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JP2010173589A - Position holding control device for ship - Google Patents

Position holding control device for ship Download PDF

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JP2010173589A
JP2010173589A JP2009020977A JP2009020977A JP2010173589A JP 2010173589 A JP2010173589 A JP 2010173589A JP 2009020977 A JP2009020977 A JP 2009020977A JP 2009020977 A JP2009020977 A JP 2009020977A JP 2010173589 A JP2010173589 A JP 2010173589A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ship
disturbance
deviation
rear direction
calculating
Prior art date
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Pending
Application number
JP2009020977A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takamutsu Yamazaki
貴睦 山崎
Kazunori Ban
和徳 伴
Kenji Fujimoto
健治 藤本
Giichi Hayakawa
義一 早川
Akira Yoshida
晃 吉田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2009020977A priority Critical patent/JP2010173589A/en
Publication of JP2010173589A publication Critical patent/JP2010173589A/en
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Abstract

【課題】風や潮流等による外乱がある場合にも船舶の定点保持を実現させる。
【解決手段】船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置26との前後方向偏差を位置偏差演算部30で演算し、その演算される前後方向偏差に基づいて、発生させるべき前後方向推進力をPID制御演算部32において演算する。また、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置26との横方向偏差を位置偏差演算部30で演算すると共に、船舶に作用する外乱の方向を外乱推定演算部34で推定し、その演算される横方向偏差及び推定される外乱の方向に基づいて、発生させるべき回転方向モーメントを演算する。
【選択図】図1
It is possible to maintain a fixed point of a ship even when there is a disturbance due to wind or tide.
A forward / backward direction propulsion to be generated is calculated based on the calculated forward / backward direction deviation by calculating a forward / backward direction deviation between the current position of the ship in the ship coordinate system and the target holding position. The force is calculated in the PID control calculation unit 32. Further, the lateral deviation between the current position of the ship in the ship coordinate system and the target holding position 26 is calculated by the position deviation calculating unit 30, and the direction of the disturbance acting on the ship is estimated by the disturbance estimating calculating unit 34. Based on the calculated lateral deviation and the estimated disturbance direction, the rotational moment to be generated is calculated.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、船舶用位置保持制御装置に係り、特に、前後方向の推進力及び回転方向のモーメントをそれぞれ発生し得る船舶の位置を定点に保持させるうえで好適な船舶用位置保持制御装置に関する。   The present invention relates to a marine position holding control apparatus, and more particularly to a marine position holding control apparatus suitable for holding a position of a marine vessel capable of generating a propulsive force in the front-rear direction and a moment in a rotational direction at a fixed point.

従来、船舶の位置を制御する装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この制御装置は、停泊時操船の支援開始が指示された後、船舶の旋回角速度が零となるように一対の舵取り機構の操舵角を制御すると共に、船舶の位置が操船支援開始時における位置に等しく保持されるように、船体に取り付けられた左右一対の推進機からそれぞれ発生させるべき目標推進力を算出してそれら一対の推進機を制御する。従って、外乱が生じた場合に船舶を回頭を生じさせることなく前後左右に移動させることで、船舶を所定位置に保持させることが可能となる。   Conventionally, an apparatus for controlling the position of a ship is known (see, for example, Patent Document 1). This control device controls the steering angle of the pair of steering mechanisms so that the turning angular velocity of the ship becomes zero after the instruction to start the vessel maneuvering at the time of berthing, and the position of the ship is set to the position at the time of starting the maneuvering support. The target propulsive force that should be generated from each of the pair of left and right propulsion units attached to the hull is calculated so as to be kept equal, and the pair of propulsion units are controlled. Therefore, when a disturbance occurs, the ship can be held at a predetermined position by moving the ship back and forth and right and left without causing a turn.

特開2005−200004号公報JP 2005-200004 A

しかし、一般に、船舶は、前後方向及び回転方向への推進力しか持たず、横方向への推進力を持たないため、船舶に対して横方向成分を有する風や潮流などの外乱が作用した場合、直ちにその外乱に抗して船舶の定点保持を行うことは困難である。上記した特許文献1記載の装置では、船舶の定点保持を行うのに、船舶の旋回角速度を零としつつ左右一対の推進機により推進力を発生させるが、外乱が変化することが十分に考慮されていないため、外乱発生時に船舶の定点保持を実現させることは困難である。   However, in general, a ship only has a propulsive force in the front-rear direction and the rotational direction, and does not have a propulsive force in the lateral direction, so that when a disturbance such as wind or tidal current having a lateral component acts on the ship It is difficult to immediately hold a fixed point of a ship against the disturbance. In the apparatus described in Patent Document 1 described above, in order to hold the fixed point of the ship, propulsive force is generated by a pair of left and right propulsion units while setting the turning angular velocity of the ship to zero, but it is sufficiently considered that the disturbance changes. Therefore, it is difficult to maintain the fixed point of the ship when disturbance occurs.

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の定点保持を実現させることが可能な船舶用位置保持制御装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a ship position holding control device that can realize the fixed point holding of a ship when there is a disturbance due to wind or tidal current. To do.

上記の目的は、前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、を備える船舶用位置保持制御装置により達成される。   The above object is a control device for maintaining the position of a ship having a longitudinal propulsive force generating means for generating a longitudinal propulsive force and a rotational moment generating means for generating a rotational moment. Front / rear direction deviation calculating means for calculating the front / rear direction deviation between the current position and the target holding position in the ship coordinate system, and the front / rear direction propulsion based on the front / rear direction deviation calculated by the front / rear direction position deviation calculating means. A longitudinal driving force calculating means for calculating a longitudinal driving force to be generated by the force generating means, and a lateral position deviation calculating means for calculating a lateral deviation between the current position and the target holding position of the ship in the ship coordinate system. A disturbance estimating means for estimating the direction of the disturbance acting on the ship, the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculating means, and the disturbance estimating means Based on the direction of the disturbance Ri is estimated, is achieved by the rotation direction moment and the direction of rotation moment calculation means for calculating the direction of rotation moment to be generated by the generating means, marine position holding control device comprising a.

この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差、及び、船舶に作用する外乱の方向に基づいて演算される。船舶の船首又は船尾の向く方向が外乱の方向とずれれば、その船舶に船舶座標上で外乱の横方向成分が作用するため、船舶に作用する外乱をその船舶を横方向へ移動させる推進力として用いることができる。従って、本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。   In the invention of this aspect, the rotational direction moment of the ship is calculated based on the lateral deviation between the current position and the target holding position of the ship in the ship coordinate system and the direction of the disturbance acting on the ship. If the direction of the ship's bow or stern is deviated from the direction of the disturbance, the lateral component of the disturbance acts on the ship in terms of the ship's coordinates, so the driving force that moves the ship's disturbance in the lateral direction. Can be used as Therefore, according to the present invention, the horizontal position of the ship can be held around a fixed point when there is a disturbance due to wind or tide.

また、上記の目的は、前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に応じて、前記回転方向モーメント演算手段により演算される前記回転方向モーメントを補正するモーメント補正手段と、を備える船舶用位置保持制御装置により達成される。   Further, the above object is a control device for maintaining the position of a ship having a longitudinal thrust generating means for generating a longitudinal thrust and a rotational moment generating means for generating a rotational moment. Based on the front-rear direction deviation calculating means for calculating the front-rear direction deviation between the current position of the ship in the ship coordinate system and the target holding position, and the front-rear direction deviation calculated by the front-rear direction position deviation calculating means A longitudinal thrust calculating means for calculating the longitudinal thrust to be generated by the direction thrust generating means, and a lateral position deviation for calculating a lateral deviation between the current position and the target holding position of the ship in the ship coordinate system. Based on the lateral deviation calculated by the computing means and the lateral position deviation computing means, the rotational direction mode to be generated by the rotational moment generating means. A rotation direction moment calculating means for calculating the moment, a disturbance estimating means for estimating the direction of the disturbance acting on the ship, and the rotation direction moment calculating means according to the direction of the disturbance estimated by the disturbance estimating means. This is achieved by a marine position holding control device comprising moment correcting means for correcting the calculated moment in the rotational direction.

