JPH0516878A - Automatic pilot of underwater sailing body - Google Patents

Automatic pilot of underwater sailing body

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JPH0516878A
JPH0516878A JP19997391A JP19997391A JPH0516878A JP H0516878 A JPH0516878 A JP H0516878A JP 19997391 A JP19997391 A JP 19997391A JP 19997391 A JP19997391 A JP 19997391A JP H0516878 A JPH0516878 A JP H0516878A
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motion
kinetic
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motion model
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Abstract

PURPOSE:To improve the estimated accuracy of motion state quantity as well as to simplify a kinetic model by using the kinetic following the kinetic characteristic of an underwater sailing body, for an estimated calculation of the kinetic state quantity. CONSTITUTION:A kinetic state quantity estimated part 4 inputs an output signal (u) and a control command signal (u) of a sensor 3 detecting the kinetic state quantity of an underwater sailing body and each of renewed kinetic model factor estimated values Ae, Be, Ge, estimating the kinetic state quantity, and kinetic state quantity estimated values Xe, We are outputted to a control part 1. A kinetic model calculating part 7 inputs the control command signal (u) and the renewed kinetic model factor estimated values Ae, Be, Ge, calculating a kinetic state quantity X the kinetic model has. A kinetic model correcting part 6 corrects a kinetic model factor so as to make the square mean of an error between kinetic state quantity estimated Xe and kinetic state quantity X come to the minimum, outputting these kinetic model factor estimated values Ae, Be, Ge to the kinetic state quantity estimated part 4 and the kinetic model calculating part 7 each.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水中航走体の自動操縦
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an automatic piloting system for underwater vehicles.

【０００２】[0002]

【従来の技術】従来の水中航走体の自動操縦装置は、図
４に示すように固定の運動モデルを持つ運動状態量推定
部１４と、設定値および運動状態量の推定値を入力して
制御指令信号を出力する制御部１１を有している。2. Description of the Related Art A conventional underwater vehicle automatic piloting apparatus inputs a motion state quantity estimating unit 14 having a fixed motion model as shown in FIG. 4 and a set value and an estimated value of the motion state quantity. It has the control part 11 which outputs a control command signal.

【０００３】この自動操縦装置では、たとえば深度や針
路などの設定値ｒと運動状態量推定部１４からの推定値
ｘ e が制御部１１に入力されると、制御部１１はこれら
の情報から制御指令信号ｕを生成する。この制御指令信
号ｕで動作した水中航走体の運動特性１２に基づく状態
量のうちのある一部は、運動状態量ｘとしてセンサ１３
により検出され、このセンサ出力ｙが制御指令信号ｕと
共に運動状態量推定部１４に入力される。運動状態量推
定部１４では、これらの情報に基づいて水中航走体の運
動状態量の推定値ｘ e を計算し、制御部１１にフィード
バックする。この動作が繰り返され、水中航走体の自動
操縦が行なわれる。なお、符号の下線はベクトルである
ことを示す。In this automatic pilot system, set values r such as depth and heading and estimated values from the motion state quantity estimating unit 14 are used.
When x e is input to the control unit 11, the control unit 11 generates the control command signal u from these pieces of information. A part of the state quantity based on the motion characteristic 12 of the underwater vehicle operated by the control command signal u is a sensor 13 as a motion state quantity x.
And the sensor output y is input to the motion state quantity estimating unit 14 together with the control command signal u . The motion state quantity estimation unit 14 calculates an estimated value x e of the motion state quantity of the underwater vehicle based on these pieces of information, and feeds it back to the control unit 11. This operation is repeated and the underwater vehicle is automatically piloted. The underlined symbol indicates a vector.

