JPH07210202A - 水中ロボット姿勢制御装置 - Google Patents
水中ロボット姿勢制御装置Info
- Publication number
- JPH07210202A JPH07210202A JP6004963A JP496394A JPH07210202A JP H07210202 A JPH07210202 A JP H07210202A JP 6004963 A JP6004963 A JP 6004963A JP 496394 A JP496394 A JP 496394A JP H07210202 A JPH07210202 A JP H07210202A
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- Japan
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- roll
- angle
- rate
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- controller
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- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Feedback Control In General (AREA)
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 非干渉制御性能が良好なＨ∞制御器による水
中ロボット姿勢制御を得る。 【構成】 干渉項として作用していた垂直舵角δr に対
するロール角φ、ロール角レートωX と止転舵角δに対
するヨー角レートωZ とを打ち消すため垂直舵角、止転
舵角の各指令値を決定するものである。
中ロボット姿勢制御を得る。 【構成】 干渉項として作用していた垂直舵角δr に対
するロール角φ、ロール角レートωX と止転舵角δに対
するヨー角レートωZ とを打ち消すため垂直舵角、止転
舵角の各指令値を決定するものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、水中ロボットの姿勢制
御装置に関する。
御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】水中を航行するロボットにおける舵角制
御は、各種舵角ごとに個別に行なわれており、従来で
は、図２に示すように例えばヨーレート指令ｒが出され
た場合、現在のヨーレートωZ との偏差がとられ、その
偏差に基づきヨーレート制御装置２にて積分及び比例ゲ
イレを乗じて垂直舵角δr を決定し機体の動特性１を変
更しており、また、ロールφ及びロールレートωX につ
いてもロール制御装置３にて比例及び微分ゲインを乗じ
止転舵角δを決定して機体の動特性１を変更してはロー
ル角を０とするよう制御している。
御は、各種舵角ごとに個別に行なわれており、従来で
は、図２に示すように例えばヨーレート指令ｒが出され
た場合、現在のヨーレートωZ との偏差がとられ、その
偏差に基づきヨーレート制御装置２にて積分及び比例ゲ
イレを乗じて垂直舵角δr を決定し機体の動特性１を変
更しており、また、ロールφ及びロールレートωX につ
いてもロール制御装置３にて比例及び微分ゲインを乗じ
止転舵角δを決定して機体の動特性１を変更してはロー
ル角を０とするよう制御している。
【０００３】上述のフィードバック制御系は、ヨーレー
ト制御及びロール制御それぞれについて個別の制御系で
あるが、現実の問題としてはヨーレート制御に当ってロ
ールレート及びロールが干渉され、この点制御対象に不
確定性を含み、いわゆるロバスト制御の導入が図られ
る。ロバスト安定性を確実に保持するためには、上述の
ケースにおいてはヨーレート制御につきロールを打消す
ための制御、いわゆる非干渉化するため最適制御の状態
空間について状態フィードバックを用いた制御器につい
ての条件を考える必要がある。
ト制御及びロール制御それぞれについて個別の制御系で
あるが、現実の問題としてはヨーレート制御に当ってロ
ールレート及びロールが干渉され、この点制御対象に不
確定性を含み、いわゆるロバスト制御の導入が図られ
る。ロバスト安定性を確実に保持するためには、上述の
ケースにおいてはヨーレート制御につきロールを打消す
ための制御、いわゆる非干渉化するため最適制御の状態
空間について状態フィードバックを用いた制御器につい
ての条件を考える必要がある。
【０００４】図２の制御系について、伝達関数を用いる
と機体のヨー面、ロール面の動特性は次式（１）とな
る。
と機体のヨー面、ロール面の動特性は次式（１）とな
る。
【数１】
【０００５】ロボットの旋回時は、ヨーレートを制御す
ることになり、またそのときロールを０に抑えたい希望
があるので、このときの制御量としてはヨーレートωZ
及びロールφとなる。制御量をシステムの出力ｙとする
とき、次式（２）が与えられる。
ることになり、またそのときロールを０に抑えたい希望
があるので、このときの制御量としてはヨーレートωZ
及びロールφとなる。制御量をシステムの出力ｙとする
とき、次式（２）が与えられる。
【数２】
【０００６】したがって、操作量ｕ(t) から制御量ｙ
