(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体の前後方向に延びる船首尾線方向、左右方向に延びる水平軸線方向、または上下方向に延びる垂直軸線方向のいずれかの軸方向である基準方向に沿って船体を航走させるための直進用推進手段と、
船体の方位、ピッチ角、ロール角に関する旋回角度を制御するための旋回手段と、
前記直進用推進手段を駆動する推進駆動手段に与える回転数指令である直進回転数指令及び前記旋回手段を駆動する旋回駆動手段に与える回転数指令である旋回回転数指令をそれぞれ生成する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
目標旋回角度に現在の船体の旋回角度を追従させるための前記旋回回転数指令を生成するフィードバック制御手段と、
前記フィードバック制御手段で用いられる制御ゲインを調整するゲインスケジューリング手段と
を有し、
前記ゲインスケジューリング手段は、
直進パラメータと、旋回パラメータと、前記制御ゲインとが関連付けられた第１情報を記憶する記憶手段と、
現在の直進パラメータ及び現在の旋回パラメータに応じた制御ゲインを前記第１情報を用いて取得するゲイン取得手段と
を有し、
前記直進パラメータは、前記直進回転数指令または前記推進駆動手段の回転数である直進回転数を用いて算出されるパラメータであり、
前記旋回パラメータは、前記旋回回転数指令または前記旋回駆動手段の回転数である旋回回転数を用いて算出されるパラメータである水中航走体。
【請求項２】
前記直進回転数指令に対して所定の時定数を与える指令補正手段を有し、
前記ゲイン取得手段は、前記指令補正手段によって補正された直進回転数指令を用いて前記直進パラメータを算出し、該直進パラメータに応じた制御ゲインを取得する請求項１に記載の水中航走体。
【請求項３】
前記指令補正手段による補正量は、基準方向における前記船体の速度に応じて調整される請求項２に記載の水中航走体。
【請求項４】
前記第１情報を修正するゲイン修正手段を有する請求項１から請求項３のいずれかに記載の水中航走体。
【請求項５】
前記第１情報は、直進パラメータと、旋回パラメータと、所定の係数とが含まれた演算式で表わされており、
前記ゲイン修正手段は、前記演算式に含まれる係数を調整することにより、前記第１情報を修正する請求項４に記載の水中航走体。
【請求項６】
前記所定の係数の調整量は、運転手が手動により設定可能とされている請求項５に記載の水中航走体。
【請求項７】
前記所定の係数の調整量は、現在の船体の航走状態に応じて調整される請求項５に記載の水中航走体。
【請求項８】
前記ゲイン取得手段によって取得された制御ゲインを修正するゲイン修正手段を備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の水中航走体。
【請求項９】
前記制御ゲインの修正量は、運転手が手動により調整可能とされている請求項８に記載の水中航走体。
【請求項１０】
前記制御ゲインの修正量は、現在の船体の航走状態に応じて調整される請求項８に記載の水中航走体。
【請求項１１】
船体の前後方向に延びる船首尾線方向、左右方向に延びる水平軸線方向、または上下方向に延びる垂直軸線方向のいずれかの軸方向である基準方向に沿って船体を航走させるための直進用推進手段と、船体の方位、ピッチ角、ロール角に関する旋回角度を制御するための旋回手段とを備える水中航走体に適用され、前記直進用推進手段を駆動する推進駆動手段に与える回転数指令である直進回転数指令及び前記旋回手段を駆動する旋回駆動手段に与える回転数指令である旋回回転数指令をそれぞれ生成する水中航走体の制御装置であって、
目標旋回角度に現在の船体の旋回角度を追従させるための前記旋回回転数指令を生成するフィードバック制御手段と、
前記フィードバック制御手段で用いられる制御ゲインを調整するゲインスケジューリング手段と
を有し、
前記ゲインスケジューリング手段は、
直進パラメータと、旋回パラメータと、前記制御ゲインとが関連付けられた第１情報を記憶する記憶手段と、
現在の直進パラメータ及び現在の旋回パラメータに応じた制御ゲインを前記第１情報を用いて取得するゲイン取得手段と
を有し、
前記直進パラメータは、前記直進回転数指令または前記推進駆動手段の回転数である直進回転数を用いて算出されるパラメータであり、
前記旋回パラメータは、前記旋回回転数指令または前記旋回駆動手段の回転数である旋回回転数を用いて算出されるパラメータである水中航走体の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中航走体及びその制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、水中航走体として、船体の左右方向に延びる水平軸線に沿って配置された水平スラスタ及び船体の上下方向に延びる垂直軸線に沿って配置された垂直スラスタを利用して、姿勢を制御するものが知られている（例えば、特許文献１等参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１６０９７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
