(57)【要約】【課題】航行すべき旋回航路に沿った航行をより正確に行うことができる自動操舵装置、自動操舵方法および自動操舵プログラムを提供する。【解決手段】自動操舵装置は、複数の目標地点の各々の位置に基づいて船の旋回航路を算出する航路算出部と、前記船の前方の間接目標地点を算出する間接目標地点算出部と、前記旋回航路と前記間接目標地点との位置関係に基づいて、指令舵角を算出する指令舵角算出部と、前記指令舵角に基づいて、前記船の操舵機構を制御する操舵制御部と、を備える。【選択図】図１
2019196103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の目標地点の各々の位置に基づいて船の旋回航路を算出する航路算出部と、
前記船の前方の間接目標地点を算出する間接目標地点算出部と、
前記旋回航路と前記間接目標地点との位置関係に基づいて、指令舵角を算出する指令舵角算出部と、
前記指令舵角に基づいて、前記船の操舵機構を制御する操舵制御部と、
を備える自動操舵装置。
【請求項２】
前記間接目標地点算出部は、指令舵角に対する船の応答性に基づいて前記間接目標地点を算出する、請求項１に記載の自動操舵装置。
【請求項３】
前記間接目標地点算出部は、前記船の船速に基づいて前記間接目標地点を算出する、請求項１または請求項２に記載の自動操舵装置。
【請求項４】
前記間接目標地点算出部は、前記船の設定針路および前記船の現在の針路に基づいて、前記間接目標地点を算出する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の自動操舵装置。
【請求項５】
前記指令舵角算出部は、前記旋回航路を一部とする円の中心、および前記間接目標地点を通る直線と、前記旋回航路との交点の接線方位に基づいて、前記指令舵角を算出する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の自動操舵装置。
【請求項６】
前記指令舵角算出部は、前記間接目標地点および前記交点間の距離にさらに基づいて前記指令舵角を算出する、請求項５に記載の自動操舵装置。
【請求項７】
前記指令舵角算出部は、定期的または不定期に、前記指令舵角を算出して更新する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の自動操舵装置。
【請求項８】
前記指令舵角算出部は、前記船の、前記旋回航路の開始位置より手前の位置にある変針開始地点への到達の前後において、前記指令舵角の算出方法を、前記間接目的地点を用いない算出方法から、前記間接目的地点を用いる算出方法に変更する、請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の自動操舵装置。
【請求項９】
前記操舵制御部は、前記船が円弧状の前記旋回航路の航行を開始する前に、前記指令舵角に基づいて前記操舵機構の制御を開始する、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の自動操舵装置。
【請求項１０】
前記旋回航路および前記間接目標地点の表示信号を生成する表示信号生成部をさらに備える、請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の自動操舵装置。
【請求項１１】
自動操舵装置における自動操舵方法であって、
複数の目標地点の各々の位置に基づいて船の旋回航路を算出し、
前記船の前方の間接目標地点を算出し、
前記旋回航路と前記間接目標地点との位置関係に基づいて、指令舵角を算出し、
前記指令舵角に基づいて、前記船の操舵機構を制御する、自動操舵方法。
【請求項１２】
自動操舵装置において用いられる自動操舵プログラムであって、
複数の目標地点の各々の位置に基づいて船の旋回航路を算出する処理と、
前記船の前方の間接目標地点を算出する処理と、
前記旋回航路と前記間接目標地点との位置関係に基づいて、指令舵角を算出する処理と、
前記指令舵角に基づいて、前記船の操舵機構を制御する処理、
を実行する、自動操舵プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動操舵装置、自動操舵方法および自動操舵プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、予め設定された複数の目標地点を結ぶ航行ルートに沿って航行させるための自動操舵に関する技術が開発されている。たとえば、特許文献１（特開平７−２４２１９９号公報）には、現在の航路である現航路ＱＸから一定のターンレートτでもって旋回して次の航路である新航路ＱＹへ航路変更（変針）する自動操舵方法において、指定した旋回半径Ｒもしくは前記ターンレートτおよび船速Ｖより決まる旋回半径Ｒに基づき、変針点Ｂを現航路ＱＸ上に求め、この変針点Ｂを通り、新航路ＱＹに平行な変針ラインＬＢを求め、この変針ラインＬＢを自船が通過すれば、上記変針を開始する自動操舵方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２４２１９９号公報
【特許文献２】特開２００５−１７８４３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、変針の開始後において、たとえば波などの外的な要因により、所望の旋回航路に沿って航行することができない場合がある。
【０００５】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、航行すべき旋回航路に沿った航行をより正確に行うことができる自動操舵装置、自動操舵方法および自動操舵プログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係る自動操舵装置は、複数の目標地点の各々の位置に基づいて船の旋回航路を算出する航路算出部と、前記船の前方の間接目標地点を算出する間接目標地点算出部と、前記旋回航路と前記間接目標地点との位置関係に基づいて、指令舵角を算出する指令舵角算出部と、前記指令舵角に基づいて、前記船の操舵機構を制御する操舵制御部と、を備える。
