(57)【要約】【課題】船体の動的な特性変化に応じて即座に各種パラメータを変更することができる自動操舵装置を提供する。【解決手段】自動操舵装置１は、船首方位φを設定針路φcと一致させるように操舵機に対する命令舵角信号Ｕcを出力するように構成されている。また、この自動操舵装置１は、フルード数算出部６と、舵角制御部７と、を備えている。フルード数算出部６は、船速Ｖと船体長Ｌとからフルード数Ｆｒを算出する。舵角制御部７は、フルード数Ｆｒに基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて命令舵角信号Ｕcを決定する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵装置であって、
船速と船体長とからフルード数を算出するフルード数算出部と、
前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する舵角制御部と、
を備えることを特徴とする自動操舵装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自動操舵装置であって、
前記舵角制御部は、
変針時にフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部と、
保針時にフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、
を備えることを特徴とする自動操舵装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の自動操舵装置であって、
前記舵角制御部は、
変針時にフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部と、
変針後の設定針路と、前記フルード数と、に基づいて参照針路を決定する参照針路決定部と、
前記フルード数に基づいて旋回性指数及び追従性指数を決定するフィードフォワード用制御パラメータ決定部と、
を備え、
前記フィードフォワード制御部は、前記参照針路と、前記旋回性指数及び追従性指数と、に基づいて、前記フィードフォワード制御を行うことを特徴とする自動操舵装置。
【請求項４】
請求項１から３までの何れか一項に記載の自動操舵装置であって、
前記舵角制御部は、
保針時にＰＩＤ制御を行うフィードバック制御部と、
前記フルード数に基づいてＰＩＤ制御用制御パラメータを決定するＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部と、
船体の回頭角速度と、前記フルード数と、に基づいてＰＩＤ制御の補正パラメータを決定するＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部と、
を備え、
前記フィードバック制御部は、前記補正パラメータによって補正された前記ＰＩＤ制御用制御パラメータを用いて、前記ＰＩＤ制御を行うことを特徴とする自動操舵装置。
【請求項５】
船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵プログラムであって、
船速と船体長とからフルード数を算出するフルード数算出ステップと、
前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する舵角制御ステップと、
を含む処理を、自動操舵装置に実行させることを特徴とする自動操舵プログラム。
【請求項６】
船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵方法であって、
船速と船体長とからフルード数を算出するフルード数算出工程と、
前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する舵角制御工程と、
を含むことを特徴とする自動操舵方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として自動操舵装置に関する。詳細には、自動操舵装置において、制御用のパラメータを同定するための構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な船舶は、操舵を行ってから船体が旋回を始めるまでには、ある程度の時間が掛かる。また船体がいったん旋回を開始すると、舵を中立位置に戻した後もしばらくのあいだ旋回を続けてしまうため、所望の針路を取るためには早めに舵を戻す必要がある。このように、船舶の操舵には独特の難しさがあり、船首を所望の方位に向けるという操作を確実かつ迅速に行うには相当の熟練を要する。また、洋上では波や風等の外乱の影響があるため、船体を直進させるためには前記外乱を打ち消すように操舵を行う必要がある。しかし、前述のような操舵の難しさがあるため、単に船体を直進させるというだけでも相当の集中力を必要とし、操舵者にとって負担となる。
【０００３】
船舶用自動操舵装置（オートパイロット）は、上記のような操舵者の負担を軽減するために船舶に搭載されるものである。一般的な自動操舵装置は、船首を向けるべき方位（設定針路）を目標値として入力するように構成されており、操作要素としての操舵機を操作して舵角を自動的に変更することにより、制御量である船首方位が前記設定針路と一致するように制御を行う。なお、この制御は、フィードフォワード制御やフィードバック制御等の公知の制御手法によって行うことができる。
【０００４】
ところで、上記のような自動操舵装置において操舵機が適切に操作されるためには、各種の制御パラメータが適切に設定されている必要がある。しかし、船の運動特性は、船速や積荷状況等によって大きく変化するものである。従って、仮に前記制御パラメータが固定値とされていると、適切な制御を行うことができない状況が発生し得る。そこで、状況に応じて前記制御パラメータを自動的に変更するように構成された、いわゆる適応型の自動操舵装置が提案されている。
【０００５】