水平スラスタ及び垂直スラスタは、一般的に、所望の針路と実際の針路との偏差を求め、該偏差がゼロとなるようにフィードバック制御を行うことで制御される。しかしながら、水中航走体においては、航走抵抗の影響が大きく、単なる従来のフィードバック制御では、実際の針路と所望の針路との誤差が大きくなってしまい、特に、自動制御に頼った場合には、所望の針路に沿って航走できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、航走制御の精度を向上させることのできる水中航走体及びその制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明は、船体の前後方向に延びる船首尾線方向、左右方向に延びる水平軸線方向、または上下方向に延びる垂直軸線方向のいずれかの軸方向である基準方向に沿って船体を航走させるための直進用推進手段と、船体の方位、ピッチ角、ロール角に関する旋回角度を制御するための旋回手段と、前記直進用推進手段を駆動する推進駆動手段に与える回転数指令である直進回転数指令及び前記旋回手段を駆動する旋回駆動手段に与える回転数指令である旋回回転数指令をそれぞれ生成する制御手段とを備え、前記制御手段は、目標旋回角度に現在の船体の旋回角度を追従させるための前記旋回回転数指令を生成するフィードバック制御手段と、前記フィードバック制御手段で用いられる制御ゲインを調整するゲインスケジューリング手段とを有し、前記ゲインスケジューリング手段は、直進パラメータと、旋回パラメータと、前記制御ゲインとが関連付けられた第１情報を記憶する記憶手段と、現在の直進パラメータ及び現在の旋回パラメータに応じた制御ゲインを前記第１情報を用いて取得するゲイン取得手段とを有し、前記直進パラメータは、前記直進回転数指令または前記推進駆動手段の回転数である直進回転数を用いて算出されるパラメータであり、前記旋回パラメータは、前記旋回回転数指令または前記旋回駆動手段の回転数である旋回回転数を用いて算出されるパラメータである水中航走体を提供する。
【０００７】
水中を航走する船体には、航走抵抗が働くため、船体の航走速度や推進器の出力によって船体の運動特性（例えば、旋回のしやすさ等）が異なる。例えば、船体速度が遅い場合には旋回しやすく、船体速度が速い場合には旋回しにくい。このような特性は、船体の運動方程式を解析しても明らかである。このように、船体の航走状態が変化しているにも関わらず、常に同一の制御ゲインを用いてフィードバック制御を行うと、上記の如き特性変化に対応できず、所望の針路を航走することができないばかりでなく、制御系が安定しなくなるおそれがある。
そこで、本発明では、フィードバック制御の制御ゲインを現在の船体の航走状態に応じて調整することとしている。具体的には、基準方向に沿った船体速度に相関を有する直進パラメータ及び船体の旋回速度に相関を有する旋回パラメータに応じた制御ゲインを取得し、この制御ゲインを用いてフィードバック制御手段が回転数指令を生成する。このように、船体の航走状態に応じた制御系を構築するので、航走抵抗を考慮した旋回回転数指令を生成することができ、目標旋回角度に船体の旋回角度を追従させることが可能となる。
更に、本発明によれば、船体の速度をセンサによって計測するのではなく、船体の速度と相関を有する直進パラメータを船体の速度とみなして取り扱うので、速度センサを不要とすることができる。これにより、装置の簡素化を図ることが可能となる。
上記旋回手段と直進用推進手段とは同じ構成によって実現されてもよい。
【０００８】
上記水中航走体は、前記直進回転数指令に対して所定の時定数を与える指令補正手段を有し、前記ゲイン取得手段は、前記指令補正手段によって補正された直進回転数指令を用いて前記直進パラメータを算出し、該直進パラメータに応じた制御ゲインを取得することとしてもよい。
【０００９】
水中航走体において、直進駆動手段に直進回転数指令を与えてから実際にその直進回転数指令に応じた船体速度が得られるまでには時間遅れが生ずる。したがって、この直進回転数指令を用いて直進パラメータを算出する場合、この直進パラメータに相当する船体の直進速度と実際の船体の直進速度との間に誤差が生じてしまい、航走制御の精度が低下してしまう。
上記構成によれば、直進回転数指令に対して所定の時定数を与える指令補正手段を備えているので、上述のような応答の遅延を直進回転数指令に反映させることができる。したがって、補正後の直進回転数指令を用いて算出される直進パラメータに相当する船体の直進速度と実際の船体の直進速度との誤差を低減することが可能となり、自動運転制御の精度低下を抑制することができる。
【００１０】
上記水中航走体において、前記指令補正手段による補正量は、基準方向における前記船体の速度に応じて調整されてもよい。
【００１１】