【０００７】
このように、船の通過位置である間接目標地点を予測し、予測した間接目標地点と旋回航路との位置関係に基づいて指令舵角を算出する構成により、船が間接目標地点に到達した場合における指令舵角を、当該船の間接目標地点への到達に先立って算出することができる。このため、たとえば、指令舵角に従った操舵機構の制御開始から船が実際に当該指令舵角に従って旋回開始するまでに時間を要する場合であっても、所望の地点においてより確実に旋回を開始することができる。したがって、航行すべき旋回航路に沿った航行をより正確に行うことができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、航行すべき旋回航路に沿った航行をより正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る自動操舵システムの構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る航路算出部により算出される航行ルートの一例を示す図である。
【図３】図３は、旋回航路の比較例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態に係る航路算出部により算出される旋回航路の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態に係る処理部による指令舵角の算出方法を説明するための図である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態に係る処理部における間接目標地点算出部より算出される間接目標地点の位置と、指令舵角に対する船の応答性との関係を示す図（その１）である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る処理部における間接目標地点算出部より算出される間接目標地点の位置と、指令舵角に対する船の応答性との関係を示す図（その２）である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置による動作の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。また、以下に記載する実施の形態の少なくとも一部を任意に組み合わせてもよい。
【００１１】
＜構成および基本動作＞
［自動操舵システム］
図１は、本発明の実施の形態に係る自動操舵システムの構成を示す図である。
【００１２】
図１を参照して、自動操舵システム２０１は、たとえば、自動操舵装置１０１と、ＧＰＳ受信機１０２と、方位センサ１０３と、操舵機構１０４とを備える。
【００１３】
ＧＰＳ受信機１０２は、自船１０に固定された図示しないＧＰＳアンテナから測位信号を受信して自船１０の現在位置を検出し、検出した自船１０の位置を示す位置情報を自動操舵装置１０１へ送信する。
【００１４】
方位センサ１０３は、たとえば、自船１０に固定された図示しない複数のＧＰＳアンテナにおいてそれぞれ検出された自船１０の複数の位置の相対的な関係に基づいて現在の自船１０の針路、すなわち船首方位ψ［ｎ］を測定し、測定した船首方位ψ［ｎ］を示す船首方位情報を自動操舵装置１０１へ送信する。
【００１５】
自動操舵装置１０１は、入力受付部１１と、記憶部１２と、航路算出部１３と、処理部１４とを備える。処理部１４は、モード決定部２１と、間接目標地点算出部２２と、指令舵角算出部２３と、操舵制御部１５と、表示信号生成部１６とを含む。
【００１６】
入力受付部１１は、複数の目標地点Ｐの設定を受け付ける。たとえば、入力受付部１１は、キーボード等を介してユーザにより入力された複数の目標地点Ｐの各々の位置を示す目標地点情報を記憶部１２に保存する。
【００１７】
航路算出部１３は、記憶部１２に保存されている目標地点情報に基づいて、航行ルートＲを算出する。そして、航路算出部１３は、算出した航行ルートＲを示すルート情報を記憶部１２に保存する。
【００１８】
モード決定部２１は、たとえばＧＰＳ受信機１０２から受信した自船１０の位置情報に基づいて、自船１０の航行モードを決定する。
【００１９】
間接目標地点算出部２２は、モード決定部２１により決定された航行モードが、後述する旋回トラッキングモードである場合、たとえば定期的または不定期に、自船１０の前方の間接目標地点Ｓを算出し、更新する。
【００２０】
指令舵角算出部２３は、たとえば間接目標地点Ｓが更新されるたびに、記憶部１２に保存されているルート情報の示す航行ルートＲに沿って自船１０を航行させるための設定針路ψ０［ｎ］を新たに算出し、更新する。
【００２１】
また、指令舵角算出部２３は、設定針路ψ０［ｎ］を更新するたびに、最新の設定針路ψ０［ｎ］に基づいて指令舵角を算出し、算出した指令舵角を示す指令舵角情報を操舵制御部１５へ出力する。
【００２２】
操舵制御部１５は、指令舵角算出部２３から出力された指令舵角情報を受けて、当該指令舵角情報の示す指令舵角に基づいて、操舵機構１０４における舵角などを制御する。
【００２３】
表示信号生成部１６は、航路算出部１３により算出された航行ルートＲ、および間接目標地点算出部２２により算出された間接目標地点Ｓを、図示しない外部機器に表示させるための表示信号を生成する。
【００２４】
より詳細には、表示信号生成部１６は、記憶部１２に保存されているルート情報、および間接目標地点算出部２２により算出された間接目標地点Ｓの位置情報を含む表示信号を生成し、生成した表示信号を外部機器へ送信する。外部機器は、表示信号生成部１６から送信された表示信号を受信し、受信した表示信号に含まれるルート情報および間接目標地点Ｓの位置情報に基づいて、たとえば、航行ルートＲおよび間接目標地点Ｓを含む画面を自己のモニタに表示する。
