(57)【要約】      （修正有）【課題】風や潮流等による外乱がある場合にも船舶の定点保持を実現させる。【解決手段】船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置２６との前後方向偏差を位置偏差演算部３０で演算し、その演算される前後方向偏差に基づいて、発生させるべき前後方向推進力をＰＩＤ制御演算部３２において演算する。また、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置２６との横方向偏差を位置偏差演算部３０で演算すると共に、船舶に作用する外乱の方向を外乱推定演算部３４で推定し、その演算される横方向偏差及び推定される外乱の方向に基づいて、発生させるべき回転方向モーメントを演算する。【選択図】図１
2010173589.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、
前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、
前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、
前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、
を備えることを特徴とする船舶用位置保持制御装置。
【請求項２】
前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、
前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、
前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、
前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、
前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、
前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に応じて、前記回転方向モーメント演算手段により演算される前記回転方向モーメントを補正するモーメント補正手段と、
を備えることを特徴とする船舶用位置保持制御装置。
【請求項３】
前記回転方向モーメント演算手段は、
前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記船舶の船首が向くべき目標の方位を演算する目標方位演算手段と、
前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを、前記船舶の船首が向いている方位と、前記目標方位演算手段により演算される前記目標の方位との制御誤差に応じた値に設定するモーメント設定手段と、
を有することを特徴とする請求項１記載の船舶用位置保持制御装置。
【請求項４】
前記目標方位演算手段は、前記目標の方位を演算するうえで、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差の時間積分値を用いないことを特徴とする請求項３記載の船舶用位置保持制御装置。
【請求項５】
前記モーメント設定手段は、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを設定するうえで、前記制御誤差の時間積分値を用いないことを特徴とする請求項３又は４記載の船舶用位置保持制御装置。
【請求項６】
前記外乱推定手段は、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差を時間積分した値に基づいて、前記外乱の方向を推定することを特徴とする請求項４又は５記載の船舶用位置保持制御装置。
【請求項７】
前記前後方向推進力演算手段は、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算するうえで、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差、該前後方向偏差の時間微分値、及び該前後方向偏差の時間積分値を用いることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の船舶用位置保持制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶用位置保持制御装置に係り、特に、前後方向の推進力及び回転方向のモーメントをそれぞれ発生し得る船舶の位置を定点に保持させるうえで好適な船舶用位置保持制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、船舶の位置を制御する装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この制御装置は、停泊時操船の支援開始が指示された後、船舶の旋回角速度が零となるように一対の舵取り機構の操舵角を制御すると共に、船舶の位置が操船支援開始時における位置に等しく保持されるように、船体に取り付けられた左右一対の推進機からそれぞれ発生させるべき目標推進力を算出してそれら一対の推進機を制御する。