この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差に基づいて演算される。そして、この演算された回転方向モーメントは、船舶に作用する外乱の方向に応じて補正される。船舶の船首又は船尾の向く方向が外乱の方向とずれれば、その船舶に船舶座標上で外乱の横方向成分が作用するため、船舶に作用する外乱をその船舶を横方向へ移動させる推進力として用いることができる。従って、本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。   In the invention of this aspect, the rotational direction moment of the ship is calculated based on the lateral deviation between the current position and the target holding position of the ship in the ship coordinate system. The calculated rotational moment is corrected in accordance with the direction of disturbance acting on the ship. If the direction of the ship's bow or stern is deviated from the direction of the disturbance, the lateral component of the disturbance acts on the ship in terms of the ship's coordinates, so the driving force that moves the ship's disturbance in the lateral direction. Can be used as Therefore, according to the present invention, the horizontal position of the ship can be held around a fixed point when there is a disturbance due to wind or tide.

尚、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記回転方向モーメント演算手段は、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記船舶の船首が向くべき目標の方位を演算する目標方位演算手段と、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを、前記船舶の船首が向いている方位と、前記目標方位演算手段により演算される前記目標の方位との制御誤差に応じた値に設定するモーメント設定手段と、を有することとしてもよい。   In the above-described ship position holding control device, the rotational moment calculating means includes the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculating means and the disturbance direction estimated by the disturbance estimating means. Based on the target azimuth calculating means for calculating the target azimuth to which the bow of the ship should face, the rotational moment to be generated by the rotational moment generating means, the azimuth to which the bow of the ship is directed, and the And a moment setting means for setting a value corresponding to a control error with respect to the target azimuth calculated by the target azimuth calculating means.

この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差及び船舶に作用する外乱の方向に基づいて演算される船舶の船首が向くべき目標の方位と、船首が実際に向いている方位との制御誤差に応じた値に設定される。かかる構成によれば、船舶の船首を適切に目標の方位へ向けることができるので、外乱による横方向への推進力を適切に得ることができる。従って、本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。   In the invention of this aspect, the ship's bow in the ship direction calculated is based on the lateral deviation between the current position and the target holding position of the ship in the ship coordinate system and the direction of the disturbance acting on the ship. It is set to a value corresponding to the control error between the target direction of the power and the direction in which the bow is actually facing. According to such a configuration, the bow of the ship can be appropriately directed to the target direction, and thus a lateral thrust force due to disturbance can be appropriately obtained. Therefore, according to the present invention, the horizontal position of the ship can be held around a fixed point when there is a disturbance due to wind or tide.

また、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記目標方位演算手段は、前記目標の方位を演算するうえで、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差の時間積分値を用いないこととしてもよい。   In the above-described ship position holding control device, the target azimuth calculating means uses the time integral value of the lateral deviation calculated by the horizontal position deviation calculating means when calculating the target azimuth. It is good even if it is not.

この態様の発明において、船舶の目標方位は、船舶の横方向偏差の時間積分値を用いることなく演算される。かかる構成によれば、船舶の位置を保持するうえで船舶の横方向について定常偏差を残すことができ、その結果として、外乱方向が変化した際に船舶の横方向偏差を生じさせることができる。従って、本発明によれば、常に船舶の横方向偏差から外乱方向を推定することができ、風や潮流等による外乱が変化する場合にも船舶の横方向位置を定点から大きく外れることなく保持させることができる。   In the invention of this aspect, the target azimuth of the ship is calculated without using the time integral value of the lateral deviation of the ship. According to such a configuration, it is possible to leave a steady deviation in the lateral direction of the ship in maintaining the position of the ship, and as a result, it is possible to cause a lateral deviation of the ship when the disturbance direction changes. Therefore, according to the present invention, the disturbance direction can always be estimated from the lateral deviation of the ship, and the lateral position of the ship can be maintained without greatly deviating from the fixed point even when the disturbance due to wind or tidal current changes. be able to.

また、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記モーメント設定手段は、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを設定するうえで、前記制御誤差の時間積分値を用いないこととしてもよい。   Further, in the above-described ship position holding control device, the moment setting means may not use the time integral value of the control error in setting the rotational moment to be generated by the rotational direction moment generating means. Good.

この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船首の方位とその目標方位との制御誤差の時間積分値を用いることなく演算される。従って、船舶の位置を保持するうえで船舶の横方向について定常偏差を残すことができ、その結果として、外乱方向が変化した際に船舶の横方向偏差を生じさせることができる。従って、本発明によれば、常に船舶の横方向偏差から外乱方向を推定することができ、風や潮流等による外乱が変化する場合にも船舶の横方向位置を定点から大きく外れることなく保持させることができる。   In this aspect of the invention, the rotational moment of the ship is calculated without using the time integral value of the control error between the heading of the ship and its target direction. Therefore, in maintaining the position of the ship, a steady deviation can be left in the lateral direction of the ship, and as a result, the lateral deviation of the ship can be generated when the disturbance direction changes. Therefore, according to the present invention, the disturbance direction can always be estimated from the lateral deviation of the ship, and the lateral position of the ship can be maintained without greatly deviating from the fixed point even when the disturbance due to wind or tidal current changes. be able to.

また、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記外乱推定手段は、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差を時間積分した値に基づいて、前記外乱の方向を推定することとしてもよい。   In the above-described ship position holding control device, the disturbance estimation unit estimates the direction of the disturbance based on a value obtained by time-integrating the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculation unit. It is good.

この態様の発明において、船舶に作用する外乱の方向は、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を時間積分した値に基づいて推定される。外乱方向が変化すれば、船舶座標系上で横方向の偏差が発生する。従って、本発明によれば、横方向偏差を時間積分することにより外乱方向を推定することができるため、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。   In this aspect of the invention, the direction of the disturbance acting on the ship is estimated based on a value obtained by integrating the lateral deviation between the current position and the target holding position in the ship coordinate system. If the disturbance direction changes, a lateral deviation occurs on the ship coordinate system. Therefore, according to the present invention, the direction of disturbance can be estimated by time-integrating the lateral deviation, so that when there is a disturbance due to wind or tidal current, the horizontal position of the ship can be held around a fixed point. it can.

更に、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記前後方向推進力演算手段は、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算するうえで、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差、該前後方向偏差の時間微分値、及び該前後方向偏差の時間積分値を用いることとしてもよい。   Further, in the above-described ship position holding control device, the front / rear direction propulsive force calculating means calculates the front / rear direction propulsive force to be generated by the front / rear direction propulsive force generating means. The calculated front-rear direction deviation, the time differential value of the front-rear direction deviation, and the time integral value of the front-rear direction deviation may be used.

この態様の発明において、船舶の前後方向推進力は、船舶の現位置と目標保持位置との偏差、その偏差の時間微分値、及び、その偏差の時間積分値に基づいて演算される。従って、本発明によれば、船舶の前後方向位置を定点に確実に保持させることができる。   In the invention of this aspect, the longitudinal propulsive force of the ship is calculated based on a deviation between the current position of the ship and the target holding position, a time differential value of the deviation, and a time integral value of the deviation. Therefore, according to the present invention, the position of the ship in the front-rear direction can be reliably held at a fixed point.