【００２５】
なお、自動操舵システム２０１は、自動操舵装置１０１、ＧＰＳ受信機１０２、方位センサ１０３および操舵機構１０４に加えて、さらに他の装置を備えてもよい。また、自動操舵システム２０１は、自動操舵装置１０１、ＧＰＳ受信機１０２、方位センサ１０３および操舵機構１０４の全てを備える構成に限定されない。
【００２６】
［航路算出部］
（航行ルートの算出）
図２は、本発明の実施の形態に係る航路算出部により算出される航行ルートの一例を示す図である。
【００２７】
図２を参照して、航路算出部１３は、たとえば記憶部１２に保存されている目標地点情報の示す複数の目標地点Ｐのうち、自船１０が最初に経由する目標地点Ｐ１、および自船１０が次に経由する目標地点Ｐ２を特定する。そして、航路算出部１３は、特定した目標地点Ｐ１および目標地点Ｐ２の各々の位置に基づいて、自船１０の現在位置Ｐ０から目標地点Ｐ１への航路Ｑ１、および目標地点Ｐ１から目標地点Ｐ２への航路Ｑ２を算出する。
【００２８】
また、航路算出部１３は、自船１０が航路Ｑ１から航路Ｑ２へ航路変更する際に経由する円弧状の旋回航路Ｒ１２を算出する。ここで、航路算出部１３により算出される旋回航路Ｒ１２の一例について説明する。
【００２９】
図３は、旋回航路の比較例を示す図である。図４は、本発明の実施の形態に係る航路算出部により算出される旋回航路の一例を示す図である。図３は、船１０が、目標地点Ｐ１に到着した後に、目標地点Ｐ２へ向けて旋回を開始する場合における旋回航路Ｒ１２を示している。また、図４は、船１０が、目標地点Ｐ１に到着する前に旋回を開始する場合における旋回航路Ｒ１２を示している。
【００３０】
図３に示す旋回航路Ｒ１２と、図４に示す旋回航路Ｒ１２とを比較すると、図４に示す旋回航路Ｒ１２の方が、船１０の燃費および乗り心地等が良好であり、好ましい。
【００３１】
再び図２を参照して、そこで、航路算出部１３は、旋回航路Ｒ１２として、自船１０の現在位置Ｐ０および目標地点Ｐ１を通る直線Ｌ１、ならびに目標地点Ｐ１および目標地点Ｐ２を通る直線Ｌ２に内接する円の一部である旋回航路Ｒ１２を算出する。
【００３２】
より詳細には、航路算出部１３は、直線Ｌ１と直線Ｌ２とのなす角度（以下、「変針角」と称する）θｔ［ｄｅｇ］を算出する。
【００３３】
船１０の船速をｖ［ｍ／ｓ］とし、たとえばユーザにより設定された船１０のターンレートをＴｒ［ｄｅｇ／ｓｅｃ］とすると、旋回航路Ｒ１２の半径である旋回半径Ｄｒと船速ｖとターンレートＴｒとの関係は、以下の式（１）を満たす。
【数１】
2019196103.tif 000003
【００３４】
航路算出部１３は、式（１）を用いて、旋回半径Ｄｒを算出する。
【００３５】
また、航路Ｑ１と旋回航路Ｒ１２との境界点をＴ１とし、航路Ｑ２と旋回航路Ｒ１２との境界点をＴ２とする。航路算出部１３は、算出した変針角θｔおよび旋回半径Ｄｒを用いて、以下の式（２）に従い、境界点Ｔ１および目標地点Ｐ１間の距離Ｄ１、ならびに目標地点Ｐ１および境界点Ｔ２間の距離Ｄ２を算出する。
【数２】
2019196103.tif 000004
【００３６】
また、航路算出部１３は、算出した距離Ｄ１および距離Ｄ２、ならびに目標地点Ｐ１の位置に基づいて、境界点Ｔ１および境界点Ｔ２の各々の位置を算出する。これにより、航路算出部１３は、算出した境界点Ｔ１および境界点Ｔ２を結ぶ旋回航路Ｒ１２を算出することができる。
【００３７】
航路算出部１３により算出された、境界点Ｔ１までの航路Ｑ１、境界点Ｔ１から境界点Ｔ２までの旋回航路Ｒ１２、および境界点Ｔ２からの航路Ｑ２が、航行ルートＲに相当する。
【００３８】
（変針開始ラインの算出）
ここで、船１０が旋回航路Ｒ１２に沿って航行する際、変針の開始タイミングが早すぎるか、または遅すぎることにより、旋回航路Ｒ１２に沿った航行を開始することができない可能性がある。このため、航路算出部１３は、境界点Ｔ１よりも手前に位置し、変針を開始すべき地点（以下、「変針開始地点Ｘ」と称する。）を算出する。
【００３９】
より詳細には、たとえば、船１０が舵を切り始めてから定常旋回が開始するまで、すなわち指定したターンレートＴｒでの旋回が開始するまでに時間ｔ２を要するとする。また、たとえば、図１に示す操舵制御部１５による変針のための制御開始から、操舵機構１０４に対する指令舵角がターンレートＴｒの回頭角速度を得る舵角となるまでに時間ｔ３を要するとする。
【００４０】
時間ｔ２および時間ｔ３は、指令舵角に対する船１０の応答性、具体的には、船１０の追従性能Ｔおよび旋回性能Ｋの少なくともいずれか一方に基づく時間である。追従性能Ｔおよび旋回性能Ｋは、たとえば、船１０を用いた事前の試験等により得られた実測値であり、予め記憶部１２に保存されている。なお、追従性能Ｔおよび旋回性能Ｋは、たとえば、船１０以外の他の船を用いた事前の試験等により得られた実測値であってもよい。
【００４１】
操舵制御部１５は、自船１０が境界点Ｔ１を通過するタイミングよりも時間ｔｘ（＝ｔ２＋ｔ３）だけ前のタイミングにおいて、操舵機構１０４の制御を開始する。これにより、船１０は、旋回航路Ｒ１２に沿った航行をより正確に開始することができる。
【００４２】
変針開始地点Ｘおよび点Ｔ１間の距離Ｄｘは、以下の式（３）を満たす。
【数３】
2019196103.tif 000005
【００４３】
航路算出部１３は、式（３）に従い、変針開始地点Ｘの位置を算出する。また、航路算出部１３は、算出した変針開始地点Ｘを通り、かつ航路Ｑ１に対して垂直な直線である変針開始ラインＬｘを算出する。
【００４４】
変針開始ラインＬｘの位置は、船１０の船速ｖなどに応じて変化する。このため、航路算出部１３は、たとえば定期的または不定期に、変針開始ラインＬｘを算出して更新する。
【００４５】
また、航路算出部１３は、境界点Ｔ１を通り、航路Ｑ１に対して直交する直線Ｌｃｔ１と、境界点Ｔ２を通り、航路Ｑ２に対して直交する直線Ｌｃｔ２との交点Ｉｎの位置を、旋回航路Ｒ１２を一部とする円の中心点Ｃの位置として算出する。