従って、外乱が生じた場合に船舶を回頭を生じさせることなく前後左右に移動させることで、船舶を所定位置に保持させることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２００００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、一般に、船舶は、前後方向及び回転方向への推進力しか持たず、横方向への推進力を持たないため、船舶に対して横方向成分を有する風や潮流などの外乱が作用した場合、直ちにその外乱に抗して船舶の定点保持を行うことは困難である。上記した特許文献１記載の装置では、船舶の定点保持を行うのに、船舶の旋回角速度を零としつつ左右一対の推進機により推進力を発生させるが、外乱が変化することが十分に考慮されていないため、外乱発生時に船舶の定点保持を実現させることは困難である。
【０００５】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の定点保持を実現させることが可能な船舶用位置保持制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的は、前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、を備える船舶用位置保持制御装置により達成される。
【０００７】
この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差、及び、船舶に作用する外乱の方向に基づいて演算される。船舶の船首又は船尾の向く方向が外乱の方向とずれれば、その船舶に船舶座標上で外乱の横方向成分が作用するため、船舶に作用する外乱をその船舶を横方向へ移動させる推進力として用いることができる。従って、本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。
【０００８】
また、上記の目的は、前後方向推進力を発生する前後方向推進力発生手段と、回転方向モーメントを発生する回転方向モーメント発生手段と、を有する船舶の位置を保持させる制御装置であって、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との前後方向偏差を演算する前後方向位置偏差演算手段と、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差に基づいて、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算する前後方向推進力演算手段と、前記船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を演算する横方向位置偏差演算手段と、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差に基づいて、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを演算する回転方向モーメント演算手段と、前記船舶に作用する外乱の方向を推定する外乱推定手段と、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に応じて、前記回転方向モーメント演算手段により演算される前記回転方向モーメントを補正するモーメント補正手段と、を備える船舶用位置保持制御装置により達成される。
【０００９】
この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差に基づいて演算される。そして、この演算された回転方向モーメントは、船舶に作用する外乱の方向に応じて補正される。船舶の船首又は船尾の向く方向が外乱の方向とずれれば、その船舶に船舶座標上で外乱の横方向成分が作用するため、船舶に作用する外乱をその船舶を横方向へ移動させる推進力として用いることができる。従って、本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。
【００１０】
