(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
選択された位置及び選択された方向で水域内の船舶を維持するためのシステムであって、
地球の地理座標系に対する前記船舶の地球上の位置及び船首方位を決定する前記船舶上のグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）と、
前記船舶の近くの対象物に対する前記船舶の相対位置及び方位を決定する前記船舶上の近接センサと、
ステーション維持モードで動作可能であり、前記ＧＰＳ及び前記近接センサと信号通信を行うコントローラと
を備え、
前記コントローラは、前記船舶の所与の範囲内に前記対象物があることに応答して、前記近接センサからの相対位置及び方位データを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が動いたか否かを決定し、
前記ステーション維持モードにおいて、前記コントローラは、その後、前記船舶を前記選択された位置及び前記選択された方向に戻すように要求される複数のスラストコマンドを計算し、前記複数のスラストコマンドを船舶用推進システムに出力し、前記船舶用推進システムは、前記複数のスラストコマンドを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向に前記船舶を再配置する、システム。
【請求項２】
前記ステーション維持モードの開始時に、前記近接センサが前記所与の範囲内に前記対象物を検出した場合、前記コントローラは、前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを用いることを選択する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ステーション維持モードの開始時に、前記近接センサが前記所与の範囲内に前記対象物を検出しない場合、前記コントローラは、前記ＧＰＳからの地球上の位置及び船首方位データを用いることを選択する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ステーション維持モードで動作している間、前記対象物からの予め定められた距離内に前記船舶が来たことを前記近接センサが検出したことに応答して、前記コントローラは、前記ＧＰＳからの地球上の位置及び船首方位データを用いることから、前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを用いることに切り替えることを選択する、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記コントローラは、閉ループ制御アルゴリズムを用いて前記複数のスラストコマンドを計算し、前記コントローラが前記ＧＰＳからの地球上の位置及び船首方位データを用いているときよりも、前記コントローラが前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを用いているときに、前記コントローラは、より積極的な複数のスラストコマンドを出力する、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、
（ａ）前記選択された位置と、前記地球上の位置又は前記相対位置との間の差が、必要に応じて、位置誤差の閾値より大きいこと、及び
（ｂ）前記選択された方向と、前記船首方位又は前記方位との間の差が、必要に応じて、方向誤差の閾値より大きいこと
のうちの一方又は両方が真でない限り、前記船舶を再配置するために前記複数のスラストコマンドを計算せず、
前記位置誤差の閾値及び前記方向誤差の閾値は、前記コントローラが前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを用いるときよりも、前記コントローラが前記ＧＰＳからの前記地球上の位置及び船首方位データを用いるときに大きい、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記船舶の後半部に連結される複数の船舶用推進デバイスをさらに備え、前記複数の船舶用推進デバイスの各船舶用推進デバイスは、
エンジン速度で出力シャフトを回転させるエンジンと、
前記出力シャフトとトルク伝達関係で連結され、スラストを生成して前記船舶を推進させる推進器と、
前記出力シャフトと前記推進器との間におけるトルク伝達の方向を制御するトランスミッションと、
前記推進器により生成された前記スラストの方向を変化させるために、操舵軸に関して前記推進器が回転可能である通常垂直な前記操舵軸と
を有し、
前記複数のスラストコマンドは、前記複数の船舶用推進デバイスの各船舶用推進デバイスごとに、前記操舵軸の周りの前記推進器のステアリング角、前記出力シャフトと前記推進器との間における前記トルク伝達の方向、及び、前記エンジン速度を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記複数の船舶用推進デバイスは、複数のスターンドライブを有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
座標変換アルゴリズムを用いて、前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを、前記コントローラが前記複数のスラストコマンドを計算するために用いることができる船舶フレームワーク誤差データに変換する変換モジュールをさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記対象物に対するさらなる相対位置及び方位データを提供する前記船舶上の少なくとも１つのさらなる近接センサをさらに備え、前記選択された位置及び前記選択された方向に前記船舶を戻すように要求される前記複数のスラストコマンドを計算する前に、前記コントローラは、全ての近接センサからの前記相対位置及び方位データを把握する、請求項１から９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
選択された位置及び選択された方向で水域内の船舶を維持するための方法であって、
入力を受け取って、前記船舶の制御システムのステーション維持モードを開始する段階と、
グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を用いて前記船舶の地球上の位置及び船首方位を取得する段階と、
前記船舶上の近接センサを用いて、前記船舶の所与の範囲内に対象物があるか否かを決定する段階と、
前記船舶の前記所与の範囲内に前記対象物があることに応答して、前記近接センサを用いて前記対象物に対する前記船舶の相対位置及び方位を取得する段階と、
前記船舶の前記所与の範囲内に前記対象物があることに応答して、その後、前記近接センサからの相対位置及び方位データを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が後に動いたか否かを決定する段階と、
前記選択された位置及び前記選択された方向に前記船舶を戻す複数のスラストコマンドを計算する段階と、
前記複数のスラストコマンドを船舶用推進システムに出力する段階であって、前記船舶用推進システムが、前記複数のスラストコマンドを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向に前記船舶を再配置する、段階と
を備える方法。
【請求項１２】
前記船舶の前記所与の範囲内に前記対象物がないことに応答して、その後、前記ＧＰＳからの地球上の位置及び船首方位データを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が後に動いたか否かを決定する段階と、