【００４６】
そして、航路算出部１３は、算出した航行ルートＲ、境界点Ｔ１の位置、境界点Ｔ２の位置、中心点Ｃの位置、最新の変針開始ラインＬｘの位置、および旋回半径Ｄｒを示すルート情報を、記憶部１２に保存する。
【００４７】
［処理部］
図５は、本発明の実施の形態に係る処理部による指令舵角の算出方法を説明するための図である。
【００４８】
図５を参照して、処理部１４は、自船１０が変針開始ラインＬｘを通過した後、自船１０の前方における通過位置を予測し、予測した通過位置と、航行ルートＲとの位置関係に基づいて設定方位ψ０［ｎ］を算出する。
【００４９】
具体的には、処理部１４は、現在の設定針路ψ０［ｎ−１］、船首方位ψ［ｎ］および船速ｖに基づいて、自船１０の前方の間接目標地点Ｓを算出する。また、処理部１４は、算出した間接目標地点Ｓに自船１０が位置する場合における、自船１０を旋回航路Ｒ１２に沿って航行させるための設定針路ψ０［ｎ］を算出する。
【００５０】
そして、処理部１４は、算出した設定針路ψ０［ｎ］に基づいて指令舵角を算出する。処理部１４による設定針路ψ０［ｎ］の算出の詳細については、後述する。
【００５１】
（モード決定部）
図１および図５を参照して、処理部１４におけるモード決定部２１は、たとえばＧＰＳ受信機１０２から受信した位置情報、および記憶部１２に保存されているルート情報に基づいて、自船１０の航行モードを決定する。具体的には、モード決定部２１は、自船１０が変針開始ラインＬｘより手前を航行していると判断した場合、ＮＡＶモードを自船１０の航行モードとして決定する。
【００５２】
また、モード決定部２１は、自船１０が変針開始ラインＬｘから境界点Ｔ２の間を航行していると判断した場合、旋回トラッキングモードを自船１０の航行モードとして決定する。
【００５３】
なお、モード決定部２１は、ＧＰＳ受信機１０２から受信した位置情報に基づいて航行モードを決定する代わりに、方位センサ１０３から受信した船首方位情報の示す船首方位ψ［ｎ］、または自船１０の航行軌跡の方位（ＣＯＧ）に基づいて航行モードを決定してもよい。
【００５４】
たとえば、モード決定部２１は、目標地点Ｐ１から目標地点Ｐ２への方位と、船首方位ψ［ｎ］との偏差を定期的または不定期に算出し、算出した偏差が所定値未満となった場合、航行モードを旋回トラッキングモードからＮＡＶモードに切り替えてもよい。
【００５５】
（間接目標地点算出部）
間接目標地点算出部２２は、モード決定部２１により所定のモード、すなわち旋回トラッキングモードが航行モードとして決定された場合、間接目標地点Ｓを算出する。一方、間接目標地点算出部２２は、モード決定部２１によりＮＡＶモードが航行モードとして決定された場合、間接目標地点Ｓの算出を行わない。
【００５６】
間接目標地点算出部２２は、間接目標地点Ｓの算出を行う場合、たとえば、現在の設定針路ψ０［ｎ−１］および船首方位ψ［ｎ］に基づいて、間接目標地点Ｓを算出する。
【００５７】
具体的には、間接目標地点算出部２２は、自船１０の現在位置から間接目標地点Ｓへの方位をψｓ［ｎ］として、設定針路ψ０［ｎ−１］および船首方位ψ［ｎ］の平均値を算出する。すなわち、間接目標地点算出部２２は、以下の式（４）に従い、方位ψｓ［ｎ］を算出する。
【数４】
2019196103.tif 000006
【００５８】
また、間接目標地点算出部２２は、以下の式（５）に従い、自船１０の現在位置Ｐ０から間接目標地点Ｓまでの距離Ｄｓを算出する。
【数５】
2019196103.tif 000007
【００５９】
式（５）において、ｖは、船速である。また、Ｔｓは、船１０の現在位置Ｐ０から間接目標地点Ｓまでの航行に要する予測時間である。
【００６０】
予測時間Ｔｓは、指令舵角に対する船の応答性、具体的には、船１０の追従性能Ｔおよび旋回性能Ｋの少なくともいずれか一方に基づく時間である。予測時間Ｔｓは、たとえば以下の式（６）を満たす。
【数６】
2019196103.tif 000008
【００６１】
式（６）において、Ｔｓ＿ｂａｓｅは、予測時間の基準値である。また、Ｔ＿ｂａｓｅは、追従性能Ｔの基準値である。また、Ｋ＿ｂａｓｅは、旋回性能Ｋの基準値である。Ｔｓ＿ｂａｓｅ、Ｔ＿ｂａｓｅおよびＫ＿ｂａｓｅは、シミュレーションまたは実験等により得られた値である。
【００６２】
また、間接目標地点算出部２２は、自船１０の現在位置Ｐ０、算出した方位ψｓ［ｎ］、および算出した距離Ｄｓに基づいて、間接目標地点Ｓの位置を算出する。船１０の現在位置の緯度および経度を、それぞれ「Ｎ＿ｌａｔ」および「Ｎ＿ｌｏｎ」とし、間接目標地点Ｓの緯度および経度を、それぞれ「Ｓ＿ｌａｔ」および「Ｓ＿ｌｏｎ」とする。
【００６３】
この場合、間接目標地点Ｓの緯度Ｓ＿ｌａｔおよび経度Ｓ＿ｌｏｎは、それぞれ以下の式（７）および式（８）を満たす。
【数７】
2019196103.tif 000009
【数８】
2019196103.tif 000010
【００６４】
ここで、指令舵角に対する船の応答性と、間接目標地点Ｓの位置との関係について説明する。
【００６５】
図６は、本発明の実施の形態に係る処理部における間接目標地点算出部より算出される間接目標地点の位置と、指令舵角に対する船の応答性との関係を示す図（その１）である。
【００６６】
図７は、本発明の実施の形態に係る処理部における間接目標地点算出部より算出される間接目標地点の位置と、指令舵角に対する船の応答性との関係を示す図（その２）である。
【００６７】
図６は、指令舵角に対する船１０の応答性が良い場合、すなわち追従性能Ｔおよび旋回性能Ｋの値が大きい場合における、間接目標地点Ｓの位置を示している。図７は、指令舵角に対する船１０の応答性が悪い場合、すなわち追従性能Ｔおよび旋回性能Ｋの値が小さい場合における、間接目標地点Ｓの位置を示している。
【００６８】
