(57)【要約】【課題】船速変更などのあらゆる条件で取得された実舵角から実ヨーレートまでの周波数応答特性を有する船舶運動情報をもとに方位制御系を構成し、かつ、潮流または風などの船舶への外乱要因で励起される振動を助長することのない、船舶の方位制御装置および方位制御方法を得る。【解決手段】船外機を搭載した船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置であって、方位指令を出力する方位生成器と、この方位生成器による方位指令と、センサ群からのセンサ群情報と、船舶運動特性情報記憶部からの船舶運動特性情報とに基づいて舵角指令を出力する制御器とを備えた。【選択図】図１
2019188830.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船外機を搭載した船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置であって、
方位指令を出力する方位生成器と、
前記方位生成器による方位指令と、船舶に具備されたセンサ群からのセンサ群情報および船舶運動特性情報記憶部からの特性情報とに基づいて舵角指令を出力する制御器と、
を備えたことを特徴とする船舶の方位制御装置。
【請求項２】
前記制御器は、
前記方位生成器による方位指令と、前記センサ群からのセンサ群情報と、前記船舶運動特性情報記憶部からの特性情報をもとに、方位偏差を零とするような舵角指令を演算する制御演算器と、
前記制御演算器の出力を所定の周波数帯域に制限して出力する帯域制限演算器と、
を有することを特徴とする請求項１記載の船舶の方位制御装置。
【請求項３】
前記制御演算器は、
前記制御演算器内部の制御パラメータを前記センサ群からのセンサ群情報の１つである船舶の速度の関数あるいはマップとして与えることを特徴とした請求項２に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項４】
前記帯域制限演算器は、
前記帯域制限演算器内部の帯域制限パラメータを前記センサ群からのセンサ群情報の１つである船舶の速度の関数あるいはマップ、または固定値として与えることを特徴とした請求項２に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項５】
前記制御演算器は、さらに、
前記方位生成器による方位指令と、前記センサ群情報の１つである実方位を差分した方位偏差を零とするように舵角指令を生成する第１の制御演算器と、
前記方位指令または前記第１の制御演算器の出力をもとに、所望の方位を実現する指令を生成する第２の制御演算器と、
を有する請求項２から４のいずれか１項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項６】
前記方位生成器は、
船舶の航走経路の各ポイントにおいて方位、角速度および角加速度が満たすべき条件を設定する運動条件設定器と、
前記運動条件設定器からの出力である方位、角速度および角加速度の条件をもとに方位指令を演算する方位演算器と、
を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項７】
船外機を搭載した船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御方法であって、
方位生成器により設定された方位指令と、船舶に具備されたセンサ群から入力されたセンサ群情報と、船舶運動特性情報記憶部に記憶された船舶運動特性情報とに基づいて舵角指令を出力するようにしたことを特徴とする船舶の方位制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、船外機を備えた船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置および方位制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の船舶用自動操舵装置においては、参照針路と船首方位の間の実偏差を入力とし、この実偏差と、参照針路および制御対象モデルの出力間の偏差であるモデル偏差との間の差（同定誤差）を最小とするようにパラメータ同定をオフライン演算で行い、制御対象の物理モデルに出力する同定演算部を備えたものがある（例えば、特許文献１）。この同定誤差が最小のときに、実制御対象と制御対象モデルが概ね一致することになり、このときの制御対象モデルを表現するパラメータは、実制御対象のパラメータと概ね一致することになる。
【０００３】