前記選択された位置及び前記選択された方向と、実際の位置及び実際の方向との間の差を用いて、前記複数のスラストコマンドを計算する段階であって、必要に応じて、前記相対位置及び方位データ、又は、前記地球上の位置及び船首方位データから前記差が決定される、段階と
を更に備える、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ステーション維持モードの開始時に、前記船舶の前記所与の範囲内に前記対象物があることに応答して、前記相対位置及び前記方位を、前記選択された位置及び前記選択された方向として設定する段階をさらに備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記相対位置及び方位データを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が動いたか否かを決定している間、前記ＧＰＳからの前記地球上の位置及び船首方位データを利用して、前記近接センサが動作可能であることを確認する段階をさらに備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記相対位置及び方位データを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が動いたか否かを決定している間、前記ＧＰＳからの前記地球上の位置及び船首方位データを利用して、前記対象物が動いているか否かを決定する段階をさらに備える、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ステーション維持モードの開始時に、前記船舶の前記所与の範囲内に前記対象物がないことに応答して、前記地球上の位置及び前記船首方位を、前記選択された位置及び前記選択された方向として設定する段階をさらに備える、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記所与の範囲内に前記対象物がないと決定した後であって、かつ、前記地球上の位置及び船首方位データを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が動いたか否かを決定している間、前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを無視する段階をさらに備える、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記所与の範囲内に前記対象物がないことを決定した後、かつ、前記地球上の位置及び船首方位データを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が動いたか否かを決定する間、前記近接センサを用いて、前記対象物からの予め定められた距離内に前記船舶が後に来たか否かを検出する段階と、
前記対象物からの前記予め定められた距離内に前記船舶がある場合、前記相対位置及び方位データを前記地球上の位置及び船首方位データにフィルタリングして、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が動いたか否かを決定する段階と
をさらに備える、請求項１６又は１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記対象物に対するさらなる相対位置及び方位データを提供する前記船舶上の少なくとも１つのさらなる近接センサを用いて、前記選択された位置及び前記選択された方向に前記船舶を戻す前記複数のスラストコマンドを計算する前に、全ての近接センサからの前記相対位置及び方位データを把握する段階をさらに備える、請求項１１から１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数のスラストコマンドを計算する前に、前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを船舶フレームワーク誤差データに変換する段階をさらに備える、請求項１１から１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記ＧＰＳからの前記地球上の位置及び船首方位データを用いているときよりも、前記近接センサからの前記相対位置及び方位データを用いているときに、より積極的な複数のスラストコマンドを出力して、前記選択された位置及び前記選択された方向のうちの一方又は両方から前記船舶が動いた否かを決定する段階をさらに備える、請求項１２から２０のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１６年３月１日出願の米国仮出願第６２／３０１，８８７号の利益を主張し、これによって、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、水域内の船舶の位置及び方向を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
全体として参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，２７３，７７１号は、船舶に取り付けられており、シリアル通信バス及びコントローラとの信号通信で接続され得る船舶用推進システムを組み込んだ船舶の制御システムを開示する。複数の入力デバイス及び出力デバイスは、また、通信バスとの信号通信で接続され、ＣＡＮ  Ｋｉｎｇｄｏｍネットワークのようなバスアクセスマネージャは、コントローラとの信号通信で接続されて、バスとの信号通信における複数のデバイスに対する追加のデバイスの組み込みを調節しており、それによって、コントローラは、通信バス上の複数のデバイスのそれぞれと信号通信で接続される。入力及び出力デバイスは、他のデバイスによる受信用のシリアル通信バスに複数のメッセージをそれぞれ送信することができる。
【０００４】
全体として参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，２６７，０６８号は、ジョイスティックのような、手動で動作可能な制御デバイスから受信した複数のコマンドに応答して、第１及び第２船舶用推進デバイスのそれぞれの操舵軸を中心に、第１及び第２船舶用推進デバイスを独立して回転させることにより操縦される船舶を開示する。船舶の重心において、回転運動が要求されないときに、複数の船舶用推進デバイスは、船舶の中心線上の一点で分割するそれらのスラストベクトルと一直線になっている。複数の内燃機関が複数の船舶用推進デバイスを駆動させるべく設けられる。２つの船舶用推進デバイスの操舵軸は、通常、互いに垂直かつ平行である。２つの操舵軸は、船舶の外殻構造の底面を通じて延伸する。
【０００５】
全体として参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，３０５，９２８号は、船舶が船舶の操縦者により選択される所望の位置及び船首方位に従って、自身の地球上の位置及び船首方位を維持するような方法で船舶を操縦する船舶ポジショニングシステムを開示する。ジョイスティックと併せて用いられるときに、船舶の操縦者は、システムをステーション維持有効モードに置くことができ、その結果、システムは、アクティブモードからインアクティブモードへのジョイスティックの初期変更の際に取得される所望の位置を維持する。この方法では、操縦者は、手動で船舶を選択的に操縦でき、ジョイスティックが放されたときに、船舶は、操縦者がジョイスティックでそれを操縦することを停止した時点の位置を維持する。
【０００６】
全体として参照により本明細書に組み込まれる米国特許第８，９２４，０５４号は、船舶用推進デバイスを有する船舶を正しい方向に置くためのシステム及び方法を開示する。制御回路は、船舶用推進デバイスの動作を制御する。ユーザ入力デバイスは、船舶のユーザが所望する地球上の位置及びユーザが所望する船首方位を制御回路に入力する。制御回路は、船舶のユーザが所望する地球上の位置と実際の地球上の位置との間の位置の差を計算し、位置の差を最小限に抑えるべく船舶用推進デバイスを制御する。当該位置の差が閾値より大きいときに、制御回路は、船舶用推進デバイスを制御して、ユーザが所望する地球上の位置に向けて船舶の実際の船首方位を正しい位置に置く。当該位置の差が閾値より小さいときに、制御回路は、船舶用推進デバイスを制御して、位置の差を最小限に抑えつつ、実際の船首方位とユーザが所望する船首方位との間の差を最小限に抑える。
