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JP7692736B2 - CONTROL DEVICE, UNDERWATER VEHICLE AND CONTROL METHOD - Google Patents
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Description

本開示は、制御装置、水中航走体及び制御方法に関する。 This disclosure relates to a control device, an underwater vehicle, and a control method.

水中航走体の運転では、波浪等の外乱による船体の揺動を抑制する必要がある。非特許文献1には、外乱を推定する外乱推定器が開示されている。非特許文献2には、水中航走体の状態推定を行って、外乱を推定する方法が開示されている。また、特許文献3、4には、水中航走体に加わる外乱の方向、大きさ、周波数などを推定し、推定した外乱を打ち消す舵角などの制御指令を生成する制御装置が開示されている。 When operating an underwater vehicle, it is necessary to suppress the rocking of the hull due to disturbances such as waves. Non-Patent Document 1 discloses a disturbance estimator that estimates disturbances. Non-Patent Document 2 discloses a method of estimating disturbances by estimating the state of the underwater vehicle. Furthermore, Patent Documents 3 and 4 disclose a control device that estimates the direction, magnitude, frequency, etc. of disturbances acting on the underwater vehicle and generates control commands such as a rudder angle to cancel out the estimated disturbance.

また、水中航走体の運転中に、深度、ロール角、ピッチ角、方位角等に関する制御軸に対して制御を行うと、特定の軸間に相互干渉が生じることがある。例えば、各軸に対して揺動を抑制する制御を行ったとしても、相互干渉の影響で揺動の収束に時間が掛かることがある。これに対し、特許文献1には、船体の状態に応じて軸間の干渉を補償する舵角指令を算出し、軸間の干渉力を非干渉化する制御方法が開示されている。 In addition, when controlling the control axes related to depth, roll angle, pitch angle, azimuth angle, etc. while the underwater vehicle is operating, mutual interference may occur between certain axes. For example, even if control is performed to suppress oscillation of each axis, it may take time for the oscillation to converge due to the influence of mutual interference. In response to this, Patent Document 1 discloses a control method that calculates a rudder angle command that compensates for the interference between the axes according to the state of the hull, and de-interferes with the interfering forces between the axes.

また、水中航走体の舵が舵角指令の変化に追従できる範囲には制限があり、制限を超える舵角指令が入力されると、実際の舵角が追従できず、速度飽和が生じる。これに対し、特許文献2には、速度飽和が生じる舵角指令を追従可能な範囲の指令値に補償する速度飽和補償器が開示されている。速度飽和補償器を用いることにより、舵の急峻な動きを抑制し、速度飽和の発生を回避することができる。 In addition, there is a limit to the range in which the rudder of an underwater vehicle can follow changes in rudder angle commands, and if a rudder angle command that exceeds this limit is input, the actual rudder angle cannot follow and speed saturation occurs. In response to this, Patent Document 2 discloses a speed saturation compensator that compensates for rudder angle commands that cause speed saturation to a command value within the range that can be followed. By using a speed saturation compensator, it is possible to suppress sudden rudder movements and avoid the occurrence of speed saturation.

特開2019-25928号公報JP 2019-25928 A 特許第5984608号公報Patent No. 5984608 特開2014-12491号公報JP 2014-12491 A 特開2014-21649号公報JP 2014-21649 A

大西公平、「外乱オブザーバによるロバスト・モーションコントロール」、日本ロボット学会誌、第11巻、第4号、1993年、p.486-493Kohei Ohnishi, "Robust Motion Control Using Disturbance Observers", Journal of the Robotics Society of Japan, Vol. 11, No. 4, 1993, pp. 486-493 中村昌彦他、「小型AUV"MR-X1"の測線上航走性能向上に関する研究」、日本船舶海洋工学会論文集、第12号、2010年、p.165-173Masahiko Nakamura et al., "Study on Improving the Navigation Performance of the Small AUV "MR-X1" on Survey Lines," Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, No. 12, 2010, pp. 165-173

外乱推定器に基づいて外乱補償することにより、船体の揺動を抑制することができる。しかしながら、例えば、揺動に高周波成分がある場合に揺動に対処しようとすると舵を頻繁に動作させなければならず、省エネルギー性能が悪化する。船体の揺動抑制性能と省エネルギー性能のバランスを調整可能な制御が求められている。 The hull's pitching can be suppressed by compensating for disturbances based on a disturbance estimator. However, for example, if the pitching contains high-frequency components, the rudder must be operated frequently to deal with the pitching, which reduces energy-saving performance. There is a demand for control that can adjust the balance between the pitching suppression performance and energy-saving performance.

本開示は、上記課題を解決することができる制御装置、水中航走体及び制御方法を提供する。 This disclosure provides a control device, an underwater vehicle, and a control method that can solve the above problems.

本開示の制御装置は、船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するフィードバック制御器と、前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出する非干渉制御器と、前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出する外乱推定器と、前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出する速度飽和補償器と、前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整する制御系調整器と、を有し、前記船体の揺動の周波数成分分析の結果に基づいて、上位2つの主成分を選択し、前記2つの主成分の間の周波数を前記外乱推定器が備えるローパスフィルタおよび前記非干渉制御器が備えるローパスフィルタのフィルタ帯域に設定する。 The control device disclosed herein has a feedback controller that calculates a control command value based on the difference between the hull position and a target position, a decoupling controller that calculates a decoupling compensation value for canceling out mutual interference between control axes of the hull, a disturbance estimator that estimates the force of a disturbance acting on the hull and calculates a disturbance compensation value for canceling out the disturbance, a speed saturation compensator that calculates a speed saturation compensation value such that speed saturation does not occur when the actuators of the hull are controlled based on the control command value, and a control system adjuster that adjusts at least one parameter of the decoupling controller, the disturbance estimator and the speed saturation compensator based on the rocking caused on the hull and/or the operation of the actuator , and selects the top two principal components based on the results of a frequency component analysis of the rocking of the hull, and sets the frequency between the two principal components to the filter band of a low-pass filter provided in the disturbance estimator and a low-pass filter provided in the decoupling controller.

本開示の水中航走体は、上記の制御装置を備える。 The underwater vehicle disclosed herein is equipped with the above-mentioned control device.

本開示の制御方法は、非干渉制御器と、外乱推定器と、速度飽和補償器と、を有する制御装置によって実行される制御方法であって、船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するステップと、前記非干渉制御器が、前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出するステップと、前記外乱推定器が、前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出するステップと、前記速度飽和補償器が、前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出するステップと、前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整するステップと、を有し、前記パラメータを調整するステップでは、前記船体の揺動の周波数成分分析の結果に基づいて、上位2つの主成分を選択し、前記2つの主成分の間の周波数を前記外乱推定器が備えるローパスフィルタおよび前記非干渉制御器が備えるローパスフィルタのフィルタ帯域に設定する。
The control method disclosed herein is a control method executed by a control device having a decoupling controller, a disturbance estimator, and a speed saturation compensator, and includes the steps of: calculating a control command value based on a difference between a hull position and a target position; the decoupling controller calculating a decoupling compensation value for canceling out mutual interference between control axes of the hull; the disturbance estimator estimating the force of a disturbance acting on the hull and calculating a disturbance compensation value for canceling out the disturbance; the speed saturation compensator calculating a speed saturation compensation value such that speed saturation does not occur when actuators of the hull are controlled based on the control command value; and adjusting parameters of at least one of the decoupling controller, the disturbance estimator, and the speed saturation compensator based on the rolling generated in the hull and/or the operation of the actuator , wherein the parameter adjusting step selects top two principal components based on the result of a frequency component analysis of the rolling of the hull, and sets the frequency between the two principal components to the filter band of a low-pass filter provided in the disturbance estimator and a low-pass filter provided in the decoupling controller.

上述の制御装置、水中航走体及び制御方法によれば、揺動抑制性能と省エネルギー性能のバランスを調整することができる。例えば、揺動抑制と省エネルギー性能とを両立することができる。 The above-described control device, underwater vehicle, and control method can adjust the balance between rocking suppression performance and energy saving performance. For example, it is possible to achieve both rocking suppression and energy saving performance.

実施形態に係る制御システムの一例を示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a control system according to an embodiment. 実施形態に係る評価指標値の一例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of an evaluation index value according to the embodiment. 実施形態に係る制御系切り替えについて説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating control system switching according to the embodiment. 実施形態に係る制御システムの動作の一例を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing an example of an operation of the control system according to the embodiment.

以下、本開示の制御システムについて、図1~図4を参照して説明する。以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。 The control system of the present disclosure will be described below with reference to Figures 1 to 4. In the following description, components having the same or similar functions will be given the same reference numerals. Furthermore, duplicate descriptions of those components may be omitted.

(システム構成)
図1に水中航走体1の制御システムのブロック図を示す。図1に示すように、水中航走体1は、制御装置10と、機体20と、を備える。制御装置10は、FB(フィードバック)制御器11と、アクチュエータ制御系12と、速度飽和補償器13と、外乱推定器14と、非干渉制御器15と、制御系調整器16と、パラメータ算出部17と、を備える。機体20は、水中航走体1が備えるアクチュエータ、センサ類を含む。
(System Configuration)
Figure 1 shows a block diagram of a control system for the underwater vehicle 1. As shown in Figure 1, the underwater vehicle 1 includes a control device 10 and an airframe 20. The control device 10 includes an FB (feedback) controller 11, an actuator control system 12, a speed saturation compensator 13, a disturbance estimator 14, a decoupling controller 15, a control system adjuster 16, and a parameter calculation unit 17. The airframe 20 includes the actuators and sensors included in the underwater vehicle 1.

FB制御器11は、水中航走体1の位置と所定の目標位置との差分に基づいて制御指令値を算出する。例えば、FB制御器11は、PID制御等により、水中航走体1の位置を目標位置に一致させるような、深度、ピッチ角、方位角などに関する制御軸(船体運動の6自由度に関するXYZ軸方向および各軸回り方向の何れか)に対する制御指令値を算出する。 The FB controller 11 calculates a control command value based on the difference between the position of the underwater vehicle 1 and a predetermined target position. For example, the FB controller 11 calculates a control command value for a control axis (any of the X, Y and Z axis directions and directions around each axis related to the six degrees of freedom of the hull motion) related to depth, pitch angle, azimuth angle, etc., so as to match the position of the underwater vehicle 1 to the target position, using PID control or the like.

