(57)【要約】【課題】  船位情報を用いて極めて簡単に且つ精度良く潮流などに関する状態量を推定することができる潮流推定方法および装置、並びに、潮流影響下における航走体の動作を精度良く制御することができる制御方法および装置を提供する。【解決手段】  潮流速度、潮流方位角および航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定する潮流推定方法であって、航走体の位置に関する位置情報を受け付け、受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから前記状態量を推定する。【選択図】        図１
2005172618.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
潮流速度、潮流方位角、および、航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定する潮流推定方法であって、
航走体の位置に関する位置情報を受け付け、
受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから前記状態量を推定する、潮流推定方法。
【請求項２】
航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付け、
前記位置情報とともに該推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定する、請求項１記載の潮流推定方法。
【請求項３】
航走体の目標位置および動作条件を設定し、
該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出し、
さらに航走体の位置に関する位置情報を受け付け、
航走体の推力に関する推力情報を受け付け、
受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから、潮流速度、潮流方位角および潮流力を含む状態量を推定し、
この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正し、
該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する、航走体の制御方法。
【請求項４】
潮流速度、潮流方位角、および、航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定する潮流推定装置であって、
航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、
受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから前記状態量を推定する手段と
を備える、潮流推定装置。
【請求項５】
航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付ける手段を備えており、
前記位置情報とともに該推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定すべくなしてある、請求項４記載の潮流推定装置。
【請求項６】
前記状態量を推定する手段が線形または非線形のオブザーバを備える、請求項４記載の潮流推定装置。
【請求項７】
前記推定された状態量を表示する手段をさらに備える、請求項４記載の潮流推定装置。
【請求項８】
航走体の目標位置および動作条件を設定する手段と、
該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出する手段と、
航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、
航走体の推力に関する推力情報を受け付ける手段と、
受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから潮流速度、潮流方位角、および潮流力を含む状態量を推定する手段と、
この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正する手段と、
該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する手段と
を備える、航走体の制御装置。
【請求項９】
前記状態量を推定する手段が線形または非線形のオブザーバを備える、請求項８記載の航走体の制御装置。
【請求項１０】