このような自動操舵装置は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１は、参照針路に対する船首方位の偏差に基づいて、船舶の特性を定めるパラメータを演算する同定演算部を備えた構成を開示している。特許文献１は、これにより、船舶の特性を考慮した最適な変針軌道計画が実現可能であるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２０７８８９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、特許文献１の構成では、旋回力指数及び追従安定性指数の推定値を算出するために、変針中の一期間である変速モードの開始時及び終了時における前記偏差の値が必要となる。従って、特許文献１の構成では、保針時に船体の運動特性が動的に変化したとしても、次に変針動作を行うまでは新しいパラメータを演算することができない。また、特許文献１の構成では、変針時であっても、等速モードで十分長い時間が経過するまでは旋回力指数を正確に求めることができない。従って、特許文献１の構成では、船体の運動特性が動的に変化した場合に、当該変化を各種パラメータに対して即座に反映することができないと考えられる。
【０００８】
また、特許文献１は、推定したパラメータ（旋回性指数及び追従安定性指数）をフィードバック制御器にフィードバックし、この推定パラメータを用いて求めた適当なゲイン又は定数を与える旨を開示している。しかし、これらのゲイン又は定数も前記推定パラメータを用いて求めている以上、船体の運動特性が動的に変化した場合に、当該変化を前記ゲイン又は定数に対して即座に反映することができない。
【０００９】
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、船体の動的な特性変化に応じて即座に各種パラメータを変更することができる自動操舵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【００１０】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【００１１】
本発明の第１の観点によれば、船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵装置であって、以下の構成の自動操舵装置が提供される。即ち、この自動操舵装置は、フルード数算出部と、舵角制御部と、を備える。前記フルード数算出部は、船速と船体長とからフルード数を算出する。前記舵角制御部は、前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する。
【００１２】
このように、フルード数に基づいて制御パラメータを決定することにより、船体の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数は船速と船体長から即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数は船体長を利用して船速を無次元化した数であるので、フルード数が同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数を用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角を出力することができる。
【００１３】
前記の自動操舵装置において、前記舵角制御部は、変針時にフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部と、保針時にフィードバック制御を行うフィードバック制御部と、を備えることが好ましい。
【００１４】
即ち、変針時にフィードフォワード制御を行うことにより、変針時の舵角変更の応答性を向上させることができる。また、保針時にはフィードバック制御を行うことにより、針路を安定させて船体の直進性を向上させることができる。
【００１５】
前記の自動操舵装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記舵角制御部は、フィードフォワード制御部と、参照針路決定部と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部と、を備える。前記フィードフォワード制御部は、変針時にフィードフォワード制御を行う。前記参照針路決定部は、変針後の設定針路と、前記フルード数と、に基づいて参照針路を決定する。前記フィードフォワード用制御パラメータ決定部は、前記フルード数に基づいて旋回性指数及び追従性指数を決定する。そして、前記フィードフォワード制御部は、前記参照針路と、前記旋回性指数及び追従性指数と、に基づいて、前記フィードフォワード制御を行う。
【００１６】
このように、フルード数に基づいて各パラメータ（参照針路、旋回性指数及び追従性指数）を決定することにより、船体の状況に応じて適切に旋回動作を行うことができる。
【００１７】
前記の自動操舵装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記舵角制御部は、フィードバック制御部と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部と、を備える。前記フィードバック制御部は、保針時にＰＩＤ制御を行う。前記ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部は、前記フルード数に基づいてＰＩＤ制御用制御パラメータを決定する。前記ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部は、船体の回頭角速度と、前記フルード数と、に基づいてＰＩＤ制御の補正パラメータを決定する。そして、前記フィードバック制御部は、前記補正パラメータによって補正された前記ＰＩＤ制御用制御パラメータを用いて、前記ＰＩＤ制御を行う。
【００１８】
即ち、ＰＩＤ制御は、外乱によって変動する制御値を目標値に一致させる制御として特に有効であるので、上記のように保針時の制御に用いることが好適である。また、ＰＩＤ制御パラメータをフルード数に基づいて決定することにより、船の状況に適合したＰＩＤ制御を行うことができる。また、回頭角速度に基づいてＰＩＤ制御の補正パラメータを算出することにより、例えば波や風などによる外乱を適切に抑圧できる。
【００１９】