アクチュエータ制御系12は、FB制御器11によって算出された制御指令値をアクチュエータへ出力する実際の指令値(実指令値と呼ぶ。)に変換して、アクチュエータ(機体20)を制御する。アクチュエータとは、例えば、水中航走体1が備える複数の舵である。実指令値とは、例えば、それぞれの舵への舵角指令である。図示するように、FB制御器11によって算出された制御指令値は、速度飽和補償器13、外乱推定器14、非干渉制御器15が補償値を出力した場合には、それらの補償値によって補償される。 The actuator control system 12 converts the control command value calculated by the FB controller 11 into an actual command value (called an actual command value) to be output to the actuator, and controls the actuator (aircraft 20). The actuators are, for example, multiple rudders equipped on the underwater vehicle 1. The actual command value is, for example, a rudder angle command to each rudders. As shown in the figure, when the speed saturation compensator 13, the disturbance estimator 14, and the decoupling controller 15 output compensation values, the control command value calculated by the FB controller 11 is compensated by those compensation values.

速度飽和補償器13は、アクチュエータ制御系12へ入力される制御指令値とアクチュエータ制御系12から出力される実指令値を取得し、アクチュエータ制御系12へ入力される制御指令値が速度飽和に至らないように速度飽和補償値を算出し、この値を出力する。速度飽和補償値により、アクチュエータ制御系12へ入力される制御指令値は、アクチュエータの動作が追従可能な範囲となるよう補償される。本実施形態の速度飽和補償器13には、例えば特許文献2に開示がある速度飽和補償部を用いることができる。速度飽和補償器13の構成は、特許文献2に開示されているため本明細書では説明を省略する。速度飽和補償器13は、内部に帯域調整ゲインというパラメータ(特許文献2における理想モデル41の内部のパラメータ)を有している。この帯域調整ゲインの値を大きくすると、アクチュエータの急峻な変化をより強く抑えるように作用する。速度飽和補償器13は、アクチュエータの急峻な動作を抑制する働きがあるため、制御の省エネルギー化に寄与する。帯域調整ゲインの値を大きくすると、省エネルギーの効果が向上する。帯域調整ゲインの値は、制御系調整器16によって調整可能とされている。 The velocity saturation compensator 13 acquires the control command value input to the actuator control system 12 and the actual command value output from the actuator control system 12, calculates a velocity saturation compensation value so that the control command value input to the actuator control system 12 does not reach velocity saturation, and outputs this value. The control command value input to the actuator control system 12 is compensated by the velocity saturation compensation value so that it is within a range that the actuator operation can follow. For the velocity saturation compensator 13 of this embodiment, for example, a velocity saturation compensation unit disclosed in Patent Document 2 can be used. The configuration of the velocity saturation compensator 13 is disclosed in Patent Document 2, so its description is omitted in this specification. The velocity saturation compensator 13 has an internal parameter called a band adjustment gain (an internal parameter of the ideal model 41 in Patent Document 2). Increasing the value of this band adjustment gain acts to more strongly suppress abrupt changes in the actuator. The velocity saturation compensator 13 has the function of suppressing abrupt operations of the actuator, and therefore contributes to energy saving in control. Increasing the value of the band adjustment gain improves the effect of energy saving. The value of the band adjustment gain can be adjusted by the control system adjuster 16.

外乱推定器14は、アクチュエータ制御系12から出力される実指令値と水中航走体1の状態を示す情報(実際の操舵角、ジャイロセンサや深度計の計測値など)を取得し、船体に作用する外乱の力を推定し、推定した外乱を打ち消すための外乱補償値を算出する。例えば、外乱推定器14は、深度、ピッチ角、方位角の各方向に対する波浪による外乱を推定し、外乱を相殺する外乱補償値をそれぞれの方向ごとに算出する。本実施形態の外乱推定器14における外乱推定方法には特に限定は無く、公知の外乱オブザーバなどを用いることができる(例えば、非特許文献1)。また、推定した外乱を相殺するために必要な舵の制御量等(外乱補償値)を算出する構成についても、一般に水中航走体で採用されている公知の制御器を用いることができる(例えば、特許文献3,4)。また、本実施形態の外乱推定器14は、内部にローパスフィルタ141(図示せず)と、設定可能なパラメータである出力ゲイン142(図示せず)を備えている。一般に外乱推定器14が推定する外乱には複数の周波数成分が含まれている。例えば、ローパスフィルタ141は、各制御軸別に設けられていて、推定された各制御軸方向の外乱の周波数成分のうち、所定の周波数以上の帯域を低減する。外乱推定器14は、ローパスフィルタ141を通過した各制御軸方向の低周波帯域の外乱について、その周波数帯の外乱を打ち消す外乱補償値(例えば、揺動の方向に対応する舵についての補償舵角)を算出する。ローパスフィルタ141を通過する周波数の帯域を上昇させると、より広い周波数帯の揺動を抑制できるが、揺動の高周波成分にも対処しなければならなくなり、舵はそれだけ頻繁に動作することになる。これは、省エネルギー化の観点からは不利益(消費エネルギーが増大)となる。出力ゲイン142は、算出された外乱補償値に乗じて、その値の大きさを調整するためのパラメータである。外乱推定器14は、推定された様々な方向の外乱に対して、その外乱に対処する舵(例えば、深度方向の外乱を制御するための舵、左右方向の外乱を制御するための舵など)ごとに補償舵角を算出する。出力ゲイン142は、これらの舵ごとに用意され、各舵に対する外乱補償値の大きさを調整する。出力ゲイン142の値は、0以上1以下の範囲で設定される。例えば、外乱への対応を行わない場合、出力ゲイン142には0が設定され、外乱をできるだけ相殺する場合には、出力ゲイン142には1が設定される。ローパスフィルタ141の帯域設定と出力ゲイン142の値は、制御系調整器16によって調整可能とされている。 The disturbance estimator 14 acquires the actual command value output from the actuator control system 12 and information indicating the state of the underwater vehicle 1 (such as the actual steering angle, the measurement value of the gyro sensor and the depth gauge), estimates the force of the disturbance acting on the hull, and calculates a disturbance compensation value for canceling the estimated disturbance. For example, the disturbance estimator 14 estimates disturbance due to waves in each direction of the depth, pitch angle, and azimuth angle, and calculates a disturbance compensation value for each direction to cancel the disturbance. There is no particular limitation on the disturbance estimation method in the disturbance estimator 14 of this embodiment, and a known disturbance observer or the like can be used (for example, Non-Patent Document 1). In addition, a known controller generally used in underwater vehicles can be used for the configuration for calculating the rudder control amount (disturbance compensation value) required to cancel the estimated disturbance (for example, Patent Documents 3 and 4). In addition, the disturbance estimator 14 of this embodiment is internally provided with a low-pass filter 141 (not shown) and an output gain 142 (not shown), which is a configurable parameter. Generally, the disturbance estimated by the disturbance estimator 14 contains a plurality of frequency components. For example, a low-pass filter 141 is provided for each control axis, and reduces a band of a predetermined frequency or higher among the frequency components of the estimated disturbance in each control axis direction. The disturbance estimator 14 calculates a disturbance compensation value (for example, a compensation rudder angle for the rudder corresponding to the direction of the oscillation) that cancels the disturbance in the low frequency band of each control axis direction that has passed through the low-pass filter 141. If the band of frequencies that pass through the low-pass filter 141 is increased, oscillations in a wider frequency band can be suppressed, but high-frequency components of the oscillation must also be dealt with, and the rudder will operate more frequently. This is disadvantageous from the viewpoint of energy saving (energy consumption increases). The output gain 142 is a parameter for adjusting the magnitude of the calculated disturbance compensation value by multiplying it. The disturbance estimator 14 calculates a compensation rudder angle for each rudder that deals with the estimated disturbances in various directions (e.g., a rudder for controlling disturbances in the depth direction, a rudder for controlling disturbances in the left-right direction, etc.). An output gain 142 is prepared for each of these rudder, and adjusts the magnitude of the disturbance compensation value for each rudder. The value of the output gain 142 is set in the range of 0 to 1. For example, if no action is taken against the disturbance, the output gain 142 is set to 0, and if the disturbance is to be offset as much as possible, the output gain 142 is set to 1. The band setting of the low-pass filter 141 and the value of the output gain 142 can be adjusted by the control system adjuster 16.

非干渉制御器15は、6軸間の軸間干渉による揺動を補償する。非干渉制御器15は、例えば、水中航走体1の深度、ピッチ角、方位角をそれぞれ所望の位置に制御しようとする場合に、水中航走体1の状態を示す情報(実際の操舵角、ジャイロセンサや深度計の計測値など)を取得し、各制御軸間に生ずる干渉を低減する非干渉補償値(非干渉化に関係する各舵についての補償舵角)を算出する。非干渉制御器15には、例えば特許文献1に開示がある非干渉制御部を用いることができる。非干渉制御器15の構成は、特許文献1に開示されているため本明細書では説明を省略する。特許文献1に開示された構成に追加して、本実施形態の非干渉制御器15は、内部にローパスフィルタ151(図示せず)と、出力ゲイン152(図示せず)を備えている。一般に非干渉制御器15が取得する水中航走体1の状態を示す情報には複数の周波数成分が含まれている。例えば、ローパスフィルタ151は、各制御軸別に設けられていて、推定された各制御軸方向の複数の周波数成分のうち、所定の周波数以上の帯域を低減する。非干渉制御器15は、ローパスフィルタ151を通過した各制御軸方向の低周波帯域の揺動(軸間干渉によって生じる揺動)について、その周波数帯の揺動を打ち消す非干渉補償値を算出する。ローパスフィルタ151を通過する周波数の帯域を上昇させると、揺動の高周波成分にも対処しなければならなくなり、舵はそれだけ頻繁に動作することになるため、消費エネルギーの増大につながる。出力ゲイン152は、非干渉補償値に乗じて、その大きさを調整するためのパラメータである。出力ゲイン152は、複数の舵ごとに設定することができる。出力ゲイン152の値は、0以上1以下の範囲で設定される。ローパスフィルタ151の帯域設定と出力ゲイン152の値は、制御系調整器16によって調整可能とされている。 The decoupling controller 15 compensates for the sway caused by the inter-axis interference between the six axes. For example, when the depth, pitch angle, and azimuth angle of the underwater vehicle 1 are to be controlled to the desired positions, the decoupling controller 15 acquires information indicating the state of the underwater vehicle 1 (such as the actual steering angle, the measurement value of the gyro sensor and the depth gauge, etc.) and calculates a decoupling compensation value (compensation rudder angle for each rudder related to decoupling) that reduces the interference between each control axis. For the decoupling controller 15, for example, a decoupling control unit disclosed in Patent Document 1 can be used. The configuration of the decoupling controller 15 is disclosed in Patent Document 1, so a description thereof will be omitted in this specification. In addition to the configuration disclosed in Patent Document 1, the decoupling controller 15 of this embodiment is internally provided with a low-pass filter 151 (not shown) and an output gain 152 (not shown). In general, the information indicating the state of the underwater vehicle 1 acquired by the decoupling controller 15 contains multiple frequency components. For example, a low-pass filter 151 is provided for each control axis, and reduces a band of a predetermined frequency or higher among the multiple frequency components in each estimated control axis direction. The decoupling controller 15 calculates a decoupling compensation value that cancels the low-frequency band oscillation (oscillation caused by axis interference) in each control axis direction that has passed through the low-pass filter 151. If the band of frequencies that pass through the low-pass filter 151 is raised, the high-frequency components of the oscillation must also be dealt with, and the rudder will operate more frequently, leading to increased energy consumption. The output gain 152 is a parameter that is multiplied by the decoupling compensation value to adjust its magnitude. The output gain 152 can be set for each of multiple rudders. The value of the output gain 152 is set in the range of 0 to 1. The band setting of the low-pass filter 151 and the value of the output gain 152 can be adjusted by the control system adjuster 16.