【発明の概要】
【０００７】
本概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される概念の選択を紹介するために提供される。本概要は、クレームされた主題についての重要な又は必須の機能を特定することを意図したものでもなければ、クレームされた主題の範囲を限定する際の補助として使用されることを意図したものでもない。
【０００８】
本開示の一例によれば、選択された位置及び選択された方向で水域内の船舶を維持するためのシステムが開示される。船舶上のグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）は、地球の地理座標系に対する船舶の地球上の位置及び船首方位を決定する。船舶上の近接センサは、船舶の近くの対象物に対する船舶の相対位置及び方位を決定する。コントローラは、ステーション維持モードで動作可能であり、ＧＰＳ及び近接センサと信号通信を行う。コントローラは、ＧＰＳからの地球上の位置及び船首方位データを用いること、及び、近接センサからの相対位置及び方位データを用いることのどちらかを選択して、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶が動いたか否かを決定する。ステーション維持モードにおいて、コントローラは、その後、選択された位置及び選択された方向に船舶を戻すのに必要な複数のスラストコマンドを計算して、複数のスラストコマンドを船舶用推進システムに出力し、船舶用推進システムは、当該複数のスラストコマンドを用いて、選択された位置及び選択された方向に船舶を再配置する。
【０００９】
本開示の更なる例によれば、選択された位置及び選択された方向で水域内の船舶を維持するための方法が開示される。方法は、入力を受け取って船舶の制御システムのステーション維持モードを開始し、船舶上の近接センサを用いて、対象物が船舶の所与の範囲内にあるか否かを決定する段階を含む。船舶の所与の範囲内に対象物があることに応答して、方法は、近接センサを用いて、対象物に対する船舶の相対位置及び方位を取得する段階と、その後、近接センサからの相対位置及び方位データを用いて、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶が後に動いたか否かを決定する段階とを含む。船舶の所与の範囲内に対象物がないことに応答して、方法は、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）を用いて船舶の地球上の位置及び船首方位を取得する段階と、その後、ＧＰＳからの地球上の位置及び船首方位データを用いて、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶が後に動いたか否かを決定する段階とを含む。方法は、選択された位置及び選択された方向と、実際の位置及び実際の方向との間の差を用いて、相対位置及び方位データ、又は、地球上の位置及び船首方位データから決定されたときに、必要に応じて、選択された位置及び選択された方向に船舶を戻す複数のスラストコマンドを計算する段階をさらに含む。方法は、複数のスラストコマンドを船舶用推進システムに出力する段階をさらに含み、船舶用推進システムは、当該複数のスラストコマンドを用いて、選択された位置及び選択された方向に船舶を再配置する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
船舶の位置及び方向を制御するためのシステム及び方法についての複数の例が以下の図を参照して説明される。同様の特徴及び同様のコンポーネントを参照すべく、同じ番号が複数の図の全体にわたって使用される。
【００１１】
【図１】例示的な推進制御システムを有する例示的な船舶を示す。
【００１２】
【図２】２つの異なる位置及び方向における船舶についての概略図である。
【００１３】
【図３】ドックの近くの船舶についての概略図である。
【００１４】
【図４】ドックに対する２つの異なる位置及び方向における船舶についての概略図である。
【００１５】
【図５】本開示に係る船舶の位置及び方向を制御するための方法を示す。
【００１６】
【図６】本開示に係る船舶の位置及び方向を制御するためのシステムを概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本説明において、特定の用語が簡潔、明晰及び理解のために使用されている。そのような用語は、説明の目的のみに使用され、かつ、広く解釈されることを意図したものであるから、不必要な限定が、そこから従来技術の要件を超えて示唆されるべきではない。
【００１８】
図１−４及び図６は、船舶、及び、船舶を正しい方向に置き、かつ、操縦するための制御システムについての様々な実施形態を概略的に示す。示され説明される船舶、推進システム及び制御システムについての特定の構成は例示的なものであることが理解されるべきである。それらのための実質的に異なる構成を用いて本開示に説明される概念を適用することが可能である。例えば、図示される船舶は、２つ又は３つの船舶用推進デバイスを有する。しかしながら、本開示の概念は、任意の数の船舶用推進デバイスを有する船舶に適用可能であることが理解されるべきである。さらに、本開示は、スターンドライブといわれる複数の推進デバイスを説明するが、プロペラ、インペラ、ノズル等を用いて、船内配置、船外配置、ポッド配置等のような他の配置が同じ複数の原理及び複数の方法に従って制御され得る。本明細書で説明される制御システムは、グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）デバイス及び慣性測定ユニット（ＩＭＵ）のような特定の動作構造を含む。本開示で開示される概念は、地球上の位置データを取得するための異なるタイプのシステムで実装されることが可能であるが、本明細書に説明され、図示される特殊なタイプ及び数のそのようなデバイスに限定されないことが理解されるべきである。さらに、本開示は、特定のタイプのユーザ入力デバイスを説明する。本開示で開示される概念は、また、当業者に知られているような、ユーザ入力を用いることなく事前にプログラミングされたフォーマット又は異なるタイプのユーザ入力デバイスと併せて適用可能であることが認識されるべきである。当業者に認識されるように、さらなる均等物、代替物及び改良物が可能である。
【００１９】
本明細書を参照することにより組み込まれる上記の米国特許第７，３０５，９２８号は、前進又は後退方向のいずれにも動きがなく、かつ、回転がない状態で斜めに動く態様（'９２８特許の図２及び図３、及び、関連する説明を参照）、側方への動きがなく、かつ、回転がない状態で前進方向に動く態様（'９２８特許の図４、及び、関連する説明を参照）、船舶に及ぼされる直線力及びモーメントの両方を用いた組み合わせ運動を引き起こす（'９２８特許の図６、及び、関連する説明）態様、又は、前進／後退又は左／右方向のいずれにおいても直線的な動きがない状態で回転する（図６の代替例）態様で、どのように船舶を動かすことができるかを説明している。'９２８特許は、ジョイスティックのハンドルを前方、後方、左右又は角度で動かすことにより、ジョイスティックのハンドルを回転させることにより、又は、ジョイスティックの移動及び回転を組み合わせることにより、どのようにこれらのタイプの運動及び異なるスラストが要求され得るかをさらに説明する。'９２８特許は、また、どのようにコントローラがプログラムされてよく、あたかも、ステーション維持機能に従ってジョイスティックによりそれらが制御されるように、関連する船舶用推進デバイスを動かし、スラストを生成し、それによって、所望の地球上の位置及び所望の船首方位に船舶を維持することを説明している。ステーション維持機能を開始し、実行し、キャンセルする'９２８特許に説明されるデバイス及び方法は、水域内の選択された位置及び選択された方向に船舶を維持するための本開示のシステム及び方法についての基礎を形成する。