前記推定された状態量を表示する手段をさらに備える、請求項８記載の航走体の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶、潜水艦などの水中（あるいは水上）を航走する航走体において潮流速度、潮流方位角、および、航走体に作用する潮流力などを推定する潮流推定方法および装置、並びに、これを用いた航走体の制御方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶、潜水艦などの水中（あるいは水上）を航行する航走体が潮流の影響を受けて基準航路から大きく外れる場合がある。これに対処するため、従来より種々の制御装置が提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１に開示される「自律型航走体の航走制御装置」では、水底に対する速度を検出する対地速度センサ、および、航走体の水に対する速度を検出する対水速度センサから得られた情報に基づいて潮流速度を算出し、この潮流速度によって航走体の速度指令値を補正することにより、予め定めた航路に沿って航走体を航走させることを可能にしている。
【０００４】
また特許文献２に開示される「操船装置」では、風、波、潮流などの外乱を直接検出するセンサを用いて船舶の推力指令値を補正することにより、予め定めた航路に沿って航走体を航走させることを可能にしている。
【０００５】
しかしながらこれらの装置は、何れも上述したように潮流速度および潮流方位角などを直接検出するセンサを必要とする。
【０００６】
ところでこれらの装置には、通常、自船位置（船位）を知るためＧＰＳ（Global Positioning System）または慣性航行装置などの船位計測装置が搭載されている。従って、この船位計測装置を用いるだけで（船位計測装置から得られる船位情報だけを用いて）潮流速度および潮流方位角などを推定することをができれば、上記センサが不要となり、装置の簡素化およびコスト低減を図ることができる。
【特許文献１】特開２００３−１２７９８３号公報  （第１図）
【特許文献２】特開２０００−００１１９９号公報  （第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、船位情報を用いて極めて簡単に且つ精度良く潮流などに関する状態量を推定することができる潮流推定方法および装置、並びに、潮流影響下における航走体の動作を精度良く制御することができる制御方法および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】
【０００８】
本発明に係る潮流推定方法は、潮流速度、潮流方位角、および航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定する潮流推定方法であって、航走体の位置に関する位置情報を受け付け、受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから前記状態量を推定する。
【０００９】
この潮流推定方法を実現するために、本発明に係る潮流推定装置は、航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、受け付けた位置情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから前記状態量を推定する手段とを備える。
【００１０】
この構成によれば、船位情報を用いるだけで極めて簡単に且つ精度良く前記状態量を推定することができる。
【００１１】
概説すると、この潮流推定方法および装置は、航走体の位置情報のみに基づいて状態量を推定するものである。この位置情報は、例えば航走体に一般的に搭載されているＧＰＳや慣性航行装置などから簡単に得ることができる。従って、状態量を計測するための計測装置を新たに設ける必要がなくなる。これにより、設備全体が簡単になる。また状態量を推定する手段が航走体運動モデル、潮流モデルおよび流体力モデルを有しているため、位置情報から潮流速度、潮流方位角および航走体に作用する潮流力を含む状態量を簡単に且つ精度良く推定することが可能となる。
【００１２】
また、前記潮流推定方法において、航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付け、位置情報とともに推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定してもよい。該潮流推定方法を実現するために、航走体の推力に関する推力情報をさらに受け付ける手段を備えており、位置情報とともに推力情報に基づいて、前記航走体運動モデルに代えて航走体の推力を内部変数としてさらに含む航走体運動モデルを用いた前記運動モデルから前記状態量を推定するように構成してもよい。
【００１３】