図示するように、アクチュエータ制御系12と速度飽和補償器13とで構成される第1のループの外側に外乱推定器14を含む第2のループが構成される。これにより、理想的には第2のループ内では外乱が相殺される。それでも機体20から得られる水中航走体1の状態を示す情報によって揺動が確認される場合には、その揺動は軸間干渉によるものと考えられる。その為、軸間干渉によって生じる揺動の分だけを対象として非干渉補償値を算出することができるように、非干渉制御器15は、最も外側のループに配置される構成となっている。 As shown in the figure, a second loop including a disturbance estimator 14 is configured outside a first loop consisting of an actuator control system 12 and a velocity saturation compensator 13. This ideally cancels out disturbances within the second loop. If oscillation is still confirmed from information indicating the state of the underwater vehicle 1 obtained from the aircraft 20, the oscillation is considered to be due to inter-axis interference. For this reason, the decoupling controller 15 is configured to be placed in the outermost loop so that a decoupling compensation value can be calculated for only the oscillation caused by inter-axis interference.

制御系調整器16は、アクチュエータ制御系12から出力される実指令値と水中航走体1の状態を示す情報(実際の操舵角、ジャイロセンサや深度計の計測値など)を機体20から取得し、以下で説明する評価指標値を算出し、算出した評価指標値に基づいて、速度飽和補償器13の帯域調整ゲインの値、外乱推定器14のローパスフィルタ141の帯域設定および出力ゲイン142の値、非干渉制御器15のローパスフィルタ151の帯域設定および出力ゲイン152の値のうちの何れか1つ又は複数を必要に応じて変更する。この処理をパラメータの調整、または、制御系の切り替えと呼ぶ。 The control system adjuster 16 acquires the actual command value output from the actuator control system 12 and information indicating the state of the underwater vehicle 1 (actual steering angle, measurements from the gyro sensor and depth gauge, etc.) from the aircraft 20, calculates an evaluation index value described below, and based on the calculated evaluation index value, changes one or more of the following as necessary: the value of the band adjustment gain of the speed saturation compensator 13, the band setting and value of the output gain 142 of the low-pass filter 141 of the disturbance estimator 14, and the band setting and value of the output gain 152 of the low-pass filter 151 of the decoupling controller 15. This process is called parameter adjustment or control system switching.

(評価指標)
図2に制御系調整器16が算出する評価指標の一例を示す。
(1)揺動状態の評価値・・・制御系調整器16は、深度計やジャイロセンサの計測値を取得して深度、ピッチ角、方位角などの各制御軸方向の揺動について、所定時間内における計測値のPeak to Peak値(所定時間内に計測された計測値の最大値と最小値の差)またはRMS値(root mean square value)を計算する。計測された制御軸方向別のPeak to Peak値やRMS値が揺動状態の評価値である。
(Evaluation index)
FIG. 2 shows an example of the evaluation index calculated by the control system regulator 16.
(1) Evaluation value of the swing state: The control system adjuster 16 acquires the measurement values of the depth gauge and gyro sensor, and calculates the peak-to-peak value (the difference between the maximum and minimum values measured within a given time) or the RMS value (root mean square value) of the measurement values within a given time for the swing in each control axis direction, such as the depth, pitch angle, and azimuth angle. The measured peak-to-peak value or RMS value for each control axis direction is the evaluation value of the swing state.

(2)アクチュエータ動作評価値・・・制御系調整器16は、水中航走体1から時々刻々と実際のアクチュエータの動作量(例えば、時々刻々の実際の操舵角)を取得し、所定時間内の総動作量(絶対値積分)、アクチュエータ動作速度の絶対値積分を計算する。これらの値がアクチュエータ動作評価値である。 (2) Actuator operation evaluation value: The control system adjuster 16 acquires the actual actuator operation amount (e.g., the actual steering angle at each moment) from the underwater vehicle 1 from moment to moment, and calculates the total operation amount (absolute value integral) within a specified time and the absolute value integral of the actuator operation speed. These values are the actuator operation evaluation value.

(3)揺動周波数成分の評価値・・・制御系調整器16は、深度計やジャイロセンサの計測値を取得して、各制御軸方向別に所定時間内の揺動を示す波形データをFFT(高速フーリエ変換)等により周波数成分分析する。周波数成分分析の結果が揺動周波数成分の評価値である。 (3) Evaluation value of oscillation frequency component: The control system adjuster 16 acquires the measurement values of the depth gauge and gyro sensor, and performs frequency component analysis using FFT (fast Fourier transform) or the like on the waveform data that indicates the oscillation within a predetermined time for each control axis direction. The result of the frequency component analysis is the evaluation value of the oscillation frequency component.

(4)アクチュエータ補償量の評価値・・・制御系調整器16は、外乱推定器14、非干渉制御器15が出力する時々刻々の補償舵角(それぞれ外乱補償値、非干渉補償値)を取得し、補償舵角のPeak to Peak値を計算する。または(あるいは、Peak to Peak値に加えて)、制御系調整器16は、補償舵角についてFFT等により、周波数成分分析を実行する。補償舵角のPeak to Peak値や周波数成分分析の結果がアクチュエータ補償量の評価値である。 (4) Evaluation value of the actuator compensation amount...The control system adjuster 16 acquires the compensation steering angle (disturbance compensation value and non-interference compensation value, respectively) output from the disturbance estimator 14 and the non-interference controller 15 at every moment, and calculates the peak-to-peak value of the compensation steering angle. Alternatively (or in addition to the peak-to-peak value), the control system adjuster 16 performs frequency component analysis on the compensation steering angle using FFT or the like. The peak-to-peak value of the compensation steering angle or the result of the frequency component analysis is the evaluation value of the actuator compensation amount.

上記の評価指標値の(1)と(3)は、水中航走体1の揺動を示す評価指標値で、アクチュエータ動作に関する(2)と(4)は、省エネルギー性能の評価指標値である。制御系調整器16は、これらの評価指標値を用いて、水中航走体1の揺動抑制と省エネルギー化が両立できるように外乱推定器14、非干渉制御器15のパラメータ調整を行う。また、以下に説明するように、制御系調整器16は、揺動抑制と省エネルギー化の両立を前提としつつ、さらに揺動抑制を重視する制御モードと省エネルギー化を重視する制御モードを切り替えて実行する機能を有しており、制御の目的別に各補償器(速度飽和補償器13、外乱推定器14、非干渉制御器15)のパラメータ(ローパスフィルタ帯域、出力ゲインなど)の調整を行う。 The above evaluation index values (1) and (3) are evaluation index values indicating the swaying of the underwater vehicle 1, and (2) and (4) related to the actuator operation are evaluation index values for energy saving performance. The control system adjuster 16 uses these evaluation index values to adjust the parameters of the disturbance estimator 14 and the non-interference controller 15 so that the swaying suppression of the underwater vehicle 1 and energy saving can be achieved at the same time. As described below, the control system adjuster 16 has a function to switch between a control mode that emphasizes sway suppression and a control mode that emphasizes energy saving, while assuming that sway suppression and energy saving can be achieved at the same time, and adjusts the parameters (low-pass filter band, output gain, etc.) of each compensator (speed saturation compensator 13, disturbance estimator 14, non-interference controller 15) according to the purpose of control.

(制御系の切り替えタイミング)
制御系調整器16は、一定時間(例えば5分、10分など)おきに自動的に制御系の切り替え(パラメータの調整)を行う。または、制御系調整器16は、水中航走体1の運用モードの切り替え(例えば、航行と停泊)や制御目的の切り替え(揺動抑制重視か省エネルギー重視)、あるいは海域が変更されるタイミングで自動的に制御系の切り替えを行う。または、制御系調整器16は、ユーザの手動操作によって制御系の切り替えを行う。なお、波浪などによる揺動の周期は、一般的に数秒~数10秒であるため、自動で制御系の切り替えを行う場合、制御装置10の計算周期ではなく、揺動周期よりも長い周期で制御系の切り替えを実行する。
(Control system switching timing)
The control system adjuster 16 automatically switches the control system (adjusts parameters) at regular intervals (e.g., 5 minutes, 10 minutes, etc.). Alternatively, the control system adjuster 16 automatically switches the control system when the operation mode of the underwater vehicle 1 is switched (e.g., between navigation and anchoring), the control purpose is switched (emphasis on oscillation suppression or energy saving), or the sea area is changed. Alternatively, the control system adjuster 16 switches the control system by manual operation by the user. Note that, since the period of oscillation due to waves and the like is generally several seconds to several tens of seconds, when the control system is automatically switched, the control system is switched at a period longer than the oscillation period, not at the calculation period of the control device 10.

