Monohakobi Techno Forum 2021

DFFASプロジェクトにおける船体運動モデルの開発と活用
2021年12月2日

株式会社MTI 船舶物流技術グループ
二木 崚佑

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モデルの活用モデルは”動く仕様書“

制御側プラント側
MILS

全体
システム
試験

検証

要求
分析

実証試験

モデル

モデル

SILS
結合・単独試験

検証

基本設計

モデル

コードHILS
詳細
設計

検証

単体
試験

モデル

実機

実証試験
実装・製作

実機

実船

※MILS…Model in the Loop Simulation, SILS…Simulation in the Loop Simulation, HILS…Hardware in the Loop Simulation© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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自律運航と制御• 離散から着桟までの一連の航海作業を自律化
バウスラスタの制御

固定ピッチ
プロペラの逆転クラッチ
嵌脱フラップ舵の舵角指示

乗組員による着桟時オペレーション対象船「すざく」

低速域の操縦運動を考慮したモデルを活用し、制御系を開発© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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低速時の操縦運動
中高速域（大洋航海中）

低速域（離着桟時）• 前進運動＞横運動• 流体力は慣性力と推力が主体• 港湾内は水深が浅い• 外乱の影響• バウスラスタやプロペラ逆転による減速

低速域では、従来の操縦運動数学モデルの前提条件が成立しない© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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減速時の船体運動
減速のためプロペラ逆転⇒不平衡流体力の発生
船体は直進状態では停止せず、回頭する
正転逆転
平水中でのプロペラ逆転停止運動
安川宏紀,波浪中における船の操縦運動シミュレーション（第2報：zig-zag運動とプロペラ逆転停止運動）,日本船舶海洋工学論部bb集第7号,2008年6月, pp.163-170© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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水槽試験実施項目
試験種別

試験項目

浅水域

Z試験

〇

〇

〇

旋回試験

〇

〇

〇

定常横力試験

〇―ーバウスラスタによる旋回試験〇―〇

プロペラ逆転停止運動

〇

―

ー

抵抗・自航試験〇〇〇

斜航・旋回試験（CMT)

〇

〇

〇

荷重度変更直進時操舵試験〇

ー〇

斜航・旋回運動時操舵試験（整流係数試験）〇

ー〇

プロペラ逆転時付加流体力試験〇―ー4象限POT〇―ー

自由航走試験

拘束模型試験

平水中（深水） 波浪中（深水）

その他

風洞試験

ー

さらに Laden/Ballast、Full/Low speedなど条件を変え実施© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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試験実施の様子
3.5

波浪中自由航走試験RSC, Calm water
RSC, Wind
RSC, Waves(seed1)+wind

32.5

全周囲型造波機を有す実海域再現水槽にて実施
X/L

21.5
10.5
0-0.5-0.5

不規則波中試験の様子

00.5

11.5

2 Y/L 2.535度旋回試験の航跡（平水中・風あり・不規則波中・波＋風）※海上技術安全研究所にて実施© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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試験実施の様子
風洞試験
風圧下での操縦性予測の精度を向上させるため、それぞれの載荷状態で風圧力を計測

風洞と風洞試験用模型船

風圧力係数© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

※海上技術安全研究所にて実施

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試験実施の様子プロペラ逆転停止運動

平水中プロペラ逆転時の動画※海上技術安全研究所にて実施© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

不平衡流体力8

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船体運動モデル
Fossenの6自由度船体運動モデル (Fossen, 2002)
𝑴𝑅𝐵 𝝂ሶ + 𝑪𝑅𝐵 𝝂 𝝂 = ෍ 𝝉𝑖
ここで、 𝑴𝑅𝐵 は慣性マトリクス、𝑪𝑅𝐵 は遠心力 / コリオリ力、𝝂は速度ベクトル

𝑴𝑅𝐵 𝒗ሶ + 𝑪𝑅𝐵 𝒗 𝒗 = 𝝉𝑠𝑡𝑎𝑡 + 𝝉ℎ𝑦𝑑 + 𝝉𝑣𝑖𝑠𝑐 + 𝝉𝑤𝑖𝑛𝑑 + 𝝉𝑤𝑎𝑣𝑒1 + 𝝉𝑤𝑎𝑣𝑒2 + 𝝉𝑒𝑥𝑡 + 𝝉𝑝𝑟𝑜𝑝

制御モデルの評価に実績。
MMGモデルとは式が異なる⇒一部数式の修正や係数の追加© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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シミュレーション環境
各種MILS/SILS/HILSに対応したシミュレー
ションプラットフォームを利用

船体運動（船速、針路、Roll、Pitch、Yaw、など）

船の位置モジュール一覧（FMU形式）© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

海気象（風、波、潮流）

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船体運動モデルの検証
クラッチ脱で自然減速を行った際の減速率
着桟時の「すざく」運航データ

およそ-1knot/分と判明

5.5knotから4.5knot
１knotの船速低下に１分

船体運動モデルを用いて単独テスト実行⇒実船の減速率とほぼ一致© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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船体運動モデルの検証
プロペラ逆転時不平衡流体力をモデルに反映© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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MILSの結果航路を設定し、航路誤差が許容値内に収まるか検証
3knotでの航行

10m
風潮流

外乱無し

船速や外乱条件を変え、MILSを実行© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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MILSの結果：
航路を設定し、様々な外乱条件に対し許容航路誤差内に収まるか検証

m

潮流あり

time
航路誤差低速（4knot）での旋回航跡

検証⇔修正を繰り返し性能改善が可能に© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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陸上統合試験(HILS)※赤線制御指令※点線は実機接続時の結線を示す。

自船の情報、他船の船位、方位など(NMEA)

Nautical
Chart

②航路情報
制御開始指令自船の情報、他船の船位、方位など(NMEA)FMU接続
I/Oデバイス③舵角指示、主機回転数、スラスタ指令(Digital・Analog)© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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陸上統合試験で見つかった課題減速中の変針により航路誤差がやや大きくなった

ややオーバーシュートが大きい

DPSに入力された航路計画© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

航路誤差評価結果

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陸上統合試験で見つかった課題
着桟時の船速・姿勢制御
操縦性悪化・外乱の影響・機器の制約 など

バース側

統合試験で課題を発見し“本船搭載前に修正”© 2021. MTI Co., Ltd. All rights reserved.

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まとめ
• 水槽試験の結果を用いて船体運動モデルを開発した。

• DFFAS PJでは自律船システム検証のために、船体運動モデルを活用し統合試験を実施した。
• シミュレータを活用することで、事前に課題が抽出され、実証試験前のシステム調整を行うことができた。
• 船体運動モデルの活用は、DPSをはじめとする制御系の開発に有用である。

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ご清聴ありがとうございました。

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