【００２０】
図１は、水域内の選択された位置及び方向において船舶を維持するための例示的な方法の複数の段階を実行するように構成される制御システム１２を有する船舶１０についての概略図である。船舶１０は、船舶１０の予め選択された位置に配置され、経度及び緯度の観点から船舶１０の地球上の位置に関連する情報を提供するＧＰＳ受信機１４を含むグローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）１５が設けられる。グローバルポジショニングシステム１５は、また、ＧＰＳ受信機１４と通信する慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１６を含む。ＩＭＵ１６は、例えば、ウィスコンシン州、フォンデュラクのマーキュリーマリーン社から入手可能なパート８Ｍ００４８１６２であってよい。ＩＭＵ１６についての特定の実施形態において、ＩＭＵ１６は、差分補正受信機、加速度計、角速度センサ、及び、これらのデバイスから取得される情報を操作して、経度及び緯度の観点から船舶１０の現在位置、北に対する船舶１０の現在の船首方位、並びに、船舶１０の速度及び加速度に関連する情報を自由度６で提供するマイクロプロセッサを有する。
【００２１】
制御システム１２は、また、船舶１０上の少なくとも１つの近接センサ３４ａを含む。地球の地理座標系に関する船舶１０の地球上の位置及び船首方位を決定する（ＧＰＳ受信機１４及びＩＭＵ１６を含む）ＧＰＳ１５とは対照的に、近接センサ３４ａは、船舶１０の近くの対象物３６に対する船舶１０の相対位置及び方位を決定する。対象物３６は、ブイ、ドック、汀線、防波堤等のような海域内、海中、海域近くにあるものであってよい。理想的には、近接センサ３４ａが対象物３６の一方の部分と対象物３６の他方の部分とを識別できるように、対象物３６は、３次元写真を近接センサ３４ａに提供できるように十分な物理変動量を有する。示される例において、対象物３６に対するさらなる相対位置及び方位データを提供する船舶１０上に、少なくとも１つのさらなる近接センサ３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、及び、全ての近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを把握して、対象物３６に対する船舶１０の位置を決定するコントローラ１８がある。近接センサ３４ａ−３４ｄは、全て同じタイプのものであってよく、又は、様々なタイプのものであってよい。特定のタイプの１より多いセンサが設けられてよく、複数のセンサが本明細書に示されるもの以外の場所に設けられてよい。示されるよりも少ない、又は、多いセンサを設けることもできる。
【００２２】
近接センサ３４ａ−３４ｄのうちの１又は複数は、ソナーデバイスであってよく、これは、音速に基づく範囲内の音波を送信してから受信するまでの時間を変換することにより、対象物３６に対する船舶１０の距離を測定する。船舶１０に対する対象物３６の方位を測定すべく、いくつかのハイドロフォンへの相対的な到着時間が測定されてよく、又は、ビームフォーミングとして当業者に知られている処理が用いられてよい。近接センサ３４ａ−３４ｄのうちの１又は複数は、ＬｉＤＡＲデバイスであってよく、ＬｉＤＡＲデバイスは、放射されたレーザパルスが対象物３６から跳ね返ってくるのにかかる時間を測定し、これを光の速度で与えられる距離に変換する。異なる複数の方法が、ＬｉＤＡＲデバイスを用いて方位を測定することに用いられてよく、これらの方法のうちの１つは、戻ってきた光線の中心軌跡を計算すべく、象限儀に配置される検出器を用いることを含み、検出器は、対象物３６から戻ってくる光の角度を決定するのに用いることができる。さらに別の例において、近接センサ３４ａ−３４ｄのうちの１又は複数は、レーダデバイスであってよく、レーダデバイスは、反射したエコーが戻ってくるのに必要とされる時間を測定することにより、対象物３６に対する距離を決定する。対象物３６に対する方位は、反射したエコーが戻ってくる方向により決定され得る。
【００２３】
図１は、また、ステーション維持モードで動作可能であり、ＧＰＳ１５及び近接センサ３４ａ−３４ｄと信号通信を行うコントローラ１８を示す。当業者は、コントローラ１８が多くの異なる形式を有し、示され、かつ、説明される例に限定されないことを認識するだろう。例えば、ここで、本明細書で以下に説明されるように、コントローラ１８は、ステーション維持方法を実行し、推進システム３８を制御するが、他の例では、別個の推進制御モジュール及び／又はスラストベクトル制御モジュールを各推進デバイスに対して設けることができる。従って、本明細書に説明される方法の複数の部分が単一のコントローラ、又は、いくつかの別個のコントローラにより実行され得る。さらに、各コントローラは、１又は複数の制御セクション又は制御ユニットを有することができる。いくつかの例において、コントローラ１８は、処理システム、ストレージシステム、ソフトウェア及び図１及び図６に示されるもののような、複数のデバイスと通信するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インタフェースを含むコンピューティングシステムを含んでよい。処理システムは、ステーション維持方法を用いてプログラムされるソフトウェアのようなソフトウェアをストレージシステムからロードして実行する。コンピューティングシステムにより実行されるときに、ステーション維持ソフトウェアは、本明細書で以下にさらに詳細に説明されるように処理システムを動作させてステーション維持方法を実行するよう指示する。コンピューティングシステムは、１又は複数のアプリケーションモジュール及び１又は複数のプロセッサを含んでよく、これらは通信可能に接続され得る。処理システムは、マイクロプロセッサ、及び、ストレージシステムからソフトウェアを読み出して実行する他の回路を有し得る。処理システムは、単一の処理デバイス内に実装されてよいが、既存の複数のプログラム命令で協働する複数の処理デバイス又はサブシステムに亘って分散されていてもよい。処理システムの非限定的な例は、汎用の中央演算処理装置、アプリケーション固有のプロセッサ及びロジックデバイスを含む。
【００２４】
ストレージシステムは、処理システムにより読み取り可能であり、かつ、ソフトウェアを格納することが可能な任意の記憶媒体を有し得る。ストレージシステムは、コンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール又は他のデータのような、情報の格納に関する任意の方法又は技術で実施される揮発性及び不揮発性、取り外し可能又は取り外し不可能な媒体を含み得る。ストレージシステムは、単一のストレージデバイスとして、又は、複数のストレージデバイス又はサブシステムに亘って実装され得る。ストレージシステムは、さらに、処理システムと通信することが可能なコントローラのようなさらなる要素を含み得る。記憶媒体の非限定的な例は、ランダムアクセスメモリ、リードオンリメモリ、磁気ディスク、光ディスク、フラッシュメモリ、仮想メモリ及び非仮想メモリ、磁気セット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ若しくは他の磁気ストレージデバイス、又は、所望の情報を格納するために用いることができ、命令実行システムによりアクセスされ得る任意の他の媒体を含む。記憶媒体は、非一時的又は一時的な記憶媒体であってよい。
【００２５】