(制御系切り替え)
図3に本実施形態の制御系の切り替えに際し、調整するパラメータの概要を示す。
(A)制御系調整器16は、制御目的に関係なく、外乱推定器14のローパスフィルタ141と非干渉制御器15のローパスフィルタ151のフィルタ帯域を調整する。
(A1)制御系調整器16は、評価指標値“(3)揺動周波数成分の評価値”に基づいて、各制御軸方向の揺動について、揺動を構成する周波数成分のうち、ピーク値が大きい上位2つの成分である第1の主成分f1と第2の主成分f2を識別する。ここで、第1の主成分f1と第2の主成分f2の周波数がf1<f2の関係であるとする。制御系調整器16は、各制御軸別のローパスフィルタ141とローパスフィルタ151のフィルタ帯域(および近似微分帯域)fを、f1とf2のピーク値の大小関係に関わりなく、周波数の高低関係に基づいてf1<f<f2となるように設定する。ここでf1は船体の揺動を構成する主要な周波成分のうち最も低周波の成分である。水中航走体1の運転において、低周波成分f1の影響が最も支配的であって、上記のようにフィルタ帯域fを設定することにより、この低周波成分に対処する補償値(補償舵角)を算出することができる。また、f1より高周波のf2の揺動にまで対処するとなると揺動抑制効果は向上するものの(その効果に比べて)、アクチュエータ(舵)の動作量が多くなり、エネルギー消費量が増大する。従って、各制御軸別のローパスフィルタ141、151の帯域設定をf2より低周波のfに設定することにより、f2の周波数成分を遮断し、アクチュエータの動作が過剰にならないようにする。このように現実の揺動の周波数成分に応じて、ローパスフィルタ141、151のフィルタ帯域fを調整することにより、揺動抑制と省エネルギー化の両立を図る。
(Control system switching)
FIG. 3 shows an overview of parameters to be adjusted when switching the control system in this embodiment.
(A) The control system adjuster 16 adjusts the filter bands of the low-pass filter 141 of the disturbance estimator 14 and the low-pass filter 151 of the decoupling controller 15, regardless of the control purpose.
(A1) The control system adjuster 16 identifies the first principal component f1 and the second principal component f2, which are the top two components with the largest peak values among the frequency components constituting the oscillation in each control axis direction, based on the evaluation index value "(3) Evaluation value of oscillation frequency component". Here, it is assumed that the frequencies of the first principal component f1 and the second principal component f2 have a relationship of f1<f2. The control system adjuster 16 sets the filter band (and approximate differential band) f of the low-pass filter 141 and the low-pass filter 151 for each control axis so that f1<f<f2 is satisfied based on the high-low frequency relationship, regardless of the magnitude relationship of the peak values of f1 and f2. Here, f1 is the lowest frequency component among the main frequency components constituting the oscillation of the hull. In the operation of the underwater vehicle 1, the influence of the low-frequency component f1 is most dominant, and by setting the filter band f as described above, a compensation value (compensation rudder angle) that deals with this low-frequency component can be calculated. Furthermore, if the oscillation frequency f2, which is higher than f1, is addressed, the oscillation suppression effect will improve (compared to that effect), but the actuator (rudder) will operate more and energy consumption will increase. Therefore, by setting the band of the low-pass filters 141, 151 for each control axis to f, which is a lower frequency than f2, the frequency component of f2 is blocked and the actuator operation is prevented from being excessive. In this way, by adjusting the filter band f of the low-pass filters 141, 151 according to the frequency component of the actual oscillation, it is possible to achieve both oscillation suppression and energy saving.

なお、フィルタ帯域fの設定方法は任意である。例えば、制御系調整器16は、f1とf2の平均値をfとしてもよいし、平均値よりも所定値だけf1側またはf2側へ移動した値をfに設定してもよい。または、制御系調整器16は、f1およびf2とfの関係を定めたテーブルや関数を記憶していて、FFT結果のf1およびf2と、事前に定めたテーブルに基づいてfを設定してもよい。 The method for setting the filter band f is arbitrary. For example, the control system adjuster 16 may set f to the average value of f1 and f2, or may set f to a value shifted a predetermined value toward the f1 or f2 side from the average value. Alternatively, the control system adjuster 16 may store a table or function that defines the relationship between f1 and f2 and f, and set f based on the FFT results f1 and f2 and a predefined table.

(A2)別の方法として、制御系調整器16は、外乱推定器14で推定した推定外乱値の周波数成分分析の結果から、第1の主成分f1と第2の主成分f2を識別し、f1<f<f2となるフィルタ帯域fを各制御軸別のローパスフィルタ141、151に設定してもよい。 (A2) As another method, the control system adjuster 16 may identify the first principal component f1 and the second principal component f2 from the results of the frequency component analysis of the estimated disturbance value estimated by the disturbance estimator 14, and set a filter band f such that f1<f<f2 to the low-pass filters 141, 151 for each control axis.

制御系調整器16は、ローパスフィルタ141、151のフィルタ帯域の設定に加え、制御目的に応じてパラメータを調整する。 The control system adjuster 16 adjusts the parameters according to the control purpose in addition to setting the filter bands of the low-pass filters 141 and 151.

(制御目的:揺動抑制重視の場合)
(B)制御系調整器16は、外乱推定器14と非干渉制御器15の両方をONとする。つまり、制御系調整器16は、出力ゲイン142と出力ゲイン152の値を1に設定する。これにより、外乱による揺動と制御軸間の干渉による揺動の両方が抑制され、水中航走体1の揺動が抑制される。
(Control objective: When emphasis is placed on suppressing oscillation)
(B) The control system adjuster 16 turns on both the disturbance estimator 14 and the decoupling controller 15. That is, the control system adjuster 16 sets the values of the output gain 142 and the output gain 152 to 1. As a result, both the oscillation due to the disturbance and the oscillation due to the interference between the control axes are suppressed, and the oscillation of the underwater vehicle 1 is suppressed.

(制御目的:省エネルギー重視の場合)
(C)制御系調整器16は、外乱推定器14の出力ゲイン142、非干渉制御器15の出力ゲイン152を、揺動の周波数、補償舵角の周波数や補償舵角の大きさ等に基づいて0~1の間で調整する。
(Control objective: When emphasis is placed on energy conservation)
(C) The control system adjuster 16 adjusts the output gain 142 of the disturbance estimator 14 and the output gain 152 of the decoupling controller 15 between 0 and 1 based on the oscillation frequency, the frequency of the compensation steering angle, the magnitude of the compensation steering angle, etc.

(C1)制御系調整器16は、揺動が高周波となる場合には、その揺動に対応するアクチュエータについての非干渉制御器15の出力ゲイン152を1より小さい値に設定する。揺動が高周波となる場合とは、評価指標値“(3)揺動周波数成分の評価値”から得られる上記の第1の主成分f1と第2の主成分f2のうちのf2のピーク値が所定の閾値以上となる場合である。揺動が高周波となる場合には、軸間干渉に対する補償により揺動が起こることが多いことが分かっている。従って、非干渉制御器15の出力ゲイン152を低下させ、非干渉制御の悪影響を低減する。例えば、深度方向(縦方向)の揺動に関し、f2のピーク値が閾値を超過した場合、深度方向の制御に用いる舵への補償舵角に対する出力ゲイン152の値を1未満とする。なお、具体的な出力ゲイン152の値は、例えば、事前にf2の周波数およびピーク値と出力ゲイン152の関係を定めたテーブルを作成しておき、出力ゲイン152の値を調整する直前の所定期間(例えば、5分や10分)に計測された揺動の周波数成分分析結果の主成分f2と、事前に作成したテーブルに基づいて出力ゲイン152を設定してもよい。 (C1) When the oscillation becomes high frequency, the control system adjuster 16 sets the output gain 152 of the decoupling controller 15 for the actuator corresponding to the oscillation to a value smaller than 1. When the oscillation becomes high frequency, the peak value of f2 of the first principal component f1 and the second principal component f2 obtained from the evaluation index value "(3) Evaluation value of oscillation frequency component" becomes equal to or greater than a predetermined threshold value. When the oscillation becomes high frequency, it is known that oscillation often occurs due to compensation for inter-axis interference. Therefore, the output gain 152 of the decoupling controller 15 is lowered to reduce the adverse effects of decoupling control. For example, when the peak value of f2 for the oscillation in the depth direction (vertical direction) exceeds the threshold value, the value of the output gain 152 for the compensation rudder angle for the rudder used for control in the depth direction is set to less than 1. In addition, the specific value of the output gain 152 may be determined, for example, by creating a table in advance that defines the relationship between the frequency and peak value of f2 and the output gain 152, and setting the output gain 152 based on the principal component f2 of the frequency component analysis result of the fluctuation measured during a predetermined period (e.g., 5 minutes or 10 minutes) immediately before adjusting the value of the output gain 152, and the table created in advance.

(C2)制御系調整器16は、評価指標値“(4)アクチュエータ補償量の評価値”に基づいて、外乱推定器14が出力する外乱補償値と非干渉制御器15が出力する非干渉補償値のそれぞれについて、揺動の場合と同様に上位2つの主要な周波数成分f1、f2(f1<f2)を識別する。そして、制御系調整器16は、外乱補償値のf2と非干渉補償値f2のうちピーク値が大きい方の補償器の出力ゲインを1より小さい値(例えば0でも良い。)とする。例えば、ある制御軸方向(例えば、深度)について算出された外乱補償値の主成分f2をf214、非干渉補償値の主成分f2をf215としたときに、f214のピーク値<f215のピーク値が成立すれば、出力ゲイン152に1より小さい値を設定する。反対にf214のピーク値>f215のピーク値が成立すれば、出力ゲイン142に1より小さい値を設定する。出力ゲイン142や出力ゲイン152の具体的な値は、例えば、事前に外乱推定器14と非干渉制御器15のそれぞれについて個別に定めたf2の周波数およびピーク値と出力ゲインの大きさの関係を示すテーブルに基づいて決定する。これにより、舵の頻繁動作を招く補償値を小さくまたは0とすることができ、省エネルギー性能を向上することができる。 (C2) The control system adjuster 16 identifies the top two main frequency components f1, f2 (f1<f2) for each of the disturbance compensation value output by the disturbance estimator 14 and the non-interference compensation value output by the non-interference controller 15 based on the evaluation index value "(4) Evaluation value of actuator compensation amount", in the same manner as in the case of oscillation. Then, the control system adjuster 16 sets the output gain of the compensator having the larger peak value between the disturbance compensation value f2 and the non-interference compensation value f2 to a value smaller than 1 (for example, it may be 0). For example, when the principal component f2 of the disturbance compensation value calculated for a certain control axis direction (for example, depth) is f214 and the principal component f2 of the non-interference compensation value is f215 , if the peak value of f214 <the peak value of f215 is satisfied, the output gain 152 is set to a value smaller than 1. Conversely, if the peak value of f214 >the peak value of f215 is satisfied, the output gain 142 is set to a value smaller than 1. Specific values of the output gain 142 and the output gain 152 are determined, for example, based on a table showing the relationship between the frequency and peak value of f2 and the magnitude of the output gain, which are determined in advance individually for each of the disturbance estimator 14 and the decoupling controller 15. This makes it possible to reduce or set to zero the compensation value that causes frequent rudder operation, thereby improving energy saving performance.

(C3)制御系調整器16は、評価指標値“(2)アクチュエータ動作評価値”に基づいて、外乱推定器14が出力する外乱補償値(例えば、補償舵角の絶対値積分)と非干渉制御器15が出力する非干渉補償値(補償舵角の絶対値積分)のうち値が大きい方の出力ゲインを(C2)の場合と同様にして設定する。例えば、制御系調整器16は、外乱補償値>非干渉補償値であれば、出力ゲイン142に1より小さい値を設定し、外乱補償値>非干渉補償値であれば、出力ゲイン152に1より小さい値を設定する。アクチュエータ動作の増大に寄与する補償器の動作を抑制することで、省エネルギー性能を向上することができる。 (C3) Based on the evaluation index value "(2) actuator operation evaluation value", the control system adjuster 16 sets the output gain of the larger of the disturbance compensation value (e.g., the integral of the absolute value of the compensation steering angle) output by the disturbance estimator 14 and the non-interference compensation value (the integral of the absolute value of the compensation steering angle) output by the non-interference controller 15 in the same manner as in (C2). For example, if the disturbance compensation value > the non-interference compensation value, the control system adjuster 16 sets the output gain 142 to a value smaller than 1, and if the disturbance compensation value > the non-interference compensation value, the control system adjuster 16 sets the output gain 152 to a value smaller than 1. By suppressing the operation of the compensator that contributes to an increase in actuator operation, it is possible to improve energy saving performance.

