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JP7709898B2 - Automatic Steering System for Ships - Google Patents
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Automatic Steering System for Ships

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Description

本発明は、船舶を自動操舵する技術に関する。 The present invention relates to technology for automatically steering a ship.

近年、陸、海、空、更には海中を移動する移動体を対象とした自律化が活発に開発されている。自律化された移動体の用途は、運搬、調査、探索、救難など多岐にわたる。自律化された移動体の身近な例としては、室内を自律的に移動して清掃するロボット掃除機が挙げられる。このような自律化された移動体は、指令者が目的や目標地を与えることによって、軌道計画の立案と実施や、姿勢、速度、位置などの制御がコンピュータにより管理、制御される。 In recent years, there has been active development of autonomous vehicles that move on land, sea, air, and even underwater. The uses of autonomous vehicles are diverse, including transportation, investigation, exploration, and rescue. A familiar example of an autonomous vehicle is a robot vacuum cleaner that moves autonomously around a room to clean. A commander gives such an autonomous vehicle a purpose and destination, and the vehicle's trajectory planning and execution, as well as the control of its attitude, speed, position, and other aspects are managed and controlled by a computer.

自律化された船舶である自律船においても、上述した移動体と同様の制御が行われる。自律化船に関する技術は、大別して、離着桟、追尾、回避のいずれかの動作制御に分類される。自律化船に関する制御技術としては、制御対象とする船舶を、出発地における停止状態から移動し、途中で旋回し、そして目的地で停船するように制御する技術が知られている。このような技術は、多くの船舶に適応可能な汎用性をもつことも重要である。 Autonomous ships, which are ships that have been made autonomous, are also controlled in the same way as the mobile bodies described above. Technologies related to autonomous ships can be broadly categorized into motion control for docking and undocking, tracking, and avoidance. Known control technologies for autonomous ships include technologies that control the ship to be controlled to move from a stopped state at the departure point, turn along the way, and stop at the destination. It is also important that such technologies are versatile enough to be applicable to many ships.

周知のとおり、船舶は他の航行体と比べて慣性力が大きく制動力が弱く、低速時における流体からの抵抗力が極めて小さくなる特徴をもつ。そのため、自律化船の基幹要素のひとつとして、船体位置決め制御(SPC:Ship Positioning Control)が挙げられる。SPCは与えられた計画航路、航行速度や旋回条件を実現する参照軌道を計画し、それに船体位置を追従させるものであり、船体位置保持システム(DPS:Dynamic Positioning System)を拡張したものである。 As is well known, ships have larger inertia and weaker braking forces than other navigational bodies, and are characterized by extremely small resistance from fluids at low speeds. For this reason, ship positioning control (SPC) is one of the core elements of autonomous ships. SPC plans a reference trajectory that achieves a given planned route, sailing speed, and turning conditions, and tracks the ship's position against this, and is an extension of the dynamic positioning system (DPS).

DPSを用いずに、任意の船首方位、船体位置が保持されるように船舶を停船させることは難しい。非特許文献1に記載される技術は、DPSを用いて停船制御を実現している。なお、SPCを用いた非特許文献2に記載される技術によれば、参照速度の減速に船速が遅れて追従するために、船舶が到達地を通り越してしまう、という問題が生じる。 It is difficult to stop a ship so that a desired heading and hull position are maintained without using a DPS. The technology described in Non-Patent Document 1 achieves stopping control using a DPS. However, with the technology described in Non-Patent Document 2, which uses an SPC, the ship speed follows the deceleration of the reference speed with a delay, which causes the ship to overshoot its destination.

田丸人意,萩原秀樹,吉田秀樹,田崎哲夫,宮部宏彰,“海翔丸の自動着桟システムの開発とその性能評価”,日本航海学会論文集,2005,113:157-164Hitoshi Tamaru, Hideki Hagiwara, Hideki Yoshida, Tetsuo Tazaki, Hiroaki Miyabe, "Development of an automatic docking system for the Kaisho Maru and its performance evaluation", Journal of the Japan Institute of Navigation, 2005, 113: 157-164 羽根冬希,“離着桟技術に船体位置決め制御を用いた設計”,日本船舶海洋工学会講演会論文集,2021年3月,(32):1-9Fuyuki Hane, "Design of Berthing and Unberthing Technology Using Ship Positioning Control", Proceedings of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers Conference, March 2021, (32): 1-9 羽根冬希,“非干渉化と経路順序による船位保持装置の設計”,日本船舶海洋工学会講演会論文集,2020年5月,(30):33-41Fuyuki Hane, "Design of a ship positioning system based on non-interference and route sequence", Proceedings of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers Conference, May 2020, (30): 33-41 羽根冬希,“方位初期条件および操舵機制約を考慮した参照信号の設計: 船体の変針操縦への適用”,計測自動制御学会論文集,2008年,44(4):333-342Fuyuki Hane, “Design of Reference Signal Considering Heading Initial Condition and Steering Gear Constraints: Application to Course Maneuvering of a Ship”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, 2008, 44(4): 333-342 羽根冬希,“航路保持システムのための保針制御に基づく解析的方法による設計”,日本船舶海洋工学会論文集,2016年6月,23:33-44Fuyuki Hane, "Design of Course-Keeping System by Analytical Method Based on Course-Keeping Control", Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, June 2016, 23: 33-44

本発明が解決しようとする課題は、船舶を到達地により近接させて停船させることができる技術を提供することにある。 The problem that this invention aims to solve is to provide technology that allows a ship to stop closer to its destination.