水中航走体の速度の立ち上がり特性は、基準方向における船体の速度に応じて異なる。従って、基準方向における船体の速度に応じて補正量を調整することにより、補正後の直進回転数指令を用いて算出される直進パラメータに相当する船体速度を実際の速度に更に近づけることが可能となる。
【００１２】
上記水中航走体において、前記第１情報を修正するゲイン修正手段を有することとしてもよい。
【００１３】
例えば、航走制御を行っていく上で、第１情報に基づいて制御ゲインを逐次変化させていたとしても、制御誤差が増大していくような場合が想定される。このような場合に、現状の船体の航走状態に応じて第１情報を修正することにより、制御ゲインを現在の航走状態に合致した適切な値とすることが可能となる。
【００１４】
上記水中航走体において、前記第１情報は、直進パラメータと、旋回パラメータと、所定の係数とが含まれた演算式で表わされており、前記ゲイン修正手段は、前記演算式に含まれる係数を調整することにより、前記第１情報を修正することとしてもよい。
【００１５】
このように第１情報が演算式で表わされている場合には、演算式に含まれる係数を調整することにより、第１情報を容易に修正することが可能となる。
【００１６】
上記水中航走体において、前記所定の係数の調整量は、運転手が手動により設定可能とされていてもよい。
【００１７】
このように、係数の調整量が水中航走体に乗船している運転手によって設定可能とされていることにより、現在の航走制御に運転手の判断を反映させることができる。これにより、自動制御による誤差の増大を手動により修正することができ、効率的に制御を安定させることができる。
【００１８】
上記水中航走体において、前記所定の係数の調整量は、現在の船体の航走状態に応じて調整されてもよい。
【００１９】
このように、現在の船体の航走状態に応じて係数の調整量が調整されるので、乗員の手を煩わせることなく、制御ゲインを現在の走航状態に応じた適切な値とすることが可能となる。
【００２０】
上記水中航走体は、前記ゲイン取得手段によって取得された制御ゲインを修正するゲイン修正手段を備えていてもよい。
【００２１】
例えば、走航制御を行っていく上で、ゲイン取得手段によって制御ゲインを逐次変化させていたとしても、制御誤差が増大していくような場合が想定される。このような場合に、制御ゲインを修正するゲイン修正手段を設けることにより、制御ゲインを現在の走航状態に合致した適切な値とすることが可能となる。これにより、船体の航走制御の精度を高めることが可能となる。
【００２２】
上記水中航走体において、前記制御ゲインの修正量は、運転手が手動により調整可能とされていてもよい。
【００２３】
このように、制御ゲインの修正量が水中航走体に乗船している運転手によって調整可能とされていることにより、現在の航走制御に運転手の判断を反映させることができる。これにより、自動制御による誤差の増大を手動により修正することができ、効率的に制御を安定させることができる。
【００２４】
上記水中航走体において、前記制御ゲインの修正量は、現在の船体の航走状態に応じて調整されてもよい。
【００２５】
このように、現在の船体の航走状態に応じて制御ゲインの修正量が調整されるので、乗員の手を煩わせることなく、制御ゲインを現在の走航状態に応じた適切な値とすることが可能となる。
【００２６】
本発明は、船体の前後方向に延びる船首尾線方向、左右方向に延びる水平軸線方向、または上下方向に延びる垂直軸線方向のいずれかの軸方向である基準方向に沿って船体を航走させるための直進用推進手段と、船体の方位、ピッチ角、ロール角に関する旋回角度を制御するための旋回手段とを備える水中航走体に適用され、前記直進用推進手段を駆動する推進駆動手段に与える回転数指令である直進回転数指令及び前記旋回手段を駆動する旋回駆動手段に与える回転数指令である旋回回転数指令をそれぞれ生成する水中航走体の制御装置であって、目標旋回角度に現在の船体の旋回角度を追従させるための前記旋回回転数指令を生成するフィードバック制御手段と、前記フィードバック制御手段で用いられる制御ゲインを調整するゲインスケジューリング手段とを有し、前記ゲインスケジューリング手段は、直進パラメータと、旋回パラメータと、前記制御ゲインとが関連付けられた第１情報を記憶する記憶手段と、現在の直進パラメータ及び現在の旋回パラメータに応じた制御ゲインを前記第１情報を用いて取得するゲイン取得手段とを有し、前記直進パラメータは、前記直進回転数指令または前記推進駆動手段の回転数である直進回転数を用いて算出されるパラメータであり、前記旋回パラメータは、前記旋回回転数指令または前記旋回駆動手段の回転数である旋回回転数を用いて算出されるパラメータである水中航走体の制御装置を提供する。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、自動制御による航走を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る水中航走体を示した図であって、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略右側面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る水中航走体に用いられる制御装置の機能ブロック図を示した図である。