(C4)制御系調整器16は、省エネルギー重視での運転中に、評価指標値”(1)揺動評価値”に基づいて、船体の方位角やロール角が、ある閾値以上揺動している場合は、非干渉制御器15の出力ゲイン152を自動的に1とする。方位角やロール角が大きく変化する場合、船体には横からの波が入っている条件となる。この場合は、方位角、ロール角の揺動(外乱)に対する制御が、深度、ピッチ角の制御に干渉するため、横方向の揺動がある閾値以上となった場合は、非干渉制御を自動的にONとする。 (C4) During operation with emphasis on energy saving, the control system adjuster 16 automatically sets the output gain 152 of the decoupling controller 15 to 1 if the azimuth angle or roll angle of the hull sways above a certain threshold based on the evaluation index value "(1) Oscillation evaluation value". If the azimuth angle or roll angle changes significantly, this means that the hull is receiving waves from the side. In this case, the control of the azimuth angle and roll angle sway (disturbance) interferes with the control of the depth and pitch angle, so if the lateral sway exceeds a certain threshold, the decoupling control is automatically turned on.

(C5)制御系調整器16は、省エネルギー重視での運転中に、評価指標値”(2)アクチュエータ動作評価値“に基づいて、評価指標値(例えば、アクチュエータ動作速度の絶対値積分)が所定の閾値以上だったら、評価指標値と帯域調整ゲインの関係を定めた所定のテーブルに基づいて速度飽和補償器13のパラメータ(帯域調整ゲイン)を変更する。例えば、アクチュエータ動作が大きい状況において、帯域調整ゲインを上げることによって、省エネルギー性能を向上させることができる。 (C5) During operation with emphasis on energy saving, if the evaluation index value (e.g., the integral of the absolute value of the actuator operation speed) is equal to or greater than a predetermined threshold based on the evaluation index value "(2) actuator operation evaluation value", the control system adjuster 16 changes the parameter (band adjustment gain) of the speed saturation compensator 13 based on a predetermined table that defines the relationship between the evaluation index value and the band adjustment gain. For example, in a situation where the actuator operation is large, the energy saving performance can be improved by increasing the band adjustment gain.

パラメータ算出部17は、制御系調整器16による制御系の切り替えで調整対象となる各種パラメータの値を決定する為のテーブルを作成する。パラメータ算出部17は、外乱情報記憶部171と、シミュレーション評価部172と、を備えている。
外乱情報記憶部171は、水中航走体1の運転中に、出力ゲイン142を0とした状態で外乱推定器14が推定した各制御軸方向別の外乱を示す外乱情報(外乱の波形データ)を取得し、記憶する。
シミュレーション評価部172は、水中航走体1の動作や状態を模擬する船体モデルを有していて、水中航走体1に外乱を与えたときの揺動や、各補償器のパラメータに任意の値を設定して制御を行ったときの水中航走体1の状態を算出することができる。シミュレーション評価部172は、外乱情報記憶部171が記憶する外乱情報を船体モデルに入力し、外乱情報と同じ外乱を水中航走体1に加えたときの揺動を模擬する。また、シミュレーション評価部172は、船体モデルを用いて、模擬した揺動に対し、速度飽和補償器13の帯域調整ゲイン、外乱推定器14のローパスフィルタ141のフィルタ帯域と出力ゲイン142、非干渉制御器15のローパスフィルタ151のフィルタ帯域と出力ゲイン152のそれぞれに様々な値を設定して水中航走体1を運転したときの制御シミュレーションを実行し、各パラメータに設定した値の評価を行う。シミュレーション評価部172は、制御シミュレーション中に算出された揺動やアクチュエータ動作の情報から上述の(1)~(4)の評価指標値を計算し、例えば“(1)揺動状態の評価値”に基づいて揺動が収束するまでの時間(例えば、peak to peak値が閾値以下となるまでの時間)を算出し、“(2)アクチュエータ動作評価値”に基づいて制御実行中のアクチュエータの動作量を算出し、それぞれが所定の基準を満たす場合のパラメータの値を選択する。シミュレーション評価部172は、外乱情報記憶部171が記憶する外乱情報ごとに、各パラメータの値を選択し、その結果をテーブルに登録する。例えば、シミュレーション評価部172は、制御系の切り替え(A1)に関し、主成分f1、f2とローパスフィルタ141,151のフィルタ帯域fの関係を定めたテーブル、(C1)に関し主成分f2と出力ゲイン152の値を定めたテーブル、・・・などを作成する。シミュレーション評価部172は、水中航走体1の速度別に制御シミュレーションを行い、各テーブルを作成してもよい。そして、パラメータ算出部17は、シミュレーション評価部172が作成したテーブルを制御系調整器16へ出力する。制御系調整器16は、シミュレーション評価部172が作成したテーブルに基づいて、上記の制御系の切り替え(A1)~(C5)パラメータ調整を行う。事前にあらゆる種類の外乱を想定してパラメータのテーブルを準備しておくことは難しい。その一方で、例えば同じ海域であれば、所定時間に観測(実際には外乱推定器14により推定)された外乱と同様の外乱が定常的に発生する可能性が高い。パラメータ算出部17によれば、実際に水中航走体1が航行している海域の波浪に応じた外乱に対して適切なパラメータの値を用いて制御を行うことができる。
The parameter calculation unit 17 creates a table for determining values of various parameters to be adjusted when the control system is switched by the control system adjuster 16. The parameter calculation unit 17 includes a disturbance information storage unit 171 and a simulation evaluation unit 172.
The disturbance information memory unit 171 acquires and stores disturbance information (disturbance waveform data) indicating the disturbances for each control axis direction estimated by the disturbance estimator 14 with the output gain 142 set to 0 during operation of the underwater vehicle 1.
The simulation evaluation unit 172 has a hull model that simulates the operation and state of the underwater vehicle 1, and can calculate the oscillation when a disturbance is applied to the underwater vehicle 1, and the state of the underwater vehicle 1 when control is performed by setting any value to the parameters of each compensator. The simulation evaluation unit 172 inputs the disturbance information stored in the disturbance information storage unit 171 to the hull model, and simulates the oscillation when a disturbance identical to the disturbance information is applied to the underwater vehicle 1. The simulation evaluation unit 172 also uses the hull model to execute a control simulation when the underwater vehicle 1 is operated with various values set for the band adjustment gain of the speed saturation compensator 13, the filter band and output gain 142 of the low-pass filter 141 of the disturbance estimator 14, and the filter band and output gain 152 of the low-pass filter 151 of the decoupling controller 15, for the simulated oscillation, and evaluates the values set for each parameter. The simulation evaluation unit 172 calculates the above-mentioned evaluation index values (1) to (4) from the information on the oscillation and actuator operation calculated during the control simulation, and for example, calculates the time until the oscillation converges (for example, the time until the peak-to-peak value becomes equal to or less than a threshold value) based on "(1) the evaluation value of the oscillation state", calculates the operation amount of the actuator during control execution based on "(2) the actuator operation evaluation value", and selects the parameter value when each satisfies a predetermined criterion. The simulation evaluation unit 172 selects the value of each parameter for each disturbance information stored in the disturbance information storage unit 171, and registers the result in a table. For example, the simulation evaluation unit 172 creates a table that defines the relationship between the principal components f1, f2 and the filter band f of the low-pass filters 141, 151 for the switching of the control system (A1), a table that defines the value of the principal component f2 and the output gain 152 for (C1), and so on. The simulation evaluation unit 172 may perform a control simulation for each speed of the underwater vehicle 1 and create each table. Then, the parameter calculation unit 17 outputs the table created by the simulation evaluation unit 172 to the control system adjuster 16. The control system adjuster 16 adjusts the parameters for the above control system switching (A1) to (C5) based on the table created by the simulation evaluation unit 172. It is difficult to prepare a parameter table in advance assuming all kinds of disturbances. On the other hand, for example, in the same sea area, there is a high possibility that a disturbance similar to the disturbance observed at a predetermined time (actually estimated by the disturbance estimator 14) will occur steadily. The parameter calculation unit 17 makes it possible to perform control using parameter values appropriate to disturbances corresponding to the waves of the sea area in which the underwater vehicle 1 is actually sailing.

(動作)
次に制御装置10の動作について説明する。
図4は、実施形態に係る制御システムの動作の一例を示すフローチャートである。
水中航走体1は運転中であり、ユーザ(操縦者)は、制御モード(揺動抑制重視、省エネルギー重視)を事前に制御装置10に指示しているとする。制御装置10は、テーブル作成を行うかどうかを判定する(ステップS1)。ユーザは、テーブル作成を行うかどうかの判断し、作成する場合には、その旨を制御装置10へ入力し、この入力に基づいて、制御装置10はステップS1の判定を行う。例えば、ユーザは、海域の変更や海象の変化などにより、波浪の変化が大きいような場合に、実際の波浪による外乱情報を得るためにテーブル作成指示を制御装置10へ入力する。事前に制御系調整器16が記憶している(標準的な)テーブルで対処できると考えられる場合、ユーザは、テーブル作成指示を行わない。テーブル作成指示が入力されると、制御装置10は、テーブル作成すると判定する。そうでない場合(ステップS1;No)には、ステップS5の処理へ進む。
(operation)
Next, the operation of the control device 10 will be described.
FIG. 4 is a flowchart showing an example of the operation of the control system according to the embodiment.
The underwater vehicle 1 is in operation, and the user (pilot) has instructed the control device 10 in advance to select a control mode (emphasis on suppressing oscillation, emphasis on energy saving). The control device 10 judges whether to create a table (step S1). The user judges whether to create a table, and if so, inputs that to the control device 10, and the control device 10 makes the judgment of step S1 based on this input. For example, when the change in ocean area or sea state causes a large change in waves, the user inputs a table creation instruction to the control device 10 to obtain disturbance information due to actual waves. If it is considered that the (standard) table stored in the control system adjuster 16 in advance can be used to deal with the situation, the user does not issue a table creation instruction. When the table creation instruction is input, the control device 10 judges that the table is to be created. If not (step S1; No), the process proceeds to step S5.

