Adaptive Autopilot System for Small Ships Employing E-TOP Method.

摘要

（論文要旨）小型船舶の適応型オートパイロットでは，船速に基づくゲイン・スケジューリングによるものが一般的である．この方式では，船速変化に伴う船体動特性の変化に適応することはできるが，重量や外乱(潮流，波，風などによる外力)の変化による船体動特性の変化には適応することはできない．既に提案されている適応型オートパイロットの多くは，タンカーや商船などの大型船舶向けに開発されたものである．その代表的な手法には，セルフ・チューニング・レギュレータやモデル規範型適応制御システムがある．前者は，オンライン・システム同定によって船体動特性を常に推定し，最適制御理論に基づいて最適制御ゲインを決定する方式である．後者は，規範モデルの挙動と実際の船体挙動の差が縮小するように制御ゲインを修正する方式である．小型船舶では，外乱の影響を受け易いので，オンライン・システム同定を安定して行うことは困難である．また，航行中に船速を大きく変化させることが多いので，船体動特性が大きく変化し，適切な規範モデルを設定することも困難である．従って，従来の適応型オートパイロットを小型船舶に適用しても，良好な結果を得ることはできない．一方，人による制御パラメータの調整では，制御パラメータを試行錯誤で変化させ，保針性能が改善するように制御パラメータを調整する．このような手法では，オンライン・システム同定や規範モデルが不要である．本論文は，新しい船体挙動評価手法を導入した，試行錯誤に基づく小型船舶用適応型オートパイロットの実現方法について述べたものである．各章の要旨は以下の通りである．第1 章は序論であり，本研究の背景と目的及び位置付けを記している．第2 章では，本研究の目的と，船舶用オートパイロットの基本的な事柄について述べる．まず船舶用オートパイロットの基本構成とその機能について述べ，次に従来の適応型オートパイロットの構成および特徴について述べる．ここで，従来の適応型オートパイロットでは，オンライン・システム同定か規範モデルのどちらかが必要であることを示す．また，従来の適応型オートパイロットを小型船舶に適用しても良好な結果が得られない理由と，小型船舶には試行錯誤に基づく適応方式が適している理由について述べる．最後に，本研究で使用するシミュレータの構成と設定方法について述べる．第3 章では，試行錯誤に基づく適応型オートパイロットを実現するために必要となる，新しい船体挙動評価手法について述べる．試行錯誤に基づく適応型オートパイロットでは，制御パラメータに摂動成分を加え，それによる船体挙動の変化を的確に評価することが必要となる．しかし，従来の船体挙動評価手法では，試行に対する船体挙動の変化を的確に評価することができない．そこで，位相面軌跡に基づく新しい船体挙動評価手法を提案する．また，適応過程において異常な制御状態に陥った場合の対策として，上記の船体挙動評価手法を利用した制御異常の検出方法とその対策方法について述べる．第4 章では，第3 章で提案する新しい船体挙動評価手法を用いた，最も基本的な適応型オートパイロットを提案し，その適応制御性能をシミュレータによって検証する．本章の目的は，第3 章で提案する船体挙動評価手法を用いることによって，試行錯誤に基づく適応型オートパイロットが実現可能であることを示すことである．第5 章では，第3 章で提案した船体挙動評価手法と自己組織化マップ(Self-Organizing Maps：SOM)を組み合わせることによって船体挙動評価の精度を向上した，新しい船体挙動評価手法を提案し，その適応制御性能をシミュレータによって検証する．まず，第4 章で提案した適応型オートパイロットの問題点を明らかにし，その問題点を解決する手法として新しい船体挙動評価手法を提案する．次に，新しい船体挙動評価手法を用いた適応処理とそれを採用した適応型オートパイロットを提案する．第6 章では，第5 章で提案した船体挙動評価手法と自己組織化関係ネットワーク(Self-OrganizingRelation Network：SORN)を組み合わせることによって，調整誤りを減少させた，制御パラメータ調整手法を提案し，その適応制御性能をシミュレータによって検証する．第5 章で提案した適応型オートパイロットには，舵効き指数が悪い船舶の動特性で制御が不安定になる場合がある．この問題を解決する手法として新しい制御パラメータ調整手法を提案する．さらに，この制御パラメータ調整手法を用いた適応処理とそれを採用した適応型オートパイロットを提案する．シミュレータによる性能評価結果について述べる．第7 章では，実機(実船)を用いた実験によって，第4 章，第5 章，第6 章で提案した適応型オートパイロットの適応性能を検証する．まず実験システムの構成，実験方法について述べ，次に実験結果と適応性能の検証結果について述べる．第8 章は結論であり，本研究を総括する．