この構成では、航走体運動モデルに航走体の推力を含まれているので、航走体の推力情報を考慮した潮流速度、潮流方位角および航走体に作用する潮流力を含む状態量を推定することが可能となる。これにより、航走体が航走または定点保持しているとき、すなわち航走体の推進装置が作動しているときであっても、航走体（推進装置）の推力情報を用いて潮流速度、潮流方位角および航走体に作用する潮流力を含む状態量を簡単に且つ精度良く推定することが可能となる。
【００１４】
さらにこの場合、位置情報としては、上述したように航走体に搭載されているＧＰＳや慣性航行装置などから得られた位置情報を用いることができる。また推力情報として、航走体の制御装置から推進装置への動作指令値、または、推進装置の推力を計測している場合にはその計測推力を用いることができる。すなわち、航走体に搭載されている既存の装置から得られる情報のみで上記状態量を推定することができる。従って、従来のように潮流速度を計測するために、航走体の水底に対する速度を計測する対地速度センサおよび航走体の水に対する速度を計測する対水速度センサなどを新たに設ける必要がない。その結果、設備全体の簡素化およびコスト低減を図ることができる。
【００１５】
また、本発明に係る航走体の制御方法は、航走体の目標位置および動作条件を設定し、該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出し、さらに航走体の位置に関する位置情報を受け付け、航走体の推力に関する推力情報を受け付け、受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデルと、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデルと、航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルとを含む運動モデルから潮流速度、潮流方位角および潮流力を含む状態量を推定し、この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正し、該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する。
【００１６】
該制御方法を実現する航走体の制御装置は、航走体の目標位置および動作条件を設定する手段と、該目標位置および動作条件に基づいて航走体の必要推力を算出する手段と、航走体の位置に関する位置情報を受け付ける手段と、航走体の推力に関する推力情報を受け付ける手段と、受け付けた位置情報および推力情報に基づいて、航走体の運動を数学モデルで表現した、内部変数として航走体の推力を含む航走体運動モデル、流体の運動を数学モデルで表現した潮流モデル、および航走体に作用する流体力を数学モデルで表現した流体力モデルを含む運動モデルから潮流速度、潮流方位角および潮流力を含む状態量を推定する手段と、この推定された状態量に基づいて前記航走体の必要推力を補正する手段と、該航走体の必要推力を航走体の推進装置に出力する手段とを備える。
【００１７】
この構成によれば、潮流影響下における航走体の動作を精度良く制御することができる。
【００１８】
概説すると、この制御方法および制御装置では、上述したように航走体の推力を含む航走体運動モデル、潮流モデル、および流体力モデルを用いて状態量を推定しているため、航走体の推力情報を考慮した潮流速度、潮流方位角、および航走体に作用する潮流力を含む状態量を簡単に且つ精度良く推定することができる。しかもこの状態量を用いて航走体の推進装置へ出力する推力を補正しているので、潮流影響下における航走体の航走または定点保持を精度良く行うことができる。
【００１９】
また、状態量を推定するのに必要な情報が航走体の位置情報および推力情報だけであるので、上記の通り航走体に搭載されている既存の装置から簡単に得ることができる。従って、従来のように対地速度センサおよび対水速度センサなどを新たに設ける必要がない。その結果、設備全体の簡素化およびコスト低減を図ることができる。
【００２０】
前記状態量を推定する手段が線形または非線形のオブザーバを備えてもよい。このようなオブザーバを用いることにより、制御対象（ここでは、潮流および航走体）のすべての状態変数を検出することなく、所定の入力（ここでは、位置情報）だけですべての状態変数を推定することができる。
【００２１】