テーブル作成すると判定した場合(ステップS1;Yes)、まず制御系調整器16が、出力ゲイン142に0を設定する。外乱推定器14では、出力ゲイン142が0となった後も外乱推定処理は継続される。外乱推定器14は、時々刻々、深度方向の揺動を計測する深度計やピッチ角や方位角の揺動を検出するジャイロセンサが計測する計測値を取得し、制御軸方向別に外乱推定を行う(ステップS2)。外乱推定器14は、推定した外乱情報をパラメータ算出部17へ出力する。外乱情報記憶部171は、外乱推定器14から外乱情報を取得して記憶する。外乱情報記憶部171は、水中航走体1の速度と外乱情報とを対応付けて記憶してもよい。外乱情報の採取が終わると、制御系調整器16が、出力ゲイン142に1を設定する。次にシミュレーション評価部172が、推定された外乱情報を船体モデルに与えて、各種パラメータに様々な値を設定しながら制御シミュレーションを行い、制御系切り替え(A1)~(C5)で使用する評価指標値と対応付けて適切なパラメータを決定する(ステップS3)。次にシミュレーション評価部172は、決定したパラメータを登録したテーブルを作成する(ステップS4)。テーブルは、制御系切り替え(A1)~(C5)で設定するパラメータごとに作成される。例えば、制御系切り替え(A2)については、実際に観測(推定)された外乱の範囲で、外乱ごとの主成分f1および主成分f2とローパスフィルタ141のフィルタ帯域fを対応付けたテーブルと、主成分f1および主成分f2とローパスフィルタ151のフィルタ帯域fを対応付けたテーブルが作成される。制御系切り替え(C3)については、実際に観測(推定)された外乱に対する制御シミュレーションで得られた省エネルギー性能の低下を最も防ぐことができる出力ゲイン142や出力ゲイン152の値が登録されたテーブルが作成される。 When it is determined that the table is to be created (step S1; Yes), the control system adjuster 16 first sets the output gain 142 to 0. In the disturbance estimator 14, the disturbance estimation process continues even after the output gain 142 becomes 0. The disturbance estimator 14 acquires measurement values measured by a depth gauge that measures the swing in the depth direction and a gyro sensor that detects the swing of the pitch angle and azimuth angle from time to time, and performs disturbance estimation for each control axis direction (step S2). The disturbance estimator 14 outputs the estimated disturbance information to the parameter calculation unit 17. The disturbance information storage unit 171 acquires and stores the disturbance information from the disturbance estimator 14. The disturbance information storage unit 171 may store the speed of the underwater vehicle 1 in association with the disturbance information. When the collection of the disturbance information is completed, the control system adjuster 16 sets the output gain 142 to 1. Next, the simulation evaluation unit 172 provides the estimated disturbance information to the hull model, performs a control simulation while setting various values for various parameters, and determines appropriate parameters by associating them with the evaluation index values used in the control system switching (A1) to (C5) (step S3). Next, the simulation evaluation unit 172 creates a table in which the determined parameters are registered (step S4). A table is created for each parameter set in the control system switching (A1) to (C5). For example, for the control system switching (A2), a table is created in which the principal components f1 and f2 for each disturbance are associated with the filter band f of the low-pass filter 141, and a table is created in which the principal components f1 and f2 are associated with the filter band f of the low-pass filter 151 within the range of the actually observed (estimated) disturbance. For the control system switching (C3), a table is created in which the values of the output gain 142 and the output gain 152 that can best prevent a decrease in energy-saving performance obtained in the control simulation for the actually observed (estimated) disturbance are registered.

テーブルが作成されると、あるいはテーブルを作成しない場合、制御系調整器16は、機体20からセンサの計測値などを取得して、上記の(1)~(4)の評価指標値を算出する(ステップS5)。例えば、制御系調整器16は、一定期間(10分など)における(1)~(4)それぞれの評価指標値を算出する。次に制御系調整器16は、算出した評価指標値に基づいて、ローパスフィルタ141、151のフィルタ帯域fの調整(制御系切り替えの(A1)又は(A2))を行う(ステップS6)。次に制御系調整器16は、算出した評価指標値に基づいて、制御目的に応じたパラメータ調整を行う(ステップS7)。例えば、制御目的が揺動重視の場合、制御系調整器16は、制御系切り替えの(B)を行う。制御目的が省エネルギー重視の場合、制御系調整器16は、制御系切り替えの(C1)~(C5)を行う。 When the table is created, or when the table is not created, the control system adjuster 16 acquires sensor measurement values from the aircraft 20 and calculates the above evaluation index values (1) to (4) (step S5). For example, the control system adjuster 16 calculates each of the evaluation index values (1) to (4) for a certain period (e.g., 10 minutes). Next, the control system adjuster 16 adjusts the filter band f of the low-pass filters 141 and 151 (control system switching (A1) or (A2)) based on the calculated evaluation index values (step S6). Next, the control system adjuster 16 adjusts parameters according to the control objective based on the calculated evaluation index values (step S7). For example, when the control objective is to emphasize oscillation, the control system adjuster 16 performs control system switching (B). When the control objective is to emphasize energy saving, the control system adjuster 16 performs control system switching (C1) to (C5).

制御系調整器16は、ステップS6,S7の処理を一定期間(10分など)ごとに実行する。又は、制御系調整器16は、ステップS6,S7の処理を運転モード、制御目的、海域が変更になったタイミング、ユーザから指示されたタイミングで実行する。制御装置10は、ステップS1~S7の処理を繰り返し行う。 The control system adjuster 16 executes the processes of steps S6 and S7 at regular intervals (e.g., 10 minutes). Alternatively, the control system adjuster 16 executes the processes of steps S6 and S7 when the operation mode, control purpose, or sea area changes, or when instructed by the user. The control device 10 repeatedly executes the processes of steps S1 to S7.

なお、制御目的の設定は、ユーザが手動で切り替えてもよいし、制御系調整器16が(1)~(4)の評価指標値に基づいて自動的に切り替えてもよい。例えば、制御系調整器16は、省エネルギー重視での制御中に“(1)揺動状態の評価値”のPeak to Peak値が閾値を超過する時間の合計が所定時間より長くなると制御モードを揺動抑制重視に切り替えてもよい。又は、制御系調整器16は、揺動抑制重視での制御中に“(2)アクチュエータ動作評価値”が閾値を超過する時間の合計が所定時間より長くなると、制御モードを省エネルギー重視に切り替えてもよい。 The control objective setting may be switched manually by the user, or automatically by the control system adjuster 16 based on the evaluation index values (1) to (4). For example, the control system adjuster 16 may switch the control mode to one that emphasizes oscillation suppression when the total time during which the peak-to-peak value of "(1) oscillation state evaluation value" exceeds the threshold value becomes longer than a predetermined time during control with emphasis on energy saving. Alternatively, the control system adjuster 16 may switch the control mode to one that emphasizes oscillation suppression when the total time during which the "(2) actuator operation evaluation value" exceeds the threshold value becomes longer than a predetermined time during control with emphasis on oscillation suppression.

(効果)
以上説明したように、本実施形態によれば、外乱推定器14によって外乱の直接的な補償を行い、非干渉制御器15によって船体の干渉特性の中での揺動発生の抑制を行いつつ、速度飽和補償器13によってアクチュエータの急峻な動作は抑制し、それらを揺動状態に応じて適切なバランスで運用することで、揺動抑制とアクチュエータ動作の低減(省エネルギー化)の相反事象を両立することができる。また、揺動抑制性能と省エネルギー性能のバランスを任意に調整することができる。
(effect)
As described above, according to this embodiment, the disturbance estimator 14 performs direct compensation for disturbances, the decoupling controller 15 suppresses the occurrence of rocking within the interference characteristics of the hull, while the speed saturation compensator 13 suppresses sudden actuator operation, and these are operated in an appropriate balance according to the rocking state, making it possible to achieve both the contradictory phenomena of rocking suppression and reduced actuator operation (energy saving). In addition, the balance between rocking suppression performance and energy saving performance can be adjusted as desired.

上述の制御装置10は、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサ、主記憶装置、補助記憶装置などを備えるコンピュータに実装され、上述した各機能は、プロセッサが、補助記憶装置が記憶するプログラムを実行することにより実現される。プロセッサは、プログラムに従って、記憶領域を主記憶装置に確保する。プロセッサは、プログラムに従って、処理中のデータを記憶する記憶領域を補助記憶装置に確保する。なお、制御装置10の各処理のうち一部又は全部は、LSI(Large Scale Integration)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等のハードウェアが実行してもよい。 The above-mentioned control device 10 is implemented in a computer equipped with a processor such as a CPU (Central Processing Unit), a main storage device, an auxiliary storage device, etc., and each of the above-mentioned functions is realized by the processor executing a program stored in the auxiliary storage device. The processor secures a storage area in the main storage device according to the program. The processor secures a storage area in the auxiliary storage device for storing data being processed according to the program. Note that some or all of the processes of the control device 10 may be executed by hardware such as an LSI (Large Scale Integration), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), or an FPGA (Field-Programmable Gate Array).

以上のとおり、本開示に係るいくつかの実施形態を説明したが、これら全ての実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 As described above, several embodiments of the present disclosure have been described, but all of these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope of the invention and its equivalents as described in the claims, as well as in the scope and gist of the invention.

<付記>
各実施形態に記載の制御装置、水中航走体、制御方法及びプログラムは、例えば以下のように把握される。
<Additional Notes>
The control device, underwater vehicle, control method, and program described in each embodiment can be understood, for example, as follows.

(1)第1の態様に係る制御装置10は、船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するフィードバック制御器11と、前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出する非干渉制御器15と、前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出する外乱推定器14と、前記制御指令に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出する速度飽和補償器13と、前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、外乱推定器および速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを更新する制御系調整器16と、を有する。
これにより、揺動抑制性能と省エネルギー性能のバランスを調整することができる。
(1) The control device 10 of the first aspect comprises a feedback controller 11 that calculates a control command value based on the difference between the position of the hull and a target position, a decoupling controller 15 that calculates a decoupling compensation value for canceling out mutual interference between control axes of the hull, a disturbance estimator 14 that estimates the force of a disturbance acting on the hull and calculates a disturbance compensation value for canceling out the disturbance, a speed saturation compensator 13 that calculates a speed saturation compensation value such that speed saturation does not occur when the actuators of the hull are controlled based on the control command, and a control system adjuster 16 that updates at least one parameter of the decoupling controller, disturbance estimator and speed saturation compensator based on the swaying generated in the hull and/or the operation of the actuators.
This makes it possible to adjust the balance between sway suppression performance and energy saving performance.