図６および図７を参照して、指令舵角に対する船１０の応答性が良い場合、距離Ｄｓは短くなるため、間接目標地点Ｓの位置は船１０の現在位置Ｐ０から近い位置に算出される。これに対して、指令舵角に対する船１０の応答性が悪い場合、距離Ｄｓは長くなるため、間接目標地点Ｓの位置は船１０の現在位置Ｐ０から遠い位置に算出される。
【００６９】
このように、間接目標地点算出部２２は、指令舵角に対する自船１０の応答性を考慮して、間接目標地点Ｓの位置をより適切に算出することができる。
【００７０】
なお、間接目標地点算出部２２は、指令舵角に対する自船１０の応答性を用いて間接目標地点Ｓを算出する構成に限らず、たとえば、上記応答性の代わりに任意の値を用いて間接目標地点Ｓを算出してもよい。
【００７１】
また、間接目標地点算出部２２は、船速ｖを用いて間接目標地点Ｓを算出する構成に限らず、たとえば、船速ｖの代わりに任意の値を用いて間接目標地点Ｓを算出してもよい。
【００７２】
また、間接目標地点算出部２２は、設定針路ψ０［ｎ−１］および船首方位ψ［ｎ］を用いて間接目標地点Ｓを算出する構成に限らず、設定針路ψ０［ｎ−１］および船首方位ψ［ｎ］の少なくともいずれか一方を用いずに間接目標地点Ｓを算出してもよい。
【００７３】
（指令舵角算出）
再び図５を参照して、指令舵角算出部２３は、たとえば、ＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｔｅｇｒａｌ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御などのフィードバック制御の手法を用いて設定針路ψ０［ｎ］の算出を行い、算出した設定針路ψ０［ｎ］に基づいて指令舵角を算出する。
【００７４】
また、指令舵角算出部２３は、モード決定部２１により決定された航行モードに応じて、指令舵角の算出方法を変更する。上述のとおり、モード決定部２１は、自船１０が変針開始ラインＬｘ上に位置するタイミングの前後で航行モードを切り替える。このため、指令舵角算出部２３は、当該タイミングの前後で、設定針路ψ０［ｎ］および指令舵角の算出方法を変更する。より詳細には、指令舵角算出部２３は、自船１０の、変針開始ラインＬｘへの到達の前後において、指令舵角の算出方法を、間接目的地Ｓを用いない算出方法から間接目的地Ｓを用いる算出方法に変更する。
【００７５】
（ａ）ＮＡＶモードの場合
指令舵角算出部２３は、自船１０がＮＡＶモードで航行している場合、現在の船首方位ψ［ｎ］、および、航路Ｑ１または航路Ｑ２と自船１０の現在位置Ｐ０とのずれＸＴＥ（クロストラックエラー）に基づいて、設定針路ψ０［ｎ］を算出する。
【００７６】
すなわち、指令舵角算出部２３は、以下の式（９）を用いて、設定針路ψ０［ｎ］を算出する。
【数９】
2019196103.tif 000011
【００７７】
式（９）において、αは比例係数である。
【００７８】
また、式（９）において、航路Ｑ１または航路Ｑ２に対する船１０の現在位置Ｐ０が時計回りの方向にずれている場合はαとしてマイナスの係数が採用され、航路Ｑ１または航路Ｑ２に対する船１０の現在位置Ｐ０が反時計回りの方向にずれている場合はαとしてプラスの係数が採用される。
【００７９】
また、指令舵角算出部２３は、算出した設定針路ψ０［ｎ］に基づいて、操舵機構１０４に対する指令舵角を算出する。たとえば、指令舵角算出部２３は、設定針路ψ０［ｎ］から船首方位ψ［ｎ］を減算した値を指令舵角として算出する。そして、指令舵角算出部２３は、算出した指令舵角を示す指令舵角情報を操舵制御部１５へ出力する。
【００８０】
指令舵角算出部２３は、自船１０がＮＡＶモードで航行している間、定期的または不定期に、設定針路ψ０［ｎ］および指令舵角を算出して更新する。
【００８１】
（ｂ）旋回トラッキングモードの場合
（ｂ−１）変針開始ラインＬｘから境界点Ｔ１までの航行時
指令舵角算出部２３は、たとえば、ＧＰＳ受信機１０２から受信した位置情報を確認し、自船１０が旋回トラッキングモードで航行し、かつ変針開始ラインＬｘから境界点Ｔ１までの間を航行していると判断した場合、間接目標地点Ｓおよび中心点Ｃの各々の位置、ならびに航路Ｑ１と自船１０の現在位置Ｐ０とのずれＸＴＥに基づいて、設定針路ψ０［ｎ］を算出する。
【００８２】
より詳細には、指令舵角算出部２３は、間接目標地点Ｓの緯度Ｓ＿ｌａｔおよび経度Ｓ＿ｌｏｎ、ならびに中心点Ｃの緯度Ｃ＿ｌａｔおよび経度Ｃ＿ｌｏｎを用いて、中心点Ｃおよび間接目標地点Ｓを通る直線Ｌｃｓの方位ψｃｓを算出する。
【００８３】
すなわち、指令舵角算出部２３は、以下の式（１０）を用いて、直線Ｌｃｓの方位ψｃｓを算出する。
【数１０】
2019196103.tif 000012
【００８４】
また、指令舵角算出部２３は、算出した方位ψｃｓを用いて、直線Ｌｃｓと旋回航路Ｒ１２との交点Ｉｎの接線方位ψｓｔを算出する。接線方位ψｓｔは、以下の式（１１）を満たす。
【数１１】
2019196103.tif 000013
【００８５】
そして、指令舵角算出部２３は、算出した方位ψｃｓを用いて、設定針路ψ０［ｎ］を算出する。新たな設定針路ψｏ［ｎ］は、以下の式（１２）を満たす。
【数１２】
2019196103.tif 000014
【００８６】
式（１２）において、航路Ｑ１に対する船１０の現在位置Ｐｏが時計回りの方向にずれている場合はαとしてマイナスの係数が採用され、航路Ｑ１に対する船１０の現在位置Ｐｏが反時計回りの方向にずれている場合はαとしてプラスの係数が採用される。
【００８７】
また、指令舵角算出部２３は、算出した設定針路ψ０［ｎ］に基づいて、操舵機構１０４に対する指令舵角を算出し、算出した指令舵角を示す指令舵角情報を操舵制御部１５へ出力する。指令舵角算出部２３は、自船１０が旋回トラッキングモードで航行している間、定期的または不定期に、設定針路ψ０［ｎ］および指令舵角を算出して更新する。
【００８８】
（ｂ−２）境界点Ｔ１から境界点Ｔ２までの航行時
