部30とからなる。 The configuration of the wave identifier 22 for identifying the wave frequency ω wn and the wave attenuation coefficient ζ wn of the wave model is shown in FIG. In this embodiment, the wave parameter is identified by a batch method, and the wave identifier 22 includes a data store unit 24, a spectrum calculation unit 26, a wave identification unit 28, and a wave determination unit 30.

データストア部24は、A/D変換された検出方位信号を時系列データとして蓄積するものであり、スペクトル演算部26は、検出方位信号の時系列データをスペクトルデータに変換するものであり、波浪同定部28はスペクトル演算部26からのスペクトルデータから波浪パラメータである中心周波数と減衰係数とを演算するものであり、波浪判別部30は、検出方位信号の時系列データと波浪パラメータとから波浪状態に適する波浪パラメータの最適値に修正するものである。   The data store unit 24 stores the A / D converted detection direction signal as time series data, and the spectrum calculation unit 26 converts the time direction data of the detection direction signal into spectrum data. The identification unit 28 calculates the center frequency and the attenuation coefficient, which are wave parameters, from the spectrum data from the spectrum calculation unit 26, and the wave discrimination unit 30 determines the wave state from the time-series data of the detected azimuth signal and the wave parameters. It is corrected to the optimum value of the wave parameter suitable for the above.

波浪同定部28は、さらに正規化部28A、同定データ抽出部28B、中心周波数算出部28C及び減衰係数算出部28Dからなり、波浪判別部30は、さらに定数設定部30A、評価量算出部30B、減衰係数決定部30C及び減衰係数算出部30Dからなる。これら波浪同定部28及び波浪判別部30は、コンピュータソフトウェアで構成することができる。この波浪同定部28と波浪判別部30との詳細構成及び作用を以下説明する。   The wave identification unit 28 further includes a normalization unit 28A, an identification data extraction unit 28B, a center frequency calculation unit 28C, and an attenuation coefficient calculation unit 28D. The wave determination unit 30 further includes a constant setting unit 30A, an evaluation amount calculation unit 30B, It comprises an attenuation coefficient determination unit 30C and an attenuation coefficient calculation unit 30D. The wave identification unit 28 and the wave determination unit 30 can be configured by computer software. Detailed configurations and operations of the wave identification unit 28 and the wave discrimination unit 30 will be described below.

2 波浪同定部
2.1 正規化部
波浪モデルの伝達関数Gw
2 Wave identification unit 2.1 Normalization unit The wave model transfer function G w is

を用いる。波浪モデルのスペクトルSは伝達関数のゲインの2乗であるから、 Is used. Since the wave model spectrum S is the square of the gain of the transfer function,

になる。ここでωは周波数を示す。(4)式より、ω=ωwnのときにS(ω)は最大値をとり、その大きさは1になる。 become. Here, ω represents a frequency. From equation (4), when ω = ω wn , S (ω) takes the maximum value, and its magnitude is 1.

一方、検出方位
に含まれる波浪成分
の時系列データは
On the other hand, detection direction
Wave component contained in
The time series of

で与えられる。ここでσwは波浪の強さを表す定数を、νは平均値ゼロのランダムノイズを、tは時間をそれぞれ示す。検出方位の時系列データから変換したスペクトルShの最大値は
であるから、Shを最大値
で割った
は波浪モデルのスペクトルSと等価になる。即ち、
Given in. Here, σ w is a constant representing the intensity of waves, ν is random noise with an average value of zero, and t is time. Maximum value for the conversion from the time series data of the detected azimuth spectrum S h is
Therefore, Sh is the maximum value
Divided by
Is equivalent to the spectrum S of the wave model. That is,

になる。以下、時系列データから求めた最大値1に正規化されたスペクトル
を実スペクトルと呼ぶことにする。
become. The spectrum normalized to the maximum value of 1 obtained from time series data
Is called a real spectrum.