(2)第2の態様に係る制御装置10は、(1)の制御装置であって、前記制御指令を前記速度飽和補償値によって補償する前記速度飽和補償器を含む第1の制御ループと、前記外乱補償値によって補償した前記制御指令を前記第1の制御ループへ与える前記外乱推定器を含む第2の制御ループと、前記非干渉補償値によって補償した前記制御指令を前記第2の制御ループへ与える前記非干渉制御器を含む第3の制御ループと、を有する。
これにより、適切に制御軸間の干渉を非干渉化することができ、その結果、効果的に外乱を抑制することができる。
(2) A control device 10 according to a second aspect is a control device according to (1), comprising: a first control loop including the speed saturation compensator that compensates the control command by the speed saturation compensation value; a second control loop including the disturbance estimator that provides the control command compensated by the disturbance compensation value to the first control loop; and a third control loop including the decoupling controller that provides the control command compensated by the decoupling compensation value to the second control loop.
This makes it possible to appropriately eliminate interference between the control axes, and as a result, it is possible to effectively suppress disturbances.

(3)第3の態様に係る制御装置は、(1)~(2)の制御装置であって、前記船体の揺動の周波数成分分析の結果に基づいて、上位2つの主成分を選択し、前記2つの主成分の間の周波数を前記外乱推定器が備えるローパスフィルタおよび前記非干渉制御器が備えるローパスフィルタのフィルタ帯域に設定する。
これにより、揺動抑制とアクチュエータ動作の低減(省エネルギー化)の相反事象を両立することができる。
(3) A control device according to a third aspect is a control device of (1) to (2), which selects the top two principal components based on the results of a frequency component analysis of the hull's rolling motion, and sets the frequency between the two principal components to the filter band of a low-pass filter provided in the disturbance estimator and a low-pass filter provided in the decoupling controller.
This makes it possible to achieve both the contradictory goals of suppressing oscillation and reducing actuator operation (energy saving).

(4)第4の態様に係る制御装置は、(1)~(3)の制御装置であって、前記制御系調整器は、制御目的が揺動抑制の場合、前記外乱推定器が備える出力ゲインおよび前記非干渉制御器が備える出力ゲインの値に1を設定する。
これにより、揺動を抑制することができる。
(4) A control device according to a fourth aspect is a control device of (1) to (3), wherein when a control objective is to suppress fluctuations, the control system adjuster sets the values of the output gain provided by the disturbance estimator and the output gain provided by the decoupling controller to 1.
This makes it possible to suppress the oscillation.

(5)第5の態様に係る制御装置は、(1)~(4)の制御装置であって、前記制御系調整器は、制御目的が省エネルギー化の場合、前記外乱推定器が備える出力ゲインまたは前記非干渉制御器が備える出力ゲインの値に1より小さい値を設定する。
これにより、アクチュエータ動作を抑制することができる。
(5) A control device according to a fifth aspect is a control device according to any one of (1) to (4), wherein when a control objective is energy saving, the control system adjuster sets a value smaller than 1 to the output gain of the disturbance estimator or the output gain of the decoupling controller.
This makes it possible to suppress the actuator operation.

(6)第6の態様に係る制御装置は、(5)の制御装置であって、前記制御系調整器は、制御目的が省エネルギー化の場合、前記船体の揺動の周波数解析の結果に基づいて、上位2つの主成分を選択し、そのうち周波数が高い成分の周波数が閾値以上の場合、前記非干渉制御器が備える出力ゲインの値に1より小さい値を設定する。
非干渉制御器が出力する補償値の影響による過剰なアクチュエータ動作を抑制することができる。
(6) A control device according to a sixth aspect is the control device of (5), wherein, when the control objective is energy saving, the control system adjuster selects the top two principal components based on the results of frequency analysis of the hull's rocking, and when the frequency of the higher frequency component is equal to or higher than a threshold, sets the output gain value of the decoupling controller to a value less than 1.
It is possible to suppress excessive actuator operation caused by the influence of the compensation value output by the decoupling controller.

(7)第7の態様に係る制御装置は、(5)~(6)の制御装置であって、前記制御系調整器は、制御目的が省エネルギー化の場合、前記外乱補償値の高周波成分が前記非干渉補償値の高周波成分より大きいか又は前記外乱補償値が前記非干渉補償値より大きい場合、前記外乱推定器の出力ゲインの値に1より小さい値を設定し、前記非干渉補償値の高周波成分が前記外乱補償値の高周波成分より大きいか又は前記非干渉補償値が前記外乱補償値より大きい場合、前記非干渉制御器の出力ゲインの値に1より小さい値を設定する。
これにより、アクチュエータ動作を大きくする原因となる補償値の影響を低減し、省エネルギー性能を向上することができる。
(7) A control device according to a seventh aspect is the control device of (5) to (6), wherein the control system adjuster, when a control objective is energy saving, sets a value of an output gain of the disturbance estimator to a value smaller than 1 when a high frequency component of the disturbance compensation value is larger than a high frequency component of the non-interference compensation value or the disturbance compensation value is larger than the non-interference compensation value, and sets a value of an output gain of the non-interference controller to a value smaller than 1 when the high frequency component of the non-interference compensation value is larger than the high frequency component of the disturbance compensation value or the non-interference compensation value is larger than the disturbance compensation value.
This reduces the effect of the compensation value that causes the actuator operation to become large, and improves energy saving performance.

(8)第8の態様に係る制御装置は、(5)~(7)の制御装置であって、前記制御系調整器は、制御目的が省エネルギー化の場合、船体の方位角またはロール角が、所定の閾値以上揺動している場合、前記非干渉制御器の出力ゲインを1とする。
軸間干渉が生じる状況では、省エネルギー化を目的とする制御下でも、非干渉制御器をONとし、軸間干渉を抑制する。
(8) A control device according to an eighth aspect is a control device according to any one of (5) to (7), wherein when the control objective is energy saving, the control system adjuster sets the output gain of the decoupling controller to 1 when the azimuth angle or roll angle of the hull is fluctuating by more than a predetermined threshold value.
In a situation where inter-axis interference occurs, even under control aimed at energy saving, the de-interference controller is turned ON to suppress inter-axis interference.

(9)第9の態様に係る制御装置は、(1)~(8)の制御装置であって、前記制御系調整器は、省エネルギー制御を向上させる場合、速度飽和を補償する作用が強くなるように速度飽和補償器のパラメータを調整する。
これにより、アクチュエータの急峻な動作を抑制し、省エネルギー性能を向上することができる。
(9) A control device according to a ninth aspect is a control device of (1) to (8), wherein the control system adjuster adjusts parameters of the speed saturation compensator so as to enhance the effect of compensating for speed saturation when improving energy saving control.
This makes it possible to suppress sudden movements of the actuator and improve energy saving performance.

(10)第10の態様に係る制御装置は、(1)~(9)の制御装置であって、前記外乱推定器が推定した外乱に基づいて、前記船体に生じる揺動を算出し、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つの前記パラメータに様々な値を設定しつつ、算出した前記揺動に対して前記船体を制御するシミュレーションを実行し、前記シミュレーション結果に基づいて、前記パラメータの値を評価して、様々に設定した前記パラメータの値のうち、所定の基準を満たす値を決定するパラメータ算出部、をさらに有する。
これにより、非干渉制御器、外乱推定器および速度飽和補償器のパラメータに適切な値を設定することができる。
(10) A control device according to a tenth aspect is a control device of (1) to (9), further comprising a parameter calculation unit that calculates a swaying motion occurring in the hull based on the disturbance estimated by the disturbance estimator, executes a simulation to control the hull against the calculated swaying motion while setting various values for at least one of the parameters of the decoupling controller, the disturbance estimator and the speed saturation compensator, evaluates the values of the parameters based on the simulation results, and determines a value that satisfies a predetermined criterion from among the variously set values of the parameter.
This makes it possible to set appropriate values for the parameters of the decoupling controller, the disturbance estimator, and the speed saturation compensator.

(11)第11の態様に係る水中航走体は、(1)~(10)の何れか1つに記載の制御装置を備える。 (11) The underwater vehicle according to the eleventh aspect is equipped with a control device according to any one of (1) to (10).

(12)第12の態様に係る制御方法は、非干渉制御器と、外乱推定器と、速度飽和補償器と、を有する制御装置によって実行される制御方法であって、船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するステップと、前記非干渉制御器が、前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出するステップと、前記外乱推定器が、前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出するステップと、前記速度飽和補償器が、前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出するステップと、前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整するステップと、を有する。 (12) The control method according to the twelfth aspect is a control method executed by a control device having a decoupling controller, a disturbance estimator, and a speed saturation compensator, and includes the steps of: calculating a control command value based on the difference between the position of the hull and a target position; the decoupling controller calculating a decoupling compensation value for canceling mutual interference between the control axes of the hull; the disturbance estimator estimating the force of a disturbance acting on the hull and calculating a disturbance compensation value for canceling the disturbance; the speed saturation compensator calculating a speed saturation compensation value such that speed saturation does not occur when the actuators of the hull are controlled based on the control command value; and adjusting at least one parameter of the decoupling controller, the disturbance estimator, and the speed saturation compensator based on the swaying generated in the hull and/or the operation of the actuators.

1・・・水中航走体、10・・・制御装置、11・・・FB制御器、12・・・アクチュエータ制御系、13・・・速度飽和補償器、14・・・外乱推定器、15・・・非干渉制御器、16・・・制御系調整器、17・・・パラメータ算出部、171・・・外乱情報記憶部、172・・・シミュレーション評価部 1: Underwater vehicle, 10: Control device, 11: FB controller, 12: Actuator control system, 13: Speed saturation compensator, 14: Disturbance estimator, 15: Non-interference controller, 16: Control system adjuster, 17: Parameter calculation unit, 171: Disturbance information storage unit, 172: Simulation evaluation unit

Claims (12)