本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合にも船舶の定点保持を実現させることができる。   According to the present invention, it is possible to realize a fixed point holding of a ship even when there is a disturbance due to wind, tidal current, or the like.

本発明の一実施例である船舶用位置保持制御装置の構成図である。It is a block diagram of the position holding control apparatus for ships which is one Example of this invention. 本実施例において用いられる符号の定義を表した図である。It is a figure showing the definition of the code | symbol used in a present Example. 本実施例において船舶のsway方向に推進力を発生させる手法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the method of generating a thrust in the sway direction of a ship in a present Example. 本実施例において船舶のsway方向に定常偏差z2が生ずることを表したである。This shows that a steady deviation z2 is generated in the sway direction of the ship in this embodiment. 本実施例の船舶用位置保持制御装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。It is a flowchart of an example of the control routine performed in the position holding control apparatus for ships of a present Example.

以下、図面を用いて、本発明に係る船舶用位置保持制御装置の具体的な実施の形態について説明する。   Hereinafter, specific embodiments of a marine position holding control device according to the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の一実施例である船舶用位置保持制御装置10の構成図を示す。図2は、本実施例において用いられる符号の定義を表した図を示す。本実施例の船舶用位置保持制御装置(以下、単に制御装置と称す)10は、船舶の位置を自動的に予め定められている目標の位置(定点)に保持させる装置であって、クルーザやボートの如き比較的小型の船舶12に搭載される装置である。   FIG. 1 shows a configuration diagram of a marine position holding control apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a diagram showing the definition of symbols used in this embodiment. A ship position holding control device (hereinafter simply referred to as a control device) 10 according to the present embodiment is a device that automatically holds the position of a ship at a predetermined target position (fixed point). It is a device mounted on a relatively small ship 12 such as a boat.

本実施例において、船舶12は、船体に対して前後方向に推進力(以下、前後方向推進力と称す)を発生させる機構と、船体中心に回転モーメントを発生させる機構と、を有している。船舶12は、両機構を機能させる構成として2つの推進機14,16を備える2軸艇である。推進機14,16は、例えば、船体の船尾の左右対称となる位置に取り付けられる一対の船外機である。尚、推進機14,16は、船外機に限定されるものではなく、船内外機や船内機であってもよい。また、船舶12は、2つの推進機14,16を備える2軸艇に限定されるものではなく、前後進させるプロペラと操船させる舵とを有する1軸艇であってもよい。   In this embodiment, the ship 12 has a mechanism that generates a propulsive force in the front-rear direction (hereinafter referred to as a front-rear direction propulsive force) with respect to the hull, and a mechanism that generates a rotational moment at the center of the hull. . The ship 12 is a biaxial boat provided with two propulsion devices 14 and 16 as a configuration for causing both mechanisms to function. The propulsion units 14 and 16 are, for example, a pair of outboard motors that are attached to positions that are symmetrical with respect to the stern of the hull. The propulsion devices 14 and 16 are not limited to outboard motors, and may be inboard or outboard motors or inboard motors. Further, the ship 12 is not limited to the two-axis boat including the two propulsion devices 14 and 16, and may be a one-axis boat having a propeller that moves forward and backward and a rudder that operates the boat.

船舶12は、舵取り操作やスロットル操作などの操船者による操船操作により推進機14,16を駆動させて航走することが可能であると共に、操船者による操船操作によることなく推進機14,16を駆動させて位置を自動的に定点に保持されることが可能である。船舶12のモードは、操船者によるスイッチ操作などに応じて、操船操作に応じて航走する通常航走モードと、自動的に定点に位置保持される定点保持モードと、に切り替わることが可能である。   The marine vessel 12 can travel by driving the propulsion units 14 and 16 by a marine vessel maneuvering operation such as a steering operation or a throttle operation, and the propulsion units 14 and 16 can be operated without any marine maneuvering operation by the marine vessel operator. The position can be automatically held at a fixed point by driving. The mode of the ship 12 can be switched between a normal traveling mode in which the ship navigates in accordance with the maneuvering operation and a fixed point holding mode in which the position is automatically held at a fixed point according to a switch operation by the operator. is there.

制御装置10は、上記した定点保持モードを実現すべく、マイクロコンピュータを主体に構成される電子制御ユニット(以下、ECUと称す)20を備えている。ECU20には、位置センサ22及び方位センサ24が電気的に接続されている。位置センサ22は、例えばGPSセンサなどであり、船舶12の地球座標系(基準座標系;X−Y)での現位置(x,y)に応じた信号を出力する。また、方位センサ24は、例えば磁気式のセンサであり、船舶12の船首が向く方向(以下、船舶方位と称す)Ψに応じた信号を出力する。ECU20は、位置センサ22の出力信号に基づいて船舶12の地球座標系(基準座標系;X−Y)での現位置(x,y)を検出すると共に、方位センサ24の出力信号に基づいて船舶12の船舶方位Ψを検出する。尚、船舶方位Ψは、例えば、地球座標系のx軸を基準にして右回りを正とする角度である。   The control device 10 includes an electronic control unit (hereinafter referred to as an ECU) 20 mainly composed of a microcomputer in order to realize the above-described fixed point holding mode. A position sensor 22 and an orientation sensor 24 are electrically connected to the ECU 20. The position sensor 22 is a GPS sensor, for example, and outputs a signal corresponding to the current position (x, y) of the ship 12 in the earth coordinate system (reference coordinate system; XY). The direction sensor 24 is a magnetic sensor, for example, and outputs a signal corresponding to the direction in which the bow of the ship 12 faces (hereinafter referred to as ship direction) Ψ. The ECU 20 detects the current position (x, y) of the ship 12 in the earth coordinate system (reference coordinate system; XY) based on the output signal of the position sensor 22, and based on the output signal of the direction sensor 24. The ship orientation Ψ of the ship 12 is detected. Note that the ship orientation Ψ is, for example, an angle with the clockwise direction being positive with respect to the x axis of the earth coordinate system.

ECU20には、船舶12が停泊すべき地球座標系での目標保持位置(定点(x0,y0))の情報が入力される。この目標保持位置(x0,y0)の情報は、例えば、海上での操船者によるスイッチ操作によりメモリ26に記憶される情報であり、そのメモリ26から読み出されてECU12に入力される。ECU20は、入力される目標保持位置(x0,y0)の情報に基づいて、船舶12が停泊すべき目標保持位置(x0,y0)を検出する。   Information on the target holding position (fixed point (x0, y0)) in the earth coordinate system where the ship 12 should be anchored is input to the ECU 20. The information on the target holding position (x0, y0) is information stored in the memory 26 by a switch operation by a marine vessel operator at sea, for example, and is read from the memory 26 and input to the ECU 12. The ECU 20 detects the target holding position (x0, y0) where the ship 12 should be anchored based on the input target holding position (x0, y0) information.

ECU20は、変換・演算部30を有している。変換・演算部30は、船舶12の位置について、次式(1)に従って地球座標系X−Yから船舶12に固定された船舶座標系Z1−Z2への座標変換を行うと共に、現位置と目標保持位置との船舶座標系Z1−Z2での位置偏差(z1,z2)の演算を行う部位である。尚、船舶座標系において、船舶12の前後方向をsurge方向とし、船舶12の横方向をsway方向とする。変換・演算部30における演算は、検出された船舶12の現位置(x,y)及び船舶方位Ψ、並びに、入力された目標保持位置(x0,y0)に基づいて行われる。尚、f(Ψ)は、船舶方位Ψに応じて変化する関数である。   The ECU 20 has a conversion / calculation unit 30. The conversion / calculation unit 30 performs coordinate conversion on the position of the ship 12 from the earth coordinate system XY to the ship coordinate system Z1-Z2 fixed to the ship 12 according to the following equation (1), and the current position and target This is a part for calculating the position deviation (z1, z2) in the ship coordinate system Z1-Z2 with the holding position. In the ship coordinate system, the front-rear direction of the ship 12 is a surge direction, and the lateral direction of the ship 12 is a sway direction. The calculation in the conversion / calculation unit 30 is performed based on the detected current position (x, y) and ship direction Ψ of the ship 12 and the input target holding position (x0, y0). Note that f (Ψ) is a function that changes according to the ship direction Ψ.