正規化部28Aは、スペクトル演算部26で検出方位
の時系列データを高速フーリエ変換(FFT)を用いて変換して得られたスペクトルを正規化して実スペクトルに関するデータを得る。尚、FFT変換した実スペクトルは帯域周波数を網羅していないため、滑らかな山形ではなく凹凸状となっている。凹凸状によるパラメータ同定誤差を低減するためには、適宜、平滑処理を行なうと好ましい。エイリアシング対策として、時系列データの移動平均をとることも可能である。
The normalization unit 28 </ b> A is detected by the spectrum calculation unit 26.
The spectrum obtained by transforming the time series data using Fast Fourier Transform (FFT) is normalized to obtain data on the actual spectrum. Since the FFT-converted real spectrum does not cover the band frequency, it is not a smooth mountain shape but an uneven shape. In order to reduce parameter identification errors due to unevenness, it is preferable to perform smoothing as appropriate. As a countermeasure against aliasing, it is possible to take a moving average of time series data.

2.2 同定データ抽出部
同定データ抽出部28Bは、正規化部28Aによって正規化された実スペクトルから同定に用いる同定データ
を抽出する。
2.2 Identification Data Extraction Unit The identification data extraction unit 28B uses identification data used for identification from the actual spectrum normalized by the normalization unit 28A.
To extract.

図5の実スペクトル例を参照して説明すると、実スペクトルにおいて低域周波数帯域は操舵成分、高域周波数帯域は波浪成分となるので、高域の波浪周波数領域において、最大スペクトル値をとる周波数を境にして低域側と高域側とに別け、それぞれから包絡的なデータを抽出する。   Referring to the actual spectrum example in FIG. 5, in the actual spectrum, the low frequency band is a steering component, and the high frequency band is a wave component. Separating the low frequency side and the high frequency side from each other, envelope data is extracted from each.

即ち、任意の開始周波数から最大スペクトル値をとる周波数に向かって、スペクトル値がそれよりも大きくなるまたは等しくなる包絡点
の集まり(包絡点群)を求める。図において×と○とがそれぞれ包絡点群を示す。
That is, an envelope point at which the spectrum value becomes larger or equal from the arbitrary starting frequency toward the frequency that takes the maximum spectrum value.
Find a set of (envelope points). In the figure, “x” and “◯” indicate envelope points.

次に、複数の包絡点群のうちで、包絡点の個数が最大となる包絡点群の中で開始周波数が最大値の周波数に最も近接した包絡点群を同定データにする。包絡点の個数を最大とする包絡点群を選ぶ理由はデータ数を多くするためで、開始周波数が最大スペクトル値の周波数に近い包絡点群を選ぶ理由は(データ数÷データ周波数範囲)を大きくするためである。図において低域側と高域側においてそれぞれ×と○との個数は同じであるが、○の開始周波数は×のそれより最大値の周波数に近い。よって○の包絡点群が同定データになる。   Next, among the plurality of envelope point groups, the envelope point group closest to the frequency having the maximum start frequency among the envelope point groups having the maximum number of envelope points is used as identification data. The reason for selecting an envelope point group that maximizes the number of envelope points is to increase the number of data, and the reason for selecting an envelope point group whose start frequency is close to the frequency of the maximum spectral value is to increase (data number ÷ data frequency range). It is to do. In the figure, the numbers of x and ◯ are the same on the low frequency side and high frequency side, respectively, but the start frequency of ◯ is closer to the maximum frequency than that of ×. Therefore, the envelope point group of ○ becomes the identification data.

2.3 中心周波数算出部
中心周波数算出部28Cは、同定データから中心周波数を算出する。
2.3 Center Frequency Calculation Unit The center frequency calculation unit 28C calculates the center frequency from the identification data.

