GPSを用いた位置制御方法とその装置

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(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】 制御対象の位置指令値と制御対象のＧＰ
Ｓ位置信号とを比較し、位置指令値との偏差信号で制御
対象の位置をフィードバック制御している時にＧＰＳ位
置信号が大きくジャンプする異常値を検知したら、その
ジャンプした信号と同じ値のジャンプ信号をフィードバ
ック制御のループ外で前記ＧＰＳ位置信号と比較する前
の位置指令値に足し合わせて見かけ上制御偏差が変化し
ないようにし、その後、前記フィードバック制御のルー
プ外で位置指令値に足し合わせたジャンプ信号を減衰さ 10
せて制御対象の操作量が急激に変動しないようにするＧ
ＰＳを用いた位置制御方法。
【請求項２】 位置指令値に足し合わせた信号を減衰さ
せる減衰パラメータを任意に設定して減衰速度を好まし
い速度に設定するようにしたことを特徴とする請求項１
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記載のＧＰＳを用いた位置制御方法。
【請求項３】 制御対象の位置指令値をコントローラに
入力し、該制御対象の位置をＧＰＳ位置信号で検知し、
該ＧＰＳ位置信号を前記位置指令値と比較手段で比較し
て該位置指令値との偏差信号を前記コントローラに入力
することによりフィードバック制御するＧＰＳ位置制御
システムにおいて、
前記位置指令値をコントローラに入力する経路の前記Ｇ
ＰＳ位置信号を位置指令値と比較する比較手段の上流側
に、前記ＧＰＳ位置信号のジャンプを検知する信号ジャ
ンプ検知部と、該ジャンプした位置信号と同じジャンプ
信号を前記フィードバック制御のループ外で前記位置指
令値に足し合わせて見かけ上制御偏差が変化しないよう
にした後、足し合わせたジャンプ信号を減衰させる信号
減衰部とを有する指令値生成部を設けて前記制御対象の
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操作量が急激に変動しないようにしたことを特徴とする
ＧＰＳ位置制御システムにおける制御装置。
【請求項４】 信号減衰部に、位置指令値に足し合わせ
た信号を減衰させる減衰パラメータを任意に設定できる
機能を具備させたことを特徴とする請求項３記載のＧＰ
Ｓ位置制御システムにおける制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は、ＧＰＳ位置信号
を利用して誘導制御や位置制御を行う船舶や飛行機、車
両等における位置制御方法とその装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】従来か
ら、ＧＰＳ(global positioning system）、ＤＧＰＳ
（この明細書では総称して「ＧＰＳ」という）によって
船舶や飛行機、車両等の位置制御が行われているが、近
年、ＧＰＳの精度向上にともなってＧＰＳ位置信号を利
用した誘導制御や位置制御が行われるケースが増加して
いる。
【０００３】このＧＰＳは、複数の人工衛星を使って三
角測量の原理で高精度な位置を特定するものであるが、
使用している衛星を他の衛星に切換える時に、位置信号
が数ｍから数十ｍジャンプする、ＧＰＳ位置信号の跳躍
（以下「ジャンプ」ともいう）という現象がある。
【０００４】このようなＧＰＳ位置信号のジャンプを生
じると、ＧＰＳ信号を利用して位置制御を行うシステム
においては急激な位置偏差を生じたと認識し、その位置
へ制御対象を移動させるために操作量を急激に変動させ
たりして、制御系に悪影響をおよぼしてしまう。
【０００５】そこで、この現象による誤差を除去しよう
とする従来技術として、特開平８−６８８４９号報記載
の発明がある。この発明は船舶の航法装置に関するもの
であり、最適推定フィルタ部で最も確からしい船舶の状
態値を推定演算し、船位跳躍処理部でＧＰＳにおける測
位データの跳躍が判定され、位置信号からかかる跳躍を
除去することにより、ＧＰＳに起因する誤差を除去して
正確に自船の位置を測位しようとしている。その詳細
は、まず、その変化率を計測し、その変化率に判定値
（変化率の上限）を与えてＧＰＳデータ跳躍現象の発生
を判定する。次に、判定値を超えた場合には、最適推定
フィルタの修正量をゼロにしてＧＰＳデータの跳躍によ
る影響を除去している。つまり、この発明は、ＧＰＳデ
ータ跳躍により、ＧＰＳ測位に関する緯度・経度の変化
率が増大したとき、最適推定フィルタへの修正量を調整
することで問題を回避する最適推定フィルタに関する特
許である。
【０００６】しかしながら、このように信号ジャンプ分