実施形態の船舶用自動操舵装置は、surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操舵装置であって、計画航路に基づいて、出発点から到達点までの軌道と、該出発点から該到達点までのsurge方向距離の時間関数である参照距離と、方位の時間関数である参照方位とを含む参照軌道を生成する参照軌道生成部と、前記船舶の位置を前記参照距離に追従させる距離制御と、前記船舶の位置を前記軌道に追従させるとともに前記船舶の方位を前記参照方位に追従させる航路制御とによって、前記船舶を制御する移動制御部と、前記船舶の位置を保持するように前記船舶を制御する保持制御部と、前記船舶の位置を通り前記軌道に直交する直交線と前記軌道との交点が前記到達点に達した場合、前記移動制御部による制御から前記保持制御部による制御に切り替える切替部とを備え、前記距離制御は、前記出発位置から前記交点までの距離である船体距離を前記参照距離に追従させるフィードフォワード制御と、前記参照距離と前記船体距離との距離誤差をゼロに収束させるフィードバック制御とを行うことを特徴とする。 The automatic steering device for a ship of the embodiment is an automatic steering device for a ship that controls a ship equipped with a propulsion drive unit capable of controlling the speed in the surge direction and the sway direction and the angular velocity around the yaw, and a sensor that detects the bow heading and the ship's position, and includes a reference trajectory generation unit that generates a reference trajectory including a trajectory from a starting point to a destination point based on a planned route, a reference distance that is a time function of the surge direction distance from the starting point to the destination point, and a reference heading that is a time function of the heading, a distance control that causes the position of the ship to follow the reference distance, and a distance control unit that causes the position of the ship to follow the trajectory and the heading of the ship to follow the reference distance. The system is equipped with a movement control unit that controls the ship by using a route control to make the ship follow a reference heading, a holding control unit that controls the ship to maintain its position, and a switching unit that switches from control by the movement control unit to control by the holding control unit when the intersection of the orthogonal line that passes through the ship's position and is perpendicular to the trajectory and the trajectory reaches the destination point, and the distance control is characterized by performing feedforward control that makes the ship distance, which is the distance from the starting position to the intersection, follow the reference distance, and feedback control that makes the distance error between the reference distance and the ship distance converge to zero.

本発明によれば、船舶を到達地により近接させて停船させることができる。 The present invention allows the ship to be stopped closer to the destination.

船舶用自動操舵装置を含むシステムの全体構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing an overall configuration of a system including a marine automatic steering device. 計画航路の形態を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a planned route. 船体位置決め制御における制御システムの分類を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing classification of control systems in ship positioning control. 船体モデルと駆動機モデルとを含む制御対象を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a control object including a hull model and a driving machine model. 船体パラメータTの船速特性を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing ship speed characteristics of a hull parameter T r . 制御部の構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a control unit. 移動モードにおける誤差を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing errors in a moving mode. 保持モードにおける誤差を示す図である。FIG. 13 illustrates an error in the hold mode. 距離制御部による制御システムの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a control system using a distance control unit. 参照距離dとフィードフォワード回転λFFの時系列を示す図である。FIG. 13 shows the time series of the reference distance dR and the feedforward rotation λFF . 航路旋回時の船位見積もりを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing ship position estimation when turning a course. 参照位置と航路位置の計算結果を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the calculation results of the reference position and the route position. 潮流がゼロの場合における計画航路と船位航跡を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the planned route and ship position track when the tidal current is zero. 潮流がある場合における計画航路と船位航跡を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the planned route and ship position track when there is a tidal current. 船体運動の応答を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the response of the ship motion. 誤差の応答を示す図である。FIG. 13 illustrates an error response. 指令の応答を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a response to a command. 駆動機出力の応答を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the response of the drive motor output.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

(1 船体位置決め制御)
(1.1 船舶用自動操舵装置の構成)
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図1は、船舶用自動操舵装置を含むシステムの全体構成を示すブロック図である。
(1) Hull positioning control
(1.1 Configuration of marine automatic steering device)
A system including a marine automatic steering device according to this embodiment will now be described. Fig. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a system including a marine automatic steering device.

図1に示すように、本実施形態における船舶用自動操舵装置1は、推進駆動装置3、センサ類4が備えられた船体2を有する船舶を制御するものである。本実施形態において、推進駆動装置3は、surge方向及びsway方向の速度、yaw周りの角速度を制御可能な駆動装置であり、本実施形態においては、船体2の船首と船尾とに設けられたアジマススラスターとして構成される。 As shown in FIG. 1, the automatic ship steering device 1 in this embodiment controls a ship having a hull 2 equipped with a propulsion drive unit 3 and sensors 4. In this embodiment, the propulsion drive unit 3 is a drive unit that can control the speed in the surge direction and sway direction, and the angular velocity around the yaw, and in this embodiment, is configured as an azimuth thruster provided at the bow and stern of the hull 2.

センサ類4は、船体2の船首方位を検出するジャイロコンパス、船体2の対水速度を検出する速度計、GPS等の衛星測位システム(GNSS)からの船体位置を検出するGNSSセンサを含む。なお、センサ類4は、船首方位、船体位置をそれぞれ検出可能なセンサを含むものであれば良い。 The sensors 4 include a gyrocompass that detects the bow direction of the hull 2, a speedometer that detects the speed of the hull 2 through the water, and a GNSS sensor that detects the hull position from a global navigation satellite system (GNSS) such as GPS. The sensors 4 may include any sensor that can detect the bow direction and the hull position.