指令舵角算出部２３は、たとえば、ＧＰＳ受信機１０２から受信した位置情報を確認し、自船１０が旋回トラッキングモードで航行し、かつ境界点Ｔ１から境界点Ｔ２までの間を航行していると判断した場合、間接目標地点Ｓおよび中心点Ｃの各々の位置、ならびに旋回航路Ｒ１２と自船１０の現在位置Ｐ０とのずれＲＥｓ［ｎ］に基づいて、設定針路ψ０［ｎ］を算出する。
【００８９】
より詳細には、指令舵角算出部２３は、上述の（ｂ−１）の場合と同様に、間接目標地点Ｓの緯度Ｓ＿ｌａｔおよび経度Ｓ＿ｌｏｎ、ならびに中心点Ｃの緯度Ｃ＿ｌａｔおよび経度Ｃ＿ｌｏｎを用いて、中心点Ｃおよび間接目標地点Ｓを通る直線Ｌｃｓの方位ψｃｓを算出する。
【００９０】
また、指令舵角算出部２３は、算出した方位ψｃｓを用いて、直線Ｌｃｓと旋回航路Ｒ１２との交点Ｉｎの接線方位ψｓｔを算出する。
【００９１】
そして、指令舵角算出部２３は、算出した方位ψｃｓを用いて、新たな設定針路ψ０［ｎ］を算出する。新たな設定針路ψ０［ｎ］は、以下の式（１３）および式（１４）を満たす。
【数１３】
2019196103.tif 000015
【数１４】
2019196103.tif 000016
【００９２】
式（１３）において、ＲＥｓ［ｎ］は、間接目標地点Ｓおよび交点Ｉｎ間の距離、すなわち間接目標地点Ｓおよび旋回航路Ｒ１２間の距離である。また、式（１４）において、ＲＥｓ［ｎ−１］は、前回算出された間接目標地点Ｓおよび旋回航路Ｒ１２間の距離である。
【００９３】
また、式（１３）において、航路Ｑ１に対する船１０の現在位置Ｐ０が時計回りの方向にずれている場合はマイナスの係数が採用され、航路Ｑ１に対する船１０の現在位置Ｐ０が反時計回りの方向にずれている場合はプラスの係数が採用される。
【００９４】
また、指令舵角算出部２３は、算出した設定針路ψ０［ｎ］に基づいて、操舵機構１０４に対する指令舵角を算出し、算出した指令舵角を示す指令舵角情報を操舵制御部１５へ出力する。指令舵角算出部２３は、自船１０が旋回トラッキングモードで航行している間、定期的または不定期に、設定針路ψ０［ｎ］および指令舵角を算出して更新する。
【００９５】
なお、指令舵角算出部２３は、新たな設定針路ψ０［ｎ］の下限値を設定してもよい。
【００９６】
たとえば、間接目標地点算出部２２により、前々回算出された間接目標地点ＳをＳ［ｎ−２］とし、前回算出された間接目標地点ＳをＳ［ｎ−１］とし、新たに算出された間接目標地点ＳをＳ［ｎ］とする。また、間接目標地点Ｓ［ｎ−２］から間接目標地点Ｓ［ｎ−１］への方位をψｌｅｇ１とし、間接目標地点Ｓ［ｎ−１］から間接目標地点Ｓ［ｎ］への方位をψｌｅｇ２とする。
【００９７】
指令舵角算出部２３は、自船１０が時計回りの方向へ旋回している場合において、算出した設定針路ψ０［ｎ］が以下の式（１５）を満たす場合、設定針路ψ０［ｎ］を以下の式（１５）に従って変更する。
【数１５】
2019196103.tif 000017
【数１６】
2019196103.tif 000018
【００９８】
また、指令舵角算出部２３は、自船１０が反時計回りの方向へ旋回している場合において、算出した設定針路ψ０［ｎ］が以下の式（１７）を満たす場合、設定針路ψ０［ｎ］を以下の式（１８）に従って変更する。
【数１７】
2019196103.tif 000019
【数１８】
2019196103.tif 000020
【００９９】
なお、指令舵角算出部２３は、旋回航路Ｒ１２と間接目標地点Ｓとの位置関係に基づいて指令舵角を算出する構成であればよく、指令舵角算出部２３による指令舵角の算出方法は、上述の方法に限定されない。
【０１００】
＜動作の流れ＞
自動操舵装置１０１は、コンピュータを備え、当該コンピュータにおけるＣＰＵ等の演算処理部は、以下のフローチャートの各ステップの一部または全部を含む指令舵角算出プログラムを、たとえば記憶部１２からそれぞれ読み出して実行する。指令舵角算出プログラムは、外部からインストールすることができる。また、指令舵角算出プログラムは、記録媒体に格納された状態で流通する。
【０１０１】
図８は、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置による動作の流れを示すフローチャートである。
【０１０２】
図１および図８を参照して、まず、入力受付部１１は、複数の目標地点Ｐのユーザによる入力を受け付け、受け付けた各目標地点Ｐの位置を示す目標地点情報を記憶部１２に保存する（ステップＳ１１）。
【０１０３】
次に、航路算出部１３は、たとえば記憶部１２に保存された目標地点情報に基づいて航行ルートＲを算出する。具体的には、航路算出部１３は、目標地点情報の示す複数の目標地点Ｐのうち、自船１０が最初に経由する目標地点Ｐ１、および自船１０が次に経由する目標地点Ｐ２を特定し、特定した目標地点Ｐ１および目標地点Ｐ２の各々の位置に基づいて、航路Ｑ１、航路Ｑ２および旋回航路Ｒ１２を算出する。
【０１０４】
また、航路算出部１３は、たとえばＧＰＳ受信機１０２から受信した位置情報に基づいて、自船１０の現在位置Ｐ０および目標地点Ｐ１を通る直線Ｌ１と、目標地点Ｐ１および目標地点Ｐ２を通る直線Ｌ２とのなす角度である変針角θｔを算出する（ステップＳ１２）。
【０１０５】
次に、航路算出部１３は、算出した航行ルートＲに基づいて、変針開始ラインＬｘを算出する（ステップＳ１３）。
【０１０６】
次に、指令舵角算出部２３は、たとえば方位センサ１０３から受信した船首方向情報の示す船首方位ψ［ｎ］に基づいて、式（９）を満たす設定針路ψ０［ｎ］を算出する。そして、指令舵角算出部２３は、算出した新たな設定針路ψ０［ｎ］に基づいて、操舵機構１０４に対する指令舵角を算出し、算出した指令舵角を示す指令舵角情報を操舵制御部１５へ出力する（ステップＳ１４）。
【０１０７】
次に、操舵制御部１５は、指令舵角算出部２３から指令舵角情報を受けて、操舵機構１０４における舵角が当該指令舵角情報の示す指令舵角となるように操舵機構１０４を制御することにより、自船１０をＮＡＶモードで航行させる（ステップＳ１５）。