を除去してしまうと、真値からずれた場所を推定位置と
してしまう恐れがある。しかも、常にジャンプ分を除去
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すると、制御対象が真値から大きくずれてしまうおそれ
もある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】そこで、前記課題を解決
するために、本願発明に係る位置制御方法は、制御対象
の位置指令値と制御対象のＧＰＳ位置信号とを比較し、
位置指令値との偏差信号で制御対象の位置をフィードバ
ック制御している時にＧＰＳ位置信号が大きくジャンプ
する異常値を検知したら、そのジャンプした信号と同じ
値のジャンプ信号をフィードバック制御のループ外で前
記ＧＰＳ位置信号と比較する前の位置指令値に足し合わ
せて見かけ上制御偏差が変化しないようにし、その後、
前記フィードバック制御のループ外で位置指令値に足し
合わせたジャンプ信号を減衰させて制御対象の操作量が
急激に変動しないようにしている。このＧＰＳ位置信号
の異常値は、今回値と前回値の差でジャンプ（跳躍）現
象の発生を判定できる。そして、ＧＰＳ位置信号には手
を加えずに位置指令値を補正して制御偏差を見かけ上変
化させないようにすることにより、船体位置の指令値が
大きく変動するのを避けることができ、その後、指令値
の補正値を少しずつ減衰させてＧＰＳ位置信号となるよ
うに修正することにより、ＧＰＳの測位精度を保持して
常にＧＰＳ位置信号による真値に近い場所に位置制御す
ることができる。
【０００８】 前記位置指令値に足し合わせた信号を減
衰させる減衰パラメータを任意に設定して減衰速度を好
ましい速度に設定するようにすれば、制御対象やジャン
プ量等に応じて減衰速度を好ましい速度（時間）に設定
することができる。
【０００９】 また、本願発明に係る位置制御装置は、
制御対象の位置指令値をコントローラに入力し、該制御
対象の位置をＧＰＳ位置信号で検知し、該ＧＰＳ位置信
号を前記位置指令値と比較手段で比較して該位置指令値
との偏差信号を前記コントローラに入力することにより
フィードバック制御するＧＰＳ位置制御システムにおい
て、前記位置指令値をコントローラに入力する経路の前
記ＧＰＳ位置信号を位置指令値と比較する比較手段の上
流側に、前記ＧＰＳ位置信号のジャンプを検知する信号
ジャンプ検知部と、該ジャンプした位置信号と同じジャ
ンプ信号を前記フィードバック制御のループ外で前記位
置指令値に足し合わせて見かけ上制御偏差が変化しない
ようにした後、足し合わせたジャンプ信号を減衰させる
信号減衰部とを有する指令値生成部を設けて前記制御対
象の操作量が急激に変動しないようにしている。この制
御装置によれば、ＧＰＳ位置信号の異常値を検知したと
しても、通常のフィードバック制御のループの外に設け
た指令値生成部で位置指令値を補正して制御偏差を見か
け上変化しないようにするので、フィードバック制御ル
ープに影響を及ぼすことなく、制御対象の操作量が急激
に変動するのを防止することができる。これにより、Ｇ
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ＰＳの測位精度を保持して常にＧＰＳ位置信号による真
値に近い場所に位置制御することができる。
【００１０】さらに、信号減衰部に、位置指令値に足し
合わせた信号を減衰させる減衰パラメータを任意に設定
できる機能を具備させれば、制御対象やジャンプ量等に
応じて減衰速度を好ましい速度（時間）に設定できる装
置を構成することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本願発明の一実施形態を図
面に基づいて説明する。図１は本願発明の一実施形態を
示す制御装置のブロック図である。制御対象は位置制御
を行う対象物であり、船舶や飛行機、車両等であるが、
この実施形態では、船舶を例に説明する。
【００１２】図示するように、位置指令値１がコントロ
ーラ２に入力され、このコントローラ２でアクチュエー
タ３を駆動することにより、制御対象である船体４が位
置制御される。この制御している船体４の位置は、ＧＰ
Ｓ５を用いて検知した位置信号６で検知され、この位置
信号６が比較手段７に入力され、位置指令値１との偏差
信号８（ずれ量）が前記コントローラ２に入力されて、
フィードバック制御されている。
【００１３】そして、前記位置指令値１をコントローラ
２へ入力する経路９と、位置信号６を比較手段７へフィ
ードバックする経路１０との間に、位置信号６がジャン
プする異常値（以下「ジャンプ信号」という）を検知し
たら、その時のジャンプ信号によって位置指令値１が急
激に変化しないようにする指令値生成部１１が設けられ