前記推定された状態量を表示する手段をさらに備えることが望ましい。これにより、操船に必要な情報をオペレータに与えることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る潮流推定方法および装置によれば、船位情報を用いて極めて簡単に且つ精度良く潮流などに関する状態量を推定することができる。また本発明に係る航走体の制御方法および装置によれば、潮流影響下における航走体の動作を精度良く制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る航走体の制御装置を含む制御系の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、図１に示すように航走体として船体１を例示しており、該船体１は操船装置２によってその動作が制御される。該操船装置２は、船位計測装置３、入力装置４、本実施の形態に係る制御装置５、表示装置６、並びに推進装置７を備えている。なお、航走体としては前記船体１に限らず、水中を航走する潜水艦などにも適用することができる。
【００２５】
前記船位計測装置３は、地球座標における船体１の位置（緯度方向の位置Ｘと経度方向の位置Ｙ）を計測して得られた位置情報を出力する位置計測装置３ａと、地球座標における方位角（船体１の船首が向く方向Ψ）を計測して得られた方位角情報を出力する方位角計測装置３ｂとを備える。位置計測装置３ａとしては例えばＧＰＳ（Global Positioning System）が用いられ、方位角計測装置３ｂとしては例えばジャイロコンパスが用いられる。ただし、潜水艦など水中を航走する航走体の場合には、位置計測装置３ａとしてＧＰＳを使用することができないのでこれに代えて公知の慣性航法装置を用いる。なお、上述した船体１の位置および方位角を船位η（Ｘ、Ｙ、Ψ）と称する。
【００２６】
前記入力装置４はマウス、操作卓などから構成されており、制御装置５と通信可能に接続されている。入力装置４は、船体１の目標船位ηtおよび目標船速度Ｖtなどオペレータによる外部入力を受け付け、入力された情報を制御装置５に出力する。
【００２７】
前記制御装置５は、コンピュータから構成され、ＣＰＵ（中央演算処理ユニット）５１、入出力部５２、および、プログラムその他各種情報を格納すべくＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）などからなる記憶部５３を備える。この制御装置５では、入力装置４から入力された目標船位ηtおよび目標船速度Ｖtに関する情報と、位置計測装置３ａおよび方位角計測装置３ｂからそれぞれ入力された位置情報Ｘ、Ｙおよび方位角情報Ψと、その他前記記憶部５３に格納された所定のコンピュータプログラムなどとに基づいて、ＣＰＵ５１が船体１の航走中の潮流速度および潮流方位角並びに船体１に作用する潮流力などの状態量を算出する。さらにＣＰＵ５１はこの状態量を用いて推進装置７に出力する動作指令ｕを算出する。この動作指令ｕに基づいて推進装置７が駆動される。これにより、船体１の針路保持または指定航路のトラッキングなどを確実に行うことができる。詳細は後述する。なお、推進装置７は図示されていないが複数のアクチュエータを備えており、各アクチュエータは制御装置５から入力される動作指令ｕに従って駆動される。
【００２８】
前記表示装置６は、公知のＣＲＴまたは液晶表示装置などから構成されており、制御装置５と通信可能に接続されている。表示装置６は、制御装置５において算出された前記状態量を画面上に表示する。なお、ここでは、表示装置６を制御装置５および船位計測装置３と別体に設けているが、制御装置５または船位計測装置３と一体的に設けても構わない。特に、船位計測装置３には、通常、表示装置が設けられているので、その表示装置を前記表示装置６として用いることが望ましい。これにより、この表示装置に船位ηとともに上述した潮流速度、潮流方位角、および潮流力などの状態量を表示することができる。その結果、オペレータに操船に関連する有益な情報を提供することができ、さらには設備全体の簡素化を図ることができる。
【００２９】
次に、図２に示す制御装置の機能ブロック図を用いて前記制御装置５をさらに詳細に説明する。制御装置５は、以下に詳述する制御部８、状態推定部９、および推力配分部１０を備える。
【００３０】
前記制御部８は、船位計測装置３、入力装置４、および推力配分部１０とそれぞれ通信可能に接続されている。この制御部８は、船位計測装置３から入力される船位ηとこの船位ηのサンプリング時間とに基づいて船体１の船速度Ｖを算出する第１船速度算出部１１を備える。さらにこの制御部８は、船体１に与えるべき前後方向（船体１の船首の向く方向）の必要推力を算出する前後方向推力算出部１２と、左右方向の必要推力を算出する左右方向推力算出部１３と、回頭方向の必要モーメントを算出する回頭方向モーメント算出部１４とを備える。各算出部１２、１３、１４は、第１船速度算出部１１から入力された船速度Ｖと入力装置４から入力された目標船速度Ｖtとの船速度偏差、および、船位計測装置３から入力された船位ηと入力装置４から入力された目標船位ηtとの船位偏差に基づいて、前記必要推力および必要モーメントをそれぞれ算出する。そして制御部８は、これらの算出結果を推力配分部９に出力する。制御部８はこれら一連の演算を実行することにより、船体１の動作をＰＩＤ制御している。なお、ここで算出された必要推力および必要モーメントは潮流の影響を考慮していない。またここでは船体１の動作をＰＩＤ制御しているがこれに限定されるものではない。
