(57)【要約】被牽引物を制御するためのファジー論理コントローラは、制御信号に基づいて、牽引ケーブルの延長または後退を制御するためのウィンチコントローラを備える。ファジー論理コントローラは、牽引ケーブルが延長または後退される速さを制御する。ファジー論理コントローラは、デルタ高度変数に関する範囲を定義するメンバーシップ関数を記憶する高度コントローラを含み、測定されたデルタ高度変数に関する範囲に基づいて、高度制御信号を決定する。ゲインコントローラは、速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する範囲を定義するそれぞれのメンバーシップ関数を記憶し、決定された速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する範囲に基づいて、ゲイン制御信号を決定する。コマンドコントローラは、ゲイン制御信号および高度制御信号に基づいて、制御信号を決定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被牽引物を制御するためのファジー論理コントローラであって、前記ファジー論理コントローラは、
制御信号に基づいて、牽引ケーブルの延長または後退を制御するためのウィンチコントローラと、
前記牽引ケーブルが延長または後退される速さを制御するために前記ウィンチコントローラに結合されたファジー論理コントローラと
を備え、前記ファジー論理コントローラは、
デルタ高度変数に関する範囲を定義するメンバーシップ関数を記憶し、測定されたデルタ高度変数に関する範囲に基づいて、高度制御信号を決定する高度コントローラと、
速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する範囲を定義するそれぞれのメンバーシップ関数を記憶し、決定された速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する範囲に基づいて、ゲイン制御信号を決定するゲインコントローラと、
前記ゲイン制御信号および前記高度制御信号に基づいて、前記制御信号を決定するコマンドコントローラと
を含む、ファジー論理コントローラ。
【請求項２】
船舶の速さを感知するための速さセンサと、
前記船舶の旋回率を感知するための船首方向速度センサと、
前記牽引ケーブルの長さを決定するためのケーブル長センサと
をさらに備える、請求項１に記載のファジー論理コントローラ。
【請求項３】
前記高度コントローラの前記高度制御信号の出力を正規化するための高度ノーマライザをさらに備える、請求項１に記載のファジー論理コントローラ。
【請求項４】
前記ゲインコントローラのゲイン制御信号の出力を正規化するためのゲインノーマライザをさらに備える、請求項１に記載のファジー論理コントローラ。
【請求項５】
さらに、前記制御信号は、前記ゲイン制御信号および前記高度制御信号の出力の積である、請求項１に記載のファジー論理コントローラ。
【請求項６】
前記制御信号を正規化するための制御信号ノーマライザをさらに備える、請求項１に記載のファジー論理コントローラ。
【請求項７】
前記デルタ高度変数は、所望の高度と測定された高度との間の差異を定義する、請求項１に記載のファジー論理コントローラ。
【請求項８】
被牽引物のファジー論理制御の方法であって、前記方法は、
デルタ高度、速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する範囲を決定することと、
前記それぞれの範囲をそれぞれのメンバーシップ関数を定義する複数の領域に分割することと、
前記デルタ高度、速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数のそれぞれに関する現在の値を測定することと、
前記デルタ高度変数に関する現在の値を含む前記メンバーシップ関数の領域に基づいて、高度制御信号を決定することと、
前記速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する前記現在の値を含む前記メンバーシップ関数の領域に基づいて、高度制御信号を決定することと、
前記高度制御信号およびゲイン制御信号に基づいて、牽引ケーブルの延長または後退を制御するウィンチコントローラのための制御信号を決定することと
を含む、方法。
【請求項９】
速さセンサを用いて、船舶の速さを感知することと、
船首方向速度センサを用いて、前記船舶の旋回率を感知することと、
ケーブル長センサを用いて、前記牽引ケーブルの長さを決定することと
をさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
高度コントローラの前記高度制御信号の出力を正規化することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
ゲインコントローラの前記ゲイン制御信号の出力を正規化することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