【０１０８】
次に、処理部１４におけるモード決定部２１は、たとえば航路算出部１３により算出された変針開始ラインＬｘと、自船１０の現在位置Ｐ０との距離を確認する。そして、モード決定部２１は、自船１０が変針開始ラインＬｘを通過していないと判断した場合（ステップＳ１６において「ＮＯ」）、自船１０のＮＡＶモードでの航行を継続させる（ステップＳ１３〜Ｓ１６）。
【０１０９】
一方、モード決定部２１は、自船１０が変針開始ラインＬｘを通過したと判断した場合（ステップＳ１６において「ＹＥＳ」）、自船１０の航行モードをＮＡＶモードから旋回トラッキングモードに切り替える旨を間接目標地点算出部２２および指令舵角算出部２３へ通知する（ステップＳ１７）。
【０１１０】
次に、間接目標地点算出部２２は、航行モードが旋回トラッキングモードに切り替えられる旨の通知をモード決定部２１から受けると、式（４）〜式（８）を用いて、間接目標地点Ｓの位置を算出し、算出した位置を示す間接目標地点情報を指令舵角算出部２３へ出力する（ステップＳ１８）。
【０１１１】
次に、指令舵角算出部２３は、自船１０の航行モードをＮＡＶモードから旋回トラッキングモードに切り替える旨の通知をモード決定部２１から受け、さらに間接目標地点算出部２２から間接目標地点情報を受けると、たとえば、ＧＰＳ受信機１０２から受信した位置情報に基づいて、自船１０の現在位置Ｐ０を確認する。
【０１１２】
そして、指令舵角算出部２３は、自船１０が境界点Ｔ１を通過していない場合、式（１０）〜式（１２）を用いて設定針路ψ０［ｎ］を算出する。一方、指令舵角算出部２３は、自船１０が境界点Ｔ１を通過している場合、式（１０）、式（１１）および式（１３）を用いて設定針路ψ０［ｎ］を算出する。
【０１１３】
そして、指令舵角算出部２３は、算出した新たな設定針路ψ０［ｎ］に基づいて、操舵機構１０４に対する指令舵角を算出し、算出した指令舵角を示す指令舵角情報を操舵制御部１５へ出力する（ステップＳ１９）。
【０１１４】
次に、操舵制御部１５は、指令角度算出部２３から指令舵角情報を受けて、操舵機構１０４における舵角が当該指令舵角情報の示す指令舵角となるように操舵機構１０４を制御する（ステップＳ２０）。
【０１１５】
次に、モード決定部２１は、たとえば、ＧＰＳ受信機１０２から受信した位置情報に基づいて、旋回トラッキングモードを終了するか否か判断する（ステップＳ２１）。そして、モード決定部２１は、たとえば自船１０が境界点Ｔ２を通過していないと判断した場合、旋回トラッキングモードを継続させると判断し（ステップＳ２１において「ＮＯ」）、自船１０の旋回トラッキングモードでの航行を継続させる（ステップＳ１８〜Ｓ２１）。
【０１１６】
一方、モード決定部２１は、たとえば自船１０が境界点Ｔ２を通過したと判断した場合、旋回トラッキングモードを終了すると判断し（ステップＳ２１において「ＹＥＳ」）、自船１０の航行モードを旋回トラッキングモードからＮＡＶモードに切り替える旨を間接目標地点算出部２２および指令舵角算出部２３へ通知する（ステップＳ２２）。
【０１１７】
次に、航路算出部１３は、記憶部１２に保存されている目標地点情報の示す複数の目標地点Ｐのうち、たとえば、自船１０が目標地点Ｐ２の次に経由する目標地点Ｐ３を、新たな航行ルートＲの生成に用いる目標地点として特定する（ステップＳ２３）。そして、航路算出部１３は、目標地点Ｐ２および目標地点Ｐ３の各々の位置に基づいて、航行ルートＲおよび変針角θｔを新たに算出する（ステップＳ１２）。そして、ステップＳ１３以降の動作が再び行われる。
【０１１８】
なお、間接目標地点算出部２２による間接目標地点Ｓの算出（ステップＳ１８）と、モード決定部２１による、旋回トラッキングモードを終了するか否かの判断（ステップＳ２１）とは、非同期に行われてもよい。
【０１１９】
ところで、予め設定された複数の目標地点を結ぶ航行ルートに沿って船を航行させる場合、変針の開始後において、たとえば波などの外的な要因により、所望の旋回航路に沿って航行することができないことがある。
【０１２０】
これに対して、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、航路算出部１３は、複数の目標地点Ｐの各々の位置に基づいて自船１０の旋回航路Ｒ１２を算出する。間接目標地点算出部２２は、自船１０の前方の間接目標地点Ｓを算出する。指令舵角算出部２３は、航路算出部１３により算出された旋回航路Ｒ１２と、間接目標地点算出部２２により算出された間接目標地点Ｓとの位置関係に基づいて、指令舵角を算出する。そして、操舵制御部１５は、指令舵角算出部２３により算出された指令舵角に基づいて、自船１０の操舵機構１０４を制御する。
【０１２１】
このように、自船１０の通過位置である間接目標地点Ｓを予測し、予測した間接目標地点Ｓと旋回航路Ｒ１２との位置関係に基づいて指令舵角を算出する構成により、自船１０が間接目標地点Ｓに到達した場合における指令舵角を、自船１０の間接目標地点Ｓへの到達に先立って算出することができる。このため、たとえば、指令舵角に従った操舵機構１０４の制御開始から船１０が実際に当該指令舵角に従って旋回開始するまでに時間を要する場合であっても、所望の地点においてより確実に旋回を開始することができる。
【０１２２】
したがって、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、航行すべき旋回航路Ｒ１２に沿った航行をより正確に行うことができる。
【０１２３】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、間接目標地点算出部２２は、指令舵角に対する自船１０の応答性に基づいて間接目標地点Ｓを算出する。
【０１２４】
このように、自船１０が予め有する性能に応じた動作時間を考慮して、間接目標地点Ｓの位置をより正確に算出することができる。