(t) への伝達関数として表現すると、次式（３）とな
る。
(t) への伝達関数として表現すると、次式（３）とな
る。
【数３】
【０００７】非干渉化については上述のｕ−ｙ間伝達関
数の条件設定を明確にすれば良いのであるが、制御対象
に対して従来の制御装置では図２に示すように、ヨーレ
ートに対して垂直舵角、ロールに対して止転舵角を個別
のループにて前述の比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御を
しており、制御系は次式（４）を構成する。
数の条件設定を明確にすれば良いのであるが、制御対象
に対して従来の制御装置では図２に示すように、ヨーレ
ートに対して垂直舵角、ロールに対して止転舵角を個別
のループにて前述の比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御を
しており、制御系は次式（４）を構成する。
【数４】
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上述の図２に示す水中
ロボットの制御にあっては、ロール面、ヨー面それぞれ
独立に制御しているため、前述の干渉成分Ｇ21（ｓ），
Ｇ12（ｓ）を打消すことがなく、ロールとヨーとの運動
相互に干渉が生じている。すなわち、垂直舵角を操作す
るとロール面に影響が現れ、止転舵角を操作するとヨー
面に影響が現れていた。この影響を図３にて点線のステ
ップ応答で示している。
ロボットの制御にあっては、ロール面、ヨー面それぞれ
独立に制御しているため、前述の干渉成分Ｇ21（ｓ），
Ｇ12（ｓ）を打消すことがなく、ロールとヨーとの運動
相互に干渉が生じている。すなわち、垂直舵角を操作す
るとロール面に影響が現れ、止転舵角を操作するとヨー
面に影響が現れていた。この影響を図３にて点線のステ
ップ応答で示している。
【０００９】本発明は、上述の問題に鑑み、非干渉制御
器を構成した水中ロボット姿勢制御装置の提供を目的と
する。
器を構成した水中ロボット姿勢制御装置の提供を目的と
する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、垂直舵角及び止転舵角を入力とする水中ロボッ
トの出力としてヨー角レート、ロール角、ロール角レー
トを得ると共に、上記ヨー角レートとヨー角レート指令
との偏差を得る制御系において、ヨー角レート制御装置
及びロール角制御装置からなるフィードバック系にあっ
て、上記ヨー角及びヨー角レートを上記ヨー角レート制
御装置のみならず上記ロール角制御装置に入力し、また
ロール角及びロール角レートをロール角制御装置のみな
らず上記ヨー角レート制御装置に入力した、ことを特徴
とする。
発明は、垂直舵角及び止転舵角を入力とする水中ロボッ
トの出力としてヨー角レート、ロール角、ロール角レー
トを得ると共に、上記ヨー角レートとヨー角レート指令
との偏差を得る制御系において、ヨー角レート制御装置
及びロール角制御装置からなるフィードバック系にあっ
て、上記ヨー角及びヨー角レートを上記ヨー角レート制
御装置のみならず上記ロール角制御装置に入力し、また
ロール角及びロール角レートをロール角制御装置のみな
らず上記ヨー角レート制御装置に入力した、ことを特徴
とする。
【００１１】
【作用】垂直舵角及び止転舵角の指令値をヨー角レー
ト、ヨー角レート偏差、ロール角、ロール角レートから
決定する非干渉制御器を用いることになり、制御入力と
しては次式〔数５〕にて示される形で求まる。
ト、ヨー角レート偏差、ロール角、ロール角レートから
決定する非干渉制御器を用いることになり、制御入力と
しては次式〔数５〕にて示される形で求まる。
【数５】 このうち、Ｋ12（ｓ），Ｋ21（ｓ）が干渉成分を打ち消
すための要素である。そして、干渉項を打ち消すための
制御器をＨ∞制御にて設計した。
すための要素である。そして、干渉項を打ち消すための
制御器をＨ∞制御にて設計した。
【００１２】ここで、Ｈ∞最適制御について若干説明す
る。制御対象に係る微分方程式にあって、与えられた評
価関数を最小にする最適制御につき、評価関数が周波数
領域における最大ノルムの形で与えられるＨ∞制御は、
外乱の一様な制御と前述したロバスト性を向上するもの
である。この種、制御理論については数々の論文にて開
示があるが、非干渉制御を部分状態フィードバック制御
「章・細江：状態の一部が直接可測な場合のＨ∞制御問
題の解とロバストサーボ系設計への応用、第１４回 Ｄ
ｙｎａｍｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅｏｒｙ シン
ポジウム資料 ＰＰ．８７〜９２（１９９１）」に基づ
く設計例を示す。
る。制御対象に係る微分方程式にあって、与えられた評
価関数を最小にする最適制御につき、評価関数が周波数
領域における最大ノルムの形で与えられるＨ∞制御は、
外乱の一様な制御と前述したロバスト性を向上するもの
である。この種、制御理論については数々の論文にて開
示があるが、非干渉制御を部分状態フィードバック制御
「章・細江：状態の一部が直接可測な場合のＨ∞制御問
題の解とロバストサーボ系設計への応用、第１４回 Ｄ
ｙｎａｍｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｈｅｏｒｙ シン