また、船首方位を検出する方位センサと、ロール角を検出するロール角センサと、目標方位の設定を受け付ける方位設定部と、船首方位と目標方位とのずれ角である偏角を検出する偏角検出部と、偏角の変動の周期性とロール角の変動の周期性とに基づいて、自船の状態を判定する制御状態監視部とを備えた操舵制御装置が知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１８８９３号公報（段落００２５、００２６、図１）
【特許文献２】特開２０１０−２７４８６６号公報（段落０００７、０００９、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の船舶用自動操舵装置においては、推定する物理モデルが実舵角と実ヨーレートの動特性を１次遅れ要素で近似した単純な野本モデルであるため、船速などの状態で変化し得る実制御対象の振動極をそもそも同定できない。物理モデルの動特性に実制御対象の振動極を考慮していない結果、船舶の実挙動を正確に表現していない自動操舵を行う自動操舵装置は、制御調整が試行錯誤的になる上、実制御対象が振動しないように制御帯域（あるいは帯域幅）を下げざるを得ず、制御応答が保守的になる課題がある。
【０００６】
また、特許文献２の操舵制御装置においては、外乱による周期的なヨーイング発振と、制御に起因する発振状態の区別にロール角検出値を利用するとの記述があるが、この発振の区別に特化しており、振動が発生した後の制御系の状態遷移に関わる記述はない。
【０００７】
さらに、上述の２種類の発振状態判別において、外乱による周期的なヨーイング発振は、ヨーイング発振の周波数が方位制御帯域よりも低ければ、方位制御系がヨーイング発振を抑制するように作用するが、ヨーイング発振の周波数が方位制御帯域よりも高い場合、ヨーイング発振を抑制することができない。なお、制御に起因する発振は、制御対象の動特性を正確に把握した上で方位制御系を構成するそれぞれの制御ループの制御帯域を設計するため、ロール角を検出しなくても発振の予測は十分可能であることは言及するまでもない。
【０００８】
本願は、上記のような問題を解決するための技術を開示するものであり、船速変更などのあらゆる条件で取得された実舵角から実ヨーレートまでの周波数応答特性を有する船舶運動情報をもとに方位制御系を構成し、かつ、潮流または風などの船舶への外乱要因で励起される振動を助長することのない船舶の方位制御装置および方位制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願に開示される船舶の方位制御装置は、船外機を搭載した船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置であって、方位指令を出力する方位生成器と、前記方位生成器による方位指令と、船舶に具備されたセンサ群からのセンサ群情報および船舶運動特性情報記憶部からの特性情報とに基づいて舵角指令を出力する制御器とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願に開示される船舶の方位制御装置によれば、船速などで変化し得る制御対象のモデル化誤差を制御演算器のゲインスケジューリングで吸収できる。その結果、制御対象の特性変化に対してロバストな設計を可能とし、かつ方位制御に関わる外乱抑圧性能と目標値応答性能を適正に調整できる。さらに、潮流または風などの船舶への外乱要因で励起される振動を助長することなく、安定な方位制御を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る船舶の方位制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１の要部である船舶の方位制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。
【図３】図１における方位生成器の内部構成を示すブロック図である。
【図４】図１における制御器の内部構成を示すブロック図である。
【図５】図１における船舶運動特性情報記憶部の動作特性を説明するための図である。
【図６】図４における制御演算器の内部構成を示すブロック図である。
【図７】実施の形態２に係る船舶の方位制御システムの構成例を示すブロック図である。
【図８】図７における方位生成器の内部構成を示すブロック図である。
【図９】実施の形態３に係る制御演算器の内部構成を示すブロック図である。
【図１０】実施の形態１に係る船舶の方位制御装置の基本動作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、船舶の方位制御装置および方位制御方法の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。
なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。
【００１３】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による船舶の方位制御システムの構成例を示すブロック図で、制御対象である船舶、センサ群、舵角制御系、船舶の方位制御装置の関係を示している。
図において、船舶１には、基本的に、船舶の前後左右の並進運動または方位角を制御するためのアクチュエータである船外機(図示せず)が１機または複数機具備されている。船外機は、船体への推力を与える推力発生機構と、舵を切るための操舵機構(いずれも図示せず)を備えており、船舶の方位制御装置の出力である舵角指令をもとに、主として船外機の舵角を制御するものである。
なお、船舶１の推進、操舵機構として、エンジンの下にスクリューが一体に設けられたエンジン本体を船体の外側に取り付け、本体の向きを変えて船舶１の方向を変えるようにした小型船に多く見られる船外機がある。本願は、このような小型船の船外機に限定されず、エンジン等の駆動部が船内にあり、方向を可変とするスクリュー部が船外に露出している形態の推進、操舵機構を備えた大型の船舶１にも適用可能である。
以下では船外機として両方の場合を含むものとして説明する。
【００１４】
また、船舶１には、操船者が船舶の航走の初期条件と終端条件を入力する操作装置１ａと、船舶の航走状態を検出するためのセンサ群１ｂとが設けられている。
このセンサ群１ｂは、例えば、船舶１の緯度・経度を計測する全地球無線測位システム（以下、ＧＰＳと称す）および船舶１の方位角を計測する磁方位センサから構成されているが、船舶１の角速度を計測するジャイロ、船舶１の並進加速度を計測する加速度センサ等も備えた公知の慣性航法装置を備えていてもよい。
【００１５】
このセンサ群１ｂの出力が供給される船舶の方位制御装置１０は、方位生成器１００と、制御器２００と、船舶運動特性情報記憶部３００とから構成されており、制御器２００の出力が舵角制御系２を介して船舶１の推進、操舵機構に供給され、船舶１を航走させることになる。この船舶の方位制御装置１０における各構成は、ハードウエア構成の一例を図２に示すように、プロセッサ１１とメモリ１２とによって形成されている。このメモリ１２は、詳細を図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備しており、メモリ１２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１１にプログラムが入力される。また、プロセッサ１１は、演算結果等のデータをメモリ１２の揮発性記憶装置に出力してもよく、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。なお、補助記憶装置としては、フラッシュメモリの他に磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等のハードディスクを用いてもよい。
また、各部の機能については、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。
次に、実施の形態１による船舶の方位制御装置の基本動作を示す図１０を用いて説明する。
まず、操船者による運動条件を船舶の方位制御装置に設定する（ステップＳＴ１）。次に、前記運動条件に基づいて得られた方位指令と、後述する船舶運動特性情報を入力し、方位制御のパラメータを調整する（ステップＳＴ２およびステップＳＴ３）。その後、方位制御を実行することになる（ステップＳＴ４）。
【００１６】
次に、船舶の方位制御装置１０を構成する方位生成器１００、制御器２００および船舶運動特性情報記憶部３００について、その機能を詳細に説明する。
図３は、方位生成器１００の内部構成を示すブロック図で、図において、方位生成器１００には運動条件設定器１０１と方位演算器１０２とが設けられている。この運動条件設定器１０１は、船舶１の航走の初期条件と終端条件を設定するもので、操船者が船舶１の操作装置１ａに入力することにより設定される。
例えば、航走開始前の初期状態と所望の航走が完了した時点での終端状態における姿勢角（方位角またはヨー角と同義）、角速度（姿勢角の１回時間微分）および角加速度（姿勢角の２回時間微分）の情報を設定するものである。なお、この条件設定は、姿勢角、角速度および角加速度を数値化した値で与えてもよい。また、最近ではＧＰＳのユーザーインターフェースがタッチパネル化されていることも多いので、初期状態は、センサ群１ｂの検出値をセンサ群情報として自動的に取込み、終端状態のみをユーザーインターフェース画面でタッチ入力することによって設定してもよい。