【０１２５】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、間接目標地点算出部２２は、自船１０の船速ｖに基づいて間接目標地点Ｓを算出する。
【０１２６】
このような構成により、自船１０の現在の船速ｖに応じたより正確な間接目標地点Ｓの位置を算出することができる。
【０１２７】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、間接目標地点算出部２２は、自船１０の設定針路ψ０［ｎ−１］および自船１０の現在の船首方位ψ［ｎ］に基づいて、間接目標地点Ｓを算出する。
【０１２８】
このような構成により、自船１０の実際の針路をより正確に把握することができるため、間接目標地点Ｓの位置をより正確に算出することができる。
【０１２９】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、指令舵角算出部２３は、旋回航路Ｒ１２を一部とする円の中心点Ｃ、および間接目標地点Ｓを通る直線Ｌｃｓと、旋回航路Ｒ１２との交点Ｉｎの接線方位ψｓｔに基づいて、指令舵角を算出する。
【０１３０】
このような構成により、複雑な演算処理を行うことなく、自船１０が間接目標地点Ｓに到達した場合における設定針路ψ０［ｎ］を算出することができる。
【０１３１】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、指令舵角算出部２３は、間接目標地点Ｓおよび交点Ｉｎ間の距離ＲＥｓにさらに基づいて指令舵角を算出する。
【０１３２】
このように、間接目標地点Ｓと旋回航路Ｒ１２とのずれである距離ＲＥｓを用いて、接線方位ψｓｔの補正を行い、より適切な指令舵角を算出することができる。
【０１３３】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、指令舵角算出部２３は、定期的または不定期に、指令舵角を算出して更新する。
【０１３４】
このような構成により、自船１０の船首方位ψ［ｎ］などの時系列的な変化に応じた、より適切な指令舵角を算出することができる。
【０１３５】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、指令舵角算出部２３は、自船１０の、旋回航路Ｒ１２の開始位置である境界点Ｔ１より手前の位置にある変針開始地点Ｘへの到達の前後において、指令舵角の算出方法を、間接目的地点Ｓを用いない算出方法から、間接目的地点Ｓを用いる算出方法に変更する。
【０１３６】
このような構成により、たとえば、航行すべき航路が直線状である場合には、簡易な演算処理により指令舵角を算出して演算負荷を軽減し、航行すべき航路が円弧状である場合には、微分係数などを用いた演算処理により指令舵角をより正確に算出して航行ルートに沿った航行を行わせることができる。
【０１３７】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、操舵制御部１５は、自船１０が円弧状の旋回航路Ｒ１２の航行を開始する前に、指令舵角に基づいて操舵機構１０４の制御を開始する。
【０１３８】
このような構成により、船１０は、旋回航路Ｒ１２に沿った航行をより正確に開始することができる。
【０１３９】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵装置１０１では、表示信号生成部１６は、旋回航路Ｒ１２および間接目標地点Ｓを外部機器に表示させるための表示信号を生成する。
【０１４０】
このような構成により、たとえば、外部機器におけるモニタに表示された画面を確認することにより、旋回航路Ｒ１２および間接目標地点Ｓの位置を容易に把握することができる。
【０１４１】
また、本発明の実施の形態に係る自動操舵方法では、まず、航路算出部１３は、複数の目標地点Ｐの各々の位置に基づいて自船１０の旋回航路Ｒ１２を算出する。次に、間接目標地点算出部２２は、自船１０の前方の間接目標地点Ｓを算出する。次に、指令舵角算出部２３は、航路算出部１３により算出された旋回航路Ｒ１２と、間接目標地点算出部２２により算出された間接目標地点Ｓとの位置関係に基づいて、指令舵角を算出する。そして、操舵制御部１５は、指令舵角算出部２３により算出された指令舵角に基づいて、自船１０の操舵機構１０４を制御する。
【０１４２】
このように、自船１０の通過位置である間接目標地点Ｓを予測し、予測した間接目標地点Ｓと旋回航路Ｒ１２との位置関係に基づいて指令舵角を算出する方法により、自船１０が間接目標地点Ｓに到達した場合における指令舵角を、自船１０の間接目標地点Ｓへの到達に先立って算出することができる。このため、たとえば、指令舵角に従った操舵機構１０４の制御開始から船１０が実際に当該指令舵角に従って旋回開始するまでに時間を要する場合であっても、所望の地点においてより確実に旋回を開始することができる。
【０１４３】
したがって、本発明の実施の形態に係る自動操舵方法では、航行すべき旋回航路Ｒ１２に沿った航行をより正確に行うことができる。
【０１４４】
上記実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１４５】
１１  入力受付部
１２  記憶部
１３  航路算出部
１４  処理部
１５  操舵制御部
１６  表示信号生成部
２１  モード決定部
２２  間接目標地点算出部
２３  指令舵角算出部
１０１  自動操舵装置
１０２  ＧＰＳ受信機
１０３  方位センサ
１０４  操舵機構
【図１】
2019196103.tif 000021
【図２】
2019196103.tif 000022
【図３】
2019196103.tif 000023
【図４】
2019196103.tif 000024
【図５】
2019196103.tif 000025
【図６】
2019196103.tif 000026
【図７】
2019196103.tif 000027
【図８】
2019196103.tif 000028