ポジウム資料 ＰＰ．８７〜９２（１９９１）」に基づ
く設計例を示す。
【００１３】〈部分状態フィードバック制御設計法〉制
御対象は次式〔数６〕にて表現できる。
御対象は次式〔数６〕にて表現できる。
【数６】
【００１４】つぎに、周波数特性を感度特性（目標値か
ら出力まで）、相補感度特性（目標値から偏差まで）に
区別して、感度Ｓ（ｓ）相補感度Ｔ（ｓ）を次の伝達関
数にて定義する。 Ｓ（ｓ）＝（１＋Ｇ（ｓ）Ｋ（ｓ））-1 Ｔ（ｓ）＝（１＋Ｇ（ｓ）Ｋ（ｓ））-1Ｇ（ｓ）Ｋ
（ｓ） ここで、Ｇ（ｓ）は制御対象の伝達関数、Ｋ（ｓ）は制
御器の伝達関数である。また、伝達関数のＨ∞ノルムを
最小とするため次の〔数７〕示す関数を満たす制御器を
求める。
ら出力まで）、相補感度特性（目標値から偏差まで）に
区別して、感度Ｓ（ｓ）相補感度Ｔ（ｓ）を次の伝達関
数にて定義する。 Ｓ（ｓ）＝（１＋Ｇ（ｓ）Ｋ（ｓ））-1 Ｔ（ｓ）＝（１＋Ｇ（ｓ）Ｋ（ｓ））-1Ｇ（ｓ）Ｋ
（ｓ） ここで、Ｇ（ｓ）は制御対象の伝達関数、Ｋ（ｓ）は制
御器の伝達関数である。また、伝達関数のＨ∞ノルムを
最小とするため次の〔数７〕示す関数を満たす制御器を
求める。
【数７】 こうして、上述の問題を解くことによって、次式ｕ＝Ｋ
B （ｓ）ｙ0 ＋ＫF （ｓ）（ｒ−ｙ）の形式の伝達関数
が求まる。
B （ｓ）ｙ0 ＋ＫF （ｓ）（ｒ−ｙ）の形式の伝達関数
が求まる。
【００１５】
【実施例】ここで、上述の設計法を水中ロボットの姿勢
制御に適用する。ｕ(t) ，ｘ(t) ，ｙ(t) を前述の如く
設定し、ｙ0 (t) ｒ(t) を次の〔数８〕の如く設定す
る。
制御に適用する。ｕ(t) ，ｘ(t) ，ｙ(t) を前述の如く
設定し、ｙ0 (t) ｒ(t) を次の〔数８〕の如く設定す
る。
【数８】 制御入力としてｙ次式〔数９〕の形で求まる。
【数９】 目標値−出力間の伝達関数Ｔ（ｓ）は次の形〔数１０〕
となる。
となる。
【数１０】 非干渉化によって対角項に対し非対角項が十分小さくな
る。このことは、垂直舵角を操作するとロール面に影響
が現れ、止転舵角を操作するとヨー面に影響が現れるた
め、垂直舵角を決定する際に止転舵角の影響を考えてロ
ール面の変数をＫ12（ｓ）に乗じてフィードバックし、
他方止転舵角を決定する際に垂直舵角の影響を考えてヨ
ー面の変数をＫ21（ｓ）に乗じてフィードバックし、非
干渉項の影響を抑えることができる。
る。このことは、垂直舵角を操作するとロール面に影響
が現れ、止転舵角を操作するとヨー面に影響が現れるた
め、垂直舵角を決定する際に止転舵角の影響を考えてロ
ール面の変数をＫ12（ｓ）に乗じてフィードバックし、
他方止転舵角を決定する際に垂直舵角の影響を考えてヨ
ー面の変数をＫ21（ｓ）に乗じてフィードバックし、非
干渉項の影響を抑えることができる。
【００１６】図１は上述の非対角項を十分小さくするた
めのブロック図であり、ヨーレート制御装置２のフィー
ドバックゲインＫ11（ｓ）への入力であるヨーレートω
Z 及び偏差（ｒ−ωZ ）はロール制御装置３のフィード
バックゲインＫ21（ｓ）に入力されると共に、ロール制
御装置３のフィードバックゲインＫ22（ｓ）への入力で
あるロールφ及びロールレートωX は、ヨーレート制御
装置２のフィードバックゲインＫ21（ｓ）に入力される
という構成を有する。上述の操作の結果、閉ループ伝達
関数の非対角項を小さくでき、そのステップ応答は図３
実線に示すように干渉を低減することができる。
めのブロック図であり、ヨーレート制御装置２のフィー
ドバックゲインＫ11（ｓ）への入力であるヨーレートω
Z 及び偏差（ｒ−ωZ ）はロール制御装置３のフィード
バックゲインＫ21（ｓ）に入力されると共に、ロール制
御装置３のフィードバックゲインＫ22（ｓ）への入力で
あるロールφ及びロールレートωX は、ヨーレート制御
装置２のフィードバックゲインＫ21（ｓ）に入力される
という構成を有する。上述の操作の結果、閉ループ伝達
関数の非対角項を小さくでき、そのステップ応答は図３
実線に示すように干渉を低減することができる。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、水
中ロボットにおいて、垂直舵角に対するロール角、ロー
ル角レートと止転舵角に対するヨー角レートをそれぞれ
打ち消すことができ、例えば急旋回時にもロールが発生
しない運動特性を実現できる。
中ロボットにおいて、垂直舵角に対するロール角、ロー
ル角レートと止転舵角に対するヨー角レートをそれぞれ
打ち消すことができ、例えば急旋回時にもロールが発生
しない運動特性を実現できる。
【図１】本発明の実施例に係る非干渉制御系のブロック
線図。
線図。
【図２】従来の制御系のブロック線図。
【図３】従来のＰＩ制御と本発明のＨ∞制御とのステッ
プ応答比較図。
プ応答比較図。
１ 機体の動特性ブロック ２ ヨーレート制御装置 ３ ロール制御装置 ωZ ヨーレート ｒ ヨーレート指令 φ ロール ωX ロールレート δr 垂直舵角 δ 止転舵角
Claims (1)
- 【請求項１】 垂直舵角及び止転舵角を入力とする水中
ロボットの出力としてヨー角レート、ロール角、ロール
角レートを得ると共に、上記ヨー角レートとヨー角レー
ト指令との偏差を得る制御系において、ヨー角レート制
御装置及びロ ール角制御装置からなるフィードバック系にあって、上