【００１７】
また、方位演算器１０２は、運動条件設定器１０１の出力する初期状態の情報ＳＣＩと終端状態の情報ＥＣＩとを受けて、具体的な方位指令情報ＤＲＣを演算する。この方位指令情報ＤＲＣの演算方法は、複数考えられる。
例えば、運動条件設定器１０１で得られた船舶１の初期状態情報ＳＣＩと終端状態情報ＥＣＩにおける姿勢角、角速度および角加速度に基づいて、時間ｔの多項式として与えられた軌道を演算する。また、初期状態情報ＳＣＩと終端状態情報ＥＣＩを最短時間で結ぶ直線軌道として演算してもよく、初期状態と終端状態の間を最小燃料で到達可能な軌道として演算してもよい。すなわち、初期状態から終端状態に遷移する際、予め設定された評価関数を最小化する最適な軌道、例えば時間最短の意味で最適な軌道または最小燃料の意味で最適な軌道として演算してもよい。
【００１８】
次に、制御器２００は、図４に示すように、制御演算器２０１および帯域制限演算器２０２によって構成されている。この制御演算器２０１は、方位生成器１００の出力である方位指令情報ＤＲＣと、センサ群１ｂの出力であるセンサ群情報ＳＥＩとに基づいて、公知のＰＩＤ（Proportional Integral Derivative）制御により制限前舵角指令を出力する。
【００１９】
ここで、ＰＩＤ制御系の構成としては、例えば、方位指令情報ＤＲＣとセンサ群情報ＳＥＩの一部である実方位との方位偏差をもとに、この方位偏差を入力としたＰＩＤ演算の形態でもよい。また、ＰＩＤ制御系の構成として、方位指令情報ＤＲＣとセンサ群情報ＳＥＩの一部である実方位との方位偏差をもとに、この方位偏差を入力としてＰＩ演算した結果得られる速度指令相当と、センサ群情報ＳＥＩのうち実方位の１回時間微分で得られる実ヨーレートとの差分である速度偏差にゲインを乗じて演算する微分先行型ＰＩ＿Ｄ制御、方位指令情報ＤＲＣとセンサ群情報ＳＥＩのうち実方位との方位偏差をもとにＰ（Proportional）演算した速度指令相当とセンサ群情報ＳＥＩのうち実方位の１回時間微分で得られる実ヨーレートとの速度偏差をＰＩ演算するＰ＿ＰＩ制御としてもよい。すなわち、ＰＩＤ制御系の構成としては、古典制御理論におけるあらゆるＰＩＤ制御の構成を適用できる。
なお、方位偏差を示す偏差信号への前処理として、偏差が小さい予め設定された区間は偏差を便宜的に０とする不感帯処理を適用してもよい。
【００２０】
この制御演算器２０１の出力は、帯域制限演算器２０２に供給され、不要な周波数帯の出力信号を減衰させる。例えば、ノッチフィルタまたはバンドパスフィルタを適用することができるが、不要な周波数帯の信号を減衰させるフィルタ処理機能を有するものでよい。
【００２１】
次に、制御演算器２０１および帯域制限演算器２０２に情報を入力する船舶運動特性情報記憶部３００について説明する。船舶１の方位運動は、一般的に実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性として特徴付けることができる。例えば、上述の特許文献１においては、実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性を１次遅れ要素で近似した公知の野本モデルが扱われている。しかしながら、船舶１の周波数応答特性は、船舶１の運動状態、例えば船舶の速度（以下、船速とも呼ぶ）によって大きく変化し、例えば、舵角を所定量だけ所定速度で切った場合、船速が低い領域では実ヨーレートが小さく、船速が高い領域では実ヨーレートが大きい性質がある。したがって、船速によって制御応答のばらつきを小さく、過言すれば制御系の応答を決める交差周波数を船速に依らず一定とするためには、制御演算器２０１を構成する制御パラメータを船速に応じて可変とする必要がある。
【００２２】
このように制御演算器２０１内の制御パラメータを船速に応じて適切に設計ないし設定するために、船舶運動特性情報記憶部３００は、船速をパラメータとした実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性情報を有している。図５は、船舶運動特性情報記憶部３００における特性の一例を示すもので、実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性をゲインと位相で表現したものである。この周波数応答特性の取得は、上述のＰＩＤ制御ループを切った状態で、舵角指令の入力を正弦波として周波数掃引し、そのときの実舵角に対する実ヨーレートのゲインと位相をプロットする手段が利用できる。あるいは、舵角指令の入力をＭ系列に代表されるランダム入力としても良い。