この例において、コントローラ１８は、通信リンク１３を介して制御システム１２の１又は複数のコンポーネントと通信し、通信リンク１３は、有線又は無線リンクであってよい。コントローラ１８は、通信リンク１３を介して複数の制御信号を送信及び受信することにより、制御システム１２及び推進システム３８、並びに、それらの様々なサブシステムについての１又は複数の動作特性をモニタリングし、制御することが可能である。一例において、通信リンク１３は、米国特許第６，２７３，７７１号に説明されるような、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）バスであるが、他のタイプのリンクが用いられ得る。本明細書に示される通信リンク１３の接続の及ぶ範囲は、概略的な目的のみのためであり、実際には、通信リンク１３は、コントローラ１８と、本明細書で説明されるセンサ、デバイス及び様々なサブシステムのそれぞれとの間の通信を提供するが、明確にする目的のために、全ての接続が図面に示されているわけではないことに留意されるべきである。
【００２６】
コントローラ１８は、ＧＰＳ受信機１４、ＩＭＵ１６、近接センサ３４ａ−３４ｄ及びユーザ入力デバイス２０のような複数のデバイスから複数の入力を受信するので、コントローラ１８は、船舶１０の操縦者に手動で選択可能な動作のモードを提供することを可能にする。いくつかの例として、船舶の操縦者に船舶１０に関連する動作の様々なモードを手動で選択することを可能にするユーザ入力デバイス２０は、入力スクリーン、ボタン、キーパッド、ゲージ等であってよい。船舶の操縦者により行われるこれらの選択のうちの１つは、船舶１０が動作する水域内の選択された位置及び選択された方向で船舶の位置を維持すべく、ステーション維持モードで船舶１０を動作させることを操縦者が所望することをコントローラ１８に知らせるイネーブル信号を提供し得る。換言すると、本明細書において以下でさらに説明されるように、操縦者は、ユーザ入力デバイス２０を用いて、選択された位置（例えば、対象物３６に対して選択された経度及び緯度、又は、選択された位置）、及び、選択された方向（例えば、真北に対する船首方位又は対象物３６に対する方位）に船舶１０が維持されるように本システムをアクティブ化できる。一例において、'９２８特許で説明されるように、制御システム１２がステーション維持モードに入るべく、ユーザ入力デバイス２０が作動されるときに、ジョイスティック（図示せず）は、ニュートラルな位置にある必要がある。
【００２７】
本開示によれば、コントローラ１８は、ＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを用いること、及び、近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを用いることのどちらかを選択して、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶１０が動いたか否かを決定する。これらの例のそれぞれは、図２−４に関して以下に説明される。ステーション維持モードにある間、コントローラ１８は、その後、選択された位置及び選択された方向に船舶１０を戻すよう要求される複数のスラストコマンドを計算し、複数のスラストコマンドを船舶用推進システム３８に出力し、船舶用推進システムは、当該複数のスラストコマンドを用いて、選択された位置及び選択された方向に船舶１０を再配置する。
【００２８】
船舶用推進システム３８は、船舶１０の後半部に連結される複数の船舶用推進デバイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃを含む。本明細書に示される船舶用推進デバイス４０ａ−４０ｃは、スターンドライブであるが、上述のとおり、他のタイプのデバイスであってよい。複数の船舶用推進デバイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃの各船舶用推進デバイスは、エンジン速度で出力シャフト４４ａ、４４ｂ、４４ｃを回転させるエンジン４２ａ、４２ｂ、４２ｃを有する。推進器４６ａ、４６ｂ、４６ｃは、各出力シャフト４４ａ、４４ｂ、４４ｃとそれぞれトルク伝達関係で連結され、船舶１０を推進させるためのスラストを生成する。本明細書に示される推進器４６ａ−４６ｃは、プロペラであるが、上述のとおり、他のタイプの推進器であってよい。一連のシャフト及びトランスミッション４８ａ、４８ｂ、４８ｃが、前進、ニュートラル又は後退時における各出力シャフト４４ａ、４４ｂ、４４ｃと、各推進器４６ａ、４６ｂ、４６ｃとの間のトルク伝達の条件及び方向を制御するために、そのような連結が設けられる。複数のシャフト及び複数のトランスミッションは、各推進デバイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃのためのギアケース又は保護カバー５０ａ、５０ｂ、５０ｃにそれぞれ設けられてよい。各推進デバイス４０ａ−４０ｃは、推進器４６ａ−４６ｃが推進器により生成されるスラストの方向を変化させるべく、操舵軸５２ａ、５２ｂ、５２ｃに関して、各推進デバイス４０ａ−４０ｃが回転可能である通常垂直な操舵軸５２ａ、５２ｂ、５２ｃを有する。複数のスラストコマンドは、各推進器の操舵軸５２ａ−５２ｃのそれぞれの周りの各推進器４６ａ−４６ｃについてのステアリング角度、各出力シャフト４４ａ−４４ｃとその推進器４６ａ−４６ｃのそれぞれとの間のトルク伝達の方向、及び、複数の船舶用推進デバイスの各船舶用推進デバイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃごとの各エンジン４２ａ−４２ｃについてのそれぞれのエンジン速度を含む。上記のように、これらの具体的なコマンドは、コントローラ１８により計算されてよく、若しくは、コントローラ１８から提供されてよく、又は、別個のスラストベクトル制御及び推進制御モジュールにより計算されてよく、若しくは、別個のスラストベクトル制御及び推進制御モジュールから提供されてよい。
【００２９】
図２は、経度及び緯度として測定された初期の地球上の位置２６及び船舶１０の船首方位ベクトル２２と真北ベクトルＮとの間の角度Ａ１により表される初期の船首方位における船舶１０を示す。一例において、コントローラ１８は、ステーション維持モードの開始時に、選択された位置及び選択された方向として初期の地球上の位置２６及び初期の船首方位Ａ１を設定する。これは、対象物３６が船舶１０の所与の範囲内にないことに応答したものであってよい。換言すると、ユーザ入力デバイス２０を介してステーション維持が開始された後に、近接センサ３４ａ−３４ｄが範囲内に対象物３６を検出しなかった場合、コントローラ１８は、選択された位置及び方向として、船舶１０の初期の地球上の位置及び船首方位を設定する。ＧＰＳ受信機１４及びＩＭＵ１６は、船舶１０の地球上の位置及び船首方位に関する情報を決定する。例示的な目的として、位置及び船首方位は、船舶１０の重心２４の位置及び重心２４を通じて伸びる船首方位ベクトル２２の観点から説明される。しかしながら、船舶１０の代替的な場所がこれら目的のために用いられ得ることが理解されるべきである。ＩＭＵ１６は、この船舶１０の場所が選択され得る手段を設けている。
【００３０】
図２は、また、船舶１０の重心２４'についての地球上の位置が、船舶１０の次の地球上の位置２８により表される場所に動いた状態の船舶１０を示す。さらに、次の地球上の位置２８において、船舶１０は、船舶１０の船首方位ベクトル２２'がこれから真北ベクトルＮに対して大きな角度Ａ２により定義されるように、時計回りの方向に少し回転させるように示されている。一例において、次の位置及び方向は、船舶１０の実際の地球上の位置２８及び実際の船首方位Ａ２により定義される。制御システム１２による応答が明確に説明され得るように、選択された初期の地球上の位置２６と、次の実際の地球上の位置２８との間の位置の差が、かなり誇張されていることが理解されるべきである。一例において、コントローラ１８は、初期の地球上の位置２６のような選択された位置と、船舶１０がドリフトすることに起因する次の地球上の位置２８のような実際の位置との間の差を決定する。船舶１０のこのドリフトは、風、潮、流れ等により発生し得る。