式(4)の波浪モデルのスペクトルを図6に示す。ある減衰係数を持つスペクトルにおいて、あるスペクトル値をとる周波数範囲を[ω1、ω2](ω2>ω1)とする。同図よりスペクトル形状は減衰係数により決定され、ω/ωwn=1に対してスペクトルは左右対称にならないことが分かる。即ち、 The spectrum of the wave model of equation (4) is shown in FIG. In a spectrum having a certain attenuation coefficient, a frequency range that takes a certain spectrum value is [ω 1 , ω 2 ] (ω 2 > ω 1 ). From the figure, it is understood that the spectrum shape is determined by the attenuation coefficient, and the spectrum is not symmetrical with respect to ω / ω wn = 1. That is,

である。この非対称性は減衰係数に比例する。 It is. This asymmetry is proportional to the attenuation coefficient.

図7はスペクトルに対する非対称度合を求めたものである。同図より減衰係数が0.3のとき非対称度合を3%以内にするためには、上部しきい値SH=0.8とするとよいことが分かる。実スペクトルが林立する場合どのしきい値以上の同定データを対象にすれば良いかの基準として、この上部しきい値SHを用いる。最大スペクトル値をとる周波数がその分解能の関係より必ずしも中心周波数にならない場合が生じるので、中心周波数fwn=ωwn/2πは上部しきい値SH以上のスペクトル値
とその周波数fi [Hz]とから加重平均により
FIG. 7 shows the degree of asymmetry with respect to the spectrum. From the figure, it can be seen that when the attenuation coefficient is 0.3, the upper threshold value S H = 0.8 should be set in order to make the degree of asymmetry within 3%. This upper threshold value SH is used as a criterion for identifying identification data above which threshold value should be targeted when the real spectrum stands. Because if the frequency taking the maximum spectral value not necessarily the center frequency from the relationship of the resolution occurs, the center frequency f wn = ω wn / 2π upper threshold S H or more spectral values
And its frequency f i [Hz]

で求める。ここでΣiは上部しきい値SH 以上の同定データの個数で総和を取ることを意味する。 Ask for. Here sigma i means that summing by the number of upper threshold S H or identification data.

2.4 減衰係数算出部
減衰係数算出部28Dは、同定データから減衰係数を算出する。
2.4 Attenuation coefficient calculation unit The attenuation coefficient calculation unit 28D calculates an attenuation coefficient from the identification data.

図6に示したように、スペクトルは、そのゼロ付近の裾野が急激に広がっている。実スペクトルの裾野領域はノイズ成分が主要になるために同定範囲から除くことにする。その有効領域と無効領域を適当に分ける必要があるが、例えば、スペクトルの有効領域を上部の95%にして、無効領域を下部の5%にする。その下部しきい値SL=0.05における周波数範囲[ω1、ω2]は式(4)を用いて As shown in FIG. 6, the base of the spectrum has a rapidly expanding base near zero. The base region of the real spectrum is excluded from the identification range because the noise component is dominant. The effective area and the ineffective area need to be appropriately separated. For example, the effective area of the spectrum is set to 95% in the upper part and the ineffective area is set to 5% in the lower part. The frequency range [ω 1 , ω 2 ] at the lower threshold S L = 0.05 is obtained by using the equation (4).

の2根
として得られる。SL=0.05による周波数範囲[ω1、ω2]にある同定データを用いて減衰係数の計算を行う。
2 roots
As obtained. The attenuation coefficient is calculated using the identification data in the frequency range [ω 1 , ω 2 ] with S L = 0.05.

減衰係数ζwnは同定データのスペクトル値とその周波数に対応する波浪モデルのスペクトル値との偏差の2乗和を用いた評価関数を最小にする波浪モデルのスペクトルの減衰係数ζによって与える。即ち、 The attenuation coefficient ζ wn is given by the attenuation coefficient ζ of the spectrum of the wave model that minimizes the evaluation function using the square sum of the deviation between the spectrum value of the identification data and the spectrum value of the wave model corresponding to the frequency. That is,

で求める。ここでSは波浪モデルのスペクトル値を、Σiは同定範囲にある同定データの個数で総和を取ることを意味する。上式は、既にωwn=2πfwnが得られているからζwnの関数になり、1変数による最小値問題に帰着する。その解法は黄金分割を用いると良い。 Ask for. Here, S means the spectral value of the wave model, and Σ i means the sum of the number of identification data in the identification range. Since the above equation has already obtained ω wn = 2πf wn , it becomes a function of ζ wn and results in a minimum value problem with one variable. The solution should be golden section.