なお、図５に示すように、船速が低い低速の領域（実線で示す）では、１次の野本モデルで比較的近似しやすい特性を有す。しかしながら、船速が高い高速の領域（破線で示す）では、ゲインが増大するとともに、条件によっては高周波側に緩やかなピークゲインを有する形状となり、１次の野本モデルでは近似することができない。
【００２３】
このため、船舶運動特性情報記憶部３００は、船速をパラメータとした実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性をプロパーな伝達関数として船速毎に近似させる。具体的には、ラプラス演算子をｓとし、［実ヨーレート／実舵角の周波数応答特性］を［分母の最大次数≧分子の最大次数］で規定したｓの多項式で近似させる。次数とは、ｓの多項式次数に相当する。このようにすることによって、［実ヨーレート／実舵角の周波数応答特性］を振動極すなわち共役複素数をも考慮した、実態に沿う特性として精緻化することができる。したがって、船舶運動特性情報記憶部３００の出力である特性情報は、近似された船速毎のプロパーな伝達関数を意味することになる。
【００２４】
このような船舶運動特性情報記憶部３００からの特性情報をもとに、制御演算器２０１内に構成された前述のＰＩＤ制御系の制御パラメータに対し、例えば公知の部分的モデルマッチング法にて、それぞれの制御ループが望ましい規範応答となるように、一義的に制御パラメータを確定させることができる。
【００２５】
図６は、制御演算器２０１の具体的な内部構成を示すもので、上述したＰＩＤ制御系は、第１の制御演算器２０１ａに相当する。すなわち、第１の制御演算器２０１ａでは、検出されたセンサ群情報ＳＥＩのうちの実方位を方位指令情報ＤＲＣに追従させるフィードバック制御の役割を果たしている。フィードバック制御系の形式を例えばＰＩ＿Ｄ制御またはＰ＿ＰＩ制御のように確定させておくことにより、船舶運動特性情報記憶部３００からの特性情報に基づき、それぞれの制御ループによって満たすべき交差周波数設計値を定め、これに基づき、部分的モデルマッチング法によって第１の制御演算器２０１ａ内の制御パラメータを一義的に確定させることができる。また、センサ群情報ＳＥＩのうちの船速をもとに、制御パラメータを船速に対する関数あるいはマップとして定めることができる。この結果、第１の制御演算器２０１ａは、第１の制限前舵角指令情報を出力することになる。
【００２６】
一方、第２の制御演算器２０１ｂは、フィードフォワード制御の役割を果たす。すなわち、方位指令情報ＤＲＣを入力とし、方位指令を満足するような第２の制限前舵角指令情報を出力として生成するものである。この第２の制御演算器２０１ｂには、例えば、図１に示した舵角制御系２からセンサ群１ｂまでの周波数伝達関数の逆モデルを利用することができる。より具体的には、舵角指令からセンサ群１ｂの検出値の１つである実方位までの周波数伝達関数、すなわち［実方位／舵角指令］が定まれば、その逆モデルである［舵角指令／実方位］を適用すればよい。
【００２７】
この逆モデルが高次、例えば２回の時間微分を含む場合には、第２の制御演算器２０１ｂの出力である舵角指令が急峻に変化することを抑えるため、ローパスフィルタまたは移動平均処理を逆モデルの後段に備えても良いし、逆モデル自体の次数を減らす近似処理を導入してもよい。
また、逆モデルのパラメータは、船舶運動特性情報記憶部３００の出力である特性情報に基づき、例えば船速に応じた関数またはマップとして設定することもできる。
【００２８】
すなわち、第１の制御演算器２０１ａおよび第２の制御演算器２０１ｂの制御パラメータは、船速の関数として記述することができるが、船速を入力として制御パラメータを出力するマップとして記述することも可能である。
この第１の制御演算器２０１ａおよび第２の制御演算器２０１ｂの出力は、加算器により加算されて制御演算器２０１の出力とされる。
【００２９】
次に、制御演算器２０１の出力を受ける帯域制限演算器２０２は、船舶運動特性情報記憶部３００の出力である特性情報をもとに、制御演算器２０１の出力（制限前舵角指令）により所定の周波数帯域の信号を減衰させるものである。この帯域制限演算器２０２に適用できるノッチフィルタまたはバンドパスフィルタは、一般的に位相変化が急峻であるため、センサ群情報ＳＥＩの１つである船速を利用し、船速に応じて減衰させたい周波数帯域幅、中心周波数または深さを可変とする。例えば、前記中心周波数は、図５に示す特性中に黒丸で示すピークゲインの周波数に設定することができる。
このようなフィルタのパラメータは、船速の関数として記述できるが、船速を入力として制御パラメータを出力するマップとして記述することも可能である。当然ながら、制御応答に影響のない範囲であれば、固定値としてもよい。
【００３０】