Figure 2010173589
ECU20は、また、PID制御演算部32を有している。PID制御演算部32は、上記の変換・演算部30に電気的に接続されている。PID制御演算部32には、変換・演算部30で演算された船舶12の船舶座標系Z1−Z2でのsurge方向の位置偏差z1の情報が入力される。PID制御演算部32は、船舶12の位置を目標保持位置(x0,y0)に保持すべく、入力されるsurge方向位置偏差z1に基づいてPID演算を行って、船舶12に発生させるべきsurge方向推進力τ1を演算する。そして、演算したsurge方向推進力τ1に応じた制御量を出力して、そのsurge方向推進力τ1が発生するように一対の推進機14,16を駆動する(surge方向コントローラ)。
Figure 2010173589
The ECU 20 also has a PID control calculation unit 32. The PID control calculation unit 32 is electrically connected to the conversion / calculation unit 30 described above. Information of the position deviation z1 in the surge direction in the ship coordinate system Z1-Z2 of the ship 12 calculated by the conversion / calculation unit 30 is input to the PID control calculation unit 32. The PID control calculation unit 32 performs a PID calculation based on the input surge direction position deviation z1 to hold the position of the ship 12 at the target holding position (x0, y0), and the surge direction to be generated in the ship 12. The thrust τ1 is calculated. Then, a control amount corresponding to the calculated surge direction thrust τ1 is output, and the pair of thrusters 14, 16 are driven so as to generate the surge direction thrust τ1 (a surge direction controller).

ECU20は、また、外乱推定演算部34及び2つのPD制御演算部36,38を有している。外乱推定演算部34は、上記の変換・演算部30に電気的に接続されている。外乱推定演算部34には、位置センサ22から出力される船舶12の地球座標系での位置(x,y)の情報が入力されると共に、変換・演算部30で演算された船舶12の船舶座標系Z1−Z2でのsway方向の位置偏差z2の情報が入力される。外乱推定演算部34は、入力される船舶12の地球座標系での位置(x,y)又はsway方向位置偏差z2に基づいて、船舶12に作用する風や潮流などによる外乱の方向θハットを推定する。具体的には、定点保持モードの開始直後は、船舶12の地球座標系での目標保持位置(x0,y0)に対する位置(x,y)の偏差(時間変化)に基づいて外乱の方向(外乱推定方向)θハットを推定し、その後は、sway方向位置偏差z2を用いて後に詳述する如く外乱推定方向θハットを推定する。すなわち、位置(x,y)の偏差に基づいて外乱推定方向θハットの初期値を設定し、その後は、sway方向位置偏差z2に基づいて外乱推定方向θハットを更新する。   The ECU 20 also includes a disturbance estimation calculation unit 34 and two PD control calculation units 36 and 38. The disturbance estimation calculation unit 34 is electrically connected to the conversion / calculation unit 30 described above. Information on the position (x, y) of the ship 12 in the earth coordinate system output from the position sensor 22 is input to the disturbance estimation calculation unit 34, and the ship of the ship 12 calculated by the conversion / calculation unit 30 is input. Information on the position deviation z2 in the sway direction in the coordinate system Z1-Z2 is input. The disturbance estimation calculation unit 34 calculates the direction θ hat of disturbance due to wind or tide that acts on the ship 12 based on the position (x, y) or the sway direction position deviation z2 of the ship 12 in the earth coordinate system that is input. presume. Specifically, immediately after the start of the fixed point holding mode, the direction of the disturbance (disturbance) based on the deviation (time change) of the position (x, y) with respect to the target holding position (x0, y0) in the earth coordinate system of the ship 12. (Estimated direction) A θ hat is estimated, and thereafter, a disturbance estimated direction θ hat is estimated using the sway direction position deviation z2 as will be described in detail later. That is, the initial value of the estimated disturbance direction θ hat is set based on the deviation of the position (x, y), and thereafter, the estimated disturbance direction θ hat is updated based on the sway direction position deviation z2.

外乱推定演算部34の出力及び方位センサ24の出力には、加算器40が電気的に接続されている。加算器40は、外乱推定演算部34の出力に基づく外乱推定方向θハット、及び、方位センサ24の出力に基づく船舶12の船舶方位Ψに基づいて、船舶方位Ψと外乱推定方向θハットとの誤差Ψe(=Ψ−θハット)を演算する。加算器40の出力は、PD制御演算部36に電気的に接続されている。PD制御演算部36は、加算器40で演算された船舶方位Ψと外乱推定方向θハットとの誤差Ψeに基づいてPD演算を行う。   An adder 40 is electrically connected to the output of the disturbance estimation calculation unit 34 and the output of the direction sensor 24. The adder 40 is configured to calculate a ship direction Ψ and a disturbance estimated direction θ hat based on the disturbance estimated direction θ hat based on the output of the disturbance estimation calculation unit 34 and the ship direction Ψ of the ship 12 based on the output of the direction sensor 24. The error Ψe (= Ψ−θ hat) is calculated. The output of the adder 40 is electrically connected to the PD control calculation unit 36. The PD control calculation unit 36 performs PD calculation based on the error Ψe between the ship direction Ψ calculated by the adder 40 and the disturbance estimated direction θ hat.

PD制御演算部38は、上記の変換・演算部30に電気的に接続されている。PD制御演算部38には、変換・演算部30で演算された船舶12の船舶座標系Z1−Z2でのsway方向の位置偏差z2の情報が入力される。PD制御演算部38は、入力されるsway方向位置偏差z2に基づいてPD演算を行って、目標方位として外乱推定方向θハットからずらすべき船舶12の向く方位の偏差ΔΨを演算する(sway方向コントローラ)。   The PD control calculation unit 38 is electrically connected to the conversion / calculation unit 30 described above. Information on the positional deviation z2 in the sway direction in the ship coordinate system Z1-Z2 of the ship 12 calculated by the conversion / calculation unit 30 is input to the PD control calculation unit 38. The PD control calculation unit 38 performs PD calculation based on the input sway direction position deviation z2, and calculates a deviation azimuth azimuth directed to the ship 12 to be shifted from the estimated disturbance direction θ hat as a target azimuth (sway direction controller). ).

PD制御演算部36の出力及びPD制御演算部38の出力には、加算器42が電気的に接続されている。加算器42は、PD制御演算部36の出力に基づく制御値、及び、PD制御演算部38の出力に基づく方位偏差ΔΨに基づいて、船舶12を現船舶方位Ψから目標方位Ψd(=θハット+ΔΨ)へ向けるべく、船舶12に発生させるべき船体中心の回転方向モーメントτ3を演算する。そして、演算した回転方向モーメントτ3に応じた制御量を出力して、その回転方向モーメントτ3が発生するように一対の推進機14,16を駆動する。尚、回転方向モーメントτ3を発生させるうえでは、一対の推進機14,16それぞれの推進力を互いに異ならせることとすればよい。   An adder 42 is electrically connected to the output of the PD control calculation unit 36 and the output of the PD control calculation unit 38. The adder 42 moves the ship 12 from the current ship direction Ψ to the target direction Ψd (= θ hat) based on the control value based on the output of the PD control calculation unit 36 and the direction deviation ΔΨ based on the output of the PD control calculation unit 38. In order to turn to + ΔΨ), the rotation direction moment τ3 of the hull center to be generated in the ship 12 is calculated. Then, a control amount corresponding to the calculated rotational direction moment τ3 is output, and the pair of propulsion units 14 and 16 are driven so that the rotational direction moment τ3 is generated. In order to generate the rotational moment τ3, the propulsive forces of the pair of propulsion units 14 and 16 may be made different from each other.