船舶用自動操舵装置1は、参照軌道生成部11と、制御部12とを備える。参照軌道生成部11は、軌道計画部5により出力された計画航路に基づいて参照軌道を生成する。制御部12は、参照軌道生成部11により生成された参照軌道に船体2が追従するように、センサ類4により検出された船首方位、船体位置に基づいて推進駆動装置3に指令を出力して船体速度及び角速度を制御する。 The automatic ship steering device 1 includes a reference trajectory generating unit 11 and a control unit 12. The reference trajectory generating unit 11 generates a reference trajectory based on the planned route output by the trajectory planning unit 5. The control unit 12 outputs commands to the propulsion drive unit 3 based on the bow heading and hull position detected by the sensors 4 to control the hull speed and angular velocity so that the hull 2 follows the reference trajectory generated by the reference trajectory generating unit 11.

(1.2 計画航路)
計画航路について説明する。図2は、計画航路の形態を示す図である。
(1.2 Planned Route)
The planned route will now be described. Fig. 2 is a diagram showing the configuration of the planned route.

計画航路は、図2に示すように、出発点と到達点、前進速度と旋回の条件とを含み、直線と円弧の組み合せにより構成される。図2において、O-XYは地球固定座標、ψplanは計画方位、点Aは出発点、点Bは到達点である。また、点C,S,Fのそれぞれは旋回の中心点、開始点、終了点であり、ρsetは旋回半径、ψsetは旋回角である。 As shown in Figure 2, the planned route includes a starting point, a destination point, forward speed, and turning conditions, and is composed of a combination of straight lines and circular arcs. In Figure 2, O-XY is the Earth fixed coordinate system, ψ plan is the planned heading, point A is the starting point, and point B is the destination point. Also, points C, S, and F are the center point, start point, and end point of turning, respectively, ρ set is the turning radius, and ψ set is the turning angle.

(1.3 船体位置決め制御)
船体位置決め制御について説明する。図3は、船体位置決め制御における制御システムの分類を示す図である。
(1.3 Ship positioning control)
Now, the ship positioning control will be described with reference to Fig. 3, which shows classification of control systems in the ship positioning control.

船舶用自動操舵装置1の制御部12による船体位置決め制御は、図2に示す計画航路において、点Aから前進速度を加速し、等速時に旋回し、その後に減速して到達点Bに達して船位を保持するように船舶を制御する。 The hull positioning control by the control unit 12 of the marine automatic steering device 1 controls the vessel to accelerate its forward speed from point A on the planned route shown in Figure 2, turn while moving at a constant speed, and then decelerate to reach the destination point B and maintain its position.

船体位置決め制御は、図3に示すように、移動モード(moving mode)と保持モード(hovering mode)の2つの制御モードを有する。制御部12は、移動モードにおいて距離制御DCと航路制御TCとを実行し、保持モードにおいて静定制御と経路順序制御(非特許文献3参照)とを含む船体位置保持制御DPを実行する。 As shown in FIG. 3, the hull positioning control has two control modes: a moving mode and a hovering mode. The control unit 12 executes distance control DC and route control TC in the moving mode, and executes hull position holding control DP, which includes static control and route sequence control (see Non-Patent Document 3), in the hovering mode.

参照軌道は、参照軌道生成部11により計画航路に基づいて生成されるものであり、軌道計画を満足する方位・位置と時間で構成される。具体的には、参照軌道は、出発点から到達点までの軌道と、該出発点から該到達点までのsurge方向距離の時間関数である参照距離と、方位の時間関数である参照方位とを含む。制御部12は、参照軌道の基準は船体位置を通り参照軌道に直交する線と参照軌道との交点である点Hを用いて、参照軌道に沿う船体位置を判断する。 The reference trajectory is generated by the reference trajectory generation unit 11 based on the planned route, and is composed of a direction, position, and time that satisfy the trajectory plan. Specifically, the reference trajectory includes a trajectory from the starting point to the destination point, a reference distance that is a time function of the surge direction distance from the starting point to the destination point, and a reference direction that is a time function of the direction. The control unit 12 determines the hull position along the reference trajectory using point H, which is the intersection of the reference trajectory and a line that passes through the hull position and is perpendicular to the reference trajectory, as the basis for the reference trajectory.

制御部12は、移動モードによって、参照軌道において設定された時刻に、この時刻に対応付けられた方位、位置に船首方位、船体位置を追従させ、点Hが点Bに達した場合に、制御モードを移動モードから保持モードに切り替える。更に、制御部12は、保持モードにおいて、点B近傍に位置する、移動モードによる制御における終端点B’と船体位置との誤差を静定制御によって修正し、終端点B’と到達点Bとが異なる場合、経路順序制御により船体位置を終端点B’から到達点Bへ移動させる。なお、終端点B’から到達点Bへの移動は、経路順序制御以外の他の制御則により制御されても良い。非特許文献3によれば、保持応答の過渡現象の大きさは終端点B’と点Bとの距離に比例する。その現象を低減するため、静定制御において、到達点が点Bではなく終端点B’に置換される。 The control unit 12, in the movement mode, makes the bow heading and hull position follow the heading and position associated with the time set in the reference trajectory, and when point H reaches point B, switches the control mode from the movement mode to the holding mode. Furthermore, in the holding mode, the control unit 12 corrects the error between the terminal point B' in the movement mode control, which is located near point B, and the hull position by static determination control, and when the terminal point B' and the destination point B are different, moves the hull position from the terminal point B' to the destination point B by path sequence control. Note that the movement from the terminal point B' to the destination point B may be controlled by a control law other than the path sequence control. According to Non-Patent Document 3, the magnitude of the transient phenomenon of the holding response is proportional to the distance between the terminal point B' and point B. In order to reduce this phenomenon, the destination point is replaced with the terminal point B' instead of point B in the static determination control.

(2 制御対象)
制御対象について説明する。図4は、船体モデルと駆動機モデルとを含む制御対象を示す図である。制御対象は、図4に示すように、船体モデルと駆動機モデルとから構成される両頭船とする。
(2) Control Object
The controlled object will be described. Fig. 4 is a diagram showing the controlled object including a hull model and a driving machine model. As shown in Fig. 4, the controlled object is a double-ended ship composed of a hull model and a driving machine model.