以上による波浪同定部28によって検出方位信号の時系列データのスペクトルデータから波浪パラメータを同定することができる。   The wave parameter can be identified from the spectrum data of the time-series data of the detected azimuth signal by the wave identification unit 28 as described above.

3 波浪判別部
3.1 伝達関数の導出
次に、波浪から命令舵角までの伝達関数を検討する。図1及び図3に示した操舵系のブロック図を元にし、簡単化のため操舵機は省き、設定針路(参照針路)、パラメータ不確かさ(船体パラメータのノミナル値と実際値との誤差)及び舵角オフセットなど等はゼロとする。同図において、推定器20は波浪モデルが組み込まれた4次推定器であり、Pは船体モデルを、KP,KDはフィードバックループ15のフィードバックゲインでそれぞれ比例ゲインと微分ゲインとを表している。
3 Wave Discriminating Unit 3.1 Derivation of Transfer Function Next, the transfer function from the wave to the command steering angle is examined. Based on the block diagram of the steering system shown in FIGS. 1 and 3, the steering machine is omitted for the sake of simplicity, the set course (reference course), parameter uncertainty (the error between the nominal value of the hull parameter and the actual value), and Steering angle offset, etc. shall be zero. In the figure, an estimator 20 is a quaternary estimator in which a wave model is incorporated, P is a hull model, K P and K D are feedback gains of the feedback loop 15 and represent a proportional gain and a differential gain, respectively. Yes.

図3に示した4次推定器の伝達関数は、1項で既述の通りであるが、   The transfer function of the fourth-order estimator shown in FIG.

として得られる。(2)式と上式とを整理すると、
は、
As obtained. (2) Organizing the above formula and the above formula,
Is

として表すことができる。ここで Can be expressed as here

を表し、Ksn、Tsn,Ts3nは船体パラメータのノミナル値でそれぞれ旋回力ゲインと2つの船体時定数を、ωwn,ζwnは波浪パラメータのノミナル値でそれぞれ中心周波数と減衰周波数を、それぞれ示す。
また、命令舵角の関連式は
Where K sn , T sn , and T s3n are the nominal values of the hull parameters, respectively, the turning force gain and two hull time constants, and ω wn and ζ wn are the nominal values of the wave parameters, the center frequency and the attenuation frequency, respectively. Each is shown.
Also, the related formula of the command rudder angle is

になることから、波浪から命令舵角までの伝達関数は Therefore, the transfer function from the wave to the command rudder angle is

として得られる。ここで、Gp、Geはそれぞれ操舵系関連と推定器関連との伝達関数を示す。 As obtained. Here, G p and G e indicate transfer functions related to the steering system and the estimator, respectively.

伝達関数Gは2次操舵系の特性多項式をもち
になる。ここでζn、ωnは操舵系のそれぞれ減衰係数と固有周波数とを示す。Gpのカットオフ周波数ωc
The transfer function G p has a characteristic polynomial of the secondary steering system.
become. Here, ζ n and ω n indicate the damping coefficient and the natural frequency of the steering system, respectively. The cut-off frequency ω c of G p is

で与えられる。波浪周波数はωcより高域側であると仮定できるから、Gpのωcより高域周波数のゲインは、 Given in. Since wave frequency can be assumed to be a higher frequency side than omega c, the gain of the high frequency than omega c of G p is

の一定値になる。ただしKD>0とする。
一方、伝達関数Geは4次推定器の特性多項式とフィードバックゲインとからなり、
It becomes a constant value. However, K D > 0.
On the other hand, the transfer function G e is composed of a characteristic polynomial of a fourth-order estimator and a feedback gain.

になる。 become.