次に、図3乃至図5を参照して、本実施例の制御装置10の動作について説明する。図3は、本実施例において船舶12のsway方向に推進力を発生させる手法を説明するための図を示す、図4は、本実施例において船舶12のsway方向に定常偏差z2が生ずることを表した図を示す。また、図5は、本実施例においてECU20が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。   Next, the operation of the control device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram for explaining a method for generating a propulsive force in the sway direction of the ship 12 in this embodiment. FIG. 4 shows that a steady deviation z2 is generated in the sway direction of the ship 12 in this embodiment. A diagram is shown. FIG. 5 shows a flowchart of an example of a control routine executed by the ECU 20 in this embodiment.

本実施例において、操船者によるスイッチ操作などにより船舶モードが定点保持モードに設定されると、制御装置10により船舶12をその設定時の位置に自動的に保持させる制御(定点保持制御)が開始される。定点保持制御が開始されると、制御装置10のECU20は、まず、位置センサ22の出力に基づいて検出される船舶12の地球座標系での現位置(x,y)を目標保持位置(x0,y0)としてその情報をメモリ26に記憶させる(ステップ100)。   In this embodiment, when the ship mode is set to the fixed point holding mode by a switch operation or the like by the operator, the control device 10 automatically starts the control (fixed point holding control) for holding the ship 12 at the position at the time of setting. Is done. When the fixed point holding control is started, the ECU 20 of the control device 10 first sets the current position (x, y) in the earth coordinate system of the ship 12 detected based on the output of the position sensor 22 to the target holding position (x0). , Y0), the information is stored in the memory 26 (step 100).

一般に、外乱の作用する状況下で制御対象の位置(x,y)を目標保持位置(x0,y0)に保持させるためには、位置(x,y)と方位Ψとの3自由度を制御する必要がある。しかし、本実施例の船舶12は、前後方向推進力を発生させる機構と回転モーメントを発生させる機構とを有する2自由度の制御入力しか持たない。このため、船舶12の定点保持制御は、制御入力の次元がシステムの一般化座標の次元よりも少ない劣駆動システムとなるので、通常の線形近似モデルでは不可制御となってしまう。   In general, in order to hold the position (x, y) to be controlled at the target holding position (x0, y0) under a situation where a disturbance acts, the three degrees of freedom of the position (x, y) and the direction Ψ are controlled. There is a need to. However, the ship 12 of this embodiment has only a two-degree-of-freedom control input having a mechanism for generating a longitudinal thrust and a mechanism for generating a rotational moment. For this reason, the fixed point holding control of the ship 12 becomes an under-actuated system in which the dimension of the control input is smaller than the dimension of the generalized coordinates of the system.

一方、船舶12には風や潮流などの外乱による合力が作用するので、この外乱の力によって船舶12のsway方向に入力が生じ得る。従って、船舶12に入力される外乱の力を利用することで、定点保持制御について劣駆動システムを解消して、線形近似モデルで可制御とすることが可能である。   On the other hand, since a resultant force due to a disturbance such as wind or tidal current acts on the ship 12, an input can occur in the sway direction of the ship 12 due to the force of the disturbance. Therefore, by using the disturbance force input to the ship 12, it is possible to eliminate the inferior driving system for the fixed point holding control and to make the control possible with the linear approximation model.

そこで、本実施例においては、定点保持制御の開始後、まず、船舶12の方位を外乱推定方向θハットの初期値へ制御し、次に、船舶12の位置(x,y)を目標保持位置(x0,y0)に制御し、以後は、外乱推定方向θハットを更新しながら船舶12の位置(x,y)を目標保持位置(x0,y0)に制御する。   Therefore, in this embodiment, after starting the fixed point holding control, first, the direction of the ship 12 is controlled to the initial value of the estimated disturbance direction θ hat, and then the position (x, y) of the ship 12 is set to the target holding position. Thereafter, the position (x, y) of the ship 12 is controlled to the target holding position (x0, y0) while updating the disturbance estimation direction θ hat.

具体的には、定点保持制御の開始後、ECU20は、所定周期ごとに、位置センサ22の出力に基づいて船舶12の地球座標系での位置(x,y)を検出すると共に、方位センサ24の出力に基づいて船舶12の船舶方位Ψを検出する。ECU20は、定点保持制御の開始直後(ステップ102の肯定判定時)は、船舶12がある程度の距離(例えば5メートル)だけ外乱により流されるまで船舶方位Ψを一定に維持する方位制御を行いつつ、位置(x,y)の変化から外乱の外乱推定方向θハットの初期値を推定する(ステップ104)。   Specifically, after starting the fixed point holding control, the ECU 20 detects the position (x, y) of the ship 12 in the earth coordinate system on the basis of the output of the position sensor 22 at every predetermined period, and the direction sensor 24. The ship orientation Ψ of the ship 12 is detected based on the output of. The ECU 20 performs azimuth control to maintain the ship azimuth Ψ constant until the ship 12 is swept away by a certain distance (for example, 5 meters) immediately after the start of the fixed point holding control (when the determination in step 102 is affirmative) The initial value of the disturbance estimation direction θ hat of the disturbance is estimated from the change of the position (x, y) (step 104).

ECU20は、外乱推定方向θハットの初期値を推定すると、次に、船舶12の目標方位Ψdをその外乱推定方向θハットの初期値に設定し、その目標方位Ψd(=θハット)と船舶方位Ψとの差である制御誤差Ψeを演算する(ステップ106)。そして、その制御誤差Ψeが零となるようにすなわち船舶12の方位Ψが外乱推定方向θハットの初期値となるように船舶12に回転モーメントを与える船舶方位Ψの制御を行う(ステップ108)。従って、本実施例において、定点保持制御の開始時、船舶12に作用する外乱が推定された後、船舶12は、まず、方位Ψがその推定された外乱の生ずる方向θハットとなるように制御される。   When the ECU 20 estimates the initial value of the estimated disturbance direction θ hat, the ECU 20 then sets the target direction Ψd of the ship 12 to the initial value of the estimated disturbance direction θ hat, and the target direction Ψd (= θ hat) and the ship direction. A control error Ψe, which is a difference from Ψ, is calculated (step 106). Then, the ship azimuth Ψ which gives a rotational moment to the ship 12 is controlled so that the control error Ψe becomes zero, that is, the azimuth Ψ of the ship 12 becomes the initial value of the disturbance estimated direction θ hat (step 108). Therefore, in this embodiment, after the disturbance acting on the ship 12 is estimated at the start of the fixed point holding control, the ship 12 first controls the azimuth Ψ to be the direction θ hat where the estimated disturbance occurs. Is done.

ECU20は、上記の如く方位制御を行って船舶方位Ψを外乱推定方向θハットの初期値とした後は、次に、その船舶方位Ψ(外乱推定方向θハットの初期値)を用いて船舶位置の座標変換((x,y)→(z1,z2))を行い、平衡状態にて線形化を行う。   After the ECU 20 performs the azimuth control as described above and sets the vessel azimuth ψ as the initial value of the disturbance estimated direction θ hat, the ECU 20 then uses the vessel azimuth ψ (initial value of the disturbance estimated direction θ hat) to determine the vessel position. (X, y) → (z1, z2)) and linearization is performed in an equilibrium state.