以上のように、実施の形態１によれば、船外機を搭載した船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置であって、方位指令を出力する方位生成器と、この方位指令と、船舶に設けられたセンサ群からのセンサ群情報と、船舶運動特性情報記憶部からの特性情報とに基づいて舵角指令を出力する制御器を備えたことによって、船速などで変化し得る制御対象のモデル化誤差を船速に応じた制御演算器のゲインスケジューリングで吸収することができる。この結果、制御対象の特性変化に対してロバストな設計を可能とし、かつ方位制御に関わる外乱抑圧性能と目標値応答性能を適正に調整することができる。さらに、潮流または風などの船舶への外乱要因で励起される振動を助長することもなく、安定な方位制御を実現することができる。
【００３１】
実施の形態２．
図７は、実施の形態２に係る船舶の方位制御システムの全体構成を示すブロック図であり、制御対象である船舶、センサ群、舵角制御系、船舶の方位制御装置の関係を示している。
上述の実施の形態１においては、船舶１の航走の初期条件と終端条件を設定する方位生成器１００を船舶１の操作装置１ａに入力するように構成しているが、実施の形態２においては、さらに、センサ群１ｂの出力であるセンサ群情報ＳＥＩを方位生成器１００Ａに入力している。その他の構成は、図１と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。
【００３２】
次に、方位生成器１００Ａについて具体的な構成を示す図８を用いて説明する。
図において、方位生成器１００Ａは、運動条件設定器１０１Ａと方位演算器１０２Ａとから構成されている。
ここで、運動条件設定器１０１Ａは、船舶１の航走の初期条件と終端条件を設定するもので、例えば、姿勢角（方位角またはヨー角と同義）、角速度（姿勢角の１回時間微分）、および角加速度（姿勢角の２回時間微分）の他に、位置、速度（位置の１回時間微分）、加速度（位置の２回時間微分）を与えることができ、航走開始前の初期状態と所望の航走が完了した時点での終端状態とを例えば船舶１の操作装置１ａを操作することによって入力設定されるものである。なお、操船者が意図した初期状態から終端状態まで操船したい場合の入力設定は、姿勢角、角速度、角加速度の他に位置、速度、加速度を数値化した値で与えてもよい。
【００３３】
また、方位演算器１０２Ａは、運動条件設定器１０１Ａが出力する初期状態情報ＳＣＩと終端状態情報ＥＣＩを受け、方位指令情報ＤＲＣのプロファイルを演算するものである。
具体的には、運動条件設定器１０１Ａからの入力とセンサ群１ｂからのセンサ群情報ＳＥＩのうちの実ヨーレート、実方位、緯度・経度、船速とに基づいて、例えば、ドライバーが不安・不快に感じないヨーレート上限以下というような指標あるいは条件を満足する操作性および安全性に関わる方位指令を生成する。上述したように、航走時には、所定のヨーレート上限以下という拘束条件下で、所定の制御周期ごとに取り込まれるセンサ群１ｂからの実ヨーレート、実方位、緯度・経度、船速を参照しながら、いわゆる線形計画問題または二次計画問題で定式化された最適化問題を逐一解き、現時点の状態量からより望ましい状態量へ近づけるような方位指令を生成する。
なお、参照するセンサ群情報ＳＥＩは上述した範囲に限ることなく、実ロールレートなどの値も併用できる。
このように、運動条件設定器１０１Ａの出力情報に加えてセンサ群１ｂからのセンサ群情報を方位演算器１０２Ａに入力することにより、実施の形態１で示した効果に加えて、ドライバー固有の操作性および安全性を考慮した方位指令を演算、生成することが可能となり、ドライバーの志向に応じた方位制御を実現することができる。
【００３４】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３に係る制御演算器の内部構成を示すブロック図である。
上述の実施の形態２においては、制御演算器２０１の第１の制御演算器２０１ａの出力と第２の制御演算器２０１ｂの出力を加算して舵角指令を発生させるように構成したが、実施の形態３においては、第２の制御演算器２０１ｄの出力を第１の制御演算器２０１ｃに入力するように構成している。
なお、船舶、センサ群、舵角制御系の構成は、先に示した実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００３５】
ここで、第１の制御演算器２０１ｃは、フィードバック制御の役割を果たしているが、フィードバック制御の形態は、任意であることを実施の形態１において説明した。すなわち、フィードバック制御系においては、制御系の安定性を確保するために、センサ群情報ＳＥＩの１つである実方位を方位指令に追従させるための角度制御メジャーループと、実方位の１回時間微分あるいはセンサ群情報ＳＥＩの１つである実ヨーレートを角速度指令に追従させるための角速度制御マイナーループとの２重ループを構成している。