船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するフィードバック制御器と、
前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出する非干渉制御器と、
前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出する外乱推定器と、
前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出する速度飽和補償器と、
前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整する制御系調整器と、
を有し、
前記船体の揺動の周波数成分分析の結果に基づいて、上位2つの主成分を選択し、前記2つの主成分の間の周波数を前記外乱推定器が備えるローパスフィルタおよび前記非干渉制御器が備えるローパスフィルタのフィルタ帯域に設定する、
制御装置。
a feedback controller that calculates a control command value based on a difference between a vessel position and a target position;
a decoupling controller for calculating a decoupling compensation value for canceling mutual interference between the control axes of the hull;
a disturbance estimator that estimates a disturbance force acting on the hull and calculates a disturbance compensation value for canceling the disturbance;
a speed saturation compensator that calculates a speed saturation compensation value that prevents speed saturation from occurring when the actuator of the hull is controlled based on the control command value; and
a control system adjuster that adjusts at least one parameter of the decoupling controller, the disturbance estimator, and the speed saturation compensator based on the rocking motion generated in the hull and/or the operation of the actuator;
having
based on the result of the frequency component analysis of the hull pitching, select top two principal components, and set a frequency between the two principal components as a filter band of a low-pass filter included in the disturbance estimator and a low-pass filter included in the decoupling controller;
Control device.
船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するフィードバック制御器と、
前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出する非干渉制御器と、
前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出する外乱推定器と、
前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出する速度飽和補償器と、
前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整する制御系調整器と、
を有し、
前記制御系調整器は、制御目的が揺動抑制の場合、前記外乱推定器が備える出力ゲインおよび前記非干渉制御器の出力ゲインの値に1を設定する、
制御装置。
a feedback controller that calculates a control command value based on a difference between a vessel position and a target position;
a decoupling controller for calculating a decoupling compensation value for canceling mutual interference between the control axes of the hull;
a disturbance estimator that estimates a disturbance force acting on the hull and calculates a disturbance compensation value for canceling the disturbance;
a speed saturation compensator that calculates a speed saturation compensation value that prevents speed saturation from occurring when the actuator of the hull is controlled based on the control command value; and
a control system adjuster that adjusts at least one parameter of the decoupling controller, the disturbance estimator, and the speed saturation compensator based on the rocking motion generated in the hull and/or the operation of the actuator;
having
When a control objective is to suppress fluctuations, the control system adjuster sets a value of an output gain of the disturbance estimator and an output gain of the decoupling controller to 1.
Control device.
船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するフィードバック制御器と、
前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出する非干渉制御器と、
前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出する外乱推定器と、
前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出する速度飽和補償器と、
前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整する制御系調整器と、
を有し、
前記制御系調整器は、制御目的が省エネルギー化の場合、前記外乱推定器が備える出力ゲインまたは前記非干渉制御器の出力ゲインの値に1より小さい値を設定する、
制御装置。
a feedback controller that calculates a control command value based on a difference between a vessel position and a target position;
a decoupling controller for calculating a decoupling compensation value for canceling mutual interference between the control axes of the hull;
a disturbance estimator that estimates a disturbance force acting on the hull and calculates a disturbance compensation value for canceling the disturbance;
a speed saturation compensator that calculates a speed saturation compensation value that does not cause speed saturation when the actuator of the hull is controlled based on the control command value; and
a control system adjuster that adjusts at least one parameter of the decoupling controller, the disturbance estimator, and the speed saturation compensator based on the rocking motion generated in the hull and/or the operation of the actuator; and
having
When a control objective is energy saving, the control system adjuster sets a value smaller than 1 to a value of an output gain of the disturbance estimator or an output gain of the decoupling controller.
Control device.
前記制御系調整器は、前記船体の揺動の周波数解析の結果に基づいて、上位2つの主成分を選択し、そのうち周波数が高い成分の周波数が閾値以上の場合、前記非干渉制御器の出力ゲインの値に1より小さい値を設定する、
請求項に記載の制御装置。
the control system adjuster selects two top principal components based on the result of the frequency analysis of the hull pitch, and when the frequency of the higher frequency component is equal to or higher than a threshold, sets a value smaller than 1 to the output gain of the decoupling controller;
The control device according to claim 3 .
前記制御系調整器は、前記外乱補償値の高周波成分のピーク値が前記非干渉補償値の高周波成分のピーク値より大きいか又は前記外乱補償値が前記非干渉補償値より大きい場合、前記外乱推定器の出力ゲインの値に1より小さい値を設定し、
前記非干渉補償値の高周波成分のピーク値が前記外乱補償値の高周波成分のピーク値より大きいか又は前記非干渉補償値が前記外乱補償値より大きい場合、前記非干渉制御器の出力ゲインの値に1より小さい値を設定する、
請求項または請求項に記載の制御装置。
the control system adjuster sets a value smaller than 1 to an output gain of the disturbance estimator when a peak value of a high frequency component of the disturbance compensation value is larger than a peak value of a high frequency component of the non-interference compensation value or when the disturbance compensation value is larger than the non-interference compensation value;
When the peak value of the high frequency component of the non-interference compensation value is greater than the peak value of the high frequency component of the disturbance compensation value or when the non-interference compensation value is greater than the disturbance compensation value, a value smaller than 1 is set as the output gain of the non-interference controller.
The control device according to claim 3 or 4 .
前記制御系調整器は、船体の方位角またはロール角が、所定の閾値以上揺動している場合、前記非干渉制御器の出力ゲインを1とする、
請求項から請求項の何れか1項に記載の制御装置。
The control system adjuster sets the output gain of the decoupling controller to 1 when the azimuth angle or roll angle of the ship's hull is fluctuating by a predetermined threshold value or more.
The control device according to any one of claims 3 to 5 .
前記制御系調整器は、省エネルギー制御を向上させる場合、速度飽和を補償する作用が強くなるように速度飽和補償器のパラメータを調整する、
請求項1から請求項の何れか1項に記載の制御装置。
When the control system adjuster is configured to improve the energy saving control, the control system adjuster adjusts the parameters of the speed saturation compensator so as to enhance the action of compensating for the speed saturation.
The control device according to any one of claims 1 to 6 .
前記外乱推定器が推定した外乱に基づいて、前記船体に生じる揺動を算出し、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータに様々な値を設定しつつ、算出した前記揺動に対して前記船体を制御するシミュレーションを実行し、前記シミュレーション結果に基づいて、前記パラメータの値を評価して、様々に設定した前記パラメータの値のうち、所定の基準を満たす値を決定するパラメータ算出部、
をさらに有する請求項1から請求項の何れか1項に記載の制御装置。
a parameter calculation unit which calculates a rolling motion generated in the hull based on the disturbance estimated by the disturbance estimator, executes a simulation for controlling the hull in response to the calculated rolling motion while setting various values for at least one parameter of the decoupling controller, the disturbance estimator and the speed saturation compensator, evaluates values of the parameters based on the results of the simulation, and determines a value that satisfies a predetermined criterion from among the variously set values of the parameters;
The control device according to any one of claims 1 to 7 , further comprising:
前記制御指令値を前記速度飽和補償値によって補償する前記速度飽和補償器を含む第1の制御ループと、前記外乱補償値によって補償した前記制御指令値を前記第1の制御ループへ与える前記外乱推定器を含む第2の制御ループと、前記非干渉補償値によって補償した前記制御指令値を前記第2の制御ループへ与える前記非干渉制御器を含む第3の制御ループと、
を有する請求項1から請求項8の何れか1項に記載の制御装置。
a first control loop including the speed saturation compensator that compensates the control command value by the speed saturation compensation value, a second control loop including the disturbance estimator that provides the control command value compensated by the disturbance compensation value to the first control loop, and a third control loop including the decoupling controller that provides the control command value compensated by the decoupling compensation value to the second control loop;
The control device according to any one of claims 1 to 8, further comprising:
請求項1から請求項の何れか1項に記載の制御装置を備える水中航走体。 An underwater vehicle comprising the control device according to any one of claims 1 to 9 . 非干渉制御器と、外乱推定器と、速度飽和補償器と、を有する制御装置によって実行される制御方法であって、
船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するステップと、
前記非干渉制御器が、前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出するステップと、
前記外乱推定器が、前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出するステップと、
前記速度飽和補償器が、前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出するステップと、
前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整するステップと、
を有し、
前記パラメータを調整するステップでは、前記船体の揺動の周波数成分分析の結果に基づいて、上位2つの主成分を選択し、前記2つの主成分の間の周波数を前記外乱推定器が備えるローパスフィルタおよび前記非干渉制御器が備えるローパスフィルタのフィルタ帯域に設定する、
制御方法。
A control method implemented by a control device having a decoupling controller, a disturbance estimator, and a speed saturation compensator, comprising the steps of:
calculating a control command value based on a difference between a vessel position and a target position;
a step of the decoupling controller calculating a decoupling compensation value for canceling mutual interference between the control axes of the hull;
a disturbance estimator estimating a disturbance force acting on the hull and calculating a disturbance compensation value for canceling the disturbance;
a step of calculating a speed saturation compensation value such that speed saturation does not occur when the speed saturation compensator controls the actuators of the hull based on the control command value;
adjusting a parameter of at least one of the decoupling controller, the disturbance estimator and the speed saturation compensator based on the rocking motion generated in the hull and/or the operation of the actuator;
having
In the step of adjusting the parameters, two principal components are selected based on the result of the frequency component analysis of the rolling motion of the hull, and a frequency between the two principal components is set to a filter band of a low-pass filter provided in the disturbance estimator and a low-pass filter provided in the decoupling controller.
Control methods.
非干渉制御器と、外乱推定器と、速度飽和補償器と、を有する制御装置によって実行される制御方法であって、
船体の位置と目標位置との差に基づいて制御指令値を算出するステップと、
前記非干渉制御器が、前記船体の制御軸間の相互干渉を打ち消すための非干渉補償値を算出するステップと、
前記外乱推定器が、前記船体の作用する外乱の力を推定し、前記外乱を打ち消すための外乱補償値を算出するステップと、
前記速度飽和補償器が、前記制御指令値に基づいて前記船体のアクチュエータを制御したときに速度飽和が生じないような速度飽和補償値を算出するステップと、
前記船体に生じる揺動および/または前記アクチュエータの動作に基づいて、前記非干渉制御器、前記外乱推定器および前記速度飽和補償器のうちの少なくとも1つのパラメータを調整するステップと、
を有し、
前記パラメータを調整するステップでは、
制御目的が揺動抑制の場合、前記外乱推定器が備える出力ゲインおよび前記非干渉制御器の出力ゲインの値に1を設定し、
制御目的が省エネルギー化の場合、前記外乱推定器が備える出力ゲインまたは前記非干渉制御器の出力ゲインの値に1より小さい値を設定する、
制御方法。
A control method implemented by a control device having a decoupling controller, a disturbance estimator, and a speed saturation compensator, comprising the steps of:
calculating a control command value based on a difference between a vessel position and a target position;
a step of the decoupling controller calculating a decoupling compensation value for canceling mutual interference between the control axes of the hull;
a disturbance estimator estimating a disturbance force acting on the hull and calculating a disturbance compensation value for canceling the disturbance;
a step of calculating a speed saturation compensation value such that speed saturation does not occur when the speed saturation compensator controls the actuators of the hull based on the control command value;
adjusting a parameter of at least one of the decoupling controller, the disturbance estimator and the speed saturation compensator based on the rocking motion generated in the hull and/or the operation of the actuator;
having
In the step of adjusting the parameters,
When the control objective is to suppress fluctuations, the output gain of the disturbance estimator and the output gain of the decoupling controller are set to 1;
When the control objective is energy saving, a value smaller than 1 is set to the output gain of the disturbance estimator or the output gain of the decoupling controller.
Control methods.
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