(57)【要約】  船体の出発位置と着達位置とに基づいて大圏航路としての測地線を算出し、センサ３により検出された船体位置（ｘ，ｙ）及び船首方位ψに基づいて、船体位置（ｘ，ｙ）を通り測地線に直交する線と交わる測地線上の交点における起程針路を参照方位ψＲとして出力し、船体位置から交点までの長さを航路誤差ｙｅとして出力する測地計算部１１と、船首方位ψを参照方位ψＲに追従させる方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、航路誤差ｙｅを低減するように船体位置（ｘ，ｙ）を測地線に追従させる航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器とを有し、方位制御系フィードバックゲイン器からの出力と航路制御系フィードバックゲイン器からの出力とを加算して命令舵角δｃとして出力するフィードバック制御部１２とを備えた。
2019203335.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船体を大圏航路に追従させるべく命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、
前記船体の出発位置と着達位置とに基づいて前記大圏航路としての測地線を算出し、センサにより検出された船体位置及び船首方位に基づいて、該船体位置を通り前記測地線に直交する線と交わる前記測地線上の交点における起程針路を参照方位として出力し、前記船体位置から前記交点までの長さを航路誤差として出力する測地計算部と、
前記船首方位を前記参照方位に追従させる方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、前記航路誤差を低減するように前記船体位置を前記測地線に追従させる航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器とを有し、前記方位制御系フィードバックゲイン器からの出力と前記航路制御系フィードバックゲイン器からの出力とを加算して前記命令舵角として出力するフィードバック制御部と
を備える船舶用自動操舵装置。
【請求項２】
前記航路制御系フィードバックゲイン器は積分器を有することを特徴とする請求項１に記載の船舶用自動操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶用自動操舵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶の運航において、乗船員の不足を補い、安全航海をより推進し、さらに操船者による燃料消費の変動を抑制することなどを目的として、船舶が自律的に運行することによる船舶の省人化が求められている。この船舶の省人化には、ＩＴ技術により陸上基地からの船舶の一元的な管理と、オートパイロットによる航海とが前提となる。【０００３】
大洋航海は沿岸付近に比べ、他船や物標の影響が少ないため、オートパイロット技術の効果が期待される。大圏航路はその距離が長くなるほど、等角航路（方位角一定）に比べて航路長が短くなる特徴をもつ。現在では、この大圏航路の設定は、電子海図表示装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｈａｒｔ  Ｄｉｓｐｌａｙ  ａｎｄ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ：ＥＣＤＩＳ）上で容易に行うことができる。【０００４】
ＥＣＤＩＳは、大圏航路を適当に分割して直線と円弧の計画航路を作成しオートパイロットにその情報を送る。オートパイロットはその計画航路に船体を追従させるため、舵を制御する。その制御システムは航路制御システム（Ｔｒａｃｋ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ：ＴＣＳ）と呼ばれ、直線と円弧の航路に対応する操船モードをもつ。【０００５】