船舶12の方位が外乱の方向に向いているときは、その船舶12のsway方向に外乱による推進力は発生しないが、船舶12の方位が外乱の方向から僅かの量ΔΨだけずれていると、その船舶12のsway方向に外乱による推進力が発生する。この点、外乱が零でなければ、船舶12の方位を外乱方向から僅かにずらすことによって、船舶12の位置(x,y)を目標保持位置(x0,y0)に保持する定点保持制御を可制御とすることが可能である。そして、この際、surge方向推進力τ1及び回転方向モーメントτ3を演算するうえでのゲインを適切に選ぶことで、定点保持制御の安定化を図りかつ任意の極配置を実現することができる。   When the azimuth of the ship 12 is in the direction of the disturbance, no propulsive force is generated in the sway direction of the ship 12, but when the azimuth of the ship 12 is deviated from the direction of the disturbance by a slight amount ΔΨ, Propulsive force due to disturbance is generated in the sway direction of the ship 12. In this respect, if the disturbance is not zero, fixed point holding control for holding the position (x, y) of the ship 12 at the target holding position (x0, y0) is possible by slightly shifting the direction of the ship 12 from the disturbance direction. It can be controlled. At this time, it is possible to stabilize the fixed point holding control and realize any pole arrangement by appropriately selecting a gain for calculating the surge direction thrust τ1 and the rotational direction moment τ3.

すなわち、ECU20は、定点保持制御において、surge方向推進力τ1をsurge方向位置偏差z1に基づくPID制御により演算すると共に、回転方向モーメントτ3を外乱推定方向θハットと船舶方位Ψとの差である誤差Ψeに基づくPD演算値と方位ずれ量ΔΨとにより演算する。この方位ずれ量ΔΨは、sway方向位置偏差z2に基づくPD制御により演算され、偏差z2が大きいほど大きくなり、偏差z2の時間微分値が零から大きいほど大きくなる。   That is, in the fixed point holding control, the ECU 20 calculates the thrust propulsion force τ1 by PID control based on the surge direction position deviation z1, and calculates the rotational direction moment τ3 as an error that is a difference between the disturbance estimated direction θ hat and the ship direction Ψ. Calculation is performed using the PD calculation value based on Ψe and the azimuth deviation amount ΔΨ. This azimuth deviation amount ΔΨ is calculated by PD control based on the sway direction position deviation z2, and increases as the deviation z2 increases, and increases as the time differential value of the deviation z2 increases from zero.

ここで、sway方向コントローラであるECU20がΔΨを演算するうえでは、sway方向位置偏差z2の時間積分値が用いられないと共に、τ3を演算するうえでは、制御誤差Ψeの時間積分値が用いられない。このため、外乱推定方向θハットが外乱の向く方向の真値(外乱真値方向)θと等しい場合は、定常状態においてsway方向位置偏差z2は零となるが、外乱推定方向θハットが外乱真値方向θと異なる場合は、ΔΨやτ3に定常偏差が生じて、船舶12の定点保持に際し次式(2)の如きsway方向の定常偏差z2が生ずる。   Here, when the ECU 20 which is the sway direction controller calculates ΔΨ, the time integral value of the sway direction position deviation z2 is not used, and when calculating τ3, the time integral value of the control error Ψe is not used. . Therefore, when the disturbance estimation direction θ hat is equal to the true value (disturbance true value direction) θ in the direction of the disturbance, the sway direction position deviation z2 is zero in the steady state, but the disturbance estimation direction θ hat is the disturbance true. When it is different from the value direction θ, a steady deviation occurs in ΔΨ and τ3, and a steady deviation z2 in the sway direction as shown in the following equation (2) occurs when the ship 12 holds the fixed point.

Figure 2010173589
この点、sway方向定常偏差z2は、外乱推定方向θハットと外乱真値方向θとの差である未知の外乱誤差(θハット−θ)によって表される。このため、定点保持制御開始後、位置センサ22を用いてsway方向位置偏差z2を検出すれば、次式(3)に従って外乱の方向θハットを更新することが可能である。
Figure 2010173589
In this respect, the sway direction steady deviation z2 is represented by an unknown disturbance error (θ hat−θ) which is the difference between the disturbance estimated direction θ hat and the disturbance true value direction θ. Therefore, if the sway direction position deviation z2 is detected using the position sensor 22 after the fixed point holding control is started, the disturbance direction θ hat can be updated according to the following equation (3).

Figure 2010173589
尚、γは、推定ゲインであり、任意の値である。
Figure 2010173589
Note that γ is an estimated gain and is an arbitrary value.

従って、ECU20は、船舶12の位置(x,y)を目標保持位置(x0,y0)に保持させるべく、上記の如く外乱推定方向θハットの初期値を設定して船舶方位Ψをその外乱推定方向θハットの初期値へ向ける方位制御を行った後(ステップ102の否定判定後)、sway方向位置偏差z2に基づいて上記の(3)式に従って外乱推定方向θハットの更新を行う(ステップ112)。そして、船舶12の目標方位Ψdをその外乱推定方向θハットに設定しつつ、sway方向への推進力を発生させるのに必要なずれ量ΔΨを演算し(ステップ114)、船舶12の方位Ψが外乱推定方向θハットから僅かにΔΨだけずれた方位となるように船舶12に回転モーメントτ3を与える船舶方位Ψの制御を行う(ステップ116)。尚、ECU20は、この方位制御の実行時は同時に、surge方向についての位置制御を行う。   Therefore, the ECU 20 sets the initial value of the disturbance estimation direction θ hat as described above to hold the position (x, y) of the ship 12 at the target holding position (x0, y0), and estimates the ship direction Ψ as the disturbance. After performing the azimuth control toward the initial value of the direction θ hat (after a negative determination in step 102), the disturbance estimated direction θ hat is updated according to the above equation (3) based on the sway direction position deviation z2 (step 112). ). Then, while setting the target azimuth ψd of the ship 12 to the disturbance estimated direction θ hat, the amount of deviation ΔΨ necessary to generate the propulsive force in the sway direction is calculated (step 114). The ship azimuth Ψ that gives the rotational moment τ3 to the ship 12 is controlled so that the azimuth is slightly shifted by ΔΨ from the disturbance estimated direction θ hat (step 116). Note that the ECU 20 performs position control in the surge direction simultaneously with the execution of the azimuth control.

このように、本実施例の制御装置10によれば、定点保持制御の開始時、船舶12の方位Ψを外乱推定方向θハットへ制御することができるので、直接的にはsway方向への推進機構を持たない船舶12を外乱推定方向θハットへ向けることができる。そして、その船舶12を外乱推定方向θハットへ向けた後、その方位Ψをその外乱推定方向θハットから僅かな量ΔΨだけずらすことでその船舶12に外乱によるsway方向の推進力を作用させることができる。このため、本実施例によれば、船舶12に対して風や潮流等による外乱が作用した場合、surge方向への推進機構及び回転方向への推進機構を持つ船舶12について、surge方向の位置を目標保持位置に保持させるだけでなく、sway方向の位置を目標保持位置周辺に保持させることが可能である。   As described above, according to the control device 10 of the present embodiment, the azimuth Ψ of the ship 12 can be controlled to the disturbance estimated direction θ hat at the start of the fixed point holding control, so that the propulsion directly in the sway direction. The ship 12 having no mechanism can be directed to the disturbance estimation direction θ hat. Then, after the ship 12 is directed to the disturbance estimated direction θ hat, the azimuth Ψ is shifted from the disturbance estimated direction θ hat by a slight amount ΔΨ to apply a propulsive force in the sway direction due to the disturbance to the ship 12. Can do. For this reason, according to the present embodiment, when a disturbance due to wind or tidal current acts on the ship 12, the position in the surge direction is set for the ship 12 having the thrust mechanism in the surge direction and the thrust mechanism in the rotation direction. In addition to being held at the target holding position, it is possible to hold the position in the sway direction around the target holding position.