(2.1 船体モデル)
船体モデルについて説明する。船体モデルは、surge方向を添字、sway方向を添字、yaw周りを添字で表し、
(2.1 Hull model)
The ship model will be described. In the ship model, the surge direction is represented by the subscript u , the sway direction by the subscript v , and the yaw direction by the subscript r .

とする。ここで、sはラプラス演算子、P(s)は伝達関数、U(s)はsurge速度、V(s)はsway速度、R(s)はyaw角速度である。また、Λu(s),Θv(s),Θr(s)は制御入力(指令量)であり、それぞれプロペラ回転数、2つの推力角である。船体モデルの伝達関数は Here, s is the Laplace operator, P(s) is the transfer function, U(s) is the surge speed, V(s) is the sway speed, and R(s) is the yaw angular velocity. Also, Λu(s), Θv(s), and Θr(s) are the control inputs (command amounts), which are the propeller speed and the two thrust angles, respectively. The transfer function of the ship model is

である。ここで、T,Kはいずれも船体パラメータで、それぞれ時定数とゲインである。 Here, T and K are both hull parameters, and are the time constant and gain, respectively.

図5には、船体パラメータの船速(対水速度)特性が示される。図5においては、船体パラメータのうち、Tのみが示されるが、他の変数{K,K,T,K,T}も船速に関係するものとする。Tにおける低速域特性は推進抵抗を無視して、慣性項を主要と仮定したものである。図5から、船体パラメータは次の船速特性をもつ。 Figure 5 shows the ship speed (speed through water) characteristics of the hull parameters. Of the hull parameters, only T r is shown in Figure 5, but the other variables {K r , K u , T u , K v , T v } are also related to the ship speed. The low speed range characteristics in T r are based on the assumption that the inertia term is dominant, ignoring propulsive resistance. From Figure 5, the hull parameters have the following ship speed characteristics:

1.保持モード域は|u|≦2knで、一定とする。
2.移動モード域はu>2knで、船速に比例する。
1. The holding mode region is constant at |u|≦2kn.
2. The transfer mode range is u>2 kn and is proportional to the ship speed.

(2.2 駆動機モデル)
駆動機モデルについて説明する。駆動機のアジマススラスターモデル(以降、ATMと呼称)はそのプロペラ回転数(逆転しない)とその方向とによって推力ベクトルを制御する。回転数と推力角には制限がある。図4において、2機のATMの回転数λと対水推力Fは
(2.2 Driving Machine Model)
The driver model will now be explained. The driver azimuth thruster model (hereafter referred to as ATM) controls the thrust vector by the propeller rotation speed (which does not reverse) and its direction. There are limitations to the rotation speed and thrust angle. In Figure 4, the rotation speed λ and thrust against water F of the two ATMs are

になる。ここで、添字は、それぞれ、船首(fore)、船尾(aft)のATMを表し、λは一定回転数である。 Here, the subscripts f and a represent the ATMs at the bow (fore) and stern (aft), respectively, and λ 0 is a constant rotation speed.

指令量と推力角の関係は The relationship between the command amount and thrust angle is

になる。ここで、θ,θは、いずれも船の基線に対するATMの推力方向の角度である。このとき、発生する力の等価量は Here, θ f and θ a are the angles of the thrust direction of the ATM relative to the ship's baseline. At this time, the equivalent amount of force generated is

になる。 become.

よって、ATMの出力は上式にスケールファクタを乗じて、 Therefore, the output of the ATM is calculated by multiplying the above formula by the scale factor,

になる。ここで、cθ は速度から推力角に単位を変換する係数である。 Here, c θ v is a coefficient for converting the unit from speed to thrust angle.

(3 制御システム)
(3.1 制御部の構成)
制御部の構成について説明する。図6は、制御部の構成を示す図である。
(3) Control System
(3.1 Configuration of the control unit)
The configuration of the control unit will be described with reference to Fig. 6, which is a diagram showing the configuration of the control unit.

図6に示すように、制御部12は、移動モードにおいて距離制御DC及び航路制御TCを行う移動制御部121と、保持モードにおいて船体位置保持制御DPを行う保持制御部122と、切替部123とを備える。切替部123は、船体位置に基づく点Hが点Bに達した場合に、制御主体を移動制御部121から保持制御部122に切り替えることによって、制御システムを移動モードから保持モードへ切り替える。
(3.2 誤差の定義)
(3.2.1 移動モード)
移動モードの誤差は図7に示すように、船体位置の点P、垂足の点Hと参照位置の点Rから設定する。方位誤差ψ、航路誤差y、と距離誤差dは、
6, the control unit 12 includes a movement control unit 121 that performs distance control DC and route control TC in the movement mode, a hold control unit 122 that performs hull position hold control DP in the hold mode, and a switching unit 123. When point H based on the hull position reaches point B, the switching unit 123 switches the control subject from the movement control unit 121 to the hold control unit 122, thereby switching the control system from the movement mode to the hold mode.
(3.2 Definition of Error)
3.2.1 Movement Mode
The error in the movement mode is set from the ship position point P, the vertical foot point H, and the reference position point R, as shown in Figure 7. The heading error ψ e , the course error y e , and the distance error d e are expressed as follows:

になる。ここで、ψは船首方位、ψは参照方位、yは点Pと点Hとの距離である。また、
は符号付き2点間距離を表し、P,Hは、それぞれ、点P、点Hのx,yの座標であり、dは出発地から点Rまでの参照距離であり、dは出発地から点Hまでの船体距離である。誤差計算については非特許文献2を参照されたい。
Here, ψ is the heading, ψ R is the reference heading, and y e is the distance between points P and H.
represents the signed distance between two points, P and H are the x and y coordinates of points P and H, respectively, dR is the reference distance from the starting point to point R, and dH is the ship distance from the starting point to point H. Please refer to Non-Patent Document 2 for error calculation.