さらに、前記制御信号は、前記ゲイン制御信号および前記高度制御信号の出力の積である、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記制御信号を正規化することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願への相互参照）
本願は、２０１２年１２月５日に出願された米国出願第１３／７０５，２５３号の継続出願であり、その出願のすべては、その全体が本明細書に参照によって援用される。
【０００２】
（背景）
本発明の実施形態は、概して、被牽引物の制御における新しくかつ有用な改良に関し、特に、受動的被牽引物の高度の制御に関する。
【背景技術】
【０００３】
被牽引物は、その自身の姿勢を能動的に制御可能なものと、その自身の制御表面またはアクチュエータを伴わないものの２つの種類に分割され得る。能動的種類を構成するものは、遠隔作業機（ＲＯＶ）、無人水中機（ＵＵＶ）、および牽引される有人艦船を含む。受動的種類を構成するものは、同じくらい多様であり、漁具、カメラスレッド、サイドスキャンソナー、ならびに故障艦船および廃船を含む。
【０００４】
能動的に制御されるＲＯＶは、従来の制御理論に基づく、十分に確立された一式の制御方法論を有する。制御技法は、多様であり、標準的比例、積分、微分（ＰＩＤ）方法、ならびにスライディングモード制御、ＬＱＧ／ＬＴＲ、ファジー論理、およびハイブリッド技法を伴うより高度な技法を含む。
【０００５】
その自身の制御表面またはアクチュエータを有していない受動的物体は、概して、専門乗組員によって、手動で進水、牽引、および回収される。何らかの形態の制御システムではなく、専門乗組員が、技術的現状である。従来の制御技法は、制御されるべきシステムの正確な定量的モデルを要求する。そのようなモデルは、通常、ｓ領域内の一式の伝達関数または一式の結合微分方程式から成る。多くの場合、モデルの形式は、既知であり、モデルのパラメータが、システム識別手技を使用して決定されなければならない。しかしながら、受動的被牽引物のモデルは、通常、利用不可能である。モデルデータは、独自開発であり得、またはさらに悪いことに、システム識別を行うことは、機器の元の製造業者にとってさえコスト効果的ではない場合がある。
【０００６】
それでもなお、専門乗組員は、定期的に受動的物体を首尾よく牽引している。しかしながら、現在の技術的現状は、牽引動作の間、専門乗組員が立ち会わなければないことを要求する。そのような乗組員は、訓練されなければならず、かつ熟練のままであるために、その技術を実践しなければならない。さらに、機雷掃討目的のために物体を牽引することは、乗組員を危険に曝す一方、彼らに単調かつ反復的なタスクを行うことを要求する。乗組員の存在はまた、インフラストラクチャ要件を課す。すなわち、機雷掃討船舶は、乗組員を収容し、１度に数週間の生活を支援するために十分な大きさでなければならない。
【０００７】
要するに、当技術分野において、受動的被牽引物のための自動化された制御システムの必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（概要）
実施形態によると、被牽引物を制御するためのファジー論理コントローラは、制御信号に基づいて、牽引ケーブルの延長または後退を制御するためのウィンチコントローラと、牽引ケーブルが延長または後退される速さを制御するためにウィンチコントローラに結合されたファジー論理コントローラとを備え、ファジー論理コントローラは、デルタ高度変数に関する範囲を定義するメンバーシップ関数を記憶し、測定されたデルタ高度変数に関する範囲に基づいて、高度制御信号を決定する高度コントローラと、速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する範囲を定義するそれぞれのメンバーシップ関数を記憶し、決定された速さ、船首方向速度、およびケーブル長の変数に関する範囲に基づいて、ゲイン制御信号を決定するゲインコントローラと、ゲイン制御信号および高度制御信号に基づいて、制御信号を決定するためのコマンドコントローラとを含む。
【０００９】
本概要は、単に、特定の概念を導入するために提供され、特許請求される主題のいずれの重要な特徴も不可欠な特徴も識別するためではない。本発明の実施形態のさらなる特徴および利点ならびに本発明の種々の実施形態の構造および動作は、添付の図面を参照して、以下に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明の実施形態の前述および他の特徴および利点は、同様の参照番号が、概して、同じであり、機能的に類似し、かつ／または構造的に類似する要素を示す添付の図面に図示されるように、以下の本発明のより詳細な説明から明白となるであろう。別様に示されない限り、添付の図面図は、正確な縮尺ではない。
【図１】図１は、本発明の実施形態による、被牽引ソナー構成の例を描写する。
【図２】図２は、本発明の実施形態による、ファジー制御システムのブロック図を描写する。
【図３】図３の図３ａ−ｃは、本発明の実施形態による、制御システムのシミュレーションの結果を図示する。