但し、上記の如く、船舶12のsway方向位置を制御するのに必要なΔΨを演算するうえで、sway方向位置偏差z2の積分値が用いられないので、外乱推定方向θハットが外乱真値方向θと異なる場合は、船舶12の定点保持に際しsway方向の定常偏差z2が残る。しかし、sway方向定常偏差z2は未知量の外乱誤差(θハット−θ)によって表されるので、上記の如くsway方向定常偏差z2が残れば、位置センサ22を用いてsway方向位置偏差z2を検出することで、未知量である外乱誤差(θハット−θ)を推定することが可能である。   However, as described above, since the integral value of the sway direction position deviation z2 is not used for calculating ΔΨ necessary to control the sway direction position of the ship 12, the disturbance estimation direction θ hat is the disturbance true value direction. When it is different from θ, the steady deviation z2 in the sway direction remains when the ship 12 holds the fixed point. However, since the sway direction steady deviation z2 is represented by an unknown amount of disturbance error (θ hat−θ), if the sway direction steady deviation z2 remains as described above, the sway direction position deviation z2 is detected using the position sensor 22. By doing so, it is possible to estimate the disturbance error (θ hat −θ), which is an unknown amount.

そこで、本実施例においては、定点保持制御が開始された後、位置センサ22を用いて検出されるsway方向位置偏差z2に基づいて外乱の方向θハットが更新される。このため、本実施例の制御装置10によれば、船舶12に作用すると推定される外乱の方向θハットが外乱真値方向θと異なる場合や外乱真値方向θが変化する場合に、外乱推定方向θハットを更新することができ、その結果、外乱誤差や外乱変化が生じた場合にも、船舶12のsway方向位置を目標保持位置から大きく外れることなくその周辺に保持させることが可能となっている。   Therefore, in this embodiment, after the fixed point holding control is started, the disturbance direction θ hat is updated based on the sway direction position deviation z2 detected using the position sensor 22. Therefore, according to the control device 10 of the present embodiment, the disturbance estimation is performed when the disturbance direction θ hat estimated to act on the ship 12 is different from the disturbance true value direction θ or when the disturbance true value direction θ changes. The direction θ hat can be updated. As a result, even when a disturbance error or a disturbance change occurs, the sway direction position of the ship 12 can be held around the target holding position without greatly deviating from the target holding position. ing.

尚、本実施例において、船舶12のsurge方向の位置を制御するのに、surge方向位置偏差z1に基づくPID演算を行ってsurge方向推進力τ1を演算する。このため、本実施例によれば、船舶12のsurge方向位置を目標保持位置に確実に保持させることが可能である。   In the present embodiment, in order to control the position of the ship 12 in the surge direction, PID calculation based on the surge direction position deviation z1 is performed to calculate the surge direction thrust τ1. For this reason, according to the present embodiment, it is possible to reliably hold the position in the surge direction of the ship 12 at the target holding position.

従って、本実施例の制御装置10によれば、船舶12の位置を保持する定点保持制御系と外乱方向を更新する外乱方位更新制御系とが一体化されるので、この制御装置10が劣駆動システムであっても可制御となり、船舶12の位置保持を高精度に維持することができると共に、外乱誤差や外乱変化に柔軟に対応した位置保持を実現することができる。このため、船舶12の位置を定点で保持させるうえで操船性を飛躍的に向上させることができる。また、定点保持制御により船舶12がほぼ外乱方向に向くように制御されるので、船舶12の方位Ψと外乱方向θとをほぼ一致させ或いは正反対とすることができる。このため、船舶12に外乱としての風や波の影響を受け難くし、乗員の利便性や乗り心地を向上させることができる。   Therefore, according to the control device 10 of the present embodiment, the fixed point holding control system that holds the position of the ship 12 and the disturbance azimuth update control system that updates the disturbance direction are integrated. Even the system is controllable, and the position holding of the ship 12 can be maintained with high accuracy, and the position holding corresponding to the disturbance error and the disturbance change can be realized flexibly. For this reason, when the position of the ship 12 is held at a fixed point, the maneuverability can be greatly improved. Further, since the ship 12 is controlled so as to be directed substantially in the disturbance direction by the fixed point holding control, the azimuth Ψ of the ship 12 and the disturbance direction θ can be substantially matched or diametrically opposite. For this reason, it is difficult for the ship 12 to be affected by wind and waves as disturbances, and the convenience and riding comfort of the occupant can be improved.

ところで、上記の実施例においては、一対の推進機14,16が特許請求の範囲に記載した「前後方向推進力発生手段」及び「回転方向モーメント発生手段」に、変換・演算部30が特許請求の範囲に記載した「前後方向位置偏差演算手段」及び「横方向位置偏差演算手段」に、PID制御演算部32が特許請求の範囲に記載した「前後方向推進力演算手段」に、外乱推定演算部34が特許請求の範囲に記載した「外乱推定手段」に、PD制御演算部38及び加算器40,42が特許請求の範囲に記載した「回転方向モーメント演算手段」、「目標方位演算手段」、及び「モーメント設定手段」に、それぞれ相当している。   By the way, in the above-described embodiment, the pair of propulsion units 14 and 16 claim the conversion / calculation unit 30 in the “front-rear direction propulsion generating means” and the “rotational direction moment generating means” recited in the claims. In the “front-rear direction position deviation calculation means” and “lateral direction position deviation calculation means” described in the above-mentioned range, the PID control calculation unit 32 adds the disturbance estimation calculation to the “front-rear direction thrust calculation means” described in the claims. The unit 34 is the “disturbance estimation unit” described in the claims, and the PD control calculation unit 38 and the adders 40 and 42 are the “rotation direction moment calculation unit” and the “target direction calculation unit” described in the claims. , And “moment setting means”.

尚、上記の実施例においては、定点保持制御開始後、位置センサ22を用いてsway方向位置偏差z2を検出し、上記(3)式に従って外乱の方向θハットを推定してその更新を行うこととしているが、その外乱推定方向θハットの推定に用いられる推定ゲインγを、外乱の力の大きさに応じて変えること、具体的には、外乱が小さいほど大きくしかつ外乱が大きいほど小さくすることとしてもよい。かかる変形例の構成によれば、外乱推定方向θハットの更新を外乱の大きさに応じて適切に行うことができる。   In the above embodiment, after starting the fixed point holding control, the position sensor 22 is used to detect the sway direction position deviation z2, and the disturbance direction θ hat is estimated and updated according to the above equation (3). However, the estimated gain γ used to estimate the disturbance estimation direction θ hat is changed according to the magnitude of the disturbance force. Specifically, the estimated gain γ is increased as the disturbance is reduced and decreased as the disturbance is increased. It is good as well. According to the configuration of such a modification, the disturbance estimation direction θ hat can be updated appropriately according to the magnitude of the disturbance.

但し、特異摂動法を用いれば、本実施例の制御系では、γを十分に小さくした場合に制御系全体の安定性が保証されることが証明される。このため、γを十分に小さくすれば、外乱方位更新制御系を含む定点保持制御全体の安定性を確保することが可能である。   However, if the singular perturbation method is used, it is proved that the stability of the entire control system is guaranteed in the control system of this embodiment when γ is made sufficiently small. For this reason, if γ is made sufficiently small, it is possible to ensure the stability of the entire fixed point holding control including the disturbance direction updating control system.