(3.2.2 保持モード)
図8は、移動モードから保持モードへの切り替え後の様子を示す。制御モードの切り替えは、上述したように、点Hが到達点Bに達した場合になされ、この際、到達点が点Bから点B’に置換される。この置換は具体的には次式に示す通りである。
3.2.2 Hold Mode
8 shows the state after switching from the moving mode to the holding mode. As described above, the control mode is switched when the point H reaches the destination point B, and at this time, the destination point is replaced from the point B to the point B'. This replacement is specifically shown in the following equation.

ここで、B’,ψB’は、それぞれ、移動モードにおける最終のx,y座標と方位である。 where B', ψ B' are the final x, y coordinates and orientation in the move mode, respectively.

添字により示される保持モードの方位誤差ψ 、船体座標の位置誤差x ,y は、 The heading error ψ ek in the hold mode , indicated by the subscript K , and the position errors x ek and y ek in the ship coordinates are expressed as follows :

になる。ここで、Ω (ψ)は地球座標(添字)から船体座標(添字)に変換する行列であり、 Here, Ω B E (ψ) is a matrix that transforms from Earth coordinates (subscript E ) to ship coordinates (subscript B ),

である。 It is.

(3.3 距離制御)
距離制御DCは軌道追従制御により距離誤差をゼロに収斂させる。軌道追従制御は、参照距離と、フィードフォワード制御とフィードバック制御とを含む2自由度制御系とにより構成される。フィードフォワード制御は、船体距離を参照距離に追従させ、フィードバック制御は、制御対象との閉ループ系を構成し、距離誤差をゼロに収束させる。
3.3 Distance Control
Distance control DC converges the distance error to zero by trajectory tracking control. The trajectory tracking control is composed of a reference distance and a two-degree-of-freedom control system including feedforward control and feedback control. The feedforward control makes the ship distance follow the reference distance, and the feedback control forms a closed loop system with the controlled object and converges the distance error to zero.

(3.3.1 参照距離とフィードフォワード制御)
距離制御部による距離制御DCの構成を図9に示す。図9において、RGは参照距離生成器、sはラプラス演算子、C FF(s)はフィードフォワード制御器、C FB(s)はフィードバック制御器、P(s)=P(s)・s-1は距離船体モデルである。
(3.3.1 Reference Distance and Feedforward Control)
The configuration of the distance control DC by the distance control unit is shown in Fig. 9. In Fig. 9, RG is the reference distance generator, s is the Laplace operator, C d FF (s) is the feedforward controller, C d FB (s) is the feedback controller, and P x (s) = P u (s) · s -1 is the distance hull model.

参照距離生成器は、入力された位置条件から参照距離D(s)を出力し、フィードフォワード制御器は参照距離D(s)からフィードフォワード回転ΛFF(s)を出力する。フィードバック制御器は距離誤差D(s)からフィードバック回転ΛFB(s)を出力し、距離制御DCの閉ループを安定化し、外乱D(s)を除去する。制御量の指令プロペラ回転Λ(s)は次式になる。 The reference distance generator outputs a reference distance D R (s) from the input position condition, and the feedforward controller outputs a feedforward rotation Λ FF (s) from the reference distance D R (s). The feedback controller outputs a feedback rotation Λ FB (s) from the distance error D e (s), and stabilizes the closed loop of the distance control DC and removes the disturbance D D (s). The command propeller rotation Λ u (s) of the control amount is expressed by the following equation.

軌道追従制御を用いると、距離誤差D(s)の伝達特性は When trajectory tracking control is used, the transfer characteristic of the distance error D e (s) is

になる。上式より、閉ループ安定性及び外乱除去性はフィードバック制御器C FB(s)に、追従性はフィードフォワード制御器C FF(s)に依存する。 From the above equation, the closed loop stability and disturbance rejection performance depend on the feedback controller C d FB (s), and the tracking performance depends on the feedforward controller C d FF (s).

フィードフォワード回転ΛFF(s)は、次式になる。 The feedforward rotation Λ FF (s) is:

ここで、フィードフォワード制御器は距離船体モデルの逆特性に相当して Here, the feedforward controller corresponds to the inverse characteristic of the distance hull model.

である。よって、船体距離は、 Therefore, the ship distance is,

になり、参照距離に一致する。 which matches the reference distance.

参照距離dとフィードフォワード回転λFFは図10に示すように、距離の軌道条件 The reference distance d R and the feedforward rotation λ FF are as shown in FIG. 10, and the distance trajectory condition

を満足する。ここで、添字setは設定値を表す。dとλFFの関係は Here, the subscript set represents a set value. The relationship between d R and λ FF is

になる。ここで、aは係数、tは参照距離時間である。なお、上式の詳細については非特許文献4を参照されたい。 Here, a is a coefficient, and td is a reference distance time. For details of the above formula, see Non-Patent Document 4.

(3.3.2 フィードバック制御)
フィードバック制御器は推定器と状態フィードバックからなり、
(3.3.2 Feedback Control)
The feedback controller consists of an estimator and state feedback.

になる。なお、C FB(s)の詳細については非特許文献2を参照されたい。 For details of C d FB (s), see Non-Patent Document 2.