【０００４】[0004]

【発明が解決しようとする課題】この従来の水中航走体
の自動操縦装置では、運動状態量推定部１４で運動状態
量の推定計算を行なう際に必要となる運動モデルが固定
であるため、この運動モデルが水中航走体の運動特性を
正確に表現していないという問題点があった。また運動
特性を正確に表現しようとすると、多くの項の付加が必
要となり、運動状態量の推定計算に時間が掛かるため、
自動操縦に必要な制御指令信号ｕを瞬時に生成するとい
う観点からは適さない。このため従来の自動操縦装置で
は、運動状態量の推定計算に誤差が伴いやすく、この誤
差の影響で制御系が不安定になるという問題点があっ
た。In this conventional automatic piloting system for underwater vehicles, since the motion model required when the motion state quantity estimating unit 14 performs the estimation calculation of the motion state quantity is fixed, There is a problem that this motion model does not accurately represent the motion characteristics of the underwater vehicle. Also, in order to accurately represent the motion characteristics, many terms need to be added, and it takes time to calculate and estimate the motion state quantity.
It is not suitable from the viewpoint of instantaneously generating the control command signal u necessary for automatic piloting. For this reason, in the conventional autopilot, there is a problem that the estimation calculation of the motion state quantity is likely to be accompanied by an error and the control system becomes unstable due to the error.

【０００５】本発明は、このような従来の技術が有する
課題を解決するために提案されたものであり、運動状態
量の推定計算に水中航走体の運動特性に追従する運動モ
デルを用いることで、運動状態量の推定精度を向上でき
るとともに、運動モデルの簡略化が図れる水中航走体の
自動操縦装置を提供することを目的とする。The present invention has been proposed in order to solve the problem of the conventional technique, and uses a motion model that follows the motion characteristics of the underwater vehicle for the estimation calculation of the motion state quantity. Therefore, it is an object of the present invention to provide an automatic piloting apparatus for an underwater vehicle which can improve the estimation accuracy of the motion state quantity and can simplify the motion model.

【０００６】[0006]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明は、設定値と水中航走体の運動状態量推定値と
を入力し、制御指令信号を生成する制御部と、水中航走
体の運動状態量を検出するセンサの信号と、上記制御指
令信号と更新された運動モデル係数推定値とを入力し、
運動状態量を推定して、運動状態量推定値を上記制御部
に出力する運動状態量推定部と、上記制御指令信号と更
新された運動モデル係数推定値とを入力し、運動モデル
の持つ運動状態量を計算する運動モデル計算部と、上記
運動状態量推定部からの運動状態量推定値と、この運動
モデル計算部から出力される運動状態量との誤差が最小
となるように運動モデル係数を修正し、更新した運動モ
デル係数推定値を、上記運動状態量推定部と上記運動モ
デル計算部とに出力する運動モデル修正部とを有する構
成としてある。To achieve this object, the present invention provides a control unit for inputting a set value and a motion state quantity estimation value of an underwater vehicle to generate a control command signal, and an underwater vehicle. Input the signal of the sensor that detects the motion state amount of the running body, the control command signal and the updated motion model coefficient estimated value,
The motion state quantity estimation unit that estimates the motion state quantity and outputs the motion state quantity estimation value to the control unit, the control command signal, and the updated motion model coefficient estimation value are input, and the motion model has a motion A motion model calculation unit that calculates a state quantity, a motion model coefficient that minimizes an error between the motion state quantity estimated value from the motion state quantity estimation unit and the motion state quantity output from the motion model calculation unit. And a motion model correction unit that outputs the updated motion model coefficient estimated value to the motion state amount estimation unit and the motion model calculation unit.

【０００７】ここで、運動モデル計算部と運動モデル修
正部とは、時間的に変化する水中航走体の運動特性に追
従するように運動モデルを修正するための運動モデル修
正手段を構成している。Here, the motion model calculation unit and the motion model correction unit constitute motion model correction means for correcting the motion model so as to follow the time-varying motion characteristics of the underwater vehicle. There is.

【０００８】[0008]

【作用】上述した構成によれば、運動モデル修正部から
は水中航走体の運動特性に追従した運動モデル係数推定
値を運動状態量推定部に出力できるので、この運動状態
量推定部で計算される状態推定値の精度を高めることが
できる。According to the above-described structure, the motion model correction unit can output the motion model coefficient estimated value that follows the motion characteristics of the underwater vehicle to the motion state amount estimation unit. The accuracy of the estimated state value can be increased.