【図４】図４−８は、本発明の実施形態による、メンバーシップ関数の例を図示する。
【図５】図４−８は、本発明の実施形態による、メンバーシップ関数の例を図示する。
【図６】図４−８は、本発明の実施形態による、メンバーシップ関数の例を図示する。
【図７】図４−８は、本発明の実施形態による、メンバーシップ関数の例を図示する。
【図８】図４−８は、本発明の実施形態による、メンバーシップ関数の例を図示する。
【図９】図９は、本発明の実施形態による、高度制御のためのファジー制御システムのブロック図を描写する。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態による、高度制御のためのファジー制御システムのブロック図を描写する。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（詳細な説明）
本発明の種々の実施形態が、本明細書で論じられる。特定の実施形態が、論じられながら、特定の専門用語が、明確にするために採用される。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の専門用語に限定されるように意図されず、これは、例証目的のためだけに行われることを理解されたい。当業者は、他の構成要素および構成が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、使用されることができることを認識するであろう。各特定の要素は、類似目的を達成するために同様に動作する全ての技術的均等物を含む。
【００１２】
図面を参照すると、物体１６を牽引する船舶１０が、図１に示される。船舶は、乗組員を有する艦船、一般的な無人水上機等の無人船舶、または他の海洋船舶であってもよい。物体１６は、漁具、カメラスリッド、サイドスキャンソナー、および同等物等の任意の被牽引物であってもよい。ウィンチアセンブリ１２が、牽引ケーブル１４を介して、被牽引物を上昇および降下させるために使用される。水中の被牽引物の高度および／または深度は、ウィンチアセンブリ１２を介して、牽引ケーブル１４ラインを引き寄せる、または繰り出すことによって制御される。アクチュエータ１８が、ウィンチアセンブリ１２の動作を制御するために提供されてもよい。
【００１３】
本発明の実施形態は、本明細書では、牽引式ソナーの文脈において説明される。しかしながら、任意の適切な物体を牽引するための制御システムが、本発明の範囲内である。海事牽引の用途は、民間領域および軍事領域の両方で一般的かつ多様である。用途として、漁、捜索および救助、海難救助、より小型の船舶の進水および回収、故障艦船の牽引、機雷戦、ならびに船底検査が挙げられる。
【００１４】
本発明の実施形態は、ファジー論理コントローラを使用して、適切な牽引状態を維持する。ファジー論理は、システム状態および講じられる措置の両方における不確実性に対応することができる。
【００１５】
牽引動作の間、サイドスキャンソナーは、不変の速さで前方に引かれながら、海底の上方の一定高度に維持されるべきである。牽引船舶１０は、小型であり得るため、環境擾乱をより受けやすい。船舶の動きは、牽引体の動きに影響を及ぼし得、したがって、精密な高度制御が、必須である。
【００１６】
ソナー１６は、典型的には、事前に計画された検索グリッド内で引かれ、したがって、船舶速さおよび進路の変更は、ソナー高度を制御するために許容可能な方法ではない。したがって、高度は、ウィンチアセンブリ１２を使用して、牽引ケーブル１４を後退または延長させることによって、制御されなければならない。
【００１７】
しかしながら、牽引物体１６が海底に落下し、次いで、引きずられる場合、牽引物体１６は、破壊され得る。牽引物体１６の損失が起こりそうである場合、事前に計画された速さおよび進路からの逸脱は、高度制御の許容可能な方法である。
【００１８】
例示的実施形態では、制御システムは、２つの構成要素を含んでもよい。高度または深度は、牽引ケーブルを延長および後退させることによって制御されてもよい。
【００１９】
牽引ケーブルを後退させることによって、高度を維持することが不可能である状況では、ウィンチ制御部は、事前に速さ制御部から全速力を要求してもよい。全速力で進むことが安全である場合、速さ制御部は、要求を許可する。
【００２０】
牽引体高度に対するいくつかの変数の影響は、定性的に既知である。これらの変数の第１のものは、船舶速さである。流れがソナー１６を一方または他方に押さないと仮定して、船舶１０が停止させられると、ソナー１６は、牽引点の直下に垂下する。船舶速さが増加するにつれて、牽引ケーブル１４は、船舶１０の後方でより離れて流動する。ケーブル範囲、すなわち、牽引ケーブル１４の長さとソナー１６の深度との比は、増加する。速さを増すと、牽引物体１６は、深度をよりゆっくりと変化させる。
【００２１】
第２の変数は、牽引ケーブル長である。ケーブル長が増加するにつれて、より多くの牽引ケーブル１４が、牽引物体１６の深度に等しい変化を生じさせるために延長または後退されなければならない。
【００２２】