【図３】ゲインテーブルの一例を示した図である。
【図４】制御ゲインの変化の一例を示した図である。
【図５】ゲインスケジュールを行わなかった場合の旋回角度の追従性の一例を示した図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係るゲインスケジュールを実施した場合の旋回角度の追従性の一例を示した図である。
【図７】推進器における回転数指令の変化と、船体の速度の変化とを比較して示した図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る水中航走体に用いられるゲインスケジュール部の概略構成を示した図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る水中航走体に用いられるゲインスケジュール部の概略構成を示した図である。
【図１０】図９に示したゲインスケジュール部の他の構成例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
〔第１実施形態〕
以下に、本発明の第１実施形態に係る水中航走体及びその制御装置について、図面を参照して説明する。図１（ａ）は、本実施形態に係る水中航走体の概略平面図を示した図、図１（ｂ）は、本実施形態に係る水中航走体の概略右側面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る水中航走体１は、船体２と、主推進器３と、水平推進器４と、垂直推進器５とを備えている。
【００３０】
主推進器３は、船体２の後端部に船体２の左右方向（幅方向）に延びる水平軸線に沿って並べて配置された右側推進プロペラ３ａと左側推進プロペラ３ｂとを備えている。右側推進プロペラ３ａと左側推進プロペラ３ｂとは、図示しない駆動源（例えば、バッテリ駆動の電動モータ等）によって正回転または逆回転させられるものである。そして、これらの右側推進プロペラ３ａと左側推進プロペラ３ｂとが、後述する制御装置１０（図３参照）からの回転数指令に応じて正回転又は逆回転することによって、船体２が船首尾線に沿って前進または後進するようになっている。
【００３１】
水平推進器４は、船体２の前方に設けられた前方水平推進器４ａ及び船体２の後方に設けられた後方水平推進器４ｂを有している。前方水平推進器４ａは、船体２の左右方向に延びる水平軸線に沿って船体２を貫通するスラスタトンネル６ａと、このスラスタトンネル６ａの略中央に配置された前方水平プロペラ７ａとを備えている。後方水平推進器４ｂは、水平軸線に沿って船体２を貫通するスラスタトンネル６ｂと、このスラスタトンネル６ｂの略中央に配置された後方水平プロペラ７ｂとを備えている。
【００３２】
前方水平プロペラ７ａと後方水平プロペラ７ｂとは、図示しない駆動源（例えば、バッテリ駆動の電動モータ等）により正回転又は逆回転させられるものである。そして、前方水平プロペラ７ａと後方水平プロペラ７ｂとが、制御装置１０（図２参照）からの回転数指令に応じて正回転または逆回転することによって船体２が左進または右進するようになっている。更に、制御装置１０からの信号に応じて、前方水平プロペラ７ａ及び後方水平プロペラ７ｂのそれぞれの回転数が異なるように制御されることにより、方位（ヨー角度）が制御されるようになっている。
【００３３】
垂直推進器５は、船体２の前方に設けられた前方垂直推進器５ａ及び船体２の後方に設けられた後方垂直推進器５ｂを有している。前方垂直推進器５ａは、船体の上下方向に延びる垂直軸線に沿って船体２を貫通するスラスタトンネル８ａと、このスラスタトンネル８ａの略中央に配置された前方垂直プロペラ９ａとを備えている。後方垂直推進器５ｂは、垂直軸線に沿って船体２を貫通するスラスタトンネル８ｂと、このスラスタトンネル８ｂの略中央に配置された後方垂直プロペラ９ｂとを備えている。
【００３４】
前方垂直プロペラ９ａと後方垂直プロペラ９ｂとは、図示しない駆動源（例えば、バッテリ駆動の電動モータ等）により正回転又は逆回転させられるものである。そして、前方垂直プロペラ９ａと後方垂直プロペラ９ｂが、制御装置１０（図２参照）からの回転数指令に応じて正回転または逆回転することによって船体２が浮上又は潜行するようになっている。
更に、制御装置１０からの信号に応じて、前方垂直プロペラ９ａ及び後方垂直プロペラ９ｂのそれぞれの回転数が異なるように制御されることにより、船首尾線と水平面とのなす角度（ピッチ角）が制御されるようになっている。
【００３５】
上述のように、主推進器３は船首尾線方向に沿って船体２を航走させるための直進用推進手段として機能する。水平推進器４は、水平軸線方向に沿って船体２を航走させるための直進用推進手段として機能するとともに、方位制御用の旋回手段として機能する。垂直推進器５は、垂直軸線方向に沿って船体２を航走させるための直進用推進手段として機能するとともに、ピッチ角制御用の旋回手段として機能する。
【００３６】