(3.4 航路制御)
航路制御TCは、方位制御と航路誤差制御により航路誤差yをゼロに収斂させる。航路制御の指令推力角θは、次式になる。
(3.4 Route Control)
The course control TC converges the course error y e to zero by the heading control and the course error control. The command thrust angle θ r of the course control is expressed by the following equation.

ここで、添字、添字は、それぞれ、方位制御、航路誤差制御を表す。 Here, the subscripts h and t represent heading control and course error control, respectively.

(3.4.1 方位制御)
方位制御HCは方位誤差ψeをゼロに収斂させるものであり、方位の保持と変針の機能をもち、距離制御DCと同一の構成をもつ。したがって、方位制御HCは、距離制御DCにおける距離を方位に置き替えたものとなる。方位制御HCによる制御量の指令推力角Θ(s)は、
3.4.1 Orientation Control
The heading control HC is for converging the heading error ψe to zero, has the functions of maintaining heading and changing course, and has the same configuration as the distance control DC. Therefore, the heading control HC replaces the distance in the distance control DC with a heading. The command thrust angle Θ h (s) of the control amount by the heading control HC is expressed as follows:

になる。ここで、ΘFF(s)はフィードフォワード推力角、C FF(s)=(Pψ(s))-1はフィードフォワード制御器、C FB(s)はフィードバック制御器、Pψ(s)=P(s)・s-1は方位船体モデルである。 Here, Θ FF (s) is the feedforward thrust angle, C h FF (s)=(P ψ (s)) −1 is the feedforward controller, C h FB (s) is the feedback controller, and P ψ (s)= Pr (s)·s −1 is the azimuth ship model.

参照方位ψとフィードフォワード推力角θFFは方位の旋回条件 The reference azimuth ψ R and the feedforward thrust angle θ FF are the conditions for turning the azimuth.

を満足する。ψとθFFの関係は、 The relationship between ψ R and θ FF is as follows:

になる。ここで、bは係数、tψは参照方位時間である。 where b is a coefficient and t ψ is the reference orientation time.

(3.4.2 航路誤差制御)
航路誤差制御はsway船体運動との閉ループ系を構成し、航路誤差をゼロに収束させ、潮流成分による誤差を修正する。航路誤差制御器C(s)は、航路誤差Y(s)をフィルタし、制御ゲインを乗じたもので、
(3.4.2 Course Error Control)
The route error control forms a closed loop system with the sway ship motion, converges the route error to zero, and corrects the error due to the tidal current component. The route error controller Ct (s) filters the route error Ye (s) and multiplies it by a control gain, and is given by

になる。ここで、Tはフィルタ時定数、fは航路ゲイン、fは積分ゲインである。積分器の働きによって、船体位置を移動させる外乱成分の影響が補償される。なお、上式の制御ゲインの設定については、非特許文献5を参照されたい。 Here, T y is the filter time constant, f y is the route gain, and f i is the integral gain. The effect of the disturbance components that move the ship's position is compensated for by the action of the integrator. For the setting of the control gain in the above formula, please refer to Non-Patent Document 5.

(3.5 リーチ量見積もり)
参照軌道生成部11により実行されるリーチ量見積もりは、航路旋回での変針を開始する位置を決めるもので、旋回中の航路誤差を支配するものであり、WOP(Wheel Over Point)とよばれる。WOPの位置は、図2における点Sからリーチ量だけ手前になる。リーチ量は参照位置と航路位置から計算する。参照位置x,y
(3.5 Reach Estimation)
The reach amount estimation executed by the reference trajectory generating unit 11 determines the position at which turning course begins during a course turn and governs the course error during the turn, and is called WOP (Wheel Over Point). The position of the WOP is the reach amount before point S in FIG. 2. The reach amount is calculated from the reference position and the course position. The reference positions xR , yR are

から求める。ここで,ψは参照方位,ρsetは旋回半径である。 Here, ψ R is the reference heading and ρ set is the turning radius.

航路位置は図11に示すように、軌道計画、駆動機及び船体運動のモデルから求める。軌道計画で設定したフィードフォワード指令を駆動機に入力すると As shown in Figure 11, the route position is calculated from the trajectory plan, the drive motor, and the ship motion model. When the feedforward command set in the trajectory plan is input to the drive motor,

になる。ここで、フィードフォワード回転λFFは船速を一定状態(設定値uset)とするものである。 Here, the feedforward rotation λ FF is for keeping the ship speed constant (set value u set ).

船体位置x,yは、船体運動r,u,vを用いて The ship's position x, y is calculated using the ship's motion r, u, v.

から求める。 From.

参照位置と航路位置を求めた結果を図12に示す。図12において、線上のマーカーは10度単位毎の参照方位ψを示し、移動モードの船体パラメータや旋回条件は、4.1節に後述される値を用いる。 The results of determining the reference position and the route position are shown in Figure 12. In Figure 12, markers on the line indicate the reference direction ψ R in units of 10 degrees, and the hull parameters and turning conditions in the movement mode use the values described later in Section 4.1.

リーチ量reachは、図12におけるψ=90度に対応する参照位置と航路位置の最大値との位置関係から The reach amount reach is calculated from the positional relationship between the reference position corresponding to ψ R = 90 degrees in FIG. 12 and the maximum value of the route position.

になる。ただし、reachは船体運動モデルや計算条件に依存する。 However, reach depends on the ship motion model and calculation conditions.