【００３１】
前記状態推定部９は、船位計測装置３、推力配分部１０、および表示装置６とそれぞれ通信可能に接続されている。この状態推定部９は、船位計測装置３から入力される船位ηと推力配分部１０から入力される動作指令ｕとに基づいて、潮流などの状態量ｘを推定するオブザーバ１５を備える。さらに状態推定部９は、推定潮流速度Ｖceを算出する潮流速度算出部１６と、推定潮流方位角Ψceを算出する潮流方位角算出部１７とを備える。各算出部１６、１７が上記状態量ｘに基づいて推定潮流速度Ｖceおよび推定潮流方位角Ψceを算出する。そして状態推定部９は、これら算出結果を推力配分部１０に出力するとともに表示装置６に出力する。詳細は後述する。
【００３２】
推力配分部１０は推進装置７と通信可能に接続されている。この推力配分部１０は、制御部８から入力された必要推力および必要モーメント、並びに、状態推定部９から入力された推定潮流速度Ｖceおよび推定潮流方位角Ψceに基づいて、推力装置７が備える複数のアクチュエータへの推力配分を決定し、これらのアクチュエータへ個別に動作指令ｕを出力する。以上により、潮流影響下における船体１の動作を精度良く制御することができる。
【００３３】
なお、図２に示すように潮流影響下におけるアクチュエータへの推力配分を決定するために、ここでは状態推定部９に潮流速度算出部１６および潮流方位角算出部１７を設けているが、これに代えて船体１に作用する推定潮流力Ｆceを算出する潮流力算出部１８を設けても構わない。その場合、潮流力算出部１８は算出した推定潮流力Ｆceを制御部８に出力する（図２の破線Ｌ１参照）。この推定潮流力Ｆceを用いて、制御部８が、前後方向推力算出部１２、左右方向推力算出部１３、および回頭方向モーメント算出部１４からそれぞれ出力される必要推力および必要モーメントを補正し、補正した必要推力および必要モーメントを推力配分部９にそれぞれ出力する。この場合も前記同様、潮流影響下における船体１の動作を精度良く制御することができる。
【００３４】
また、船体１の船速度を算出するために、ここでは制御部８に第１船速度算出部１１を設けているが、これに代えて状態推定部１０に第２船速度算出部１９を設けることが望ましい（図２の破線Ｌ２参照）。この第２船速度算出部１９は、第１船速度算出部１１が船位ηと船位ηのサンプリング時間とに基づいて船速度Ｖを直接算出するのに対して、詳細は後述するがオブザーバ１５で算出された状態量ｘに基づいて船体１の推定船速度Ｖeを算出する。従って、船速度Ｖが比較的遅い場合であっても、第２船速度算出部１９は第１船速度算出部１１のようにひげ状のノイズが発生しない。これにより、船体１の船速度Ｖを精度良く算出することができる。すなわち、第１船速度算出部１１では船位ηと船位ηのサンプリング時間とに基づいて船速度Ｖを直接算出しているため、船速度Ｖが遅い場合に船速度Ｖが階段状に変化し、その結果として一の船速度から別の船速度に変わるときにひげ状のノイズが発生する場合があるが、第２船速度算出部１９は上記の通り船速度の算出方法が異なるためこのようなことが起こらない。
【００３５】
次に平面内を運動する船体モデル（数学モデル）を例に上述したオブザーバ１５について詳述する。本実施の形態では、オブザーバ１５は非線形状態推定オブザーバの構成を有する。もちろん、状態量の推定に用いる式が線形であるときは、線形状態推定オブザーバを用いてもよい。
【００３６】
図３は、本実施の形態において定義する船体１の状態量を説明するための模式図であり、図示されている各状態量は下記のように定義される。
Ｖ：船速度ベクトル
Ｖx２：船速度ベクトルＶのｘ２方向の速度成分
Ｖy２：船速度ベクトルＶのｙ２方向の速度成分
ｒ：船体１の回頭方向の速度成分
β：船速度ベクトルＶのｘ２軸に対する方位角
ｕ：推力ベクトル
ｕｘ２：推力ベクトルｕのｘ２方向の推力成分
ｕｙ２：推力ベクトルｕのｙ２方向の推力成分
ｕψ：船体１の回頭方向の推力成分
Ｘ：船体１の中央のx1方向の位置
Ｙ：船体１の中央のy1方向の位置
Ψ：船体１の中央のx1軸に対する方位角
Ｖc：潮流速度ベクトル
Ｖcx1：潮流速度ベクトルＶｃのｘ1方向の速度成分
Ｖcy1：潮流速度ベクトルＶｃのｙ1方向の速度成分
Ψｃ：x1軸に対する潮流方位角