本発明の第２の観点によれば、船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵プログラムであって、以下のステップを含む処理を自動操舵装置に実行させる自動操舵プログラムが提供される。即ち、この自動操舵プログラムは、フルード数算出ステップと、舵角制御ステップと、を含む。前記フルード数算出ステップにおいては、船速と船体長とからフルード数を算出する。前記舵角制御ステップにおいては、前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する。
【００２０】
このように、フルード数に基づいて制御パラメータを決定することにより、船体の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数は船速と船体長から即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数は船体長を利用して船速を無次元化した数であるので、フルード数が同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数を用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角を出力することができる。
【００２１】
本発明の第３の観点によれば、船首方位を設定針路と一致させるように操舵機に対する命令舵角を出力する自動操舵方法であって、以下の工程を含む自動操舵方法が提供される。即ち、この自動操舵方法は、フルード数算出工程と、舵角制御工程と、を含む。前記フルード数算出工程においては、船速と船体長とからフルード数を算出する。前記舵角制御工程においては、前記フルード数に基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて前記命令舵角を決定する。
【００２２】
このように、フルード数に基づいて制御パラメータを決定することにより、船体の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数は船速と船体長から即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数は船体長を利用して船速を無次元化した数であるので、フルード数が同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数を用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態に係る自動操舵システムの構成を示すブロック図。
【図２】自動操舵装置の構成を示すブロック図。
【図３】参照針路を説明する図。
【図４】自動操舵装置の詳細な構成を示すブロック図。
【図５】滑走型船舶と排水型船舶の違いを説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１に、本発明の一実施形態に係る船舶用自動操舵装置を用いた自動操舵システムを示す。この自動操舵システムは、自動操舵装置１と、操舵機２と、船体３と、方位センサ４と、を含んでいる。なお、自動操舵装置１、操舵機２及び方位センサ４は、船体３に搭載されている。
【００２６】
方位センサ４は、船体３の船首方位φを検出し、自動操舵装置１に出力するように構成されている。
【００２７】
自動操舵装置１には、操舵者が設定針路φc（船体が進むべき方位）を入力することができるように構成されている。そして、自動操舵装置１は、制御量としての船首方位φを目標値としての設定針路φcに一致させるべく、操舵機２の舵角Ｕを指定する命令舵角信号（命令舵角）Ｕcを出力する。
【００２８】
操舵機２は、命令舵角信号Ｕcに応じて舵角Ｕを変更するように構成されている。この舵角Ｕを適宜調節することにより、航行中の船体３の船首方位φを制御することができる。
【００２９】
以上の構成により、船体３の船首方位φを設定針路φcに一致させるように制御することができる。
【００３０】
次に、自動操舵装置１の構成について詳しく説明する。
【００３１】
本実施形態の自動操舵装置１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等のハードウェア（図略）と、前記ＲＯＭに記憶された自動操舵プログラム等のソフトウェアと、から構成されている。
【００３２】
前記自動操舵プログラムは、本発明に係る自動操舵方法を、自動操舵装置１によって実現するためのものである。この自動操舵方法は、参照針路決定工程と、フルード数算出工程と、舵角制御工程と、を含んでいる。
【００３３】
従って、当該自動操舵方法を実現するための前記自動操舵プログラムは、前記各工程に対応して、参照針路決定ステップと、フルード数算出ステップと、舵角制御ステップと、を含んでいる。そして、前記ハードウェアとソフトウェアとが協働して動作することにより、自動操舵装置１を、参照針路決定部５、フルード数算出部６、舵角制御部７等として機能させることができる。
【００３４】
次に、図２を参照して、自動操舵装置１の機能的な構成を説明する。
【００３５】
操舵者が設定した設定針路φcは、参照針路決定部５に入力される。参照針路決定部５は、入力された設定針路φcに基づいて、参照針路ｒを決定するように構成されている。なお、この参照針路決定部５における処理内容は、前記自動操舵プログラムの参照針路決定ステップに対応している。
【００３６】
以下、参照針路ｒについて説明する。例として、設定針路φcがφc0に設定されており、船体の船首方位φがφc0と一致している場合（船体が方位φc0に向けて直進している場合）について考える。この状態で、操舵者が設定針路をφc1に変更したとする。この場合、自動操舵装置１は、船首方位φが速やかにφc1となるように制御を行わなければならない。しかしながら、操舵機２を急激に操作したからといって、船首方位φをφc0からφc1まで即座に変化させることができる訳ではなく、船体３はある程度の時間を掛けて旋回するものである。従って、舵角Ｕを無駄に大きくしても、エネルギー損失が増大するばかりで合理的ではない。むしろ、時間を掛けて旋回する船体３の運動に合わせ、ある程度時間を掛けて徐々に舵角Ｕを増減するように操作することが好ましい。また、いったん旋回を開始した船体３には慣性が働くため、急に舵角Ｕをゼロ（中立位置）に戻したからといって即座に旋回を停止する訳ではない。従って、船首方位φが目標値であるφc1に達する前から、舵角Ｕをゼロに戻す操作を開始することが好ましい。このような操作をフィードフォワード制御（後述）で実現するために、命令舵角信号Ｕcを決定する際に参照する参照針路ｒが必要となるのである。