尚、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記回転方向モーメント演算手段は、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差、及び、前記外乱推定手段により推定される前記外乱の方向に基づいて、前記船舶の船首が向くべき目標の方位を演算する目標方位演算手段と、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを、前記船舶の船首が向いている方位と、前記目標方位演算手段により演算される前記目標の方位との制御誤差に応じた値に設定するモーメント設定手段と、を有することとしてもよい。
【００１１】
この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差及び船舶に作用する外乱の方向に基づいて演算される船舶の船首が向くべき目標の方位と、船首が実際に向いている方位との制御誤差に応じた値に設定される。かかる構成によれば、船舶の船首を適切に目標の方位へ向けることができるので、外乱による横方向への推進力を適切に得ることができる。従って、本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。
【００１２】
また、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記目標方位演算手段は、前記目標の方位を演算するうえで、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差の時間積分値を用いないこととしてもよい。
【００１３】
この態様の発明において、船舶の目標方位は、船舶の横方向偏差の時間積分値を用いることなく演算される。かかる構成によれば、船舶の位置を保持するうえで船舶の横方向について定常偏差を残すことができ、その結果として、外乱方向が変化した際に船舶の横方向偏差を生じさせることができる。従って、本発明によれば、常に船舶の横方向偏差から外乱方向を推定することができ、風や潮流等による外乱が変化する場合にも船舶の横方向位置を定点から大きく外れることなく保持させることができる。
【００１４】
また、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記モーメント設定手段は、前記回転方向モーメント発生手段により発生させるべき回転方向モーメントを設定するうえで、前記制御誤差の時間積分値を用いないこととしてもよい。
【００１５】
この態様の発明において、船舶の回転方向モーメントは、船舶の船首の方位とその目標方位との制御誤差の時間積分値を用いることなく演算される。従って、船舶の位置を保持するうえで船舶の横方向について定常偏差を残すことができ、その結果として、外乱方向が変化した際に船舶の横方向偏差を生じさせることができる。従って、本発明によれば、常に船舶の横方向偏差から外乱方向を推定することができ、風や潮流等による外乱が変化する場合にも船舶の横方向位置を定点から大きく外れることなく保持させることができる。
【００１６】
また、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記外乱推定手段は、前記横方向位置偏差演算手段により演算される前記横方向偏差を時間積分した値に基づいて、前記外乱の方向を推定することとしてもよい。
【００１７】
この態様の発明において、船舶に作用する外乱の方向は、船舶の船舶座標系での現位置と目標保持位置との横方向偏差を時間積分した値に基づいて推定される。外乱方向が変化すれば、船舶座標系上で横方向の偏差が発生する。従って、本発明によれば、横方向偏差を時間積分することにより外乱方向を推定することができるため、風や潮流等による外乱がある場合に船舶の横方向位置を定点周辺に保持させることができる。
【００１８】
更に、上記した船舶用位置保持制御装置において、前記前後方向推進力演算手段は、前記前後方向推進力発生手段により発生させるべき前後方向推進力を演算するうえで、前記前後方向位置偏差演算手段により演算される前記前後方向偏差、該前後方向偏差の時間微分値、及び該前後方向偏差の時間積分値を用いることとしてもよい。
【００１９】
この態様の発明において、船舶の前後方向推進力は、船舶の現位置と目標保持位置との偏差、その偏差の時間微分値、及び、その偏差の時間積分値に基づいて演算される。従って、本発明によれば、船舶の前後方向位置を定点に確実に保持させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、風や潮流等による外乱がある場合にも船舶の定点保持を実現させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施例である船舶用位置保持制御装置の構成図である。