第３の変数は、デルタ高度である。牽引物体１６の高度が高すぎる、すなわち、牽引物体１６が、深くまで降下されている場合、牽引ケーブル１４は、可能な限り高速で延長されるべきである。高度が危険なほど低い場合、牽引ケーブル１４は、可能な限り高速で上昇されるべきである。
【００２３】
第４の変数は、艦船船首方向速度である。船舶が旋回すると、牽引物体１６は、トラックの後に牽引されるトレーラーの車輪と同一の方式において、船舶より短い経路を辿る。その結果、牽引物体１６および牽引ケーブル１４は、より低い抗力および高度降下を被る。
【００２４】
さらなる実施形態では、ウィンチ帯域を超え、高度が危険なほど低い場合、全速力要求が、速さコントローラに発行されてもよい。
【００２５】
システムは、これらの変数を測定および／または決定するためのセンサを含んでもよい。例えば、艦船速さおよび艦船船首方向速度が、艦船制御システムから決定されてもよい。被牽引物は、その高度を感知するためのセンサを含んでもよい。牽引物体は、感知された高度を制御システムに伝送するための通信デバイスを含んでもよい。ウィンチアセンブリは、ケーブル長を決定するために牽引ケーブルが延長された量を測定するコントローラを含んでもよい。これらのセンサは、感知された情報をファジー制御システムに伝送してもよい。
【００２６】
一実施形態では、ファジー制御システムは、種々の入力変数に基づいて、牽引ケーブルを延長させるか後退させるかを決定してもよい。制御システムは、関連する入力および出力を識別してもよい。入力および出力は、ウィンチアセンブリ等の特定の実装に応じて、変動してもよい。変数に関するメンバーシップ関数および一式の制御ルールが、定義される。メンバーシップ関数は、変数を異なるカテゴリに分類してもよい。ルールは、変数のカテゴリおよびプロセスを制御するために生成される制御信号に基づいて適用される。
【００２７】
ここで図２を参照すると、例示的システムアーキテクチャが、示される。ゲイン制御部２０が、通信ライン（有線または無線）に結合され、情報を受信してもよい。ゲイン制御部２０は、入力変数、例えば、デルタ高度、艦船速さ、艦船船首方向速度、およびケーブル長変数に関する情報をそれぞれ受信するための入力２１−２４を含む。これらの変数の一部または全部は、本発明の種々の実施形態において使用されてもよい。
【００２８】
これらの変数のいずれも、高度に直接影響を及ぼさない。代わりに、これらの変数は、ケーブル長の一定変化を前提として、高度が変化する割合に影響を及ぼし、ゲインスケジュールを実装するために使用されることができる。ゲインスケジュールは、ゲインコントローラ２０によって実装される。高度制御部２６は、ゲインコントローラ２０に結合され、ゲイン出力をゲインコントローラ２０から受信する。高度コントローラ２６はまた、デルタ高度変数情報を受信する。高度コントローラ２６は、本ゲインおよびデルタ高度を使用して、牽引ラインが延長または後退されるべき速さを設定する。
【００２９】
ゲインコントローラ２０および高度コントローラ２６は、マイクロチップコントローラ、フィードバックコントローラ、および同等物を介して、実装されてもよい。ルールは、ゲインコントローラ２０および高度コントローラ２６が、展開速度を最大限にしながら、艦船速さ、船首方向速度、およびケーブル長の影響を補償すべき方法を体系化してもよい。ゲインコントローラおよび高度コントローラをプログラムするための例示的ルールは、以下に示される。
【００３０】
【化１】
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【００３１】
【化２】
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【００３２】
【化３】
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【００３３】
図３ａ−ｃは、制御システムのシミュレーションの結果を図示する。水深１００メートルのうち５メートルまでの牽引物体の降下が、シミュレーションされている。降下は、牽引船舶の不変の速さで行われた。図３ａは、０ノットの牽引船舶速さを用いた結果を図示し、図３ｂは、５ノットの牽引船舶速さを用いたシミュレーション結果を図示し、図３ｃは、１０ノットの牽引船舶速さを用いたシミュレーション結果を図示する。
【００３４】
各速さに対して３つのグラフがある。グラフ１は、時間に対する高度を図示し、グラフ２は、時間に対する牽引ケーブルが出された量を図示し、グラフ３は、時間に対するライン速さを図示する。
【００３５】
図３ａ−３ｃは、船舶が不変の速さにおいて一直線に駆動するとき、コントローラが牽引物体高度を確立および維持することを実証する。全例において、高度は、最小制御努力を用いて正しく維持される。ケーブル範囲に対する艦船速さの影響は、艦船速さが増加するにつれてより多くのケーブルが深度を維持するために要求されるため、容易に明白である。これは、図３ａ−３ｂにおけるグラフ２から分かる。
【００３６】