ている。
【００１４】この指令値生成部１１には、ＧＰＳ５で検
知した位置信号６がジャンプしたか否かを判断する信号
ジャンプ検知ロジック１２と、この信号ジャンプ検知ロ
ジック１２で検知したジャンプ信号を受けて前記位置指
令値１に信号を出力する信号減衰ロジック１３とが設け
られている。
【００１５】前記信号ジャンプ検知ロジック１２は、Ｇ
ＰＳ５の位置信号６を常時監視しており、前回の位置信
号６との差からジャンプ信号Δｋを検知した場合、その
ジャンプ信号Δｋに同期させて、位置指令値１を同じ値
分ジャンプさせるように信号減衰ロジック１３を介して
信号Ｙｋ（例えば、数値信号）が出力される。これによ
り、位置偏差が急激に変化しないようにしている。つま
り、前記ＧＰＳ５の位置信号６に大きな変化がない通常
の場合には、この信号ジャンプ検知ロジック１２から位
置指令値１側に出力される信号はゼロであり、異常値を
検知した場合にのみ、そのジャンプ信号Δｋと同じ値の
信号Ｙｋが信号減衰ロジック１３を介して出力される。
【００１６】前記信号減衰ロジック１３は、前記信号ジ
ャンプ検知ロジック１２から位置指令値１へ付加したジ
ャンプ信号Δｋと同じ他の信号Ｙｋを、ジャンプ前の値
まで長い時間をかけて少しずつ滑らかに減衰させるもの
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である。つまり、前記信号ジャンプ検知ロジック１２で
異常値を検知したら、そのジャンプ信号Δｋ分の値を位
置指令値１に足し合わせて位置信号に大きな変化がなか
ったようにした後、その位置指令値１を、ジャンプ信号
Δｋ分を足し合わせる前の位置指令値１にまで滑らかに
戻していくように制御している。
【００１７】図２は位置信号ジャンプ時の時系列推移の
一例を示すグラフである。このグラフでは、ＧＰＳ位置
信号と位置指令値と位置偏差の時系列推移を横軸に示し
ている。図１に示す構成には、その符号を付して説明す
る。
【００１８】ＧＰＳ５で検知した位置信号６をフィード
バック経路１０から比較手段７に入力している制御状態
で、ｃ点で、位置信号が予め設定された判定値以上とな
る異常値を検知したら、その異常値をジャンプ信号Δｋ
と判断し、そのジャンプ信号Δｋと同じ値の信号Δｋ分
が位置指令値へ足し合わされる。そのため、このｃ点で
ジャンプ信号が発生したとしても、コントローラ２に入
力される位置偏差（偏差信号８）に大きな変化を生じる
ことはない。この時のＧＰＳ位置信号のジャンプは信号
ジャンプ検知ロジック１２で検知され、検知されたジャ
ンプ信号Δｋと同じ値の信号Ｙｋが位置指令値１へ出力
されると共に、信号減衰ロジック１３に記憶される。
【００１９】そして、位置指令値１に足し合わされたジ
ャンプ信号Δｋ分が、信号減衰ロジック１３によって時
間と共に緩やかに減衰させられる。つまり、信号ジャン
プ検知ロジック１２がジャンプ信号Δｋを検知した場
合、信号減衰ロジック１３は、まず入力信号をそのまま
出力し、時間と共にそれを減衰させるような関数または
アルゴリズムとなっている。
【００２０】図３は、このような制御装置の指令値生成
部における処理の流れを示すフローチャートである。こ
のフローチャートに基づいて指令値生成部１１における
処理の流れを詳細に説明する。
【００２１】ｋはサンプル数であり、１サイクル毎に１
を加算している状態で(e) 、信号ジャンプ検知ロジック
１２でジャンプ発生の有無を検知し(f) 、ジャンプ発生
として「ＹＥＳ」を検知した場合、位置指令値１へ出力
する信号Ｙｋをそのジャンプ信号Δｋと同じ値とし(g)
、その信号Ｙｋを出力する(h) 。
【００２２】そして、次のサイクルでジャンプ発生の有
無を検知し(f) 、ジャンプ発生が「ＮＯ」の場合、所定
の減衰パラメータｐを前回出力信号Ｙｋ-1 に掛けて信号
Ｙｋを算出し(i) 、その信号Ｙｋを出力して(h) 、ジャ
ンプ発生時にジャンプ信号Δｋと同じ値で出力した信号
Ｙｋを減衰させていく。
【００２３】その後は、信号Ｙｋを減衰させるように、
前回の出力信号Ｙｋ-1 に減衰パラメータｐを掛けた値の
Ｙｋが算出されて(i) 出力される(h) 。
【００２４】このようなフローチャートで構成された信
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号減衰ロジック１３により、位置指令値１に足し合わさ
＊ ジャンプ信号Δｋを適宜設定すれば、それぞれの制御状
れたジャンプ信号Δｋ分が時間と共に緩やかに減衰する
態において、好ましい制御を行うことができる。
ように戻される。
【００３０】また、上述した実施形態は一実施形態であ
【００２５】なお、減衰信号Ｙｋは、前回のサンプル時