主推進器３、水平推進器４、垂直推進器５が備えるそれぞれのプロペラは、制御装置１０からの制御信号によって制御される。制御装置１０は、例えば、コンピュータであり、図示しないＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の各種機能を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の各種機能が実現される。
【００３７】
図２は、制御装置１０の機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置１０は、フィードバック制御部１１とゲインスケジューリング部１２とを主な構成として備えている。
【００３８】
フィードバック制御部１１は、目標旋回角度に現在の船体２の旋回角度を追従させるための旋回回転数指令（旋回制御指令）を生成する。具体的には、フィードバック制御部１１は、目標旋回角度と現在の船体の旋回角度との偏差に対して比例積分微分制御（ＰＩＤ制御）を行うことにより、旋回回転数指令を生成する。
【００３９】
例えば、目標旋回角度が方位に関する指令であった場合には、旋回回転数指令は水平推進器４が備える前方水平プロペラ７ａ、後方水平プロペラ７ｂをそれぞれ駆動するモータ等の駆動源に対して出力される。
【００４０】
これに対し、目標旋回角度がピッチ角に関する指令であった場合には、旋回回転数指令は垂直推進器５が備える前方垂直プロペラ９ａ、後方垂直プロペラ９ｂをそれぞれ駆動するモータ等の駆動源に対して出力される。
また、フィードバック制御部１１における比例積分微分制御のそれぞれの制御ゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄは、ゲインスケジューリング部１２によって調整可能とされている。
【００４１】
ゲインスケジューリング部１２は、記憶部２１と、ゲイン取得部２２とを備えている。
記憶部２１は、図３に示すように、直進パラメータＮと、旋回パラメータＭと、制御ゲインＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄとがそれぞれ関連付けられたゲインテーブル（第１情報）を記憶している。なお、図３では、例えば制御ゲインＫｐに対するゲインテーブルを示したが、同様のものがＫｉ，Ｋｄについても設けられている。
【００４２】
ゲイン取得部２２は、現在の船体２の航走状態から現在の直進パラメータＮ及び旋回パラメータＭを算出し、算出した直進パラメータＮ及び旋回パラメータＭに応じた制御ゲインを記憶部２１に記憶されているゲインテーブルを用いて取得する。以下、直進パラメータＮ及び旋回パラメータＭについて説明する。
【００４３】
直進パラメータＮは、基準方向に沿った船体２の速度に相関を有するパラメータである。ここで、基準方向とは、現在の船体２の移動方向を意味する。すなわち、船体２が船首尾線に沿って移動していた場合には、船首尾線方向が基準方向となり、船体２が水平軸線方向（左右方向）に沿って移動していた場合には、水平軸線方向が基準方向となる。また、船体２が垂直軸線（上下方向）に沿って移動していた場合には、垂直軸線方向が基準方向となる。
【００４４】
そして、基準方向に沿った船体２の速度に相関する直進パラメータＮは、例えば、基準方向に対応する推進器の駆動源に与えられる回転数指令（以下、基準方向に対する回転数指令を「直進回転数指令」という。）の平均値として算出される。すなわち、現在の基準方向が船首尾線方向であれば、直進パラメータＮは以下の（１）式で与えられる。
【００４５】
Ｎ＝（ｎ１＋ｎ２）／２      （１）
【００４６】
ここで、ｎ１は右側推進プロペラ３ａの回転数指令、ｎ２は左側推進プロペラ３ｂの回転数指令である。
【００４７】
また、同様に、基準方向が水平軸線方向であれば、直進パラメータＮは以下の（２）式で与えられ、基準方向が垂直軸線方向であれば、直進パラメータＮは以下の（３）式で与えられる。
【００４８】
Ｎ＝（ｎ３＋ｎ４）／２      （２）
Ｎ＝（ｎ５＋ｎ６）／２      （３）
【００４９】
（２）式において、ｎ３は前方水平プロペラ７ａの回転数指令、ｎ４は後方水平プロペラ７ｂの回転数指令である。（３）式において、ｎ５は前方垂直プロペラ９ａの回転数指令、ｎ６は後方垂直プロペラ９ｂの回転数指令である。
【００５０】
なお、回転数指令に代えて各プロペラの実際の回転数を検出して用いることとしてもよい。
【００５１】
旋回パラメータＭは、船体２の旋回速度に相関を有するパラメータであり、例えば、方位を制御している場合には、以下の（４）式で与えられる。
【００５２】
Ｍ＝（ｎ３−ｎ４）      （４）
【００５３】
ここで、ｎ３は前方水平プロペラ７ａの回転数指令、ｎ４は後方水平プロペラ７ｂの回転数指令である。
【００５４】
同様に、船体２のピッチ角が制御されている場合には、旋回パラメータＭは、以下の（５）式で与えられる。
【００５５】
Ｍ＝（ｎ５−ｎ６）      （５）
【００５６】
ここで、ｎ５は前方垂直プロペラ９ａの回転数指令、ｎ６は後方垂直プロペラ９ｂの回転数指令である。