3.2 伝達関数の特性
伝達関数Gp、Geのゲイン特性の数値例を図8に示す。同図はKsn=0.047,Tsn=61,Ts3n=8.2,KP=1,ζn=0.9,ωn=0.0246,KD=43.8,ωe=ρωn,ρ=3,ωew=ωwn,ζe=ζew=1/√2とki,i=1〜4を用いて、減衰係数ζwnと波浪周波数ωwnとを変化させる。
3.2 Transfer Function Characteristics FIG. 8 shows a numerical example of the gain characteristics of the transfer functions G p and G e . The figure shows K sn = 0.047, T sn = 61, T s3n = 8.2, K P = 1, ζ n = 0.9, ω n = 0.0246, K D = 43.8, ω e = Ρω n , ρ = 3, ω ew = ω wn , ζ e = ζ ew = 1 / √2 and k i , i = 1 to 4 are used to change the attenuation coefficient ζ wn and the wave frequency ω wn . .

同図よりGPはω>ωeでほぼ一定値になるので、波浪パラメータによる影響はGeを調べればよいことが分かる。波浪周波数ωwnが小さくなると、Geのゲインがω>ωeで1以上になり外乱が増幅される領域を生じる。即ち、波浪状態によっては、外乱成分を増幅させるために、外乱除去性能の効果が期待できない。この状況は操舵周波数ωnと波浪周波数ωwnとが近くなる小型船で発生しやすい。 It can be seen from FIG. 6 that G P has a substantially constant value when ω> ω e , so that the influence of the wave parameter can be determined by examining G e . When the wave frequency ω wn becomes small, the gain of G e becomes 1 or more when ω> ω e , and a region where disturbance is amplified is generated. That is, depending on the state of the waves, the disturbance component is amplified, so that the effect of disturbance removal performance cannot be expected. This situation is likely to occur in small ships where the steering frequency ω n and the wave frequency ω wn are close.

3.3 波浪状態
海象が凪状態のとき、波浪同定部において波浪スペクトルのSN比が低下するために、波浪パラメータの同定誤差が増加する。その結果凪状態にも拘わらず、上記外乱除去性能の効果が期待できない状況が生じる場合がある。この状況を避けるために、凪またはそれと同等の状態のときは、波浪モデルによるノッチフィルタ特性が働かないようにする。即ち、ζwn=ζew=1/√2とする。このとき式(28)で波浪モデルに関係する項は
3.3 Wave State When the sea state is in the drought state, the wave parameter identification error increases because the SN ratio of the wave spectrum decreases in the wave identification unit. As a result, there may be a situation in which the effect of the above disturbance removal performance cannot be expected despite the state of wrinkles. In order to avoid this situation, the notch filter characteristic by the wave model is prevented from working in the case of the ridge or the equivalent state. That is, ζ wn = ζ ew = 1 / √2. At this time, the term related to the wave model in equation (28) is

になり、ゲインはωwnに無関係にω>ωeで−20[dB/dec]になる(図8のζwn=1/√2)。このため、ζwn=1/√2のGeのゲインはζwn=0.1、ωwn=0.15の場合のような外乱増幅領域を持たないので、ノイズ成分を増幅することはない。 The gain becomes −20 [dB / dec] when ω> ω e regardless of ω wnwn = 1 / √2 in FIG. 8). For this reason, the gain of G e of ζ wn = 1 / √2 does not have a disturbance amplification region as in the case of ζ wn = 0.1 and ω wn = 0.15, so that the noise component is not amplified. .

この性質を利用し、波浪同定部28で同定された波浪パラメータと上記伝達関数Geを用いて、波浪状態の判別を行なうことができる。 Using this property, the wave state can be determined using the wave parameter identified by the wave identifying unit 28 and the transfer function G e .

以下、波浪判定部30の作用を図4を参照して説明する。   Hereinafter, the operation of the wave determination unit 30 will be described with reference to FIG.