【００３１】
コントローラ１８は、船舶１０の実際の地球上の位置２８及び船首方位Ａ２を、前に記憶済みの選択された地球上の位置２６及び船首方位Ａ１と比較する。北／南、東／西及び船首方位のフレームワークにおける誤差又は差は、選択された地球上の位置２６及び船首方位Ａ１と、実際の地球上の位置２８及び船首方位Ａ２との間の差として計算される。この誤差又は差は、次に、前進／後退、右／左及び船舶１０の船首方位のフレームワークにおける誤差又は差に変換され、これは、場合によってボディフレームワークと称される。これらの船舶フレームワークの誤差要素は、次に、ステーション維持ソフトウェアにより使用され、ステーション維持ソフトウェアは、誤差又は異なる要素を同時にゼロ（ｎｕｌｌ）にすることを試みる。例えば、ＰＩＤコントローラの使用を通じて、コントローラ１８は、複数の誤差要素をゼロ（ｎｕｌｌ）にすべく、船舶１０に対する所望のヨーモーメントとともに、船舶１０に関する船首／船尾及び左／右方向における所望の力を計算する。計算された力及びモーメント要素は、次に、上記で説明された船舶用推進システム３８に送信され、船舶用推進システム３８は、独立して操縦可能な船舶用推進デバイス４０ａ−４０ｃをそれらの操舵軸５２ａ−５２ｃを中心に回転させ、各エンジン４２ａ−４２ｃの速度を制御することにより各デバイスの推進器４６ａ−４６ｃに提供される力を制御し、トランスミッション４８ａ−４８ｃを介して船舶用推進デバイスのスラストベクトル方向を制御することにより、必要な力及びモーメントを供給する。
【００３２】
例えば、船舶１０が例示的なターゲット線形スラスト３０及びターゲットモーメント３２を受ける場合、コントローラ１８は、選択された地球上の位置２６と実際の地球上の位置２８との間の差を低減できると決定してよい。上記で説明されたように、ターゲット線形スラスト３０及びターゲットモーメント３２は、好ましい実施形態において、船舶用推進デバイス４０ａ−４０ｃの操作により得られる。ターゲット線形スラスト３０は、船舶１０の初期の又は選択された、地球上の位置２６に向けて船舶１０を動かしており、ターゲット線形スラスト３０は、経度及び緯度の大きさとして測定される。船舶１０の船首方位ベクトル２２'が実際の地球上の位置２８から選択された地球上の位置２６に動くように、ターゲットモーメント３２は、船舶１０の重心２４を中心に船舶１０を回転させる。これは、船首方位の角度をより大きい角度Ａ２からより小さい角度Ａ１に小さくする。実際の地球上の位置２８及び船首方位Ａ２と、選択された地球上の位置２６及び船首方位Ａ１との間の誤差を減らすべく、ターゲット線形スラスト３０及びターゲットモーメント３２の両方が計算される。
【００３３】
ＧＰＳ１５により決定されるように、船舶１０の測定された地球上の位置及び船首方位を用いることは、船舶１０が開放水域内にあるか、又は、対象物の近くにいないときに所望され得る。上記で簡単に述べたように、一例において、ステーション維持モードの開始時に、近接センサ３４ａ−３４ｄが所与の範囲内に対象物３６を検出しなかった場合、コントローラ１８は、ＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを用いることを選択する。所与の範囲内（範囲は、システム内で調整されてよく、又は、ユーザに選択されてもよい）に対象物３６がないことは、船舶１０が開放水域内にいる、又は、任意の対象物の近くにいないことを示す。従って、選択された位置及び方向に船舶１０を維持又は戻すように複数のスラストコマンドを計算すべくＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを用いるのに十分である。
【００３４】
しかしながら、ＧＰＳ受信機は、良好な信号を常に受けるわけではないので、コントローラ１８が船舶１０の位置又は方向の誤差を認識せず、それによって、そのような誤差を補正するための後の動作を行うことができないという結果になる可能性がある。さらに、ＧＰＳデータを扱うときに用いられる複数のＰＩＤフィルタ及び複数の制御ループが、それらの安定した状態を促すべく待ち時間に組み込まれてしまうと、その結果、誤差検出が遅くなる。制御出力がないこと、又は、制御出力が遅いことは、付近に対象物がないときには弊害がない。しかしながら、本発明者は、研究及び開発を通じて、ＧＰＳの不正確さに起因して制御出力が欠如する（又は遅い）ことは、ドック、防波堤等のような対象物の近くでステーション維持モードを確実に動作させることを妨げるので、それにより、船舶１０が対象物３６に衝突する可能性があることに気が付いた。例えば、図３を参照すると、ＧＰＳ受信機１４が、例えば、ＧＰＳ受信機１４の周辺の半径Ｒのみを用いて忠実度を規定する場合、船舶１０は、この半径Ｒ内の防波堤又はドック５４と接触するのを防ぐことができない。換言すると、たとえ船舶１０がドック５４に実際に衝突しようとしている場合であっても、ＧＰＳ受信機１４からのデータは、船舶１０が選択された位置及び選択された方向にあり、複数の補正スラストコマンドが必要でないことをコントローラ１８に示すだろう。ＧＰＳデータの本来の誤差は、制御分解能をわずか数フィート（すなわち、半径Ｒ）に制限するので、船舶１０は、外乱力が強いときに制御することが困難となる。コントローラ１８が反応し得る前に、船舶１０は、選択された位置から数量子化単位動かなければならない。
【００３５】
ＧＰＳ受信機１４の測定分解能及び精度より遥かに高い測定分解能及び精度を提供すべく、近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データが用いられる。一例において、ステーション維持モードの開始時に、近接センサが船舶１０の所与の範囲内に対象物３６又は５４を検知した場合、コントローラ１８は、近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを用いることを選択する。例えば、ステーション維持モードの開始時に、対象物３６又はドック５４が船舶１０の１０メートル内にある場合、コントローラ１８は、近接センサ３４ａ−３４ｄを用いることを選択し、ユーザが選択した位置及び方向を設定し、これらの選択から後の動きを決定してよい。システムキャリブレーションに依存して、対象物３６、５４に最も近い船舶１０の重心から、対象物３６、５４に最も近い外殻構造の外縁から、又は、対象物３６、５４に最も近い近接センサから、所与の範囲が測定されてよい。ここで、説明しやすくするために、船舶の重心６４、６４'（図４）に関する距離及び方位を決定すべく、近接センサ３４ａ−３４ｄが調整されることが想定されるが、船舶上の各近接センサからの異なる読み出しが、重心に対する距離及び方位に関連しない他の計算に従って把握され得ることが理解されるべきである。さらに、複数の近接センサが用いられる場合、それらが提供するデータが、対象物３６、５４付近の仮想地図又は仮想写真を生成するために使用されてよく、これにより、複数のセンサが、例えば、ドック５４のポスト６６への距離を実際に測定しているか否かに関する情報、及び、例えば、ポスト６６の深さに関する情報をコントローラ１８に提供することによって、より精度の高い補正計算を導き出すことに留意されたい。
【００３６】