【０００９】[0009]

【実施例】以下、本発明による水中航走体の自動操縦装
置の具体的な実施例を図面に基づき詳細に説明する。図
１の系統図に、この自動操縦装置の一実施例を示す。こ
の図で、運動状態量推定部４は、時間とともに変化する
水中航走体の運動特性２に正確に追従できる時変(time
varint)な運動モデルを持っている。この時変な運動モ
デルを表わす運動モデル係数推定値（係数行列）Ａe ，
Ｂe ，Ｇe は、運動モデル修正部６から運動状態量推定
部４に入力される。運動状態量推定部４では、これら運
動モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe と、センサ３から
取り込まれるセンサ出力ｙと、制御部１から入力される
制御指令信号ｕとから水中航走体の運動状態量の推定値
ｘ e ，Ｗ e を計算し、この状態推定値ｘ e ，Ｗ e を制御
部１にフィードバックする。また計算された状態推定値
ｘ e は誤差計算部５にも入力され、不釣合量の推定値に
対応する状態推定値Ｗ eは運動モデル計算部７へも入力
される。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Specific embodiments of an automatic piloting system for underwater vehicles according to the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. An example of this automatic piloting device is shown in the system diagram of FIG. In this figure, the motion state quantity estimating unit 4 can accurately follow the motion characteristic 2 of the underwater vehicle which changes with time.
have a varint) motion model. A motion model coefficient estimation value (coefficient matrix) A e representing this time-varying motion model,
B e and G e are input from the motion model correction unit 6 to the motion state quantity estimation unit 4. The motion state quantity estimating unit 4 uses the motion model coefficient estimated values A e , B e , and G e , the sensor output y fetched from the sensor 3, and the control command signal u input from the control unit 1 for underwater traveling. Estimated amount of body motion
x e , W e are calculated, and the state estimation values x e , W e are fed back to the control unit 1. Also the calculated state estimate
x e is also input to the error calculation unit 5, and the state estimation value W e corresponding to the estimated value of the unbalance amount is also input to the motion model calculation unit 7.

【００１０】ここで、運動状態量推定部４で計算される
状態推定値ｘ e ，Ｗ e と、制御指令信号ｕと、運動モデ
ル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe と間には、水中航走体の
運動特性２を記述する状態推定値の時間微分をｄｘ e／
ｄｔとすると、次式の関係が成立する。 ｄｘ e／ｄｔ＝Ａe ｘ e＋Ｂe ｕ＋Ｇe Ｗ e Here, between the state estimated values x e and W e calculated by the motion state amount estimation unit 4, the control command signal u, and the motion model coefficient estimated values A e , B e and G e , The time derivative of the state estimation value that describes the motion characteristics 2 of the underwater vehicle is d x e /
If dt is set, the following relationship is established. d x e / dt = A e x e + B e u + G e W e

【００１１】誤差計算部５では、状態推定値ｘ eと運動
モデル計算部７からの運動状態量Ｘ eとの誤差ｅを次式
により計算し、求めた誤差ｅを運動モデル修正部４に入
力する。ｅ ＝ｘ e−Ｘ e [0011] The error calculation unit 5, an error e between the motion state quantity X e from state estimate x e and motion model calculation unit 7 calculates the following equation, the input error e obtained in the motion model correction section 4 To do. e = x e - X e

【００１２】運動モデル修正部６では、この誤差ｅの２
乗平均値Ｊを計算して、数１に示すように２乗平均値Ｊ
が最小となるように運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，
Ｇeを修正する。ここで、平均値Ｊを計算する上での期
間Ｔは、サンプリング周期の１０倍程度に設定される。In the motion model correction unit 6, the error e of 2
The root mean square value J is calculated as shown in Equation 1 by calculating the root mean square value J.
So that the motion model coefficient estimation values A e , B e ,
Correct G e . Here, the period T for calculating the average value J is set to about 10 times the sampling period.

【００１３】[0013]

【数１】 [Equation 1]

【００１４】更新された運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂ
e ，Ｇe は、運動モデル計算部７と運動状態量推定部４
に入力される。Updated motion model coefficient estimates A e , B
e and G e are the motion model calculation unit 7 and the motion state quantity estimation unit 4
Entered in.