定数設定部30Aは、式(28)のζwnに同定値(ノッチフィルタ有り)と1/√2(ノッチフィルタ無し)とを代入し、Geのパラメータ、即ち定数をそれぞれ設定する。具体的には、 Constant setting section 30A is identified value zeta wn of formula (28) by substituting the (notch filter there) and 1 / √2 (without notch filter), set parameters G e, i.e. a constant, respectively. In particular,

のそれぞれのパラメータ(定数)を決定する。 Each parameter (constant) is determined.

次いで、評価量算出部30Bは、波浪状態の評価を行なうための評価量の算出を行なう。波浪状態の評価量は、ノッチフィルタの有りの場合と無しの場合のそれぞれのGeと、検出方位時系列データを用いた命令舵角相当の2乗和を用いる。初期値はゼロとする。 Next, the evaluation amount calculation unit 30B calculates an evaluation amount for evaluating the wave state. The evaluation value of the wave state uses G e with and without the notch filter, and the sum of squares corresponding to the command steering angle using the detected azimuth time-series data. The initial value is zero.

ここでJon,Joffはノッチフィルタのそれぞれ有りと無しの場合の評価量を示す。尚、総和をとるデータ数nは波浪の周期の10倍程度にわたる期間中の時系列データ数とするとよい。 Here, J on and J off indicate evaluation amounts when the notch filter is present and absent, respectively. Note that the number of data n taking the sum is preferably the number of time-series data during a period of about 10 times the wave period.

次いで、減衰係数決定部30Cは、2つの評価量の内で小さい方がその時の波浪状態に対する外乱除去効果のより高い設定であるとして、小さい方に用いた減衰係数を波浪パラメータとして決定する。中心周波数ωwnは同定値のままである。即ち波浪係数は Next, the attenuation coefficient determination unit 30C determines that the smaller one of the two evaluation quantities is a higher setting of the disturbance removal effect for the wave state at that time, and determines the attenuation coefficient used for the smaller one as the wave parameter. The center frequency ω wn remains the identification value. That is, the wave coefficient is

によって定める。 Determined by.

このように、波浪判定部30は、波浪同定部28によって同定された波浪減衰係数に対して修正を行なうことにより、波浪状態によっては、波浪から命令舵角までの伝達関数Geが大きくなり、外乱が増幅されることを回避することができる。 Thus, wave judging unit 30, by performing the correction with respect to wave attenuation coefficient identified by wave identification unit 28, depending on the wave state, the transfer function G e from wave to the instruction steering angle becomes large, Amplification of disturbance can be avoided.

本発明による船舶用自動操舵装置の全体構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the whole structure of the automatic steering device for ships by this invention. 2次推定器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of a secondary estimator. 4次推定器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of a 4th-order estimator. 波浪同定器の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of a wave identifier. 同定データの抽出を表す実スペクトル例を表すグラフである。It is a graph showing the example of a real spectrum showing extraction of identification data. 波浪モデルのスペクトルを表すグラフである。It is a graph showing the spectrum of a wave model. 図6のスペクトルに対して非対称度合を求めたグラフである。It is the graph which calculated | required the asymmetry degree with respect to the spectrum of FIG. 伝達関数Gn、Geのゲイン特性を表すグラフである。The transfer function G n, is a graph showing the gain characteristic of G e. 船舶用自動操舵装置の全体構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the whole structure of the ship automatic steering device.

符号の説明Explanation of symbols

10 船舶用自動操舵装置
15 フィードバックループ
20 推定器
22 波浪同定器
26 スペクトル演算部
28 波浪同定部
28A 正規化部
28B 同定データ抽出部
28C 中心周波数算出部
28D 減衰係数算出部
30 波浪判別部
30A 定数設定部
30B 評価量算出部
30C 減衰係数決定部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ship automatic steering apparatus 15 Feedback loop 20 Estimator 22 Wave identifier 26 Spectrum calculation part 28 Wave identification part 28A Normalization part 28B Identification data extraction part 28C Center frequency calculation part 28D Attenuation coefficient calculation part 30 Wave discrimination part 30A Constant setting Unit 30B evaluation amount calculation unit 30C attenuation coefficient determination unit

Claims (7)