図４は、船舶１０が選択された位置及び方向から動いたか否かを決定するために、相対位置及び方位データがどのように用いられ得るかについての例を示す。例えば、船舶１０の初期の相対位置は、船舶１０が、ドック５４から距離Ｄ１に自身の重心６４がある状態で、５６に示される。初期の方位Ｂ１は、ここで、ドック５４上の仮想原点Ｏからの重心６４の角度として測定されており、約９０度である。一例において、ステーション維持モード開始時に、対象物３６、５４が船舶１０の所与の範囲内にあることに応答して、初期の相対位置５６及び初期の方位Ｂ１は、選択された位置及び選択された方向としてユーザにより設定され得る。換言すると、ユーザ入力デバイス２０のアクチュエーションによるステーション維持モードの開始時に、コントローラ１８は、対象物３６（ドック５４）が範囲内にあるか否かを決定し、もし範囲内にある場合、コントローラ１８は、選択された位置及び方位として初期の相対位置５６及び方位Ｂ１を保存する。別の例において、船舶１０が対象物３６、５４にどのくらい近いか否かに拘わらず、操縦者の入力に応答して、初期の位置及び方位が選択された位置及び方位として保存され得る。何れかの場合において、コントローラ１８は、原点Ｏからの重心６４の距離及び原点Ｏからの重心６４の角度の両方を保存するので、コントローラ１８は、第２軸に関する船舶の位置を計算でき、かつ、原点Ｏに関する重心６４の（ｘ、ｙ）の位置を保存できる。
【００３７】
船舶１０は、その後、風、波、流れ等の力に起因して後の実際の相対位置６２へドリフトする可能性があり、船舶１０は、ドック５４上の原点Ｏからの異なる距離Ｄ２に重心６４'を有し、また、ドック５４上の原点Ｏに対して異なる方位Ｂ２を有するので、原点Ｏに対して異なる（ｘ、ｙ）の位置となる。コントローラ１８は、次に、船舶１０の実際の相対位置６２及び方位Ｂ２を前に記憶済みの選択された相対位置５６及び方位Ｂ１と比較する。次に、船舶１０の前進／後退方向、右／左方向及び船首方位のフレームワークにおける誤差又は差が計算される。これらの船舶フレームワークの誤差要素は、次に、ステーション維持ソフトウェアにより用いられ、ステーション維持ソフトウェアが誤差又は異なる要素を同時にゼロ（ｎｕｌｌ）にすることを試みる。ＰＩＤコントローラの使用を通じて、船舶１０に対する船首／船尾及び左／右方向における所望の力が、複数の誤差要素をゼロ（ｎｕｌｌ）にすべく、船舶１０に対する所望のヨーモーメントとともに計算される。計算された力及びモーメント要素は、次に、上記で説明した船舶用推進システム３８に送信され、船舶用推進システム３８は、独立して操縦可能な船舶用推進デバイス４０ａ−４０ｃを位置決めし、各デバイスの推進器４６ａ−４６ｃに与えられる力を制御し、船舶用推進デバイス４０ａ−４０ｃのスラストベクトル方向を制御することにより必要な力及びモーメントを供給しており、ＧＰＳデータを用いた制御に関して与えられた説明と同様である。
【００３８】
船舶１０が例示的なターゲット線形スラスト８０及びターゲットモーメント８２を受ける場合、選択された相対位置５６と実際の相対位置６２との間の差が低減され得る。上記で説明されたように、ターゲット線形スラスト８０及びターゲットモーメント８２は、好ましい実施形態において、船舶用推進デバイス４０ａ−４０ｂの操作により得られる。ターゲット線形スラスト８０は、船舶１０を自身の初期又は選択された相対位置５６に向けて移動させる。ターゲットモーメント８２は、ドック５４上の原点Ｏに対する船舶１０の方向が実際の方位Ｂ２から選択された方位Ｂ１へ変化するように、船舶１０を自身の重心６４を中心に回転させる。ターゲット線形スラスト８０及びターゲットモーメント８２の両方は、実際の相対位置６２及び方位Ｂ２と、選択された相対位置５６及び方位Ｂ１との間の誤差を減らすべく計算される。
【００３９】
他の例において、ステーション維持モードで動作している間、対象物３６、５４からの予め定められた距離内に船舶１０が来たことを近接センサ３４ａ−３４ｄが検出したことに応答して、コントローラ１８は、ＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを用いることから、近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを用いることに切り替えることを選択してよく、予め定められた距離は、ユーザが選択してよく又は調整されてよい。例えば、強風、流れ又は波に起因して、対象物３６、５４から５メートル以内に船舶１０が来たときに、コントローラ１８は、近接センサ３４ａ−３４ｄからのデータの使用を始めることを選択してよい。予め定められた距離は、代わりに、ステーション維持モードの開始時に、近接センサのデータ又はＧＰＳデータが用いられるか否かを最初決定すべく用いられる所与の範囲と同じであってよい。コントローラ１８は、予め定められた距離に到達したか否かに基づいて、ＧＰＳデータ又は近接データの何れかが用いられるように、この切り替えをバイナリ方式で行ってよい。代わりに、コントローラ１８は、経時的に又は船舶が対象物３６、５４に近づき続けているときに、ＧＰＳデータに近接センサのデータをフィルタリングすることにより切り替えをゆっくり行ってよい。
【００４０】
図５は、本開示に係る選択された位置及び方向に船舶１０を維持するための方法を示す概略図である。５００に示されるように、方法は、入力を受け取って船舶１０の制御システム１２のステーション維持モードを開始する段階を含む。この入力は、ユーザ入力デバイス２０のアクチュエーションを通じたものであってよく、ジョイスティックがニュートラルな位置にあることを必要としてもよく、又は、必要としなくてもよい。５０２において、方法は、船舶１０上の近接センサ３４ａを用いて、対象物３６、５４が船舶１０の所与の範囲内にあるか否かを決定する段階を含む。対象物３６、５４が船舶１０の所与の範囲内にあることに応答して、方法は、５０４に続き、近接センサ３４ａを用いて、対象物３６、５４に対する船舶１０の相対位置及び方位を取得する段階を含む。５０６に示されるように、方法は、その後、近接センサ３４ａからの相対位置及び方位データを用いて、船舶１０が、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から後に動いたか否かを決定する段階を含む。
【００４１】
一例において、方法は、相対位置及び方位データを用いて、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶１０が動いたか否かを決定している間、ＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを利用して、近接センサ３４ａが動作可能であることを確認する段階を含む。例えば、近接センサ３４ａ−３４ｄが、選択された位置及び方向から全く動いていないことを報告する一方、ＧＰＳ位置又は船首方位が、（比較的多い量である）調整された量で変化していることをＧＰＳ１５が示す場合、コントローラ１８は、近接センサ３４ａ−３４ｄが動作不能であると決定してよい。この例において、コントローラ１８は、ステーション維持モードを継続しつつ、ＧＰＳデータを用いることに切り替えてよく、及び／又は、ステーション維持モードを停止して、近接センサを調べるようにユーザに警告を送信してよい。別の例において、方法は、相対位置及び方位データを用いて、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶１０が動いたか否かを決定している間、ＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを利用して、対象物３６、５４自体が動いているか否かを決定する段階を含んでよい。船舶１０が選択された距離及び方位を維持している対象物３６、５４が実際には別の船舶であるか否かを決定すべく、この方法を用いることができ、その場合、コントローラ１８は、ステーション維持モードを停止すべくユーザに警告してよく、及び／又は、代わりに、ステーション維持するためにＧＰＳデータを用いることに切り替えてよい。
【００４２】
上記の複数の例のいずれかにおいて、方法は、次に、５０８に続き、選択された位置及び選択された方向と、実際の位置及び実際の方向との間の差を用いて、相対位置及び方位データから決定されたように、選択された位置及び選択された方向に船舶１０を戻す複数のスラストコマンドを計算する段階を含む。
【００４３】