【００３７】
そこで、参照針路決定部５は、設定針路φcが変更された場合に、船体３が追従できる程度の回頭角速度及び回頭角加速度で変化する参照針路ｒを算出するように構成されている。例えば、上記のように設定針路がφc0からφc1に変更された場合、参照針路決定部５から出力される参照針路ｒは、図３のグラフに示すようにφc0からφc1まで時間的に連続して滑らかに変化する。このように、参照針路決定部５は、一種のローパスフィルタとして構成されている。このように時間的に滑らかに変化する参照針路ｒに基づいて命令舵角信号Ｕcを決定することにより、舵角Ｕが滑らかに変化するように操舵機２を操作することができる。
【００３８】
なお、詳しくは後述するが、本実施形態の自動操舵装置１は、変針モードにおいて、参照針路ｒの値そのものでは無く、参照針路ｒの回頭角速度ｒ’（参照針路ｒの時間に関する１次微分）と、参照針路の回頭角加速度ｒ”（参照針路ｒの時間に関する２次微分）と、に基づいて命令舵角信号Ｕcを決定するように構成されている。そこで、参照針路決定部５は、参照針路ｒの回頭角速度ｒ’と、参照針路の回頭角加速度ｒ”と、を随時算出するように構成されている。参照針路の回頭角速度ｒ’及び参照針路の回頭角加速度ｒ”は、舵角制御部７に入力される。
【００３９】
また、前記参照針路ｒは、偏角算出部８に入力される。偏角算出部８には、方位センサ４が出力する船首方位φが入力されている。偏角算出部８は、参照針路ｒと船首方位φとの差（偏角φerr）を算出して舵角制御部７に出力するように構成されている。
【００４０】
舵角制御部７では、参照針路の回頭角速度ｒ’、参照針路の回頭角加速度ｒ”及び偏角φerrに基づいて、前記偏角φerrがゼロとなるように（船首方位φを参照針路ｒに一致させるように）、操舵機２に対する命令舵角信号Ｕcを出力する。上記の構成により、船首方位φが設定針路φcと一致するように制御することができる。即ち、船体３を、操舵者が意図した針路で航行させることができる。なお、この舵角制御部７における処理内容は、前記自動操舵プログラムの舵角制御ステップに対応している。舵角制御部７における処理の詳細については後述する。
【００４１】
フルード数算出部６は、船体長Ｌと、現在の船速Ｖと、に基づいて、フルード数Ｆｒを算出するように構成されている。前記船体長Ｌは、ユーザが予め自動操舵装置１に入力しておく。また、船体３は、船速Ｖをリアルタイムで検出可能な船速測定部９を備えており、フルード数算出部６はこのリアルタイムで変化する船速Ｖを用いてフルード数Ｆｒを随時算出して出力する。なお、フルード数Ｆｒは、流体における慣性力と重力の比を表す数値であり、以下の式で定義される。
Ｆｒ＝Ｖ／（ｇＬ）1/2
ここで、ｇは重力加速度である。
【００４２】
上記フルード数Ｆｒは、参照針路決定部５及び舵角制御部７に出力される。このフルード数Ｆｒの役割については、後に詳述する。なお、フルード数算出部６における処理内容は、前記自動操舵プログラムのフルード数算出ステップに対応している。
【００４３】
次に、図４を参照して、自動操舵装置１の構成について更に詳しく説明する。
【００４４】
まず、参照針路決定部５について更に詳しく説明する。前述のように、参照針路決定部５は、一種のローパスフィルタとして構成されている。具体的には、参照針路決定部５は、フィルタ演算部１１と、前記フィルタ演算部１１における演算に用いるためのフィルタ定数を決定するフィルタ定数決定部１２と、を備えている。
【００４５】
フィルタ演算部１１には、操舵者によって設定された設定針路φcと、フィルタ定数決定部１２が決定したフィルタ定数と、が入力される。フィルタ演算部１１は、入力された設定針路φcに対して、前記フィルタ定数を用いたローパスフィルタ処理を行い、最新の参照針路ｒを算出する。また、フィルタ演算部１１は、最新の参照針路ｒと、過去に算出した参照針路と、を用いて、参照針路の最新の回頭角速度ｒ’及び参照針路の最新の回頭角加速度ｒ”を算出し、舵角制御部７に出力する。
【００４６】
ところで、船舶は一般的に、船速Ｖが大きいほど舵が効き易いという性質がある。また、船舶は一般的に、船体長Ｌが短いほど舵が効き易い。即ち、一般的に、船舶は、フルード数Ｆｎが大きいほど舵が効き易いと言える。一方で、船速Ｖは航行中に随時変化するものであるから、舵の効き易さは動的に変化する。ここで、参照針路ｒは、船体の舵の効き難さ（あるいは効き易さ）を考慮して算出されるべきものであるから、舵の効き難さ（あるいは効き易さ）が変化するのに応じてフィルタ定数を変化させることが好ましい。
【００４７】
そこで、フィルタ定数決定部１２は、フルード数Ｆｒに基づいて前記フィルタ定数を決定するように構成されている。具体的には、フィルタ定数決定部１２は、フルード数Ｆｒが大きいほど（舵が効き易いほど）、図３のグラフが急激に立ち上がるように（参照針路の回頭角速度ｒ’の絶対値が大きくなるように）フィルタ定数を決定する。逆に、フィルタ定数決定部１２は、フルード数Ｆｒが小さいほど（舵が効きにくいほど）、図３のグラフが緩やかに立ち上がるように（参照針路の回頭角速度ｒ’の絶対値が小さくなるように）フィルタ定数を決定する。このようにして決定したフィルタ定数に基づいて参照針路ｒを求めているので、参照針路決定部５は、フルード数Ｆｒに基づいて参照針路ｒを求めていると言うことができる。
【００４８】
このように、舵が効き易いときには参照針路ｒを速やかに変化させ、舵が効きにくいときには参照針路ｒを緩やかに変化させることができる。即ち、フルード数Ｆｒを用いて制御用のパラメータ（上記の例では参照針路ｒ）を求めることにより、船体の実際の運動特性に適合したパラメータを算出することができる。
【００４９】
また、船速Ｖとフルード数Ｆｒとは単純な比例関係にあるので、船速Ｖが変化すると即座にフルード数Ｆｒを求めることができる。このフルード数Ｆｒを用いて制御用のパラメータ（上記の例ではフィルタ定数）を決定するように構成することで、船体３の運動特性の変化に応じたパラメータを即座に決定することが可能となる。
【００５０】
なお、フルード数Ｆｒからフィルタ定数を決定する方法としては、フルード数Ｆｒとフィルタ定数との関係をテーブルに記憶しておき、フルード数Ｆｒに応じたフィルタ定数を前記テーブルから読み出すように構成することができる。この場合、例えば、フルード数Ｆｒを変化させながら船体の運動特性を測定する等の実験を行い、最適なフィルタ定数とフルード数との関係をテーブルとして予め記憶しておけば良い。