なお、図３に示すx1−y1座標系は地球座標系である。またｘ２−ｙ２座標系は船体座標系であり、船体１の船首方向をｘ２軸の正、このｘ２軸に直交する右舷方向をｙ２の正としている。
【００３７】
この場合、船体モデルは数式１〜４のように表される。
【００３８】
【数１】
2005172618.tif 000003
【００３９】
【数２】
2005172618.tif 000004
【００４０】
【数３】
2005172618.tif 000005
【００４１】
【数４】
2005172618.tif 000006
ここで、ηは船位ベクトル（Ｘ、Ｙ、Ψ）、Ｖは船速度ベクトル（Ｖx２、Ｖy２）、Ｖｃは潮流速度ベクトル（Ｖcx2、Ｖcy2）、Ｍは船体１の質量および流体力による付加質量項行列、Ｃ（Ｖ）は遠心・コレオリ力項行列、Ｆc（Ｖ−Ｖc）は流体力ベクトル、ｕは推力ベクトル、Ｊ（η）は船体座標系から地球座標系へ変換する座標系回転行列、μは潮流変化率である。
【００４２】
数式１のうちＦc（Ｖ−Ｖc）が船体１に作用する流体力を決定する流体力（潮流力）モデルを表し、残りが船体１の運動を決定する船体運動モデルを表している。また数式２が流体（潮流）の運動を決定する潮流モデルを表している。なお、流体力モデルは船体ごとに実験により設定される。
【００４３】
ここで、数式１〜４中の状態量ｘ0＝〔η、Ｖ、Ｖc〕Tの状態推定ベクトルをｘ＝〔ηe、Ｖe、Ｖce〕Tと定義すると、数式５に示す非線形オブザーバモデルおよび数式６に示す観測方程式（船位を観測する方程式）ができる。
【００４４】
【数５】
2005172618.tif 000007
【００４５】
【数６】
2005172618.tif 000008
次に、状態推定誤差ベクトルをe＝ｘ−ｘ0と定義し、数式７が安定となるオブザーバゲインＫを適宜設定する。すると数式８に示すように状態推定ベクトルｅがほぼ零になり、状態推定ベクトルｘは真値に収束する。
【００４６】
【数７】
2005172618.tif 000009
【００４７】
【数８】
2005172618.tif 000010
以上のオブザーバ１５を機能ブロック図で表現すると図４のようになる。図４に示すように、オブザーバ１５は、演算器２０、第１比例器２１、第１比較部２２、第２比例器２３、第２比較部２４、および積分器２５を備える。
【００４８】
前記演算器２０は、前記推力配分器９、積分器２５、および第２比較器２４とそれぞれ通信可能に接続されている。演算器２０では、前記推力配分器９から出力された動作指令（推力ベクトル）ｕおよび状態推定ベクトルｘに基づいて非線形オブザーバモデルｆ（ｘ、ｕ）を算出し（数式５に示す演算を実行する）、第２比較器２４に出力する。
【００４９】
前記第１比例器２１は、積分器２５および第１比較器２２とそれぞれ通信可能に接続されている。第１比例器２１では、積分器２５において算出された状態推定ベクトルｘに基づいて推定船位ベクトルηeを算出し（数式６に示す演算を実行する）、第１比較器２２に出力する。
【００５０】
前記第１比較器２２は、第１比例器２１、第２比例器２３、および船位計測装置３と通信可能に接続されている。第１比較器２２では、第１比例器２１において算出された推定船位ベクトルηeと船位計測装置３から出力された船位ベクトルηとの偏差（ηe−η）を算出する。そしてこの偏差（ηe−η）を第２比例器２３に出力する。
【００５１】
前記第２比例器２３は、第１比較器２２および第２比較器２４とそれぞれ通信可能に接続されている。第２比例器２３では、第１比較器２２において算出された偏差（ηe−η）に前記オブザーバゲインＫを掛けて、前記非線形オブザーバモデルｆ（ｘ、ｕ）を補正するための補正ベクトル（Ｋ・（ηe−η））を算出する。
【００５２】
前記第２比較器２４は、演算器２０、積分器２５、および第２比例器２３とそれぞれ通信可能に接続されている。第２比例器２３において算出された補正ベクトル（Ｋ・（ηe−η））を用いて演算器２０で算出された非線形オブザーバモデルｆ（ｘ、ｕ）を補正し、より正確な非線形オブザーバモデルｆ（ｘ0、ｕ）を算出する。この非線形オブザーバモデルｆ（ｘ0、ｕ）を積分器２５に出力する。
【００５３】
前記積分器２３は、第２比較器２４および第１比例器２１とそれぞれ通信可能に接続されている。第２比較器２４において算出された非線形オブザーバモデルｆ（ｘ0、ｕ）を積分し、より正確な状態推定ベクトルｘを算出する。この状態推定ベクトルｘを第１比例器２１に出力するとともに、演算器２０に戻す。さらにこの状態推定ベクトルｘのうちの推定潮流速度ベクトルＶceを、図２に示した潮流速度推定部１６および潮流方位角推定部１７に出力する。そして潮流速度推定部１６および潮流方位角推定部１７では、数式９を用いて推定潮流速度ベクトルＶceから推定潮流速度Ｖceおよび推定潮流方位角Ψceを算出する。