なお、本発明者による航路制御システムに関する技術として、方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、方位制御ループを含む航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器と、方位誤差、航路誤差及び潮流の推定を行うとともに、方位制御系フィードバックゲイン器へｓｗａｙ方向の潮流推定誤差に基づく修正量を入力する推定器とを有するフィードバック制御部を備えた船舶用自動操舵装置、が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１５−３８３１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の航路制御システムによる大圏航海において、操船モードが２つあることは船舶の省人化、具体的には、陸上基地からの船舶の管理において、管理作業を増大させる要因となる。操船は単純なものほど、使いやすく保守しやすいため、大洋航海において１つの操船モードで対応できることが要求される。【０００８】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、１つの操船モードにより大洋航海に対応することができる船舶用自動操舵装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置は、船体を大圏航路に追従させるべく命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、前記船体の出発位置と着達位置とに基づいて前記大圏航路としての測地線を算出し、センサにより検出された船体位置及び船首方位に基づいて、該船体位置を通り前記測地線に直交する線と交わる前記測地線上の交点における起程針路を参照方位として出力し、前記船体位置から前記交点までの長さを航路誤差として出力する測地計算部と、前記船首方位を前記参照方位に追従させる方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、前記航路誤差を低減するように前記船体位置を前記測地線に追従させる航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器とを有し、前記方位制御系フィードバックゲイン器からの出力と前記航路制御系フィードバックゲイン器からの出力とを加算して前記命令舵角として出力するフィードバック制御部とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、１つの操船モードにより大洋航海に対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】船舶用自動操舵装置と制御対象とを含むシステムを示すブロック図である。
【図２】フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。
【図３】大圏航路を示す図である。
【図４】大圏航路を近似した航路を示す図である。
【図５】船舶用自動操舵装置による軌道追従を示す図である。
【図６】航路制御システムで用いる座標系を示す説明図である。
【図７】閉ループ制御システムの誤差モデルを示す図である。
【図８】積分器ありのサーボ特性を示す表である。
【図９】シミュレーションにおける大圏航路の緯度経度を示すグラフである。
【図１０】シミュレーションにおける大圏航路の起程針路を示すグラフである。
【図１１】シミュレーションにおける大圏航路の旋回角速度を示すグラフである。
【図１２】シミュレーションにおいて対象とする大圏航路の区画範囲を示す図である。
【図１３】シミュレーションによる船舶用自動操舵装置の応答を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００１３】
１．  船舶用航行支援装置の構成
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図１は、船舶用自動操舵装置と制御対象とを含むシステムを示すブロック図である。図２は、フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。
【００１４】
船舶用自動操舵装置１は、大圏航路に船体方位ψ及び船体位置（ｘ，ｙ）を追従させるために舵を制御する装置であり、図１に示すように、測地計算部１１、フィードバック制御部１２、減算器１３及び各パラメータを同定する図示しない公知の同定器を備えている。船体２のセンサ類３は、船体２のｓｕｒｇｅ速度ｕを検出するスピードログ、船体２の船首方位ψを検出するジャイロコンパス、ＧＰＳ等の衛星測位システム（ＧＮＳＳ）からの船体位置（ｘ，ｙ）を検出するＧＮＳＳセンサを含む。
【００１５】
測地計算部１１は、初期設定として与えられた大洋航海における出発位置及び着達位置に基づいて大圏航路としての測地線を算出するとともに、センサ類３により検出された船体位置（ｘ，ｙ）に基づいて参照方位ψＲと航路誤差ｙｅとを算出して出力する。なお、測地計算部１１による測地線の算出は、既知のいかなる手法を用いても良く、例えば、法線ベクトルを用いた手法として、Position calculations - simple and exact solutions - by means of n-vector、[online]、［平成２８年２月２日検索］検索日  ２０１６年２月２日、インターネット<http://www.navlab.net/nvector/>が挙げられる。