【００５１】
ところで、船舶は、船速Ｖが同じであっても船体のサイズ等が異なれば運動特性が大きく異なるため、フィルタ定数を決定するための前記テーブルは船体ごとに個別に用意することが理想である。しかしながら、実際には、船体ごとに実験を行って上記のテーブルを作成することは大きな手間であり、現実的ではない。一方で、フルード数Ｆｒは、船速Ｖを船体長Ｌを用いて無次元化した数値であるため、フルード数Ｆｒが同じ状態の船舶は、船体のサイズにかかわらず似たような運動特性を有する。即ち、フルード数Ｆｒが同じ状態の船舶は、船体のサイズ等にかかわらず同じフィルタ係数を用いることができると考えられる。
【００５２】
従って、本実施形態のようにフルード数Ｆｒに応じてフィルタ定数を決定するように構成すれば、フィルタ定数を決定するためのテーブルを船体ごとに個別に用意する必要が無くなり、最適なフィルタ定数とフルード数Ｆｒとの関係を示すテーブルを１つ用意しておけば足りる。このように、フルード数Ｆｒに基づいて制御用のパラメータ（上記の例ではフィルタ定数）を決定するように構成することで、自動操舵装置１を設計する際の手間を大幅に削減することができる。
【００５３】
次に、舵角制御部７について詳しく説明する。舵角制御部７は、フィードフォワード制御部２１と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２と、フィードフォワード舵角補正部２３と、ＰＩＤ制御部２４と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６と、を備えている。
【００５４】
本実施形態の舵角制御部７は、変針モードと保針モードとで処理内容を異ならせるように構成されている。なお、変針モードとは、船体を旋回させるように制御するモードである。具体的には図３に示すように、変針モードは、設定針路φcが変更された時点から開始し、新しく設定された設定針路に対して参照針路ｒが一致した時点で終了する。一方、保針モードとは、船体の針路を保って直進させるように制御するモードである。具体的には図３に示すように、参照針路ｒが設定針路φcと一致している期間（変針モード以外の期間）が保針モードである。
【００５５】
まず、変針モードにおける制御について説明する。変針モードにおいて、舵角制御部７は、主にフィードフォワード制御を行う。即ち、変針モードにおいては、参照針路ｒの時間的な変化に合わせて操舵機２を操作する必要があるため、応答性に優れたフィードフォワード制御を行うことが好適なのである。
【００５６】
より具体的には、変針モードにおいては、フィードフォワード制御部２１と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２と、フィードフォワード舵角補正部２３と、が機能する。一方、この変針モードにおいては、ＰＩＤ制御部２４と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６と、は機能しない。
【００５７】
フィードフォワード制御部２１の目的は、時間的に変化する参照針路ｒに対して船首方位φを一致させるように操舵機２の舵角Ｕを変更し、船体３を旋回させることである。本実施形態では、いわゆる「野本の一次近似モデル」を用いて舵角Ｕを決定する。野本の一次近似モデルは、船首方位φの時間変化と舵角Ｕとの関係を記述するモデルであり、以下の式で表される。
Ｕ＝（Ｔφ”＋φ’）／Ｋ
【００５８】
ここで、φ’は船体３の回頭角速度（船首方位φの時間に関する１次微分）、φ”は船体３の回頭角加速度（船首方位φの時間に関する２次微分）である。また、Ｋは旋回性指数、Ｔは追従性指数と呼ばれる。
【００５９】
フィードフォワード制御部２１においては、参照針路ｒに対して船首方位φを一致させることが目的であるから、上記の式でφ＝ｒと置くことにより、舵角Ｕを算出するための式を得ることができる。
Ｕ＝（Ｔｒ”＋ｒ’）／Ｋ
【００６０】
上記の式で用いられている参照針路の回頭角速度ｒ’及び参照針路の回頭角加速度ｒ”は、前述のように参照針路決定部５が算出して舵角制御部７に出力している。従って、フィードフォワード制御部２１は、これらの値を上記の式に代入することによって、舵角Ｕを求めることができる。
【００６１】
そして、舵角Ｕを算出すると、フィードフォワード制御部２１は、前記舵角Ｕを操舵機２に実現させるためのフィードフォワード命令舵角信号ＵFFを生成して出力する。フィードフォワード命令舵角信号ＵFFは、後述のフィードフォワード舵角補正部２３によって補正された後、命令舵角信号Ｕcとして舵角制御部７から操舵機２に対して出力される。
【００６２】
ところで、上記旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔは、船体に特有の値であり、実際の船体を用いた試験（例えばＺ試験等）によって求められる。一方で、船体の運動特性は船速Ｖによって変化するから、旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔも船速Ｖによって変化する。従って、仮に旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔを固定値としていると、船体の実際の状況に適合したフィードフォワード制御を行うことができない。船速Ｖを様々に変化させたＺ試験を行って、船速Ｖごとの旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔを求めておく方法も考えられるが、非常に手間が掛かってしまう。
【００６３】
そこで、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２は、フィードフォワード制御に用いる制御パラメータ（旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔ）を、フルード数Ｆｒに基づいて決定し、フィードフォワード制御部２１に出力するように構成されている。以下、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２について説明する。
【００６４】