検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、
検出方位
と命令舵角δcとを入力とし、前記波浪同定器で同定された波浪周波数と波浪減衰係数を用いて、推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記命令舵角δcを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記命令舵角δcに応じて舵角を変化させる操舵機と、を有する船舶用自動操舵装置において、前記波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データをスペクトルデータに変換するスペクトル演算部と、
スペクトルデータから包絡点群である同定データ
(fiは周波数、Si−はスペクトル値を表す)を抽出する同定データ抽出部と、
同定データに基づき中心周波数から波浪周波数fwnを求める中心周波数算出部と、
同定データのスペクトル値(Si−)と、前記中心周波数算出部によって求められた波浪周波数に基づきその波浪周波数に対応する波浪モデルのスペクトル値(Si)との偏差に基づく評価値を最小にする波浪モデルのスペクトルSの減衰係数を、波浪減衰係数ζwnとする減衰係数算出部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
A wave identifier for identifying the wave frequency and the wave attenuation coefficient from the detected direction ;
Detection direction
And the command rudder angle δc, and using the wave frequency and the wave attenuation coefficient identified by the wave identifier,
And estimated angular velocity
An estimator that outputs and
A feedback gain loop for outputting the command steering angle δc by applying a feedback gain to the deviation between the set course and the estimated direction and the estimated angular velocity,
In the marine vessel automatic steering apparatus having a steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δc output from the feedback gain loop , the wave identifier includes:
A spectrum calculation unit that converts time-series data of the detected orientation signal into spectrum data;
Identification data that is an envelope point cloud from spectral data
An identification data extraction unit that extracts (f i represents a frequency and S i − represents a spectrum value);
A center frequency calculator for determining the wave frequency f wn from the center frequency based on the identification data;
Spectral values identifying data (S i -) and, to minimize the evaluation value based on the deviation between the spectral values of wave model corresponding to the wave frequency based on the wave frequency determined by said center frequency calculation unit (S i) An attenuation coefficient calculation unit that sets the attenuation coefficient of the spectrum S of the wave model to be the wave attenuation coefficient ζ wn ;
A marine vessel automatic steering apparatus comprising:
前記波浪同定器は、さらに、
前記スペクトル演算部で変換されたスペクトルデータを正規化する正規化部を備えることを特徴とする請求項1記載の船舶用自動操舵装置。
The wave identifier further includes:
The ship automatic steering apparatus according to claim 1, further comprising a normalization unit that normalizes the spectrum data converted by the spectrum calculation unit.
前記同定データ抽出部は、スペクトルデータの所定の領域において、任意の開始周波数から、その領域において最大スペクトル値をとる周波数に向って、スペクトル値が大きくなるまたは等しくなる包絡点の集まりからなる包絡点群を求め、該最大スペクトル値をとる周波数よりも低域周波数側及び高域周波数側のそれぞれにおいて求めた複数の包絡点群のうちで、包絡点の個数が最大となる包絡点群の中で、開始周波数が最大スペクトル値をとる周波数に最も近い包絡点群を、同定データとして抽出するものであることを特徴とする請求項1または2記載の船舶用自動操舵装置。   The identification data extraction unit is an envelope point composed of a collection of envelope points at which a spectrum value increases or becomes equal to a frequency at which a maximum spectrum value is obtained in an area from an arbitrary start frequency in a predetermined area of spectrum data. Among the plurality of envelope points obtained on the lower frequency side and the higher frequency side than the frequency at which the maximum spectrum value is obtained, among the envelope points that have the largest number of envelope points The automatic steering apparatus for a ship according to claim 1 or 2, wherein an envelope point group closest to a frequency at which a start frequency takes a maximum spectral value is extracted as identification data. 前記中心周波数算出部は、同定データの中でスペクトル値が上部しきい値SH以上の値となる同定データ(fi,Si−)に対して、
で波浪周波数fwnを求めることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