【００１６】
フィードバック制御部１２は、測地計算部１１により出力された参照方位ψＲと航路誤差ｙｅとに基づいて船体２の操舵機に命令舵角δｃを出力するものであり、図２に示すように、状態フィードバックを行う方位制御系フィードバックゲイン器１２１と、推定器１２２と、ＰＩ制御を行う航路制御系フィードバックゲイン器１２３と、フィルタ１２４とを備える。なお、フィードバック制御部１２については後に詳述する。
【００１７】
なお、同定器は、センサ類３により検出された船首方位ψ、船体位置（ｘ，ｙ）、ｓｕｒｇｅ速度ｕ、フィードバック制御部１２より出力された命令舵角δｃの時系列データに基づいて、船体モデル、波浪モデルそれぞれのパラメータを公知の手法により同定する。なお、船体モデルのパラメータ同定については、羽根冬希著、「船体運動パラメータの包括的同定手法」、日本船舶海洋工学会論文集、２０１４年１２月、２０：２７−３８を参照されたい。また、波浪モデルのパラメータ同定については、羽根冬希著、「オートパイロット用の波浪外乱パラメータの同定手法」、日本船舶海洋工学会講演会論文集、２０１６年、（２３）：４６１−４６５を参照されたい。
【００１８】
２．船舶用自動操舵装置の動作原理
船舶用自動操舵装置の動作原理について説明する。図３は、大圏航路を示す図である。図４は、大圏航路を近似した航路を示す図である。図５は、船舶用自動操舵装置による軌道追従を示す図である。
【００１９】
図３に示すように、大圏航路は、地球を半径一定の球体と扱い、Ａ点は出発位置、Ｂ点は着達位置、Ｈ点は航路上の位置、ψＡは出発針路，ψＢは着達針路、ψＨは起程針路である。位置は緯度・経度の座標によって与えられ、針路は子午線との角度でその座標によって計算される。つまり、大圏航路は出発位置と着達位置の２点が与えられると、航路上の位置とその針路が決定される。大圏航路に関する測地計算は、上述したように法線ベクトルを用いた方法を利用する。その特徴は単純な構成で、繰り返し計算がないことである。
【００２０】
図４に示される近似大圏航路は、ＥＣＤＩＳにより大圏航路を近似したものであり、ここで、近似大圏航路は適当な距離ごとに分割され、図４において実線により示される直線と点により示される円弧とにより構成される。点の位置を拡大すると円弧線（Ｃｉｒｃｕｌａｒ  ａｒｃ  ｌｉｎｅ）となっているものとする。直線航路は設定方位が一定になる航程線（Ｒｈｕｍｂ  ｌｉｎｅ）と呼ばれる。円弧の変針角は小さいが、旋回するための操船モードが必要になる。
【００２１】
一方、船舶用自動操舵装置１による軌道追従によれば、図５に示すように、船体位置はＰ点にあり、前進速度ｕ、船首方位ψで航行する。Ｐ点から大圏航路上に垂線の足を下ろし、その点をＨとする。即ち、Ｈ点は、Ｐ点を通る線と大圏航路とが直交する点である。この垂足の長さ、即ちＰ点からＨ点までの距離がクロストラックエラー（Ｃｒｏｓｓ  Ｔｒａｃｋ  Ｅｒｒｏｒ）とも呼ばれる航路誤差ｙｅとなる。船舶用自動操舵装置１は、Ｈ点の起程針路ψＨを参照方位ψＲに置き換える。よって、船舶用自動操舵装置１による制御システムは船体２の方位と位置をそれぞれの目標値に追従させる軌道追従制御を構成することになる。この軌道追従制御は、方位制御系フィードバックゲイン器１２１と推定器１２２とを含む方位制御系と、航路制御系フィードバックゲイン器１２３とフィルタ１２４とを含む航路制御系とにより構成され、方位制御系によれば、ψ＝ψＲになり、船体航跡は大圏航路とｙｅを保持して並進する。また、航路制御系によれば、ｙｅがゼロに漸近して、船体航跡は大圏航路上を追従するようになる。
【００２２】
３．航路誤差と制御対象
航路誤差と制御対象について説明する。図６は、航路制御システムで用いる座標系を示す説明図である。
【００２３】
図６に示すように、座標系は、右手・直交三軸において、地球固定座標系と船体固定座標系との２つを定める。地球固定座標系は、Ｘ軸を北向きに、Ｙ軸を西向きに、Ｚ軸を下向きとする座標系であり、以降は地球座標と呼称する。船体固定座標系は、原点ＯＢを船体の重心Ｇに固定し、ＸＢ軸を船首方向（ｓｕｒｇｅ）に、ＹＢ軸を右舷方向（ｓｗａｙ）に，ＺＢ軸を重力方向（ｈｅａｖｅ）とする座標系であり、以降は船体座標と呼称する。
【００２４】