【００５４】
【数９】
2005172618.tif 000011
また上述した潮流力推定部１８において推定潮流力Ｆceを算出する場合には、上記状態推定ベクトルｘのうちの推定船位ベクトルＶeと推定潮流速度ベクトルＶceとに基づいて算出された前記流体力モデルＦｃ（Ｖ−Ｖｃ）から推定潮流力Ｆceを算出する。
【００５５】
また上述した第２船速度算出部１９において推定船速度Ｖeおよび推定方位角βを算出する場合には、数式１０を用いて上記状態推定ベクトルｘのうちの推定船速度ベクトルＶeから推定船速度Ｖeおよび推定方位角βを算出する。
【００５６】
【数１０】
2005172618.tif 000012
次に本実施の形態に係る制御装置５を自動操船装置に適用した場合の潮流推定シュミレーション結果について述べる。
【００５７】
この潮流推定シュミレーションにおいては、潮流速度Ｖcを１．５m/s、潮流方位角Ψcを９０deg．とし、これらをシュミレーション開始と共にランプ状に変化させた。また船体１の船速度Ｖを０m/s、回頭方向の速度ｒを０．２deg./secとした。従って、船体１は定点保持してその場で旋回する。このような条件のもとで潮流推定シュミレーションを行った結果を図５に示す。なお、このシュミレーションでは、非線形オブザーバモデルｆ（ｘ、ｕ）のパラメータ誤差を考慮して、流体力モデルＦｃ（Ｖ−Ｖｃ）のパラメータ（流体力特性係数）の公称値を−１０％および−３０％に変動させたときの推定結果を示している。
【００５８】
図５（ａ）に示すように縦軸は推定潮流速度であり、横軸は経過時間である。図中の特性曲線ＬＬ１はシミュレーション条件として設定した潮流速度の時間変化を示し、特性曲線ＬＬ２は前記パラメータの変動を−１０％としたときの推定潮流速度の時間変化を示し、特性曲線ＬＬ３は前記パラメータの変動を−３０％としたときの推定潮流速度の時間変化を示している。図５（ａ）より、特性曲線ＬＬ１に対する特性曲線ＬＬ３の偏差は、特性曲線ＬＬ１に対する特性曲線ＬＬ２の偏差に比べて大きいが、両特性曲線ＬＬ２、ＬＬ３ともに特性曲線ＬＬ１に比較的良く追従していることがわかる。
【００５９】
また図５（ｂ）に示すように、縦軸は推定潮流方位角であり、横軸は経過時間である。図中の特性曲線ＬＬ１はシミュレーション条件として設定した潮流方位角の時間変化を示し、特性曲線ＬＬ２は前記パラメータの変動を−１０％としたときの推定潮流方位角の時間変化結果を示し、特性曲線ＬＬ３は前記パラメータの変動を−３０％としたときの推定潮流方位角の時間変化を示している。この場合も、前記同様に、特性曲線ＬＬ１に対する特性曲線ＬＬ３の偏差は、特性曲線ＬＬ１に対する特性曲線ＬＬ２の偏差に比べて大きいが、両特性曲線ＬＬ２、ＬＬ３ともに特性曲線ＬＬ１に比較的良く追従していることがわかる。
【００６０】
以上により、本実施の形態に係る制御装置によれば、例えば自動操船装置において、新たなセンサを追加することなく、当初から船体に搭載されている船位計測装置（ＧＰＳなど）を用いるだけで、すなわち船位計測装置から得られる情報だけで潮流成分（速度、方位角、力）を精度良く推定することができる。その結果、潮流影響下の自動操船装置の制御性能を向上させることができる。
【００６１】
なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態に係る航走体の制御装置を含む制御系の構成を示すブロック図である。
【図２】制御装置の機能ブロック図である。
【図３】本実施の形態において定義する船体１の状態量を説明するための模式図である。
【図４】オブザーバの機能ブロック図である。
【図５】潮流推定シミュレーション結果を示すグラフであり、（ａ）は推定潮流速度の時間変化を示し、（ｂ）は潮流方位角の時間変化を示している。
【符号の説明】
【００６３】
１…船体
２…操船装置
３…船位計測装置
３ａ…位置計測装置
３ｂ…方位角計測装置
４…入力装置
５…制御装置
５１…ＣＰＵ
５２…入出力部
５３…記憶部
６…表示装置
７…推進装置
８…制御部
９…推力配分部
１０…状態推定部
１１…第１船速度算出部
１２…前後方向推力算出部
１３…左右方向推力算出部
１４…回頭方向モーメント算出部
１５…オブザーバ
１６…潮流速度算出部
１７…潮流方位角算出部
１８…潮流力算出部
１９…船速度算出部
２０…演算器
２１…第１比例器
２２…第１比較器
２３…第２比例器
２４…第２比較器
２５…積分器
【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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