【００１５】運動モデル計算部７では、更新された運動
モデル係数推定値Ａe ，Ｂe ，Ｇeと制御部１からの制
御指令信号ｕと運動状態量推定部４からの状態推定値Ｗ
e とから運動モデルの持つ運動状態量Ｘを計算し、誤差
計算部５にフィードバックする。ここで、運動モデル計
算部７で計算される運動状態量Ｘと、制御指令信号ｕ
と、状態推定値Ｗ e と、運動モデル係数推定値Ａe ，Ｂ
e ，Ｇe との間には、運動モデルの状態変数である運動
状態量Ｘの時間微分をｄＸ／ｄｔとすると、次式の関係
が成立する。 ｄＸ／ｄｔ＝Ａe Ｘ＋Ｂe ｕ＋Ｇe Ｗ e なお、運動状態量Ｘの記述には、深度速度、針路速度、
姿勢角速度、速力などの変数が用いられる。In the motion model calculation unit 7, the updated motion is calculated.
Model coefficient estimate Ae , Be , GeAnd control from control unit 1
Command signaluAnd state estimation value from the motion state quantity estimation unit 4W
e And the motion state quantity of the motion modelXAnd calculate the error
Feedback to the calculation unit 5. Where the motion model meter
Motor state quantity calculated by the calculation unit 7XAnd control command signalu
And the state estimateW e And the motion model coefficient estimated value Ae , B
e , Ge Between and the motion that is the state variable of the motion model.
State quantityXThe time derivative ofX/ Dt, the relation of the following equation
Is established. dX/ Dt = Ae X+ Be u+ Ge W e Note that the amount of exerciseXDescription of depth velocity, heading velocity,
Variables such as posture angular velocity and speed are used.

【００１６】この操作によって、時間とともに変化する
水中航走体の運動特性を正確に表わす運動モデル係数推
定値Ａe ，Ｂe ，Ｇe を運動状態量推定部４に与えるこ
とができる。制御部１は、図２に示すようにデータ設定
部１ａと制御方程式計算部１ｂと信号変換部１ｃとから
構成される。データ設定部１ａで、水中航走体を自動操
縦するための深度や針路などのデータ設定が行なわれる
と、これらの設定値ｒは制御方程式計算部１ｂに入力さ
れる。By this operation, the motion model coefficient estimation values A e , B e , and G e which accurately represent the motion characteristics of the underwater vehicle which change with time can be given to the motion state quantity estimation unit 4. As shown in FIG. 2, the control unit 1 includes a data setting unit 1a, a control equation calculation unit 1b, and a signal conversion unit 1c. When the data setting unit 1a sets data such as depth and course for automatically maneuvering the underwater vehicle, these set values r are input to the control equation calculation unit 1b.

【００１７】制御方程式計算部１ｂでは、運動状態量推
定部４から取り込まれた状態推定値ｘ e ，Ｗ e に適正な
フィードバックゲインをかけた後に、データ設定部１ａ
からの設定値ｒと、この状態推定値ｘ e ，Ｗ e とを用い
て、ＰＩＤ（比例＋積分＋微分）制御則などに基づき制
御指令値を生成する。この制御指令値は、信号変換部１
ｃで舵などを動かすための信号に変換され、この制御指
令信号ｕによって運動特性１２を持つ水中航走体の自動
操縦が行なわれる。ここで、水中航走体の運動特性１２
を表わすベクトル変数である運動状態量ｘの時間微分を
ｄｘ／ｄｔとすると、状態量ｘと、制御指令信号ｕと、
運動特性１２に作用する不釣合量Ｗと、水中航走体の運
動係数Ａ，Ｂ，Ｇとの間には、次式の関係式が成立す
る。 ｄｘ／ｄｔ＝Ａｘ＋Ｂｕ＋ＧＷ In the control equation calculation section 1b, the state estimation values x e and W e fetched from the motion state quantity estimation section 4 are multiplied by appropriate feedback gains, and then the data setting section 1a is set.
The set value r from, the state estimate x e, by using the W e, generates a control command value on the basis of such PID (proportional + integral + derivative) control law. This control command value is used by the signal conversion unit 1
The signal is converted into a signal for moving the rudder or the like at c, and the control command signal u automatically controls the underwater vehicle having the motion characteristic 12. Here, the motion characteristics of the underwater vehicle 12
Assuming that the time derivative of the motion state quantity x , which is a vector variable representing, is d x / dt, the state quantity x and the control command signal u
The following relational expression is established between the unbalance amount W acting on the motion characteristic 12 and the motion coefficients A, B, G of the underwater vehicle. d x / dt = A x + B u + G W