なお、座標系の位置情報は便宜上平面座標を用いる。また、Ｚ軸とＺＢ軸は利用しないので省く。航路誤差ｙｅは測地計算から求まり、船体位置から大圏航路までの垂足の長さに相当する。方位誤差は、
【００２５】
【数１】
2019203335.tif 000003
である。ここで、ψｅは方位誤差、ψは船首方位、ψＲは参照方位を示し、ここで参照方位は起程針路を置き換えたものである。なお、以降の説明において、大圏航路を参照航路に置き換える。制御対象は、船体モデルと外乱モデルからなる。船体モデルは図６を参照して、ｓｕｒｇｅ速度ｕを一定として応答モデルから、
【００２６】
【数２】
2019203335.tif 000004
と定める。ここで、ｓはラプラス演算子、Ｒ（ｓ）、ｒは旋回角速度（ｙａｗ角速度）、Ｖ（ｓ）、ｖは横流れ速度（ｓｗａｙ速度）、Δｃ（ｓ）、δｃは命令舵角、Ｋｒは旋回力ゲイン、Ｋｖは横流れゲイン、Ｔｒ、Ｔｒ３、Ｔｖは時定数、Ｐ（ｓ）は伝達関数であり、添字ｒ、ｖはそれぞれｙａｗ、ｓｗａｙの運動を意味する。安定船を制御対象とし、δｃは操舵機応答が方位制御応答に比べて十分に速いものとして、δｃ≒δとおく。（２）式の方位運動を状態空間表現に変更すると
【００２７】
【数３】
2019203335.tif 000005
になる。ここでｘｒ＝［ψ  ｒｘ］Ｔ、添字Ｔは転置行列
【００２８】
【数４】
2019203335.tif 000006
である。
【００２９】
外乱モデルは、舵角オフセットδｒｏ，δｖｏ、波浪成分ψｗ及び図６に示す潮流成分ｕｃ、ｖｃとする。ここで、δｒｏ，δｖｏは、それぞれ、風や船体特性などに誘起された方位軸周りに作用する角速度、ｓｗａｙ方向に作用する速度を舵角換算したものであり、それぞれ、方位誤差、航路誤差を発生させる。ψｗは、白色ノイズνが入力した狭帯域フィルタ出力を方位変換したものでδｃに無効舵を発生させる。ｕｃ、ｖｃは、航路誤差を発生させる。よって、外乱モデルを
【００３０】
【数５】
2019203335.tif 000007
とする。ここで、ｘｗ＝［ξ  ψｗ］Ｔ、ξは変数、ｗは白色ノイズ
【００３１】
【数６】
2019203335.tif 000008
【００３２】
とし、ここで、添字ｗは波浪成分、ζｗ、ωｗはそれぞれ減衰係数、固有周波数、σｗは波浪の強さを表す定数を示す。
【００３３】
４．速度誤差成分
速度誤差成分について説明する。
【００３４】
船体運動と潮流成分を図６に示すように地球座標の成分に変換すると、
【００３５】
【数７】
2019203335.tif 000009
になる。ここで、ｕ、ｖはそれぞれ前進速度、横流れ速度、ｕｎ、ｖｎはそれぞれ北向き速度、東向き速度、ｕｃ、ｖｃはそれぞれ北向き潮流速度、東向き潮流速度、Ｕｃは潮流速度、ψｃは潮流方位、添字ｎ、ｃはそれぞれ船体速度、潮流成分、添字Ｔは転置行列、Ｍは座標変換行列で
【００３６】
【数８】
2019203335.tif 000010
である。よって、地球座標速度は船体運動成分と潮流成分の和になるので、
【００３７】
【数９】
2019203335.tif 000011
になる。ここで、添字ｇは合計成分を示す。
【００３８】
参照航路における速度誤差成分は次式になる。
【００３９】
【数１０】
2019203335.tif 000012
ここで、ｕＲ、ｖＲはそれぞれ参照航路の速度成分であり、
【００４０】
【数１１】
2019203335.tif 000013
である。よって、航路誤差モデルは、（１４）式から、ｕｅが無視でき、ｖｅのみが対象になる。船舶用自動操舵装置１は、前進（ｓｕｒｇｅ）方向の位置及び速度を制御せず、横（ｓｗａｙ）方向の位置を制御する。
【００４１】
５．制御誤差特性
閉ループ制御システムの誤差の特性について説明する。図７は、閉ループ制御システムの誤差モデルを示す図である。図８は、積分器ありのサーボ特性を示す表である。
【００４２】
船舶用自動操舵装置１における閉ループ制御システムの誤差を解析する。その誤差モデルは図７に示すようになり、次式になる。ただし、簡単化のため、外乱モデルの波浪成分は平均値がゼロのため除き、推定器１２２とフィルタ１２４は定常値に影響しないために除くものとする。
【００４３】
【数１２】
2019203335.tif 000014
ここで、ｓはラプラス演算子、添字ｈ、ｔはそれぞれ方位制御、航路制御を示し、ｕ０は前進速度の一定値である。Ｆｈ（ｓ）、Ｆｔ（ｓ）は、それぞれ、フィードバックゲインで
【００４４】
【数１３】
2019203335.tif 000015
であり、Γ（ｓ）は修正項、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｄは微分ゲイン、ｆｙは航路ゲイン、ｆｉは積分ゲインである。
【００４５】