記ヨー角及びヨー角レートを上記ヨー角レート制御装置
のみならず上記ロール角制御装置に入力し、 また、ロール角及びロール角レートをロール角制御装置
のみならず上記ヨー角レート制御装置に入力した、 ことを特徴とする水中ロボット姿勢制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6004963A JPH07210202A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 水中ロボット姿勢制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6004963A JPH07210202A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 水中ロボット姿勢制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07210202A true JPH07210202A (ja) | 1995-08-11 |
Family
ID=11598250
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6004963A Withdrawn JPH07210202A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | 水中ロボット姿勢制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07210202A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997013318A1 (fr) * | 1995-10-06 | 1997-04-10 | Hitachi, Ltd. | Organe de commande de moteur |
| US6603280B2 (en) | 1998-04-02 | 2003-08-05 | Hitachi, Ltd. | Motor controller |
| WO2006107017A1 (ja) * | 2005-04-01 | 2006-10-12 | Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha | 制御方法、制御装置および無人ヘリコプタ |
| JP2015016826A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-01-29 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2015033997A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-02-19 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2019025928A (ja) * | 2017-07-25 | 2019-02-21 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体の制御装置及び水中航走体並びに水中航走体の制御方法 |
-
1994
- 1994-01-21 JP JP6004963A patent/JPH07210202A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997013318A1 (fr) * | 1995-10-06 | 1997-04-10 | Hitachi, Ltd. | Organe de commande de moteur |
| US6603280B2 (en) | 1998-04-02 | 2003-08-05 | Hitachi, Ltd. | Motor controller |
| WO2006107017A1 (ja) * | 2005-04-01 | 2006-10-12 | Yamaha Hatsudoki Kabushiki Kaisha | 制御方法、制御装置および無人ヘリコプタ |
| KR100939010B1 (ko) * | 2005-04-01 | 2010-01-26 | 야마하하쓰도키 가부시키가이샤 | 제어 방법, 제어 장치, 및 무인 헬리콥터 |
| JP2015016826A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-01-29 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2015033997A (ja) * | 2013-07-12 | 2015-02-19 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体及びその制御装置並びに制御方法 |
| JP2019025928A (ja) * | 2017-07-25 | 2019-02-21 | 三菱重工業株式会社 | 水中航走体の制御装置及び水中航走体並びに水中航走体の制御方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20010403 |