【図２】本実施例において用いられる符号の定義を表した図である。
【図３】本実施例において船舶のｓｗａｙ方向に推進力を発生させる手法を説明するための図である。
【図４】本実施例において船舶のｓｗａｙ方向に定常偏差ｚ２が生ずることを表したである。
【図５】本実施例の船舶用位置保持制御装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を用いて、本発明に係る船舶用位置保持制御装置の具体的な実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施例である船舶用位置保持制御装置１０の構成図を示す。図２は、本実施例において用いられる符号の定義を表した図を示す。本実施例の船舶用位置保持制御装置（以下、単に制御装置と称す）１０は、船舶の位置を自動的に予め定められている目標の位置（定点）に保持させる装置であって、クルーザやボートの如き比較的小型の船舶１２に搭載される装置である。
【００２４】
本実施例において、船舶１２は、船体に対して前後方向に推進力（以下、前後方向推進力と称す）を発生させる機構と、船体中心に回転モーメントを発生させる機構と、を有している。船舶１２は、両機構を機能させる構成として２つの推進機１４，１６を備える２軸艇である。推進機１４，１６は、例えば、船体の船尾の左右対称となる位置に取り付けられる一対の船外機である。尚、推進機１４，１６は、船外機に限定されるものではなく、船内外機や船内機であってもよい。また、船舶１２は、２つの推進機１４，１６を備える２軸艇に限定されるものではなく、前後進させるプロペラと操船させる舵とを有する１軸艇であってもよい。
【００２５】
船舶１２は、舵取り操作やスロットル操作などの操船者による操船操作により推進機１４，１６を駆動させて航走することが可能であると共に、操船者による操船操作によることなく推進機１４，１６を駆動させて位置を自動的に定点に保持されることが可能である。船舶１２のモードは、操船者によるスイッチ操作などに応じて、操船操作に応じて航走する通常航走モードと、自動的に定点に位置保持される定点保持モードと、に切り替わることが可能である。
【００２６】
制御装置１０は、上記した定点保持モードを実現すべく、マイクロコンピュータを主体に構成される電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称す）２０を備えている。ＥＣＵ２０には、位置センサ２２及び方位センサ２４が電気的に接続されている。位置センサ２２は、例えばＧＰＳセンサなどであり、船舶１２の地球座標系（基準座標系；Ｘ−Ｙ）での現位置（ｘ，ｙ）に応じた信号を出力する。また、方位センサ２４は、例えば磁気式のセンサであり、船舶１２の船首が向く方向（以下、船舶方位と称す）Ψに応じた信号を出力する。ＥＣＵ２０は、位置センサ２２の出力信号に基づいて船舶１２の地球座標系（基準座標系；Ｘ−Ｙ）での現位置（ｘ，ｙ）を検出すると共に、方位センサ２４の出力信号に基づいて船舶１２の船舶方位Ψを検出する。尚、船舶方位Ψは、例えば、地球座標系のｘ軸を基準にして右回りを正とする角度である。
【００２７】
ＥＣＵ２０には、船舶１２が停泊すべき地球座標系での目標保持位置（定点（ｘ０，ｙ０））の情報が入力される。この目標保持位置（ｘ０，ｙ０）の情報は、例えば、海上での操船者によるスイッチ操作によりメモリ２６に記憶される情報であり、そのメモリ２６から読み出されてＥＣＵ１２に入力される。ＥＣＵ２０は、入力される目標保持位置（ｘ０，ｙ０）の情報に基づいて、船舶１２が停泊すべき目標保持位置（ｘ０，ｙ０）を検出する。
【００２８】
ＥＣＵ２０は、変換・演算部３０を有している。変換・演算部３０は、船舶１２の位置について、次式（１）に従って地球座標系Ｘ−Ｙから船舶１２に固定された船舶座標系Ｚ１−Ｚ２への座標変換を行うと共に、現位置と目標保持位置との船舶座標系Ｚ１−Ｚ２での位置偏差（ｚ１，ｚ２）の演算を行う部位である。尚、船舶座標系において、船舶１２の前後方向をｓｕｒｇｅ方向とし、船舶１２の横方向をｓｗａｙ方向とする。変換・演算部３０における演算は、検出された船舶１２の現位置（ｘ，ｙ）及び船舶方位Ψ、並びに、入力された目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に基づいて行われる。尚、ｆ（Ψ）は、船舶方位Ψに応じて変化する関数である。
【００２９】
【数１】
2010173589.tif 000003