【００５７】
ゲイン取得部２２は、現在の船体２の航走状態に応じて現在の直進パラメータＮを上記（１）から（３）式のいずれかを用いて算出するとともに、現在の旋回パラメータＭを上記（４）及び（５）式のいずれかを用いて算出し、算出した直進パラメータＮ、旋回パラメータＭに応じた制御ゲインを記憶部２１に記憶されているゲインテーブルを用いて取得する。
【００５８】
ここで、ゲインテーブルにおける制御ゲインは、図３に示すように離散的に設定されている。したがって、直進パラメータＮ及び旋回パラメータＭに該当する制御ゲインが存在しない場合がある。このような場合には、ゲイン取得部２２は、その近傍の値を用いて線形補間やスプライン補間などの公知の補間手法を用いることにより、制御ゲインを補間算出する。
このようにして取得された各種ゲインＫｐ、Ｋｉ、Ｋｄは、フィードバック制御部１１に出力され、これらの各種ゲインを用いて旋回回転数指令が決定される。
【００５９】
次に、このような構成を備える水中航走体１における制御装置１０による航走制御について説明する。なお、ここでは、説明の便宜上、船体２が船首尾線に沿って航走している状態において、船体２の方位を所定量変更する場合を例に挙げて具体的に説明する。
この場合、基準方向は船首尾方向であり、直進回転数指令は主推進器３に対する回転数指令となる。また、旋回制御には水平推進器４が用いられることとなる。
【００６０】
まず、現在の船体２の旋回角度（方位）が旋回角度検出部１３によって検出され、検出された現在の船体２の旋回角度と目標旋回角度との偏差が算出される。続いて、フィードバック制御部１１において、この偏差に対して比例積分微分制御が行われることにより、水平推進器４に対する旋回回転数指令ｎ３、ｎ４が生成され、これが出力される。
【００６１】
一方、上記フィードバック制御と並行して、図示しない他の制御器により、基準方向である船首尾方向における速度指令に応じた主推進器３の直進回転数指令ｎ１，ｎ２が生成され、出力される。なお、直進回転数指令の生成方法は、制御装置１０が備える他のアルゴリズムによって求められるものであり、公知の技術を採用することができる。
【００６２】
直進回転数指令ｎ１，ｎ２が、主推進器３の右側推進プロペラ３ａ、左側推進プロペラ３ｂのそれぞれの駆動源に与えられるとともに、旋回回転数指令ｎ３，ｎ４が水平推進器４の前方水平プロペラ７ａ、後方水平プロペラ７ｂのそれぞれの駆動源に与えられることにより、船体２が所定の直進速度で移動しながら旋回角度が徐々に変化することとなる。
【００６３】
また、直進回転数指令ｎ１，ｎ２及び旋回回転数指令ｎ３，ｎ４は、ゲインスケジューリング部１２に入力され、フィードバック制御部１１の制御ゲインの調整に使用される。すなわち、ゲインスケジューリング部１２では、ゲイン取得部２２がこれらの入力情報に基づいて現在の直進パラメータＮ及び旋回パラメータＭを算出する。直進パラメータＮ、旋回パラメータＭは、以下の（６）、（７）式で得られる。
【００６４】
Ｎ＝（ｎ１＋ｎ２）／２      （６）
Ｍ＝ｎ３−ｎ４              （７）
【００６５】
続いて、ゲイン取得部２２は、記憶部２１からゲインテーブルを読み出し、現在の直進パラメータＮ及び旋回パラメータＭに応じた制御ゲインをこのゲインテーブルから取得する。このとき、対応する制御ゲインがなければ、補間演算を行うことにより、制御ゲインを算出する。
このようにして得られた制御ゲインは、フィードバック制御部１１に出力される。フィードバック制御部１１は、ゲインスケジューリング部１２から与えられた制御ゲインを用いて上述した比例積分微分制御を実施することにより、水平推進器４に対する旋回回転数指令ｎ３、ｎ４を算出する。
そして、上記の処理が繰り返し実行されることにより、図４に示すように、直進回転数指令、旋回回転数指令に応じて制御ゲイン（ここでは、Ｋｐを例示している）が調整され、旋回角度が目標旋回角度に徐々に近づくこととなる。
【００６６】
以上説明してきたように、本実施形態に係る水中航走体１及びその制御装置１０によれば、現在の船体２の状態に応じてフィードバック制御部１１における各種制御ゲインを調整するので、船体２に働く航走抵抗等を考慮した航走制御を行うことが可能となる。
更に、速度センサを用いるのではなく、直進制御に用いられる推進器の回転数指令を用いて船体速度に相当する直進パラメータを算出し、これを船体２の速度とみなしてこの直進パラメータに応じた制御ゲインを決定するので、速度センサを不要にでき、装置の小型化やコスト低減を図ることが可能となる。
【００６７】
図５にゲインスケジュールを行わなかった場合の旋回角度の追従性の一例を示し、図６に本実施形態に係るゲインスケジュールを実施した場合の旋回角度の追従性の一例を示す。
図５（ａ）、図６（ａ）において、横軸は時間、縦軸は方位（旋回角度）を示している。図５（ｂ）、図６（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は旋回回転数指令を示している。また、各グラフにおいて、実線は船首尾線方向における速度が０（ｋｔ）の場合、破線は船首尾線方向における速度が１（ｋｔ）の場合、一点鎖線は船首尾線方向における速度が２（ｋｔ）の場合をそれぞれ示している。また、図５（ａ）、図６（ａ）において、二点鎖線は目標方位（目標旋回角度）を示している。