【００１８】なお、不釣合量Ｗには図３に示すように重
量不釣合量Ｚと前後不釣合トリムモーメントＭがある。
重量不釣合量Ｚは、重力をＧ、浮力をＢとすると、 Ｚ＝Ｇ−Ｂ で与えられ、前後不釣合トリムモーメントＭは、水中航
走体Ｓ内に設けられた後部タンクＳ1の水量をＭ1、重心
Ｐから後部タンクＳ1までのモーメントをｌ1とし、前部
タンクＳ2の水量をＭ2、重心Ｐから前部タンクＳ2まで
のモーメントをｌ2とすると、 Ｍ＝Ｍ2ｌ2−Ｍ1ｌ1 で与えられる。The unbalance amount W includes a weight unbalance amount Z and a longitudinal unbalance trim moment M as shown in FIG.
The weight imbalance amount Z is given by Z = GB when gravitational force is G and buoyancy is B, and the front-rear unbalance trim moment M is M, which is the amount of water in the rear tank S 1 provided in the underwater vehicle S. 1 , the moment from the center of gravity P to the rear tank S 1 is l 1 , the amount of water in the front tank S 2 is M 2 , and the moment from the center of gravity P to the front tank S 2 is l 2 , M = M 2 l It is given by 2- M 1 l 1 .

【００１９】このような運動特性１２を持つ水中航走体
が、制御指令信号ｕによって運動したときの運動状態量
ｘは、センサ３によって検出され、計測ノイズＶを含む
センサ出力ｙが、運動状態量推進部４に取り込まれる。
運動状態推進部４では、計測ノイズ成分を除去した運動
状態量ｘを運動状態推定値ｘ e ，Ｗ e の算出に用いる。
なお、実施例中の記載で符号の下線はベクトルであるこ
とを示している。A motion state quantity when the underwater vehicle having such a motion characteristic 12 moves by the control command signal u .
x is detected by the sensor 3, and the sensor output y including the measurement noise V is taken into the motion state quantity propulsion unit 4.
The motion state promoting unit 4 uses the motion state quantity x from which the measurement noise component has been removed to calculate the motion state estimated values x e and W e .
In the description of the embodiment, the underlined symbol indicates that it is a vector.

【００２０】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではなく、要旨の範囲内で種々の変形実施が可能
である。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, but various modifications can be made within the scope of the invention.

【００２１】[0021]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、水
中航走体の運動特性の時間的変化に正確に追従した運動
モデルを運動モデル修正部において生成することがで
き、この時変な運動モデルを用いて運動状態量推定部で
状態推定値を高い精度で算出することができるという利
点がある。これにより状態推定値の誤差を極力小さくす
ることができため、制御系の安定性を増すことができ、
自動操縦に必要な最適な制御が可能となる。また運動モ
デル係数を運動特性に見合った値に変化させることがで
きるため、従来の運動モデルの計算項を係数の変化によ
って吸収することができ、計算項の数を減らすことがで
きるという利点がある。これにより運動状態量推定部で
の状態推定値の計算速度を速めることができ、瞬時に制
御指令信号を生成することができる。As described above, according to the present invention, it is possible to generate, in the motion model correction unit, a motion model that accurately follows the temporal changes in the motion characteristics of the underwater vehicle. There is an advantage that the state estimation value can be calculated with high accuracy by the movement state amount estimation unit using the movement model. As a result, the error of the state estimation value can be minimized, and the stability of the control system can be increased.
Optimal control required for autopilot is possible. In addition, since the motion model coefficient can be changed to a value corresponding to the motion characteristic, the calculation term of the conventional motion model can be absorbed by the change of the coefficient, and the number of calculation terms can be reduced. . As a result, the calculation speed of the state estimation value in the motion state quantity estimating unit can be increased, and the control command signal can be instantly generated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明による水中航走体の自動操縦装置の一実
施例を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an automatic piloting system for an underwater vehicle according to the present invention.