ＥＣＵ２０は、また、ＰＩＤ制御演算部３２を有している。ＰＩＤ制御演算部３２は、上記の変換・演算部３０に電気的に接続されている。ＰＩＤ制御演算部３２には、変換・演算部３０で演算された船舶１２の船舶座標系Ｚ１−Ｚ２でのｓｕｒｇｅ方向の位置偏差ｚ１の情報が入力される。ＰＩＤ制御演算部３２は、船舶１２の位置を目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に保持すべく、入力されるｓｕｒｇｅ方向位置偏差ｚ１に基づいてＰＩＤ演算を行って、船舶１２に発生させるべきｓｕｒｇｅ方向推進力τ１を演算する。そして、演算したｓｕｒｇｅ方向推進力τ１に応じた制御量を出力して、そのｓｕｒｇｅ方向推進力τ１が発生するように一対の推進機１４，１６を駆動する（ｓｕｒｇｅ方向コントローラ）。
【００３０】
ＥＣＵ２０は、また、外乱推定演算部３４及び２つのＰＤ制御演算部３６，３８を有している。外乱推定演算部３４は、上記の変換・演算部３０に電気的に接続されている。外乱推定演算部３４には、位置センサ２２から出力される船舶１２の地球座標系での位置（ｘ，ｙ）の情報が入力されると共に、変換・演算部３０で演算された船舶１２の船舶座標系Ｚ１−Ｚ２でのｓｗａｙ方向の位置偏差ｚ２の情報が入力される。外乱推定演算部３４は、入力される船舶１２の地球座標系での位置（ｘ，ｙ）又はｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に基づいて、船舶１２に作用する風や潮流などによる外乱の方向θハットを推定する。具体的には、定点保持モードの開始直後は、船舶１２の地球座標系での目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に対する位置（ｘ，ｙ）の偏差（時間変化）に基づいて外乱の方向（外乱推定方向）θハットを推定し、その後は、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２を用いて後に詳述する如く外乱推定方向θハットを推定する。すなわち、位置（ｘ，ｙ）の偏差に基づいて外乱推定方向θハットの初期値を設定し、その後は、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に基づいて外乱推定方向θハットを更新する。
【００３１】
外乱推定演算部３４の出力及び方位センサ２４の出力には、加算器４０が電気的に接続されている。加算器４０は、外乱推定演算部３４の出力に基づく外乱推定方向θハット、及び、方位センサ２４の出力に基づく船舶１２の船舶方位Ψに基づいて、船舶方位Ψと外乱推定方向θハットとの誤差Ψｅ（＝Ψ−θハット）を演算する。加算器４０の出力は、ＰＤ制御演算部３６に電気的に接続されている。ＰＤ制御演算部３６は、加算器４０で演算された船舶方位Ψと外乱推定方向θハットとの誤差Ψｅに基づいてＰＤ演算を行う。
【００３２】
ＰＤ制御演算部３８は、上記の変換・演算部３０に電気的に接続されている。ＰＤ制御演算部３８には、変換・演算部３０で演算された船舶１２の船舶座標系Ｚ１−Ｚ２でのｓｗａｙ方向の位置偏差ｚ２の情報が入力される。ＰＤ制御演算部３８は、入力されるｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に基づいてＰＤ演算を行って、目標方位として外乱推定方向θハットからずらすべき船舶１２の向く方位の偏差ΔΨを演算する（ｓｗａｙ方向コントローラ）。
【００３３】
ＰＤ制御演算部３６の出力及びＰＤ制御演算部３８の出力には、加算器４２が電気的に接続されている。加算器４２は、ＰＤ制御演算部３６の出力に基づく制御値、及び、ＰＤ制御演算部３８の出力に基づく方位偏差ΔΨに基づいて、船舶１２を現船舶方位Ψから目標方位Ψｄ（＝θハット＋ΔΨ）へ向けるべく、船舶１２に発生させるべき船体中心の回転方向モーメントτ３を演算する。そして、演算した回転方向モーメントτ３に応じた制御量を出力して、その回転方向モーメントτ３が発生するように一対の推進機１４，１６を駆動する。尚、回転方向モーメントτ３を発生させるうえでは、一対の推進機１４，１６それぞれの推進力を互いに異ならせることとすればよい。
【００３４】
次に、図３乃至図５を参照して、本実施例の制御装置１０の動作について説明する。図３は、本実施例において船舶１２のｓｗａｙ方向に推進力を発生させる手法を説明するための図を示す、図４は、本実施例において船舶１２のｓｗａｙ方向に定常偏差ｚ２が生ずることを表した図を示す。また、図５は、本実施例においてＥＣＵ２０が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。
【００３５】