旋回性指数Ｋは船速Ｖにおよそ比例し、追従性指数Ｔは船速Ｖにおよそ反比例することが知られている。フルード数Ｆｒは船速Ｖに比例するから、旋回性指数Ｋはフルード数Ｆｒに比例し、追従性指数Ｔはフルード数に反比例すると言える。そこで、フルード数がＦｒ0のときの旋回性指数Ｋ0及び追従性指数Ｔ0をＺ試験等によって予め求めておけば、フルード数がＦｒのときの旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔは以下の式によって求めることができる。
Ｋ＝Ｋ0（Ｆｒ／Ｆｒ0）
Ｔ＝Ｔ0（Ｆｒ0／Ｆｒ）
【００６５】
フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２は、フルード数算出部６が算出したフルード数Ｆｒを上記の式に代入することにより、旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔを決定する。そして、フィードフォワード制御部２１は、このようにフィードフォワード用制御パラメータ決定部２２において決定された制御パラメータに基づいて、フィードフォワード制御を行う。これにより、船体の実際の状況に適合したフィードフォワード制御を行うことができる。
【００６６】
次に、フィードフォワード舵角補正部２３について説明する。一般的に、フィードフォワード制御には、外乱（波や風等）があると、制御量（船首方位φ）が目標値（参照針路ｒ）から外れてしまうという欠点がある。また、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２では、フルード数Ｆｒによって船体の状況に応じた制御パラメータを決定しているが、フルード数Ｆｒでは積荷状況等を考慮することができないので、船体の実際の状況に完全に一致した制御パラメータを算出することはできない。従って、上記フィードフォワード制御で決定したフィードフォワード命令舵角信号ＵFFは、必ずしも最適な舵角Ｕを命令するものでは無いため、船首方位φと参照針路ｒとの間に差（偏角φerr）が発生し得る。
【００６７】
そこで、フィードフォワード舵角補正部２３は、前記偏角φerrがゼロとなるように、フィードフォワード命令舵角信号ＵFFを補正するためのフィードフォワード命令舵角補正値ＵFF_dを決定するように構成されている。また、フィードフォワード舵角補正部２３にはフルード数Ｆｒが入力されている。フィードフォワード舵角補正部２３は、このフルード数Ｆｒと偏角φerrに基づいて、フィードフォワード命令舵角補正値ＵFF_dを決定する。このように、フルード数Ｆｒに基づいてフィードフォワード命令舵角補正値ＵFF_dを決定することにより、船体の実際の状況に応じてフィードフォワード命令舵角信号ＵFFを補正することができる。
【００６８】
フィードフォワード命令舵角信号ＵFFとフィードフォワード命令舵角補正値ＵFF_dは加算され、補正済フィードフォワード命令舵角信号ＵFF_cが生成される。補正済フィードフォワード命令舵角信号ＵFF_cは、命令舵角信号Ｕcとして舵角制御部７から出力される。
【００６９】
次に、保針モードにおける制御について説明する。保針モードにおいて、舵角制御部７は、主にフィードバック制御（具体的にはＰＩＤ制御）を行う。即ち、保針モードにおいては、波や風等の外乱を打ち消して船体３を直進させる必要があるため、安定性に優れたＰＩＤ制御を行うことが好適なのである。
【００７０】
より具体的には、保針モードにおいては、ＰＩＤ制御部（フィードバック制御部）２４と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６と、が機能する。一方、この保針モードにおいては、フィードフォワード制御部２１と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２と、フィードフォワード舵角補正部２３と、は機能しない。
【００７１】
保針モードは船体を直進させるモードであり、参照針路ｒは一定値である。従って、このモードでの偏角φerrは、もっぱら風や波等の外乱によるものである。ＰＩＤ制御部２４の目的は、この偏角φerrがゼロとなるように制御することにより、船体３を直進させることである。
【００７２】
ＰＩＤ制御部２４には、前記偏角φerrが入力されている。また、ＰＩＤ制御部２４には、制御パラメータ（比例ゲインＫP、積分時間ＫI、微分時間ＫD）が、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５から入力されている。ＰＩＤ制御部２４は、この制御パラメータを用いて、偏角φerrがゼロに近づくようなＰＩＤ命令舵角信号ＵPIDを出力する。なお、ＰＩＤ制御は公知であるので、詳細な処理内容については省略する。
【００７３】
次に、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５について説明する。即ち、前記ＰＩＤ制御用の各制御パラメータを仮に固定値とした場合でも、偏角φerrがゼロに近づくように制御することはできる。しかしながら、船体３の運動特性の動的な変化に応じて制御パラメータを変更することができれば、より最適な制御を実現することが可能である。そこで、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５は、フルード数Ｆｒに基づいて、制御パラメータ（比例ゲインＫP、積分時間ＫI、微分時間ＫD）を決定するように構成されている。このように、ＰＩＤ制御用の制御パラメータを決定するためにフルード数Ｆｒを用いるとで、フィルタ定数決定部１２においてフィルタ定数を決定するためにフルード数Ｆｒを用いたのと同様の効果を得ることができる。
【００７４】
フルード数Ｆｒに基づいて制御パラメータ（比例ゲインＫP、積分時間ＫI、微分時間ＫD）を決定する方法としては、フィルタ定数決定部１２と同様に、予め実際に実験を行って、最適な制御パラメータとフルード数Ｆｒとの関係を示すテーブルを記憶しておけば良い。
【００７５】
例えば、偏角φerrが同じであっても、舵が効きにくい状況の船舶ほど、舵角Ｕを大きくしなければならない。従って、フルード数Ｆｒが小さいほど（舵が効きにくいほど）比例ゲインＫPが大きくなるように、前記テーブルを作成しておく。また、舵が効き難ければ、舵角Ｕを細かく頻繁に変更しても船体３が反応しないため無駄な舵となってしまう。従って、舵が効きにくい状況にあっては、舵角Ｕが細かく変動しないように制御パラメータを設定する必要がある。そこで、フルード数Ｆｒが小さいほど（舵が効きにくいほど）、積分時間ＫIは大きく、微分時間ＫDは小さくなるように、前記テーブルを作成しておく。
