ベクツイン舵を⽤いた簡易DPSの提案 (第2報)

2023/11/28 ⽇本船舶海洋⼯学会秋季講演会 ベクツイン舵を⽤いた簡易DPSの提案 (第2報) 登尾悠平(⼤阪⼤学) ⼩池弘顕(⼤阪⼤学) 巣⼭凜(⼤阪⼤学) Dimas M. Rachman(⼤阪⼤学) 牧敦⽣(⼤阪⼤学)

緒⾔(研究背景) ⼊出港の多い船舶でのDPS機能の重要性  離着桟操船⽀援のためのDPS機能の先⾏事例  プレジャーボート 1) ヤマハ発動機株式会社, “ヘルムマスター- マリン製品,” 2023. http://www.yamahamotor.co.jp/Marine/lineup/boat/helmmaster/. 2) Y. M. International, “Jc20,” 2023. https://www.yanmar.com/marine/product/controls/jc20/.  ジョイスティック操船(DPS機能) 3) 森⽥勇，野上哲男, “ジョイスティック式総括操縦装置,” ⽇本舶⽤機関学会誌, vol. 31, p. 817, Nov. 1996.  VecTwin舵装備船での⾃動着桟制御と定点保持制御 4) D. M. Rachman, Y. Aoki, Y. Miyauchi, N. Umeda, and A. Maki, “Experimental low-speed positioning system with VecTwin rudder for automatic docking (berthing),” Journal of Marine Science and Technology, vol. 28, pp. 689‒703, Sept. 2023. 5) 登尾悠平，⼩池弘顕，牧敦⽣, “ベクツイン舵を⽤いた簡易DPS の提案,” in ⽇本船舶海洋⼯学会講演会論⽂集, no. 36, pp. 21‒29, ⽇ 本船舶海洋⼯学会, 2023. 前報の定点保持に加えて経路追従制御の性能を⽰す 2

3 前報について CPPとVecTwin舵を搭載した船舶のDP制御則 PID制御 アクチュエータへの割り当て 𝑒は⽬標位置との偏差であり、以下の ように定義される。 𝑍 は制御量 𝑢 を⼒に変換する⾏列。 制御量 𝑢 は次のように定義される。 ただし、 ただし、 𝑒 ：地球固定座標での偏差 𝑒 ：船体固定座標での偏差 𝑣 ：船速 𝛿 ：左舵の舵⾓ [deg.] 𝛿 ：右舵の舵⾓ [deg.] 𝑛 ：バウスラスタ回転数 [rps]

4 前報について CPPとVecTwin舵を搭載した船舶のDP制御則 翼⾓変更なしの制御 PIDによって決定した⼒を⼊⼒に変換する⾏列 𝒁を 次のように定義する。 ただし、 x ：舵の位置 [m] x ：バウスラスタの位置[m] C ：バウスラスタ係数 翼⾓変更ありの制御 PIDによって決定した⼒を⼊⼒に変換する⾏列 𝒁を 次のように定義する。 ただし、 C は定数、𝜃はプロペラ翼⾓

5 ⼿法(Reference Filterについて) Reference Filter  提案した制御則では⽬標値までの運動に関して制約がない ⇒⼤きな⽬標値を与えた際に意図しない動作をする可能性 現在位置と⽬標位置の間に別途参照点を与える  FossenのReference Filter 6) ⼀次遅れ系とマスばねダンパ系のカスケードで表される3次の線形フィルタ 現在位置と⽬標位置間のタイムステップごとの参照点位置を決定する 6) T. I. Fossen, Handbbok of Marine Craft Hydrodynamics and Motion Control. John Wiley Sons, second ed., 2021. 𝜼𝒅 : 参照点 𝑮 : 減衰係数 𝜼𝒓𝒆𝒇 : ⽬標点 𝜴 : 固有周波数

6 ⼿法(4-corner testについて) 4-corner test  DPSの経路追従制御の評価⽅法 7)  Surge, Sway, Yawの各⽅向の運動について性能評価を⾏う  ⼿順 1. 船⾸を真北に向けたまま、⽅位⾓0度で北へ移動 2. 船⾸を真北に向けたまま、東へ移動 3. 定点保持をしつつ、時計回り45度回頭 4. 船⾸⽅位を維持しながら南へ移動 5. 反時計回りに45度回頭しながら⻄へ移動し、 開始点に戻る ⑤ sway+yaw 7) R. Skjetne et al. , “AMOS DP Research Cruise 2016: Academic Full-Scale Testing of Experimental Dynamic Positioning Control Algorithms Onboard R/V Gunnerus,” American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, Sept. 2017.

7 シミュレーションについて(⽅法) 数値シミュレーション⼿法  MMGモデルを基にした運動モデル を⽤いた2)3)4)  舵⼒とプロペラ⼒は実験値を多項式 で回帰したものを利⽤  PID制御・Reference Filterのゲイ ンはシミュレーションによる試⾏錯 誤により決定 シミュレーション条件 No. プロペラ翼⾓ [deg.] 制御則 1 プロペラ翼⾓変動(𝐶 1.0) 変動 2 プロペラ翼⾓変動(𝐶 2.0) 変動 3 プロペラ翼⾓変動(𝐶 3.0) 変動 4 プロペラ翼⾓固定 20 5 プロペラ翼⾓固定 30 • 全条件のシミュレーションで同じPIDゲインを使⽤ • 平均⾵速 1 [m/s]の不規則⾵外乱 2) Kang, Donghoon, et al. "Mathematical model of single-propeller twin-rudder ship.” Journal of marine science and technology 13.3 (2008): 207-222. 3)芳村康男, “浅⽔域の操縦運動数学モデルの検討: MMG モデルの浅⽔域への適⽤について,” 関⻄造船協会誌, vol. 200, pp. 41–51, 1986. 4) Y. Yoshimura, I. Nakao, and A. Ishibashi, “Unified mathematical model for ocean and harbour manoeuvring,” pp. 116–124, International Conference on Marine Simulation and Ship Maneuverability, aug 2009.

8 シミュレーションについて(結果) 条件1 不規則⾵外乱(平均1[m/s])・翼⾓変動 C 1.0・4-corner test

9 シミュレーションについて(結果) 条件4 不規則⾵外乱(平均1[m/s])・翼⾓固定 𝜃 20 deg. ・4-corner test

10 シミュレーション結果 IAE(参照点との誤差の積分値) 不規則⾵外乱あり(平均⾵速1.0 [m/s]) Cond.1 翼⾓変更あり C 1.0 Cond.2 翼⾓変更あり C 2.0 Cond.3 翼⾓変更あり C 3.0 Cond.4 翼⾓変更なし 𝜃 20 deg. Cond.5 翼⾓変更なし 𝜃 30 deg.

結⾔ 本研究のまとめ  前報で提案したVecTwin舵装備船のDPS制御則をReference Filterを⽤ いて拡張し、経路追従制御にも利⽤可能にした  数値シミュレーションを⽤いて経路追従の性能を⽰した  先⾏研究で実船・模型船試験でのDPS制御則の評価に⽤いられた⼿法 (4-corner test)を⽤いて性能評価を⾏った 今後の展望  Thrust Allocation⼿法の改良  経路追従性能の向上につながる可能性  適切なPIDゲインチューニング⽅法の決定  実船への適⽤が容易になる  性能評価のシナリオを増やす  種々の制約を考慮し、参照点の与え⽅を改良する 11