本実施例において、操船者によるスイッチ操作などにより船舶モードが定点保持モードに設定されると、制御装置１０により船舶１２をその設定時の位置に自動的に保持させる制御（定点保持制御）が開始される。定点保持制御が開始されると、制御装置１０のＥＣＵ２０は、まず、位置センサ２２の出力に基づいて検出される船舶１２の地球座標系での現位置（ｘ，ｙ）を目標保持位置（ｘ０，ｙ０）としてその情報をメモリ２６に記憶させる（ステップ１００）。
【００３６】
一般に、外乱の作用する状況下で制御対象の位置（ｘ，ｙ）を目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に保持させるためには、位置（ｘ，ｙ）と方位Ψとの３自由度を制御する必要がある。しかし、本実施例の船舶１２は、前後方向推進力を発生させる機構と回転モーメントを発生させる機構とを有する２自由度の制御入力しか持たない。このため、船舶１２の定点保持制御は、制御入力の次元がシステムの一般化座標の次元よりも少ない劣駆動システムとなるので、通常の線形近似モデルでは不可制御となってしまう。
【００３７】
一方、船舶１２には風や潮流などの外乱による合力が作用するので、この外乱の力によって船舶１２のｓｗａｙ方向に入力が生じ得る。従って、船舶１２に入力される外乱の力を利用することで、定点保持制御について劣駆動システムを解消して、線形近似モデルで可制御とすることが可能である。
【００３８】
そこで、本実施例においては、定点保持制御の開始後、まず、船舶１２の方位を外乱推定方向θハットの初期値へ制御し、次に、船舶１２の位置（ｘ，ｙ）を目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に制御し、以後は、外乱推定方向θハットを更新しながら船舶１２の位置（ｘ，ｙ）を目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に制御する。
【００３９】
具体的には、定点保持制御の開始後、ＥＣＵ２０は、所定周期ごとに、位置センサ２２の出力に基づいて船舶１２の地球座標系での位置（ｘ，ｙ）を検出すると共に、方位センサ２４の出力に基づいて船舶１２の船舶方位Ψを検出する。ＥＣＵ２０は、定点保持制御の開始直後（ステップ１０２の肯定判定時）は、船舶１２がある程度の距離（例えば５メートル）だけ外乱により流されるまで船舶方位Ψを一定に維持する方位制御を行いつつ、位置（ｘ，ｙ）の変化から外乱の外乱推定方向θハットの初期値を推定する（ステップ１０４）。
【００４０】
ＥＣＵ２０は、外乱推定方向θハットの初期値を推定すると、次に、船舶１２の目標方位Ψｄをその外乱推定方向θハットの初期値に設定し、その目標方位Ψｄ（＝θハット）と船舶方位Ψとの差である制御誤差Ψｅを演算する（ステップ１０６）。そして、その制御誤差Ψｅが零となるようにすなわち船舶１２の方位Ψが外乱推定方向θハットの初期値となるように船舶１２に回転モーメントを与える船舶方位Ψの制御を行う（ステップ１０８）。従って、本実施例において、定点保持制御の開始時、船舶１２に作用する外乱が推定された後、船舶１２は、まず、方位Ψがその推定された外乱の生ずる方向θハットとなるように制御される。
【００４１】
ＥＣＵ２０は、上記の如く方位制御を行って船舶方位Ψを外乱推定方向θハットの初期値とした後は、次に、その船舶方位Ψ（外乱推定方向θハットの初期値）を用いて船舶位置の座標変換（（ｘ，ｙ）→（ｚ１，ｚ２））を行い、平衡状態にて線形化を行う。
【００４２】
船舶１２の方位が外乱の方向に向いているときは、その船舶１２のｓｗａｙ方向に外乱による推進力は発生しないが、船舶１２の方位が外乱の方向から僅かの量ΔΨだけずれていると、その船舶１２のｓｗａｙ方向に外乱による推進力が発生する。この点、外乱が零でなければ、船舶１２の方位を外乱方向から僅かにずらすことによって、船舶１２の位置（ｘ，ｙ）を目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に保持する定点保持制御を可制御とすることが可能である。そして、この際、ｓｕｒｇｅ方向推進力τ１及び回転方向モーメントτ３を演算するうえでのゲインを適切に選ぶことで、定点保持制御の安定化を図りかつ任意の極配置を実現することができる。
【００４３】
すなわち、ＥＣＵ２０は、定点保持制御において、ｓｕｒｇｅ方向推進力τ１をｓｕｒｇｅ方向位置偏差ｚ１に基づくＰＩＤ制御により演算すると共に、回転方向モーメントτ３を外乱推定方向θハットと船舶方位Ψとの差である誤差Ψｅに基づくＰＤ演算値と方位ずれ量ΔΨとにより演算する。この方位ずれ量ΔΨは、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に基づくＰＤ制御により演算され、偏差ｚ２が大きいほど大きくなり、偏差ｚ２の時間微分値が零から大きいほど大きくなる。