【００７６】
なお、前記偏角φerrには、波や風等の外乱による高周波の周期的変動が含まれているが、この周期的変動に応答するように舵角Ｕを変更しても無駄な舵となってしまう。そこで、本実施形態では、上記の周期的変動に応答しないようにするため、ＰＩＤ制御用のパラメータを補正するＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６を備えている。
【００７７】
ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６には、船体３の回頭角速度φ’が入力されている。ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６は、この回頭角速度φ’に基づいて外乱に基づく偏角φerrの周期的な変動を検出し、この周期的な変動に応答しないように制御パラメータを補正する補正値（比例ゲイン補正値ＫP_d、積分時間補正値ＫI_d、微分時間補正値ＫD_d）を決定する。なお、ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６は、当該補正値を、フルード数Ｆｒに基づいて決定するように構成されている。これにより、船体３の実際の状況に応じた補正値を決定することができる。
【００７８】
ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５が決定した制御パラメータ（比例ゲインＫP、積分時間ＫI、微分時間ＫD）は、ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６が出力する補正値（比例ゲイン補正値ＫP_d、積分時間補正値ＫI_d、微分時間補正値ＫD_d）とそれぞれ加算されてＰＩＤ制御部２４に出力される。ＰＩＤ制御部２４は、この補正された制御パラメータを用いてＰＩＤ制御を行い、ＰＩＤ命令舵角信号ＵPIDを出力する。このＰＩＤ命令舵角信号ＵPIDは、そのまま命令舵角信号Ｕcとして舵角制御部７から出力される。
【００７９】
以上で説明したように、本実施形態の自動操舵方法は、船首方位φを設定針路φcと一致させるように操舵機２に対する命令舵角信号Ｕcを出力する自動操舵方法であって、以下の工程を含んでいる。即ち、この自動操舵方法は、フルード数算出工程と、舵角制御工程と、を含んでいる。フルード数算出工程においては、船速Ｖと船体長Ｌとからフルード数Ｆｒを算出する。舵角制御工程においては、フルード数Ｆｒに基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて命令舵角信号Ｕcを決定する。
【００８０】
また、本実施形態の自動操舵プログラムは、船首方位φを設定針路φcと一致させるように操舵機２に対する命令舵角信号Ｕcを出力する自動操舵プログラムであって、以下のステップを含んでいる。即ち、この自動操舵プログラムは、フルード数算出ステップと、舵角制御ステップと、を含んでいる。フルード数算出ステップにおいては、船速Ｖと船体長Ｌとからフルード数Ｆｒを算出する。舵角制御ステップにおいては、フルード数Ｆｒに基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて命令舵角信号Ｕcを決定する。
【００８１】
また、本実施形態の自動操舵装置１は、船首方位φを設定針路φcと一致させるように操舵機２に対する命令舵角信号Ｕcを出力する自動操舵装置であって、以下のように構成されている。即ち、この自動操舵装置１は、フルード数算出部６と、舵角制御部７と、を備えている。フルード数算出部６は、船速Ｖと船体長Ｌとからフルード数Ｆｒを算出する。舵角制御部７は、フルード数Ｆｒに基づいて制御パラメータを決定し、当該制御パラメータに基づいて命令舵角信号Ｕcを決定する。
【００８２】
このように、フルード数Ｆｒに基づいて制御パラメータを決定することにより、船体３の状況に適合した制御パラメータを得ることができる。また、フルード数Ｆｒは船速Ｖと船体長Ｌから即座に算出することができるので、状況の変化に応じた制御パラメータを即座に得ることができる。更に、フルード数Ｆｒは船体長Ｌを利用して船速Ｖを無次元化した数であるので、フルード数Ｆｒが同じ船舶は、船体のサイズが異なっていても似たような運動特性を有すると考えることができる。従って、フルード数Ｆｒを用いて制御パラメータを決定することにより、どのようなサイズの船体についても適切な命令舵角信号Ｕcを出力することができる。
【００８３】
また、本実施形態の自動操舵装置１において、舵角制御部７は、変針モードでフィードフォワード制御を行うフィードフォワード制御部２１と、保針モードでフィードバック制御を行うＰＩＤ制御部２４と、を備えている。
【００８４】
即ち、変針時にフィードフォワード制御を行うことにより、変針時の舵角変更の応答性を向上させることができる。また、保針時にはフィードバック制御を行うことにより、針路を安定させて船体３の直進性を向上させることができる。
【００８５】
また、本実施形態の自動操舵装置１は、以下のように構成されている。即ち、舵角制御部７は、フィードフォワード制御部２１と、参照針路決定部５と、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２と、を備える。フィードフォワード制御部２１は、変針モードでフィードフォワード制御を行う。参照針路決定部５は、変針後の設定針路φcと、フルード数Ｆｒと、に基づいて参照針路ｒを決定する。フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２は、フルード数Ｆｒに基づいて旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔを決定する。そして、フィードフォワード制御部２１は、参照針路ｒと、旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔと、に基づいて、前記フィードフォワード制御を行う。
【００８６】