いずれの速度においても、ゲインスケジュール制御を行わない場合に比べて、本実施形態に係るゲインスケジュール制御を行った方が方位（旋回角度）の追従性が優れていることがわかる。
【００６８】
なお、本実施形態では、水平推進器４によって方位制御を行うこととしたが、これに代えて、主推進器３によって方位制御を行うことも可能である。すなわち、主推進器３が備える右側推進プロペラ３ａと左側推進プロペラ３ｂとの回転数を異ならせることにより、上述した水平推進器４と同様に、船体２の方位を変化させることができる。
【００６９】
例えば、右側推進プロペラ３ａの回転数を左側推進プロペラ３ｂの回転数よりも高くすることで、船体２を左回りに旋回させることが可能となり、左側推進プロペラ３ｂの回転数を右側推進プロペラ３ａの回転数よりも高くすることで、船体２を右回りに旋回させることが可能となる。
【００７０】
このように、主推進器３によって方位制御を行う場合には、旋回パラメータＭは、以下の（８）式に示すように、右側推進プロペラ３ａの回転数ｎ１から左側推進プロペラ３ｂの回転数ｎ２を減算することにより求められる。
【００７１】
Ｍ＝ｎ１−ｎ２          （８）
【００７２】
更に、方位制御を水平推進器４を用いて行うか、主推進器３を用いて行うかについては、乗員によって切替が可能な構成とされていてもよい。
【００７３】
また、上記実施形態においては、一例として、船首尾線方向に沿って航走している場合に、方位を変更する場合について説明したが、水平軸線に沿って航走している場合、垂直軸線に沿って航走している場合に、方位、ピッチ角を変化させる場合も同様の制御を行うことで、安定した旋回制御を行うことができる。
【００７４】
また、本実施形態では、５軸制御が可能な場合について述べ、船体を船首尾線回りに旋回させるロール角制御については説明していないが、上記構成に更にロール角制御を追加し、６軸による制御が可能な構成としてもよい。
【００７５】
また、本実施形態では、直進パラメータＮと、旋回パラメータＭと、制御ゲインＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄとがそれぞれ関連付けられたゲインテーブルを用いて制御ゲインを取得することとしたが、これに代えて、直進パラメータＮと制御ゲインＫｐ，Ｋｉ，Ｋｄとがそれぞれ関連付けられたゲインテーブルを用いて制御ゲインを取得することとしてもよい。
また、本実施形態では、フィードバック制御部１１が比例積分微分制御を行う場合について述べたが、これに代えて、比例積分制御（ＰＩ制御）、または積分制御（Ｉ制御）を行うことにより旋回回転数指令を生成することとしてもよい。
【００７６】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る水中航走体について説明する。上述した第１実施形態では、直進パラメータＮを制御装置１０において設定された直進回転数指令を用いることで算出していた。
ところで、水中航走体１において、例えば、図７に示すように、主推進器３への直進回転数指令を０％から１００％まで急激に変化させても、船体の直進速度はその変化率では加速せず、ゆっくりと速度が立ち上がり加速することとなる。また、速度の立ち上がり時間（時定数）は、主推進器３の回転数によって異なる場合がある。
【００７７】
そこで、本実施形態では、各推進器の回転数毎に船体速度の時定数をテーブルとして保持しておき、直進パラメータＮを得る際には、入力された直進回転数指令をその回転数に応じた時定数を用いて補正し、補正後の直進回転数指令に基づいて直進パラメータＮを算出することとする。
このように、直進回転数指令をその回転数に応じた時定数を用いて補正することにより、直進回転数指令を実際の船体２の速度に近付けることができ、航走制御の精度を向上させることができる。
【００７８】
図８は、本実施形態に係る制御装置が備えるゲインスケジューリング部１５の構成例を示した図である。図８に示すように、ゲインスケジューリング部１５は、図２に示した第１実施形態に係るゲインスケジューリング部１２の構成に加えて、時定数記憶部２４と、指令補正部２５とを備えている。
時定数記憶部２４には、推進器毎に時定数テーブルが記憶されている。各時定数テーブルには、それぞれの回転数に応じた時定数が設定されている。
指令補正部２５は、直進回転数指令が入力されると、この直進回転数指令に対応する推進器の時定数テーブルを参照し、現在の直進回転数指令に対応する時定数を取得する。そして、取得した時定数を例えば、ローパスフィルタに設定して直進回転数指令を補正し、補正後の直進回転数指令をゲイン取得部２２に出力する。
【００７９】
なお、上記のように指令補正部２５がローパスフィルタを用いる態様に代えて、例えば、各推進器における実際の立ち上がりモデルを予め取得しておき、そのモデルを用いて直進回転数指令を補正することとしてもよい。この場合、立ち上がりモデルは直進回転数指令に応じて複数設けられていてもよい。