【００４４】
ここで、ｓｗａｙ方向コントローラであるＥＣＵ２０がΔΨを演算するうえでは、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２の時間積分値が用いられないと共に、τ３を演算するうえでは、制御誤差Ψｅの時間積分値が用いられない。このため、外乱推定方向θハットが外乱の向く方向の真値（外乱真値方向）θと等しい場合は、定常状態においてｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２は零となるが、外乱推定方向θハットが外乱真値方向θと異なる場合は、ΔΨやτ３に定常偏差が生じて、船舶１２の定点保持に際し次式（２）の如きｓｗａｙ方向の定常偏差ｚ２が生ずる。
【００４５】
【数２】
2010173589.tif 000004
この点、ｓｗａｙ方向定常偏差ｚ２は、外乱推定方向θハットと外乱真値方向θとの差である未知の外乱誤差（θハット−θ）によって表される。このため、定点保持制御開始後、位置センサ２２を用いてｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２を検出すれば、次式（３）に従って外乱の方向θハットを更新することが可能である。
【００４６】
【数３】
2010173589.tif 000005
尚、γは、推定ゲインであり、任意の値である。
【００４７】
従って、ＥＣＵ２０は、船舶１２の位置（ｘ，ｙ）を目標保持位置（ｘ０，ｙ０）に保持させるべく、上記の如く外乱推定方向θハットの初期値を設定して船舶方位Ψをその外乱推定方向θハットの初期値へ向ける方位制御を行った後（ステップ１０２の否定判定後）、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に基づいて上記の（３）式に従って外乱推定方向θハットの更新を行う（ステップ１１２）。そして、船舶１２の目標方位Ψｄをその外乱推定方向θハットに設定しつつ、ｓｗａｙ方向への推進力を発生させるのに必要なずれ量ΔΨを演算し（ステップ１１４）、船舶１２の方位Ψが外乱推定方向θハットから僅かにΔΨだけずれた方位となるように船舶１２に回転モーメントτ３を与える船舶方位Ψの制御を行う（ステップ１１６）。尚、ＥＣＵ２０は、この方位制御の実行時は同時に、ｓｕｒｇｅ方向についての位置制御を行う。
【００４８】
このように、本実施例の制御装置１０によれば、定点保持制御の開始時、船舶１２の方位Ψを外乱推定方向θハットへ制御することができるので、直接的にはｓｗａｙ方向への推進機構を持たない船舶１２を外乱推定方向θハットへ向けることができる。そして、その船舶１２を外乱推定方向θハットへ向けた後、その方位Ψをその外乱推定方向θハットから僅かな量ΔΨだけずらすことでその船舶１２に外乱によるｓｗａｙ方向の推進力を作用させることができる。このため、本実施例によれば、船舶１２に対して風や潮流等による外乱が作用した場合、ｓｕｒｇｅ方向への推進機構及び回転方向への推進機構を持つ船舶１２について、ｓｕｒｇｅ方向の位置を目標保持位置に保持させるだけでなく、ｓｗａｙ方向の位置を目標保持位置周辺に保持させることが可能である。
【００４９】
但し、上記の如く、船舶１２のｓｗａｙ方向位置を制御するのに必要なΔΨを演算するうえで、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２の積分値が用いられないので、外乱推定方向θハットが外乱真値方向θと異なる場合は、船舶１２の定点保持に際しｓｗａｙ方向の定常偏差ｚ２が残る。しかし、ｓｗａｙ方向定常偏差ｚ２は未知量の外乱誤差（θハット−θ）によって表されるので、上記の如くｓｗａｙ方向定常偏差ｚ２が残れば、位置センサ２２を用いてｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２を検出することで、未知量である外乱誤差（θハット−θ）を推定することが可能である。
【００５０】
そこで、本実施例においては、定点保持制御が開始された後、位置センサ２２を用いて検出されるｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に基づいて外乱の方向θハットが更新される。このため、本実施例の制御装置１０によれば、船舶１２に作用すると推定される外乱の方向θハットが外乱真値方向θと異なる場合や外乱真値方向θが変化する場合に、外乱推定方向θハットを更新することができ、その結果、外乱誤差や外乱変化が生じた場合にも、船舶１２のｓｗａｙ方向位置を目標保持位置から大きく外れることなくその周辺に保持させることが可能となっている。
【００５１】