このように、フルード数Ｆｒに基づいて各パラメータ（参照針路ｒ、旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔ）を決定することにより、船体の状況に応じて適切に旋回動作を行うことができる。
【００８７】
また、本実施形態の自動操舵装置１は、以下のように構成されている。即ち、舵角制御部７は、ＰＩＤ制御部２４と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５と、ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６と、を備える。ＰＩＤ制御部２４は、保針モードでＰＩＤ制御を行う。ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５は、フルード数Ｆｒに基づいてＰＩＤ制御用のパラメータを決定する。ＰＩＤ制御用制御パラメータ補正部２６は、船体３の回頭角速度と、フルード数Ｆｒと、に基づいてＰＩＤ制御の補正パラメータを決定する。そして、ＰＩＤ制御部２４は、補正パラメータによって補正されたＰＩＤ制御用制御パラメータを用いて、前記ＰＩＤ制御を行う。
【００８８】
即ち、ＰＩＤ制御は、外乱によって変動する制御値を目標値に一致させる制御として特に有効であるので、上記のように保針時の制御に用いることが好適である。また、ＰＩＤ制御パラメータをフルード数Ｆｒに基づいて決定することにより、船の状況に適合したＰＩＤ制御を行うことができる。また、回頭角速度に基づいてＰＩＤ制御の補正パラメータを算出することにより、例えば波や風などによる外乱を適切に抑圧できる。
【００８９】
なお、上記実施形態では、フィルタ定数決定部１２、フィードフォワード用制御パラメータ決定部２２、フィードフォワード舵角補正部２３、ＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５には、フルード数Ｆｒに加えて、巡航速度とボートタイプを指定する情報が入力されている。上記各構成は、巡航速度と、ボートタイプか否かと、を指定する情報も考慮して、前記各種パラメータを決定するように構成されている。この点について、以下に説明する。
【００９０】
巡航速度とは、船体３を最も効率良く運航させることができる船速であり、通常は最高船速の８０％程度である。この巡航速度は、ユーザが予め設定しておく。また、ユーザは、船体３がボートタイプであるか否かも予め設定しておく。
【００９１】
ボートタイプの船舶は、フルード数が約０．４を超えると、滑走状態となり、非滑走状態の船舶とは異なる運動特性を示す。そこで、本実施形態では、ボートタイプの船舶であって、かつ巡航速度におけるフルード数が０．４を超える船舶（以下、滑走型の船舶と称する）については、それ以外の船舶（以下、排水型の船舶と称する）とは制御パラメータの決定方法を異ならせるように構成している。例えば、フィルタ定数決定部１２やＰＩＤ制御用制御パラメータ決定部２５において、各パラメータを決定するためのテーブルを、滑走型の船舶用と排水型の船舶用で別々に設定しておく。そして、ユーザが設定した巡航速度とボートタイプとに基づいて、船体３が滑走型か排水型かを判定し、当該判定結果に応じて前記テーブルを切り替えるように構成すれば良い。
【００９２】
例として、図５に、ＰＩＤ制御用の微分時間ＫDとフルード数Ｆｒとの関係を示すテーブルを、グラフの形式で模式的に示す。図５に示すように、排水型の船舶であれば、微分時間ＫDとフルード数Ｆｒとはほぼ比例関係とみなすことができる。一方、滑走型の船舶にあっては、フルード数Ｆｒが０．４付近で船体が滑走を開始するため、Ｆｒ＝０．４の付近で運動特性が大きく変化することになる。従って、滑走型の船舶に関して前記テーブルを作成した場合、図５に示すように、Ｆｒ＝０．４の付近でグラフの傾きが変化するようなテーブルとすることが好ましい。このように、排水型の船舶と滑走型の船舶とで２種類のテーブルを用意しておき、ユーザが設定した巡航速度とボートタイプに応じて前記テーブルを切り替えることにより、船体３のタイプに応じた舵角制御を実現することができる。
【００９３】
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。
【００９４】
上記実施形態では、自動操舵装置１は、ソフトウェアとハードウェアとから構成されるものとしたが、自動操舵装置１の機能の一部又は全部を専用のハードウェアによって実現しても良い。
【００９５】
上記実施形態では、参照針路ｒをローパスフィルタによって求める構成としたが、特許文献１のように、操舵機２の舵角の作動可能な範囲を考慮して参照針路ｒを求める構成としても良い。
【００９６】
上記のフィードフォワード制御では野本の一次近似モデルを用いたが、これに限らず、適宜のモデルを用いることができる。
【００９７】
上記実施形態では、滑走型と排水型とでパラメータの決定方法を異ならせる構成としたが、このように滑走型と排水型とで区別する構成は省略することもできる。
【００９８】
上記実施形態では、フィルタ定数やＰＩＤ制御用の制御パラメータ等は予め用意したテーブルを用いて決定する構成としたが、これに限らない。即ち、本発明の特徴はフルード数Ｆｒに基づいて各種パラメータを決定することにあるので、パラメータの決定方法は特に限定されない。例えば、図５で模式的に示した例のように、制御パラメータ（図５の例では微分時間ＫD）とフルード数Ｆｒとの間に単純な比例関係等が想定できる場合には、テーブルを用意せず、フルード数Ｆｒを引数とした数式に基づいて各種パラメータを算出するように構成することができる（なお、上記実施形態では、旋回性指数Ｋ及び追従性指数Ｔをこの種の方法によって決定している）。
【符号の説明】
【００９９】
１  自動操舵装置
２  操舵機
３  船体
５  参照針路決定部
６  フルード数算出部
７  舵角制御部
２１  フィードフォワード制御部
２４  ＰＩＤ制御部（フィードバック制御部）
φ  船首方位
φc  設定針路
ｒ  参照針路
Ｕ  舵角
Ｕc  命令舵角信号（命令舵角）
Ｆｒ  フルード数
【図１】
2011189884.tif 000003
【図２】
2011189884.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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