It said center frequency calculation unit, identification data (f i, S i -) to spectral values as the upper threshold value S H or more values in the identified data to,
The marine automatic steering apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the wave frequency f wn is obtained by:
前記減衰係数算出部は、同定データの中でスペクトル値が下部しきい値SL以上の値となる同定データ(fi,Si−)に対して、そのスペクトル値とその周波数に対応する波浪モデルのスペクトルのスペクトル値Sとの偏差の2乗和Jζを最小値とする、
を満足する波浪モデルのスペクトルの減衰係数ζを、波浪減衰係数ζwnとすることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。
For the identification data (f i , S i −) in which the spectral value is equal to or higher than the lower threshold value S L in the identification data, the attenuation coefficient calculation unit calculates a wave corresponding to the spectral value and the frequency. The sum of squares J ζ of deviation from the spectrum value S of the spectrum of the model is the minimum value.
The marine automatic steering apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the wave attenuation coefficient ζ of the wave model satisfying the condition is set to the wave attenuation coefficient ζ wn .
検出方位から波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定器と、
検出方位
と命令舵角δcとを入力とし、前記波浪同定器で同定された波浪周波数と波浪減衰係数を用いて、推定方位
と推定角速度
とを出力する推定器と、
設定針路と前記推定方位との偏差及び前記推定角速度に対してそれぞれフィードバックゲインを適用して前記命令舵角δcを出力するフィードバックゲインループと、
前記フィードバックゲインループから出力された前記命令舵角δcに応じて舵角を変化させる操舵機と、を有する船舶用自動操舵装置において、波浪同定器は、
検出方位信号の時系列データのスペクトルデータから波浪周波数と波浪減衰係数とを同定する波浪同定部と、
時系列データと前記波浪同定部で同定した波浪周波数fwn=ωwn/2πと波浪減衰係数ζwnとを用いて波浪状態を判定し、該波浪状態に適した波浪減衰係数に修正する波浪判定部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
A wave identifier for identifying the wave frequency and the wave attenuation coefficient from the detected direction ;
Detection direction
And the command rudder angle δc, and using the wave frequency and the wave attenuation coefficient identified by the wave identifier,
And estimated angular velocity
An estimator that outputs and
A feedback gain loop for outputting the command steering angle δc by applying a feedback gain to the deviation between the set course and the estimated direction and the estimated angular velocity,
In the marine vessel automatic steering apparatus having a steering machine that changes the steering angle according to the command steering angle δc output from the feedback gain loop , the wave identifier includes:
A wave identification unit for identifying the wave frequency and the wave attenuation coefficient from the spectral data of the time-series data of the detected direction signal;
The wave state is determined by using the time-series data, the wave frequency identified by the wave identification unit f wn = ω wn / 2π, and the wave attenuation coefficient ζ wn, and correcting the wave attenuation coefficient suitable for the wave state And
A marine vessel automatic steering apparatus comprising:
波浪判定部は、波浪から命令舵角までの伝達関数Geである
に対して、ζwnに前記波浪同定部で同定した波浪減衰係数を代入したときのGeである
と、ζwnに1/√2を代入したときのGeである
のそれぞれの定数を求める定数設定部と、
前記定数設定部で求めた
に対して、
で表されるそれぞれの評価値Jon,Joffを求める評価量算出部と、
前記評価値Jon,Joffのうちで小さい方に用いたζwnの値を修正した波浪減衰係数
として採用し、即ち、
とする減衰係数決定部と、
を備えることを特徴とする請求項6記載の船舶用自動操舵装置。
The wave determination unit is a transfer function G e from the wave to the command steering angle.
In contrast, G e when the wave attenuation coefficient identified by the wave identification unit is substituted for ζ wn.
And G e when 1 / √2 is substituted into ζ wn.
A constant setting unit for obtaining each constant of
Obtained by the constant setting unit
Against
An evaluation amount calculation unit for obtaining respective evaluation values J on and J off represented by:
Wave attenuation coefficient obtained by correcting the value of ζ wn used for the smaller one of the evaluation values J on and J off
Adopted as
An attenuation coefficient determining unit,
The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 6, further comprising:
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