【図２】図１の自動操縦装置の制御部を示すブロック図
である。FIG. 2 is a block diagram showing a control unit of the autopilot device of FIG.

【図３】不釣合量を説明するための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining an unbalance amount.

【図４】従来の自動操縦装置を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing a conventional autopilot device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 制御部 １ａ データ設定部 １ｂ 制御方程式計算部 １ｃ 信号変換部 ２ 運動特性 ３ センサ ４ 運動状態量推定部 ５ 誤差計算部 ６ 運動モデル修正部 ７ 運動モデル計算部 1 control unit 1a Data setting section 1b Control equation calculator 1c signal converter 2 movement characteristics 3 sensors 4 Motion state quantity estimation unit 5 Error calculator 6 Movement model correction part 7 Motion model calculator

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 設定値と水中航走体の運動状態量推定値
とを入力し、制御指令信号を生成する制御部と、 水中航走体の運動状態量を検出するセンサの出力信号
と、上記制御指令信号と更新された運動モデル係数推定
値とを入力し、運動状態量を推定して、運動状態量推定
値を上記制御部に出力する運動状態量推定部と、 時間的に変化する水中航走体の運動特性に追従するよう
に運動モデルを修正して、運動モデル係数推定値を上記
運動状態量推定部に出力する運動モデル修正手段と有す
ることを特徴とする水中航走体の自動操縦装置。1. A control unit for inputting a set value and a motion state quantity estimated value of an underwater vehicle to generate a control command signal, and an output signal of a sensor for detecting a motion state quantity of the underwater vehicle, The control command signal and the updated motion model coefficient estimated value are input, the motion state quantity is estimated, and the motion state quantity estimation unit that outputs the motion state quantity estimated value to the control unit changes with time. An underwater vehicle characterized by having a motion model modification means for modifying the motion model so as to follow the motion characteristics of the underwater vehicle and outputting the motion model coefficient estimated value to the motion state quantity estimating unit. Autopilot. 【請求項２】 設定値と水中航走体の運動状態量推定値
とを入力し、制御指令信号を生成する制御部と、 水中航走体の運動状態量を検出するセンサの出力信号と
上記制御指令信号と更新された運動モデル係数推定値と
を入力し、運動状態量を推定して、運動状態量推定値を
上記制御部に出力する運動状態量推定部と、 上記制御指令信号と更新された運動モデル係数推定値と
を入力し、運動モデルの持つ運動状態量を計算する運動
モデル計算部と、 上記運動状態量推定部からの運動状態量推定値と、この
運動モデル計算部から出力される運動状態量との誤差が
最小となるように運動モデル係数を修正し、更新した運
動モデル係数推定値を、上記運動状態量推定部と上記運
動モデル計算部とに出力する運動モデル修正部とを有す
ることを特徴とする水中航走体の自動操縦装置。2. A control unit for inputting a set value and a motion state quantity estimation value of an underwater vehicle, and generating a control command signal, and an output signal of a sensor for detecting a motion state quantity of the underwater vehicle and the above-mentioned. A control command signal and an updated motion model coefficient estimated value are input, a motion state quantity is estimated, a motion state quantity estimation unit that outputs a motion state quantity estimated value to the control unit, and the control command signal and update The calculated motion model coefficient estimated value is input, and the calculated motion state quantity of the motion model is calculated. The calculated motion state quantity from the calculated motion state quantity is output from this motion model calculation section. The motion model correction unit corrects the motion model coefficient so as to minimize the error with the motion state quantity, and outputs the updated motion model coefficient estimated value to the motion state quantity estimation unit and the motion model calculation unit. Characterized by having Autopilot system for underwater vehicles.
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