【００８０】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る水中航走体について説明する。
例えば、航走制御を行っていく上で、図３に示したようなゲインテーブルに基づいてフィードバック制御部１１の制御ゲインを逐次変化させていたとしても、制御誤差が増大していくような場合が想定される。このような場合に、現状の船体２の航走状態に応じて、ゲインスケジュール部１２において取得された制御ゲインを更に修正することが必要となる。本実施形態では、このような場合を鑑みて、制御ゲインを修正する機能を制御装置に更に設けている。
【００８１】
図９は、本実施形態に係るゲインスケジューリング部１６の構成例を示した図である。図９に示すように、ゲイン取得部２２の後段にゲインを修正するためのゲイン修正部２７が更に設けられている。
ゲイン修正部２７における修正量は、例えば、乗員が手動により調整可能とされている。修正量が乗員によって調整された場合に、その修正量に応じて制御ゲインが修正される。このように、制御ゲインの修正量を水中航走体の乗員によって調整可能とすることにより、現在の航走制御に運転手の判断を反映させることができる。これにより、自動制御による誤差の増大を手動により修正することができ、効率的に制御を安定させることができる。
【００８２】
また、制御ゲインの修正量は、上述した乗員によって行われるほか、自動によって行われることとしても良い。例えば、上述した第１実施形態に係る方法で制御ゲインを調整しているにもかかわらず、船体２の旋回角度が目標旋回角度と一致しないような場合に、ゲイン修正部２７が制御ゲインを所定量を修正することにより、調整を加える。このときの旋回角度の応答を見て、徐々に修正量を変化させることにより、目標旋回角度に船体２の旋回角度を近づけることとしてもよい。
【００８３】
また、図１０は、本実施形態に係るゲインスケジューリング部の他の構成例を示した図である。図１０に示したゲインスケジューリング部１７は、ゲインテーブル自体を修正するゲイン修正部２８を備えている。このように、ゲインテーブルの全部またはその一部を変更することにより、ゲイン取得部２２によって得られる制御ゲインを修正することができる。
【００８４】
このように、ゲインテーブル自体を修正する場合には、複数の制御ゲインを一斉に修正することが可能である。従って、大幅な調整が必要な場合に効果的である。
また、ゲインテーブルがテーブルとしてではなく、演算式により表わされていた場合には、この演算式を調整することにより、同様の効果を得ることができる。
【００８５】
例えば、ゲインテーブルが直進パラメータと、旋回パラメータと、所定の係数とが含まれた演算式で表わされていた場合、ゲイン修正部２８は、演算式に含まれる係数を調整することにより、ゲインテーブルを修正することが可能である。
この場合、修正量は、上述のように、水中航走体の乗員によって手動で調整されてもよいし、目標旋回角度と現在の旋回角度との偏差、またはその偏差の変化量に応じて自動で設定されてもよい。
【００８６】
なお、上述した各実施形態では、任意に組み合わせることができる。例えば、第２実施形態における時定数記憶部２４及び指令補正部２５と、第３実施形態におけるゲイン修正部２７又はゲイン修正部２８を有するような構成としてもよい。
【００８７】
また、上述した各実施形態においては、水中航走体の旋回角度制御にスラスタ推進器である水平推進器４、垂直推進器５を用いる場合について説明したが、旋回手段としては、例えば、舵を採用してもよい。方位を制御する水平舵、ピッチ角を制御する垂直舵を制御する場合にも、上述した各実施形態と同様、目標旋回角度と現在の船体２の旋回角度との偏差に対して比例積分微分制御等が実施されて、水平舵、または、垂直舵への旋回制御指令が出力されることとなる。したがって、上述した各実施形態に係るゲインスケジューリング部によって、直進速度や旋回速度に応じて制御ゲインを調整することで、旋回制御の追従性を向上させることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１  水中航走体
２  船体
３  主推進器
３ａ  右側推進プロペラ
３ｂ  左側推進プロペラ
４  水平推進器
４ａ  前方水平推進器
４ｂ  後方水平推進器
５  垂直推進器
５ａ  前方垂直推進器
５ｂ  後方垂直推進器
７ａ  前方水平プロペラ
７ｂ  後方水平プロペラ
９ａ  前方垂直プロペラ
９ｂ  後方垂直プロペラ
１０  制御装置
１１  フィードバック制御部
１２、１５、１６、１７  ゲインスケジューリング部
２１  記憶部
２２  ゲイン取得部
２４  時定数記憶部
２５  指令補正部
２７、２８  ゲイン修正部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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