(3.6 保持モードによる制御)
制御部12は、保持モードにおいて、動作管理によって静定制御と経路順序制御を実施する。静定制御と経路順序制御は、3つの制御器により実施され、3つの制御器は、それぞれ、surge,sway,yawの船体運動との閉ループ安定性と外乱除去性を確保し、距離制御DCのフィードバック制御器C FB(s)と同一の構成をもつ。したがって、3つの制御器のそれぞれは、フィードバック制御器C FB(s)における距離をsurge,sway,yawに置き換えたものとなる。それぞれの船体パラメータは保持モード用の極低速対応を用いる。3つの制御器は、それぞれ、
(3.6 Holding Mode Control)
In the hold mode, the control unit 12 performs static determination control and path sequence control by operation management. The static determination control and path sequence control are performed by three controllers, and each of the three controllers ensures closed-loop stability and disturbance rejection with the hull motions of surge, sway, and yaw, and has the same configuration as the feedback controller C d FB (s) of the distance control DC. Therefore, each of the three controllers replaces the distance in the feedback controller C d FB (s) with surge, sway, and yaw. Each of the hull parameters uses extremely low speed correspondence for the hold mode. Each of the three controllers has the following:

になる。ここで、添字は保持モードを表し、C(s),C(s),Cψ(s)は、それぞれ、surge,sway,yawの制御器である。 Here, the subscript k represents the hold mode, and C x (s), C y (s), and C ψ (s) are the surge, sway, and yaw controllers, respectively.

(4 検証)
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置の有効性をシミュレーションによって検証する。
(4) Verification
The effectiveness of the marine automatic steering device according to this embodiment will be verified by simulation.

(4.1 シミュレーション条件)
シミュレーション条件について説明する。
(4.1 Simulation Conditions)
The simulation conditions will be described.

シミュレーションにおいて、計算時間は30分、その前半(18.3分)は移動モード、後半(11.7分)は保持モードによる制御がなされるものとし、刻み時間は0.1sである。シミュレーションにおける外乱成分は、北向き1.0kn、方位周りのオフセットが0.3deg/sの潮流成分とする。 In the simulation, the calculation time is 30 minutes, the first half (18.3 minutes) of which is controlled in moving mode, and the second half (11.7 minutes) is controlled in holding mode, with the step time being 0.1 seconds. The disturbance component in the simulation is a tidal current component with a northward speed of 1.0 kn and an offset around the heading of 0.3 deg/s.

シミュレーションにおける船体パラメータを以下の表に示す。 The hull parameters used in the simulation are shown in the table below.

この表において、Tは、船体モデル In this table, T3 is the hull model

で、舵感度時定数と等価なものである。 and is equivalent to the steering sensitivity time constant.

なお、式(4)~式(6)においては、T<<|T|のため、Tに相当する係数が省略されている。Tは、参照信号D(s),Ψ(s)の生成に利用される。 In addition, in equations (4) to (6), since T 3 <<|T|, the coefficient corresponding to T 3 is omitted. T 3 is used to generate reference signals D R (s) and Ψ R (s).

シミュレーションにおける計画航路の設定値を以下に示す。 The settings for the planned route in the simulation are shown below.

また、旋回角速度設定値rset=uset÷ρset=0.172rad/sが用いられる。 Further, a turning angular velocity set value r set =u set ÷ρ set =0.172 rad/s is used.

シミュレーションにおける駆動機の一定回転数はλ=110rpm、角度制限は45degとする。 In the simulation, the constant rotation speed of the drive machine is λ 0 =110 rpm, and the angle limit is 45 deg.

シミュレーションにおいて、主な制御パラメータは、移動モードと保持モードで共通になり、比例ゲインがK=1、減衰係数がζ=1÷√2、積分ゲインの減衰係数はζ=0.9である。sway方向指令速度を角度換算する係数はcθ =45deg/10knとする。リーチ量は(41)式が用いられる。 In the simulation, the main control parameters are common to the moving mode and the holding mode, with the proportional gain being Kp = 1, the damping coefficient being ζ = 1÷√2, and the damping coefficient of the integral gain being ζi = 0.9. The coefficient for converting the sway direction command speed into an angle is cθv = 45 deg/10 kn. The reach amount is calculated using equation (41).

(4.2 シミュレーション結果)
シミュレーション結果について説明する。図13~図18はいずれもシミュレーション結果を示す。図13、図14は、それぞれ、潮流がゼロの場合、潮流がある場合における計画航路と船位航跡を示す図である。図15は、船体運動の応答を示す図である。図16は、誤差の応答を示す図である。図17は、指令の応答を示す図である。図18は、駆動機出力の応答を示す図である。
(4.2 Simulation Results)
The simulation results will now be described. Figures 13 to 18 all show the simulation results. Figures 13 and 14 are diagrams showing the planned route and ship position track when there is no tidal current and when there is a tidal current, respectively. Figure 15 is a diagram showing the response of ship motion. Figure 16 is a diagram showing the response of errors. Figure 17 is a diagram showing the response of commands. Figure 18 is a diagram showing the response of drive motor output.

図13に示すように、外乱成分なしの場合、点B’は点Bの半径1m以内に収まる。図14に示すように、外乱成分ありの場合、航路誤差yが外乱成分により生じるが、点B’は点Bの半径10m以内に収まる。また、点B’に至る移動モードにおける船位航跡において、距離誤差dは外乱成分なしの場合と同様であり、外乱による誤差が修正されている。一方、航路誤差yは外乱成分なしの場合よりも大きくなり、船速の低下に伴って誤差の修正が困難なものとなっている。 As shown in Fig. 13, when there are no disturbance components, point B' falls within a radius of 1 m from point B. As shown in Fig. 14, when there are disturbance components, a route error y e is generated by the disturbance components, but point B' falls within a radius of 10 m from point B. Also, in the ship position track in the movement mode leading to point B', the distance error d e is the same as when there are no disturbance components, and the error due to the disturbance has been corrected. On the other hand, the route error y e is larger than when there are no disturbance components, and it becomes difficult to correct the error as the ship speed decreases.