よって、方位誤差と航路誤差の伝達特性は、（１８）〜（２１）式を用いて、
【００４６】
【数１４】
2019203335.tif 000016
になる。ここで、Ｄｈ（ｓ）、Ｄｔ（ｓ）は、それぞれ、方位制御ループ、航路制御ループの特性多項式に相当し、
【００４７】
【数１５】
2019203335.tif 000017
である。また、特性多項式は安定（根の実数部は負値である）とし、修正項は方位制御ループからγ＝δｒｏ^になるので、
【００４８】
【数１６】
2019203335.tif 000018
になる。よって、（２４）式の定常値を、航路制御系フィードバックゲイン器１２３において、積分器がない（ｆｉ＝０）場合、積分器がある（ｆｉ≠０）場合のそれぞれに関して求めると、
【００４９】
【数１７】
2019203335.tif 000019
になる。ここで、添字（０）は初期値、ｒＲ（０）は参照方位の角速度を示し、ａｃＲ（０）は潮流成分の加速度成分
【００５０】
【数１８】
2019203335.tif 000020
である。
【００５１】
上式から、閉ループ制御システムは次のような誤差特性をもつ。ただし、ｒＲ（０）＝１ｄｅｇ／ｈ、Ｋｖ÷Ｋｒ＝−７０ｍ／ｓ、ｖｏ（０）＝０とする。
【００５２】
方位誤差は、積分器の有無による影響を受けず、主に航路に直角方向の潮流成分により斜航角を生じ、次式になる。
【００５３】
【数１９】
2019203335.tif 000021
ここで、ｒＲ（０）＝−７０・π／１８０／３６００＝−３．４・１０−４ｍ／ｓの微小で、ＶｃＲ（０）＝ａｃＲ（０）τである。τは時間である。よって、潮流成分ｖｃＲ（０）が支配的になる。
【００５４】
航路誤差は、航路制御系フィードバックゲイン器１２３における積分器の有無による差が表れる。積分器なしの場合では、潮流成分ｖｃＲ（０）が支配的になり、航路誤差
【００５５】
【数２０】
2019203335.tif 000022
が生じる。よって、ｆｙが１０−３オーダーのため、航路誤差は数百メートルになる。一方、積分器ありの場合では、ｖｃＲ（０）をゼロに収束させる（１型サーボ特性）が、そのランプ入力ａｃＲ（０）に対して加速度誤差
【００５６】
【数２１】
2019203335.tif 000023
を生じる。積分器ありのサーボ特性を図８に示す。したがって、船舶用自動操舵装置１において、航路制御系フィードバックゲイン器１２３が積分器を有する制御システムを採用する。
【００５７】
フィードバック制御部１２は、図２に示すように、方位制御系フィードバックゲイン器１２１、航路制御系フィードバックゲイン器１２３に推定器１２２、フィルタ１２４を追加したものであり、
【００５８】
【数２２】
2019203335.tif 000024
になる。ここで、ｘｈ＾＝［ｘｒ＾  ｘｗ＾  δｒｏ＾］Ｔ，ｘｒ＾＝［ψｅ＾  ｒｘ＾］Ｔ，Ｋｈは５行１列の推定ゲイン、Ｆｈは１行５列のフィードバックゲイン、Ｔｙはフィルタ時定数、Ｆｔは１行２列のフィードバックゲイン、添字‐は検出値であり、
【００５９】
【数２３】
2019203335.tif 000025
であり、修正量はγ＝−Ｆｈ（１、５）δｒｏ＾である。
【００６０】
フィードバック制御部１２は適応型であり、同定器により時系列データに基づいて同定された船体モデル、波浪モデルそれぞれのパラメータから、船体、波浪、仕様の各パラメータを設定して制御ゲインが公知の方法により求められる。なお、この方法については、羽根冬希著、「航路保持システムのための保針制御に基づく解析的方法による設計」、日本船舶海洋工学会論文集、２０１６年６月、２３：３３を参照されたい。本実施形態においては、制御ゲインとして、フィードバックゲインＦｈ，Ｆｔ、推定ゲインＫｈ、フィルタ時定数Ｔｙが求められる。
【００６１】
６  検証
６．１  条件
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置１の有効性をシミュレーションによって検証する。このシミュレーションにおいては、１海里Ｍは１８５２ｍ、地球半径は６３７１×１０３ｍ、初期船速はｕ０＝２０ｋｎを条件として用いる。船体運動モデルはｙａｗとｓｗａｙの連成運動に非線形項を加えたものとし、潮流成分の大きさＵｃは最大５ｋｎ、方向ψｃは北向き、波浪成分は無しとする。
【００６２】
船体パラメータは同定値であり、Ｋｒ＝０．１３２  １／ｓ，Ｔｒ＝２９．５ｓ，Ｔｒ３＝０．０３ｓ，Ｋｖ＝−８．１８ｍ／ｓ，波浪パラメータは初期値で、周期１０ｓ，減衰係数０．１とする。また、制御ゲインは、Ｋｐ＝１．０，Ｋｄ＝１３．６ｓ，ｆｙ＝０．００１３４  １／ｍ，ｆｉ＝０．００６８８  １／ｍ／ｓ，Ｔｙ＝２．５４ｓ，Ｋｈ＝［−１．３１  −０．２７２  １．３２  −０．２０６  −０．４５８］Ｔとする。