【００３６】
この場合、第２の制御演算器２０１ｄの出力を第１の制御演算器２０１ｃの角速度制御マイナーループに注入する角速度指令相当とすることができる。このときの第２の制御演算器２０１ｄの具体的な周波数伝達関数は、角速度マイナーループが所定の角速度制御帯域で制御されていることを鑑みれば、方位指令の１回時間微分に所定の係数を掛けたものとして表現できる。この所定の係数は、船舶運動特性情報記憶部３００の出力である特性情報をもとに、例えば船速に応じて変化させるように設定することができる。
【００３７】
このような実施の形態３によれば、実施の形態１で示した効果と同様な効果を実現することができるとともに、特に、第２の制御演算器２０１ｄの出力を第１の制御演算器２０１ｃに入力することによって方位変更時の船舶１の突発的な方位変動をより抑制することができる。
【００３８】
なお、上述の全ての実施の形態において、制御器２００内の第１の制御演算器の構成は、角度メジャーループのみ、角度メジャーループと角速度マイナーループの２重ループの他に、角度メジャーループと角速度マイナーループと角加速度マイナーループの３重ループとすることも当然可能である。このとき、角加速度は、センサ群情報の１つである実方位を２回時間微分で求めてもよく、あるいは実ヨーレートを１回時間微分して求めてもよい。
さらに、全ての実施の形態において、制御器の形態は、古典制御系のみならず、状態フィードバック制御を為す現代制御系の枠組みも当然のことながら利用することができる。
【００３９】
また、各実施の形態において、方位制御装置１０の方位生成器１００、制御器２００、船舶運動特性情報記憶部３００、さらにこれらを構成する各機能からなる制御部分は、別々の制御回路で構成してもよく、また１つの制御回路にまとめて構成してもよい。
【００４０】
なお、本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４１】
１：船舶、    １ａ：操作装置、    １ｂ：センサ群、    １０：方位制御装置、
１００，１００Ａ：方位生成器、    １０１，１０１Ａ：運動条件設定器、
１０２，１０２Ａ：方位演算器、    ２００：制御器、    ２０１：制御演算器、
２０１ａ，２０１ｃ：第１の制御演算器、２０１ｂ，２０１ｄ：第２の制御演算器、
３００：船舶運動特性情報記憶部
【図１】
2019188830.tif 000003
【図２】
2019188830.tif 000004
【図３】
2019188830.tif 000005
【図４】
2019188830.tif 000006
【図５】
2019188830.tif 000007
【図６】
2019188830.tif 000008
【図７】
2019188830.tif 000009
【図８】
2019188830.tif 000010
【図９】
2019188830.tif 000011
【図１０】
2019188830.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月13日(2019.3.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置であって、
方位指令を出力する方位生成器と、
前記方位生成器による方位指令と、船舶に具備されたセンサ群からのセンサ群情報と、船速をパラメータとした実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性情報を記憶した船舶運動特性情報記憶部からの特性情報とに基づいて舵角指令を出力する制御器と、
を備えたことを特徴とする船舶の方位制御装置。
【請求項２】
前記制御器は、
前記方位生成器による方位指令と、前記センサ群からのセンサ群情報と、前記船舶運動特性情報記憶部からの特性情報をもとに、方位偏差を零とするような舵角指令を演算する制御演算器と、
前記制御演算器の出力を所定の周波数帯域に制限して出力する帯域制限演算器と、
を有することを特徴とする請求項１記載の船舶の方位制御装置。
【請求項３】
前記制御演算器は、
前記制御演算器内部の制御パラメータを前記センサ群からのセンサ群情報の１つである船舶の速度の関数あるいはマップとして与えることを特徴とした請求項２に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項４】
前記帯域制限演算器は、
前記帯域制限演算器内部の帯域制限パラメータを前記センサ群からのセンサ群情報の１つである船舶の速度の関数あるいはマップ、または固定値として与えることを特徴とした請求項２に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項５】