り、本願発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は
刻の信号Ｙｋ-1 と前々回のサンプル時刻の信号Ｙｋ-2 と
可能であり、本願発明は上述した実施形態に限定される
を用いて、「Ｙｋ＝ｐ・Ｙｋ-1 ＋ｑ・Ｙｋ-2 （０＜ｐ
ものではない。
＜１，０＜ｑ＜１） ｐ，ｑ：減衰パラメータ」のよう
【００３１】
に定めてもよい。この減衰信号Ｙｋは、制御対象や制御
【発明の効果】本願発明は、以上説明したような形態で
量に応じて決定すればよい。
実施され、以下に記載するような効果を奏する。
【００２６】図４は減衰パラメータを決定する信号減衰 10 【００３２】位置指令値の制御信号に大きな変動を生じ
ロジックの出力例を示すグラフである。このグラフは、
ることなく、常にＧＰＳ位置信号による真値に近い場所
ジャンプ信号Δを１に正規化したときの信号減衰ロジッ
で制御対象を位置制御することが可能となる。
クの出力例を示すものである。横軸はＴ時間間隔でサン
【図面の簡単な説明】
プリングした時のサンプル数ｋを表し、縦軸は出力信号
【図１】本願発明の一実施形態を示す制御装置のブロッ
Ｙｋを表している。このグラフに示すパラメータｐは、
ク図である。
出力信号Ｙｋの減衰の早さを表すパラメータであり、０
【図２】位置信号の時系列推移例を示すグラフである。
＜ｐ＜１の範囲で設定され、値が小さい程、減衰が速く
【図３】図１に示す制御装置の指令値生成部における処
なっている。この信号減衰ロジックによって出力される
理の流れを示すフローチャートであ
信号Ｙｋは位置指令値１に足し合わされるので、位置指
【図４】減衰パラメータを決定する信号減衰ロジックの
令値１の変化に対する制御系の応答特性を考慮してパラ 20 出力例を示すグラフである。
メータｐが調整される。
【符号の説明】
【００２７】以上説明したように、この位置制御装置に
１…位置指令値
よれば、ＧＰＳ位置信号６の今回値と前回値との差でＧ
２…コントローラ
ＰＳデータのジャンプ現象の発生を判定し、船体位置の
３…アクチュエータ
位置指令値を変更するだけであり、フィードバックルー
４…船体
プの特性が崩れず、また制御性能が変わらない点で優れ
５…ＧＰＳ
ており、位置信号６がジャンプしても船体４を制御する
６…位置信号
アクチュエータ３が船体４の位置を移動させるために急
７…比較手段
激な操作を行ったりしない。
８…偏差信号
【００２８】しかも、ＧＰＳデータには手を加えずに位 30 ９…経路
置補正値を補正し、位置偏差を見かけ上変化させないよ
１０…経路
うにしているので、ＧＰＳの測位精度を保持し、常に真
１１…指令値生成部
値に近い場所で制御することができる。
１２…信号ジャンプ検知ロジック
【００２９】なお、上述した実施形態では船舶を例に説
１３…信号減衰ロジック
明したが、飛行機や地上ビークル等の車両の場合でも、＊
【図１】
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【図２】
【図３】
【図４】
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フロントページの続き
(72)発明者
(72)発明者
(72)発明者
(72)発明者
河野 行伸
兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工
業株式会社 明石工場内
中島 健一
兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工
業株式会社 明石工場内
斎藤 泰夫
兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番
１号 川崎重工業株式会社 神戸工場内
池田 浩
兵庫県神戸市中央区東川崎町３丁目１番
１号 川崎重工業株式会社 神戸工場内
(56)参考文献
特開 平９−44244（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−288824（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−68849（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−5417（ＪＰ，Ａ)
特開2000−131088（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−43516（ＪＰ，Ａ)
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(58)調査した分野(Int.Cl. ，ＤＢ名)
G01S 5/00 - 5/14
G01C 21/00
G05D 1/00 - 1/12