メンバーシップ関数が、前述の変数の一部または全部のために提供される。メンバーシップ関数は、変数に関する特定の範囲ｓを定義する。メンバーシップ関数は、入力変数に対して予期される値の範囲を網羅するように定義されるべきである。メンバーシップ関数の特定の値は、システムの特性、例えば、ウィンチ特性等に応じて変動する。
【００３７】
図４−８は、メンバーシップ関数の例を図示する。メンバーシップ関数は、形状が三角形または台形である。範囲間のより平滑な遷移を得るために、Ｓ形状等の異なるタイプのメンバーシップ関数もまた、使用されてもよい。変数の値に基づいて、メンバーシップ関数内において値が該当する場所が決定され得る。値は、領域の重複が存在しない区域に該当し得る。値が、２つの領域間の重複が存在する区域に該当する場合、不確実性は、ファジー推論のために、例えば、Ｍａｍｄａｎｉ法を使用して解決されてもよい。
【００３８】
速さ変数は、低、中、および高の３つの異なる速さを定義するメンバーシップ関数を有してもよい。０ノット〜２ノットの速さを伴う第１の領域は、低速であり、２．５ノット〜７．５ノットは、中速であり、８ノット〜１０ノットは、高速である。類似プロセスは、他のメンバーシップ関数に対して行われてもよい。
【００３９】
ケーブルリンクメンバーシップ関数は、短、中間、および長の牽引ケーブルの長さに対して３つの異なる範囲を定義してもよい。艦船船首方向速度変数は、低速および高速の２つの範囲を定義するメンバーシップ関数を有してもよい。デルタ高度変数は、２つの範囲を定義するメンバーシップ関数を有してもよい。
【００４０】
ゲインコントローラは、変数の値に基づいて、ゲインを決定するように構成される。例えば、ゲインコントローラは、それぞれのメンバーシップ関数に基づいて、変数が該当する範囲を決定するためのモジュールを含んでもよい。例えば、ゲインコントローラへの入力に基づいて、第１のモジュールは、速さが中間であり、船首方向速度が高速であり、ケーブル速度が中間であることを決定してもよい。前述のゲインコントローラに関するルールを利用して、ゲインは、次いで、これらの入力に基づいて、ゲインが中間であることが決定される。適切なゲイン信号が、次いで、ゲインコントローラから出力される。
【００４１】
高度コントローラは、類似方式でメンバーシップ関数を実装する。高度コントローラは、その入力変数を範囲の中に定義するメンバーシップ関数を記憶してもよい。例えば、デルタ高度変数は、深すぎる、深い、正しい、浅い、および浅すぎるの４つの異なる範囲を定義するメンバーシップ関数を有してもよい。入力に基づいて、高度コントローラは、前述のルールを実装し、速さ牽引ケーブルが、高速後退しているか、後退しているか、停止しているか、延長しているか、または高速延長しているかを決定してもよい。本決定に基づいて、制御信号が、ウィンチのためのアクチュエータに送信され、牽引ケーブルを適切に後退または延長させる。
【００４２】
図９は、本発明の例示的実施形態による、ファジー制御システムのより詳細な例証である。高度コマンドは、デルタ高度変数を決定するために、現在の高度との差をとられる。デルタ高度変数が、次いで、高度制御部に入力される。高度制御ノーマライザもまた、提供される。速さ、船首方向速度の絶対値、およびケーブル長変数が、制御される高度ゲインに入力される。これは、いくつかの実施形態では、マルチプレクサを介して行われてもよいが、これは、必須ではない。高度ゲインコントローラからの出力は、ゲイン制御ノーマライザに提供される。正しく調節されると、ノーマライザは、積算ブロックの出力を−１〜１の範囲にし、スロットルのように作用する。出力ゲインは、次いで、そのスロットルを実装のための正しい単位、この場合、メートル／秒に変換する。
【００４３】
図１０は、深度が高度の代わりに用いられることを除いて前述の高度制御と同一の原理を適用する深度制御の例を図示する。
【００４４】
１８０度の旋回は、機雷掃討の「芝刈り」パターンに従うとき、特に重要である。不変の速さで実行される一連の１８０度旋回の変化率が、図７に示される。コントローラは、１ｄｅｇ／ｓおよび２ｄｅｇ／ｓで高度を維持するが、４ｄｅｇ／ｓでは、ウィンチ率限界に達し、ソナーは、２５５秒で落下する。
【００４５】
ファジー制御が、ソナーの高度および／または深度を制御するための実行可能な実践的方法に対して実証された。多くの変数の非線形相互作用が、システムダイナミクスを規定し、モデルデータは、通常、利用不可能である。しかしながら、体系化したヒューリスティクスおよび直感を生成する能力は、効率的な態様で、そのような複雑なシステムを制御する可能性をもたらす。
【００４６】
本発明の前述の説明は、種々の修正、変更、および適応を受ける可能性があり、それらは、添付の特許請求の範囲の均等物の意味および範囲内に包含されることが意図されることが、理解されるであろう。
【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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【国際調査報告】
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