前記制御演算器は、さらに、
前記方位生成器による方位指令と、前記センサ群情報の１つである実方位を差分した方位偏差を零とするように舵角指令を生成する第１の制御演算器と、
前記方位指令または前記第１の制御演算器の出力をもとに、所望の方位を実現する指令を生成する第２の制御演算器と、
を有する請求項２から４のいずれか１項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項６】
前記方位生成器は、
船舶の航走経路において、方位、角速度および角加速度が満たすべき条件を設定する運動条件設定器と、
前記運動条件設定器からの出力である方位、角速度および角加速度の条件をもとに方位指令を演算する方位演算器と、
を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項７】
船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御方法であって、
方位生成器により設定された方位指令と、船舶に具備されたセンサ群から入力されたセンサ群情報と、船速をパラメータとした実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性情報を記憶した船舶運動特性情報記憶部からの船舶運動特性情報とに基づいて舵角指令を出力するようにしたことを特徴とする船舶の方位制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本願は、船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置および方位制御方法に関するものである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本願に開示される船舶の方位制御装置は、船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置であって、方位指令を出力する方位生成器と、前記方位生成器による方位指令と、船舶に具備されたセンサ群からのセンサ群情報と、船速をパラメータとした実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性情報を記憶した船舶運動特性情報記憶部からの特性情報とに基づいて舵角指令を出力する制御器とを備えたことを特徴とするものである。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
実施の形態１．
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による船舶の方位制御システムの構成例を示すブロック図で、制御対象である船舶、センサ群、舵角制御系、船舶の方位制御装置の関係を示している。
図において、船舶１には、基本的に、船舶の前後左右の並進運動または方位角を制御するためのアクチュエータである船外機(図示せず)が１機または複数機具備されている。船外機は、船体への推力を与える推力発生機構と、舵を切るための操舵機構(いずれも図示せず)を備えており、船舶の方位制御装置の出力である舵角指令をもとに、主として船外機の舵角を制御するものである。
なお、船舶１の推進、操舵機構として、エンジンの下にスクリューが一体に設けられたエンジン本体を船体の外側に取り付け、本体の向きを変えて船舶１の方向を変えるようにした小型船に多く見られる船外機がある。本願は、このような小型船の船外機に限定されず、エンジン等の駆動部が船内にあり、方向を可変とするスクリュー部が船外に露出している形態の推進、操舵機構を備えた大型の船舶１にも適用可能である。
以下では船外機として説明する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
以上のように、実施の形態１によれば、船舶を所望の方位で航走させる船舶の方位制御装置であって、方位指令を出力する方位生成器と、この方位指令と、船舶に設けられたセンサ群からのセンサ群情報と、船舶運動特性情報記憶部からの特性情報とに基づいて舵角指令を出力する制御器を備えたことによって、船速などで変化し得る制御対象のモデル化誤差を船速に応じた制御演算器のゲインスケジューリングで吸収することができる。この結果、制御対象の特性変化に対してロバストな設計を可能とし、かつ方位制御に関わる外乱抑圧性能と目標値応答性能を適正に調整することができる。さらに、潮流または風などの船舶への外乱要因で励起される振動を助長することもなく、安定な方位制御を実現することができる。