【００６３】
計算地点は、出発位置を横浜（緯度３５．５ｄｅｇ、経度１３９．６ｄｅｇ）とし、到達位置はシアトル（経度４７．６ｄｅｇ、緯度−１２２．３ｄｅｇ）とし、経度に３６０度を加えている。その区間距離は、航程線航路で４４７０Ｍ、大圏航路で４１６８．２Ｍとなり、これらの差異は３０２Ｍになり、大圏航路の距離は航程線の距離と比較して−６．８％に短縮される。
【００６４】
６．２  大圏航路の特性
大圏航路の特性について説明する。図９は、シミュ―レーションにおける大圏航路の緯度経度を示すグラフである。図１０は、シミュ―レーションにおける大圏航路の起程針路を示すグラフである。図１１は、シミュ―レーションにおける大圏航路の旋回角速度を示すグラフである。
【００６５】
大圏航路の緯度経度を示す図９において、経度を０度から３６０度とし、７点は１０００ｋｍ毎に１０００〜７０００ｋｍの航程距離を示し、この航程距離の頂点は、緯度５４．５度、経度１９８．９度になる。
【００６６】
また、大圏航路の方位角を示す図１０において、横軸を航程距離とし、初期針路は、４５．５度、到達針路は１２０．４度になり、両者の変化量は７４．９度である。角度傾斜は中央付近で大きくなっている。
【００６７】
また、大圏航路の旋回角速度を示す図１１おいて、船速を変化させると、その影響が比例している。船速２０ｋｎの場合、０．５２＜１．０ｄｅｇ／ｈになる。
【００６８】
６．３  制御システムの検証
船舶用自動操舵装置による制御システムを検証する。図１２は、シミュレーションにおいて対象とする大圏航路の区画範囲を示す図である。図１３は、シミュレーションによる船舶用自動操舵装置の応答を示す図である。
【００６９】
図１１において角速度がピークを迎える４０００から５０００ｋｍ内を大圏航路の区間に選ぶと、図１２に示すようになる。この図においてＧＣＲはＧｒｅａｔ  Ｃｉｒｃｌｅ  Ｒｏｕｔｅを意味し、計算時間は６ｈ、移動距離は２２２ｋｍ、参照方位はほぼ西向きである。図１２の速度成分から、前進速度ｕ（一定値ｕ０を差し引く）は変動が少なく、横流れ速度ｖは船体運動モデルの特性からオフセット０．０２ｍ／ｓをもっていることがわかる。参照方位に対する潮流成分はｕｃＲ＝０，ｖｃＲ＝−２．５ｍ／ｓになり，そのランプ入力の時間は６００ｓである。ただし、ψＲ＝０ｄｅｇとする。
【００７０】
制御性能を示す図１３において、航路誤差の初期値は５０ｍであり、潮流成分の大きさは最上段に示すように、ゼロ、台形、サインの時系列をもつ。この図から以下のことがわかる。
【００７１】
・方位誤差は、潮流の大きさに比例し、その斜航角によって航路誤差を相殺する。
・航路誤差は、方位誤差の微分に比例し、方位誤差が一定のときゼロになる。ランプ入力時の航路誤差は、（３３）式からｙｅ＝−４６．９ｍになり、図１３に示される計算値は正しいことが確認できる。
・命令舵角は、修正量γのオフセットをもつ。
・推定値ψｅ＾はψｅと一致している。方位制御システムのパラメータは適切である。
【００７２】
７．  まとめ
以上に説明したように、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置１によれば、測地計算と航路保持システムを組み合わせることによって、大圏航路用オートパイロットがひとつの制御モードで実現される。また、大圏航路を近似した計画航路によれば、大圏航路に比べて航程距離が長くなり、更に制御モードの切り換えにより過渡現象が生じて航行距離が延長されるが、大圏航路用オートパイロットによれば、このような航行距離の延長が生じない。
【００７３】
測地計算においては起程針路の参照方位への置き換えがなされ、航路保持システムにおいては航路制御ループに積分器が導入される。上述のシミュレーションによる検証によれば、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置１において設計した性能を確認できた。
【００７４】
本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７５】
１  船舶用自動操舵装置
２  船体
３  センサ類
１１  測地計算部
１２  フィードバック制御部
１２１  方位制御系フィードバックゲイン器
１２３  航路制御系フィードバックゲイン器
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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