図15に示すように、surge速度u、sway速度v、yaw角速度rは、外乱成分の影響を受けてバイアスを生じる。 As shown in Figure 15, the surge velocity u, sway velocity v, and yaw angular velocity r are influenced by disturbance components, resulting in bias.

図16に示すように、移動モードにおいて、距離誤差dに相当するxと航路誤差yはゼロに収束し、方位誤差ψは斜航角をもつ。斜航角は、潮流成分による項とr修正の舵角オフセットによるr,vの発生の項によって変動する。以下の表は十分に静定した場合を示す。 As shown in Fig. 16, in the moving mode, xe corresponding to the distance error de and the course error ye converge to zero, and the heading error ψe has a drift angle. The drift angle varies depending on the term due to the tidal current component and the term due to the occurrence of r and v due to the rudder angle offset of the r0 correction. The following table shows the case where the ship is sufficiently settled.

図17は指令の応答である。図18は駆動機出力の応答であり、飽和は生じていない。 Figure 17 shows the command response. Figure 18 shows the drive output response, and no saturation occurs.

以上のシミュレーションの結果から、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置1による制御は適切に動作していることが確認できた。 The above simulation results confirmed that the control by the marine automatic steering device 1 according to this embodiment operates appropriately.

本発明の実施形態は、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は意図していない。この新規な実施形態は、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。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。 The embodiment of the present invention is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be embodied in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its variations are included within the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.

1 船舶用自動操舵装置
2 船体
3 推進駆動装置
4 センサ類
11 参照軌道生成部
12 制御部
121 移動制御部
122 保持制御部
123 切替部
REFERENCE SIGNS LIST 1 Automatic steering device for vessels 2 Hull 3 Propulsion drive device 4 Sensors 11 Reference trajectory generating unit 12 Control unit 121 Movement control unit 122 Holding control unit 123 Switching unit

Claims (5)

surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操舵装置であって、
計画航路に基づいて、出発点から到達点までの軌道と、該出発点から該到達点までのsurge方向距離の時間関数である参照距離と、方位の時間関数である参照方位とを含む参照軌道を生成する参照軌道生成部と、
前記船舶の位置を前記参照距離に追従させる距離制御と、前記船舶の位置を前記軌道に追従させるとともに前記船舶の方位を前記参照方位に追従させる航路制御とによって、前記船舶を制御する移動制御部と、
前記船舶の位置を保持するように前記船舶を制御する保持制御部と、
前記船舶の位置を通り前記軌道に直交する直交線と前記軌道との交点が前記到達点に達した場合、前記移動制御部による制御から前記保持制御部による制御に切り替える切替部とを備え、
前記距離制御は、前記出発位置から前記交点までの距離である船体距離を前記参照距離に追従させるフィードフォワード制御と、前記参照距離と前記船体距離との距離誤差をゼロに収束させるフィードバック制御とを行うことを特徴とする船舶用自動操舵装置。
An automatic ship steering device for controlling a ship that includes a propulsion drive device capable of controlling a speed in a surge direction and a sway direction and an angular speed around a yaw, and a sensor for detecting a bow heading and a ship position,
a reference trajectory generating unit that generates a reference trajectory including a trajectory from a starting point to a destination point, a reference distance that is a time function of a surge direction distance from the starting point to the destination point, and a reference direction that is a time function of a direction;
a movement control unit that controls the ship by a distance control that causes the position of the ship to follow the reference distance, and a route control that causes the position of the ship to follow the trajectory and the orientation of the ship to follow the reference orientation;
a holding control unit that controls the vessel to hold a position of the vessel;
a switching unit that switches control from the movement control unit to control by the holding control unit when an intersection of the trajectory and an orthogonal line that passes through the position of the ship and is orthogonal to the trajectory reaches the destination point,
An automatic steering device for a vessel, characterized in that the distance control includes feedforward control for making the hull distance, which is the distance from the starting position to the intersection, follow the reference distance, and feedback control for converging the distance error between the reference distance and the hull distance to zero.
前記参照軌道生成部は、前記参照方位と旋回半径に基づく参照位置と、前記参照軌道と前記推進駆動装置の駆動機モデルと前記船舶の船体モデルとに基づく航路位置との位置関係に基づいて、リーチ量を算出することを特徴とする請求項1に記載の船舶用自動操舵装置。 The automatic steering device for a vessel according to claim 1, characterized in that the reference trajectory generation unit calculates the reach amount based on a reference position based on the reference heading and turning radius, and a positional relationship between the reference trajectory, a drive model of the propulsion drive unit, and a route position based on a hull model of the vessel. 前記航路位置は、前記フィードフォワード制御によるフィードフォワード指令を入力した前記駆動機モデル、前記船体モデルに基づいて算出されることを特徴とする請求項2に記載の船舶用自動操舵装置。 The automatic steering device for a vessel according to claim 2, characterized in that the route position is calculated based on the drive model and the hull model to which a feedforward command by the feedforward control is input. 前記航路制御を行う制御器は、前記直交線方向における前記軌道と前記船舶の位置までの距離である航路誤差をフィルタし、積分ゲインを乗じることを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の船舶用自動操舵装置。 The automatic ship steering device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the controller that performs the route control filters the route error, which is the distance between the trajectory in the orthogonal line direction and the position of the ship, and multiplies it by an integral gain. 前記制御器は、C(s)を該制御器、Tをフィルタ時定数、fを航路ゲイン、fを前記積分ゲインとして、
により表されることを特徴とする請求項4に記載の船舶用自動操舵装置。
The controller may be expressed as follows, where Ct (s) is the controller, Ty is the filter time constant, fy is the route gain, and fi is the integral gain:
5. The marine automatic steering system according to claim 4, wherein the automatic steering system is expressed as follows:
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