また、上記の実施例においては、PD制御演算部36が、船舶方位Ψと外乱推定方向θハットとを共にPD演算して制御値を求めることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、外乱推定方向θハットについては、D項を演算することなく、P項のみを演算するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the PD control calculation unit 36 calculates the control value by PD calculation of both the ship direction Ψ and the disturbance estimation direction θ hat, but the present invention is limited to this. Instead, for the disturbance estimation direction θ hat, only the P term may be calculated without calculating the D term.

更に、上記の実施例においては、sway方向位置偏差z2及び外乱推定方向θハットの双方に基づいて回転方向モーメントτ3を演算することとしているが、この構成に代えて、外乱推定方向θハットに基づいて回転方向モーメントτ3を演算したうえで、その演算した回転方向モーメントτ3をsway方向位置偏差z2に応じて補正する構成とすること、或いは、sway方向位置偏差z2に基づいて回転方向モーメントτ3を演算したうえで、その演算した回転方向モーメントτ3を外乱推定方向θハットに応じて補正する構成とすることとしてもよい。   Furthermore, in the above embodiment, the rotational moment τ3 is calculated based on both the sway direction position deviation z2 and the disturbance estimated direction θ hat, but instead of this configuration, based on the disturbance estimated direction θ hat. After calculating the rotational direction moment τ3, the calculated rotational direction moment τ3 is corrected according to the sway direction position deviation z2, or the rotational direction moment τ3 is calculated based on the sway direction position deviation z2. In addition, the calculated rotational moment τ3 may be corrected in accordance with the estimated disturbance direction θ hat.

10 船舶用位置保持制御装置
12 船舶
14,16 推進機
20 電子制御ユニット
22 位置センサ
24 方位センサ
30 変換・演算部
32 PID制御演算部
34 外乱推定演算部
36,38 PD制御演算部
x0,y0 地球座標系での目標保持位置
x,y 地球座標系での位置
z1 船舶座標系でのsurge方向位置偏差
z2 船舶座標系でのsway方向位置偏差
θ 外乱真値方向
θハット 外乱推定方向
Ψ 船舶方位
ΔΨ sway方向への推進力を発生させるための方位のずれ量
τ1 surge方向推進力
τ3 回転方向モーメント
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ship position holding control apparatus 12 Ship 14,16 Propulsion machine 20 Electronic control unit 22 Position sensor 24 Direction sensor 30 Conversion / calculation part 32 PID control calculation part 34 Disturbance estimation calculation part 36, 38 PD control calculation part x0, y0 Earth Target holding position in the coordinate system x, y Position in the Earth coordinate system z1 Position deviation in the direction of the ship coordinate system z2 Position deviation in the direction of the ship coordinate system θ Disturbance true value direction θ Hat Disturbance estimation direction Ψ Ship orientation ΔΨ Azimuth misalignment to generate thrust in the sway direction τ1 Surge direction thrust τ3 Rotational moment

Claims (7)

前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、
前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、
前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、
前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、
を備えることを特徴とする船舶用位置保持制御装置。
A control device for maintaining the position of a ship having a longitudinal thrust generating means for generating a longitudinal thrust and a rotational moment generating means for generating a rotational moment,
A front-rear direction position deviation calculating means for calculating a front-rear direction deviation between the current position in the ship coordinate system of the ship and the target holding position;
A front-rear direction propulsive force calculating means for calculating a front-rear direction propulsive force to be generated by the front-rear direction propulsive force generating means based on the front-rear direction deviation calculated by the front-rear direction position deviation calculating means;
Lateral position deviation calculating means for calculating a lateral deviation between the current position of the ship in the ship coordinate system and the target holding position;
Disturbance estimation means for estimating the direction of disturbance acting on the ship;
Based on the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculating means and the direction of the disturbance estimated by the disturbance estimating means, a rotational direction moment to be generated by the rotational direction moment generating means is calculated. Rotational direction moment calculation means;
A ship position holding control device comprising:
前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、
前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、
前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、
前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、
前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に応じて、前記回転方向モーメント演算手段により演算される前記回転方向モーメントを補正するモーメント補正手段と、
を備えることを特徴とする船舶用位置保持制御装置。
A control device for maintaining the position of a ship having a longitudinal thrust generating means for generating a longitudinal thrust and a rotational moment generating means for generating a rotational moment,
A front-rear direction position deviation calculating means for calculating a front-rear direction deviation between the current position in the ship coordinate system of the ship and the target holding position;
Based on the front / rear direction deviation calculated by the front / rear direction position deviation calculating means, a front / rear direction propulsive force calculating means for calculating a front / rear direction propulsive force to be generated by the front / rear direction propulsive force generating means;
Lateral position deviation calculating means for calculating a lateral deviation between the current position and the target holding position in the ship coordinate system of the ship;
A rotational moment calculating means for calculating a rotational moment to be generated by the rotational moment generating means, based on the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculating means;
Disturbance estimation means for estimating the direction of disturbance acting on the ship;
Moment correcting means for correcting the rotational direction moment calculated by the rotational direction moment calculating means according to the direction of the disturbance estimated by the disturbance estimating means;
A ship position holding control device comprising:
前記回転方向モーメント演算手段は、
前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記船舶の船首が向くべき目標の方位を演算する目標方位演算手段と、
前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを、前記船舶の船首が向いている方位と、前記目標方位演算手段により演算される前記目標の方位との制御誤差に応じた値に設定するモーメント設定手段と、
を有することを特徴とする請求項1記載の船舶用位置保持制御装置。
The rotational moment calculating means is
Target azimuth calculation for calculating a target azimuth that the bow of the ship should face based on the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculation means and the direction of the disturbance estimated by the disturbance estimation means. Means,
The rotational direction moment to be generated by the rotational direction moment generating means is set to a value corresponding to a control error between the direction in which the bow of the ship is facing and the target direction calculated by the target direction calculating means. A moment setting means;
The ship position holding control device according to claim 1, wherein
前記目標方位演算手段は、前記目標の方位を演算するうえで、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差の時間積分値を用いないことを特徴とする請求項3記載の船舶用位置保持制御装置。   The ship according to claim 3, wherein the target azimuth calculating means does not use the time integral value of the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculating means in calculating the target azimuth. Position holding control device. 前記モーメント設定手段は、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを設定するうえで、前記制御誤差の時間積分値を用いないことを特徴とする請求項3又は4記載の船舶用位置保持制御装置。   5. The ship position according to claim 3, wherein the moment setting means does not use a time integral value of the control error when setting the rotational moment to be generated by the rotational moment generating means. Holding control device. 前記外乱推定手段は、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差を時間積分した値に基づいて、前記外乱の方向を推定することを特徴とする請求項4又は5記載の船舶用位置保持制御装置。   The ship according to claim 4 or 5, wherein the disturbance estimating means estimates the direction of the disturbance based on a value obtained by time integration of the lateral deviation calculated by the lateral position deviation calculating means. Position holding control device. 前記前後方向推進力演算手段は、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算するうえで、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差、該前後方向偏差の時間微分値、及び該前後方向偏差の時間積分値を用いることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項記載の船舶用位置保持制御装置。   The front-rear direction propulsive force calculating means calculates the front-rear direction propulsive force to be generated by the front-rear direction propulsive force generating means, and the front-rear direction deviation calculated by the front-rear direction position deviation calculating means, the front-rear direction deviation The ship position holding control device according to any one of claims 1 to 6, wherein a time differential value of and a time integral value of the longitudinal deviation are used.
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