尚、本実施例において、船舶１２のｓｕｒｇｅ方向の位置を制御するのに、ｓｕｒｇｅ方向位置偏差ｚ１に基づくＰＩＤ演算を行ってｓｕｒｇｅ方向推進力τ１を演算する。このため、本実施例によれば、船舶１２のｓｕｒｇｅ方向位置を目標保持位置に確実に保持させることが可能である。
【００５２】
従って、本実施例の制御装置１０によれば、船舶１２の位置を保持する定点保持制御系と外乱方向を更新する外乱方位更新制御系とが一体化されるので、この制御装置１０が劣駆動システムであっても可制御となり、船舶１２の位置保持を高精度に維持することができると共に、外乱誤差や外乱変化に柔軟に対応した位置保持を実現することができる。このため、船舶１２の位置を定点で保持させるうえで操船性を飛躍的に向上させることができる。また、定点保持制御により船舶１２がほぼ外乱方向に向くように制御されるので、船舶１２の方位Ψと外乱方向θとをほぼ一致させ或いは正反対とすることができる。このため、船舶１２に外乱としての風や波の影響を受け難くし、乗員の利便性や乗り心地を向上させることができる。
【００５３】
ところで、上記の実施例においては、一対の推進機１４，１６が特許請求の範囲に記載した「前後方向推進力発生手段」及び「回転方向モーメント発生手段」に、変換・演算部３０が特許請求の範囲に記載した「前後方向位置偏差演算手段」及び「横方向位置偏差演算手段」に、ＰＩＤ制御演算部３２が特許請求の範囲に記載した「前後方向推進力演算手段」に、外乱推定演算部３４が特許請求の範囲に記載した「外乱推定手段」に、ＰＤ制御演算部３８及び加算器４０，４２が特許請求の範囲に記載した「回転方向モーメント演算手段」、「目標方位演算手段」、及び「モーメント設定手段」に、それぞれ相当している。
【００５４】
尚、上記の実施例においては、定点保持制御開始後、位置センサ２２を用いてｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２を検出し、上記（３）式に従って外乱の方向θハットを推定してその更新を行うこととしているが、その外乱推定方向θハットの推定に用いられる推定ゲインγを、外乱の力の大きさに応じて変えること、具体的には、外乱が小さいほど大きくしかつ外乱が大きいほど小さくすることとしてもよい。かかる変形例の構成によれば、外乱推定方向θハットの更新を外乱の大きさに応じて適切に行うことができる。
【００５５】
但し、特異摂動法を用いれば、本実施例の制御系では、γを十分に小さくした場合に制御系全体の安定性が保証されることが証明される。このため、γを十分に小さくすれば、外乱方位更新制御系を含む定点保持制御全体の安定性を確保することが可能である。
【００５６】
また、上記の実施例においては、ＰＤ制御演算部３６が、船舶方位Ψと外乱推定方向θハットとを共にＰＤ演算して制御値を求めることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、外乱推定方向θハットについては、Ｄ項を演算することなく、Ｐ項のみを演算するようにしてもよい。
【００５７】
更に、上記の実施例においては、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２及び外乱推定方向θハットの双方に基づいて回転方向モーメントτ３を演算することとしているが、この構成に代えて、外乱推定方向θハットに基づいて回転方向モーメントτ３を演算したうえで、その演算した回転方向モーメントτ３をｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に応じて補正する構成とすること、或いは、ｓｗａｙ方向位置偏差ｚ２に基づいて回転方向モーメントτ３を演算したうえで、その演算した回転方向モーメントτ３を外乱推定方向θハットに応じて補正する構成とすることとしてもよい。
【符号の説明】
【００５８】
１０  船舶用位置保持制御装置
１２  船舶
１４，１６  推進機
２０  電子制御ユニット
２２  位置センサ
２４  方位センサ
３０  変換・演算部
３２  ＰＩＤ制御演算部
３４  外乱推定演算部
３６，３８  ＰＤ制御演算部
ｘ０，ｙ０  地球座標系での目標保持位置
ｘ，ｙ  地球座標系での位置
ｚ１  船舶座標系でのｓｕｒｇｅ方向位置偏差
ｚ２  船舶座標系でのｓｗａｙ方向位置偏差
θ  外乱真値方向
θハット  外乱推定方向
Ψ  船舶方位
ΔΨ  ｓｗａｙ方向への推進力を発生させるための方位のずれ量
τ１  ｓｕｒｇｅ方向推進力
τ３  回転方向モーメント
【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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