一方、船舶１０の所与の範囲内に対象物３６、５４がないことに応答して、５１０に示されるように、方法は、ＧＰＳ１５を用いて船舶の地球上の位置及び船首方位を取得する段階と、その後、５１２に示されるように、ＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを用いて、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶１０が後に動いたか否かを決定する段階とを含む。一例において、方法は、所与の範囲内に対象物３６、５４がないと決定した後、かつ、地球上の位置及び船首方位データを用いて、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶１０が動いたか否かを決定している間、近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを無視する段階を含む。この場合、コントローラ１８は、ステーション維持のためにＧＰＳ位置及びＩＭＵ船首方位を用いると決定し、ステーション維持モードが停止されるまでこのデータを使い続ける。一方、別の例において、方法は、所与の範囲内に対象物３６、５４がないと決定した後（少なくとも、ステーション維持モードの開始時）、かつ、地球上の位置及び船首方位データを用いて、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶１０が動いたか否かを決定する間、対象物３６、５４からの予め定められた距離内に船舶１０が後に来るか否かを検出すべく、近接センサ３４ａ−３４ｄを用いる。対象物３６、５４からの予め定められた距離内に船舶１０がある場合、コントローラ１８は、相対位置及び方位データを地球上の位置及び船首方位データにフィルタリングして、選択された位置及び選択された方向のうちの一方又は両方から船舶１０が動いたか否かを決定してよい。これは、コントローラ１８が、対象物３６、５４がどのくらい近いか、及び／又は、船舶１０の速度によって近接センサのデータを徐々に考慮に入れていくことを可能にする。代わりに、コントローラ１８は、対象物３６、５４から予め定められた距離内に船舶１０があることを決定したときに、近接センサのデータを用いることに直ちに切り替えることができる。
【００４４】
５１４で示されるように、上記の複数の例のいずれかにおいて、方法は、次に、選択された位置及び選択された方向と、実際の位置及び実際の方向との間の差を用いて、地球上の位置及び船首方位データから決定されたときに、船舶１０を選択された位置及び選択された方向に戻す複数のスラストコマンドを計算する段階を含む。さらに別の例において、コントローラ１８は、ＧＰＳデータを用いて、対象物３６、５４に対して一方向（例えば、前進／後退）に船舶１０の位置を制御し、近接データを用いて、対象物３６、５４に対して直角方向（例えば、左／右）に船舶１０の位置を制御する。これは、対象物（例えば、ドック５４上のポスト６６）が、近接センサ３４ａ−３４ｄによりマッピングされ得る特徴的な３Ｄ特性を有していない場合に役立ち得る。
【００４５】
５０８又は５１４の後に、必要に応じて、方法は、５１６に続き、複数のスラストコマンドを船舶用推進システム３８に出力する段階を含み、船舶用推進システム３８は、複数のスラストコマンドを用いて、選択された位置及び選択された方向に船舶１０を再配置する。
【００４６】
図６は、本開示の制御システム１２の一例と併せて用いられるデバイス及びソフトウェアについての概略図である。コントローラ１８に格納されるソフトウェアのターゲット選択部６８は、ＧＰＳ受信機１４、ＩＭＵ１６、ユーザ入力デバイス２０、（変換モジュール７０を介した）近接センサ３４ａ−３４ｄ及びジョイスティック（図示せず）からの入力を受信する。ユーザ入力デバイス２０を介して船舶１０の操縦者からの入力により、ステーション維持モードが有効にされたときに、ターゲット選択部６８は、ＩＭＵ１６又は変換モジュール７０から現在の大きさのセットを受信し、これらの値を船舶１０の選択された位置及び選択された方向として格納する。システムがＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを用いている場合、選択された位置は、経度及び緯度におけるグローバル座標のセットであり、選択された船首方位は、真北に対する角度である。システムが近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを用いている場合、選択された位置は、対象物３６、５４からの距離であり、かつ、対象物３６、５４に対する角度である。選択された位置及び選択された方向情報は、次に、コントローラ１８のメモリに格納される。
【００４７】
ステーション維持モードにあるときに、ＧＰＳ受信機１４、ＩＭＵ１６及び近接センサ３４ａ−３４ｄは、新しいデータを定期的に取得し、実際の位置及び実際の方向情報を、コントローラ１８内の第１誤差計算機７２又は第２誤差計算機７４に提供する。例えば、ＩＭＵ１６は、実際の地球上の位置及び実際の船首方位を第１誤差計算機７２に提供し、ターゲット選択部６８は、選択された地球上の位置及び選択された船首方位を第１誤差計算機７２に提供する。第１誤差計算機７２は、選択された地球上の位置及び選択された船首方位をこれら２つの変数の実際の値と比較する。比較は、船首方位角度差と組み合わせた南北の差及び東西の差の観点から定義される差の大きさを生み出す。南北の差及び東西の差は、選択された地球上の位置及び実際の地球上の位置により表される経度及び緯度の位置における正味の差である。船首方位角度差は、角度Ａ２と角度Ａ１との間の角度差である（図２を参照）。この情報は、全球測位の観点から説明され、静止グローバル基準（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｇｌｏｂａｌ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）に準拠しており、その後、第２誤差計算機７４に提供され、第２誤差計算機７４は、これらの値を、前進−後退の変化、左−右の変化、及び船舶１０の時計回り及び反時計周りの動きに関する船首方位の変化に分解する。
【００４８】
第２誤差計算機７４は、選択された位置及び選択された方位情報をターゲット選択部６８から受信し、実際の位置及び実際の方位を近接センサ３４ａ−３４ｄから変換モジュール７０を介して受信する。変換モジュール７０は、座標変換アルゴリズムを用いて、近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを、コントローラ１８がスラストコマンドを計算するのに用いることができる船舶フレームワーク誤差データに変換する。例えば、極座標−デカルト座標変換アルゴリズムを用いて、変換モジュール７０は、対象物３６、５４上の原点Ｏに対する距離及び方位から、（ｘ、ｙ）値及び方位（角度Ｂ２とＢ１との間の差）に相対位置及び方位データを変更する。これは、船舶１０の時計回り及び反時計周りの動きに対する前進−後退、左−右及び船首方位の変化に対応する値としての誤差値を示す。一例において、コントローラ１８は、ステーション維持モードの開始時に、船舶１０の初期の相対位置をｘ、ｙ座標の（０，０）として設定し、船舶１０に対する対象物３６の初期方位を０度の方位として設定することで、近接センサ３４ａ−３４ｄからの任意の後続の読み出しが実際の誤差値となる。例えば、外力に起因して、船舶１０が１０メートル前方及び１２メートル左方に移動し、時計回りに５度回転した場合、推進システム３８は、船舶１０を１０メートル後方、１２メートル右方及び反時計回りに５度移動させるべく、量及び方向のスラストを提供する必要がある。次に、船舶の初期の位置が０度の方位で（０，０）として設定されている場合、誤差値をＰＩＤコントローラ７６にフィードスルーでき、ＰＩＤコントローラ７６は、閉ループ制御アルゴリズムを用いてスラストコマンドを計算することが理解され得る。
【００４９】
最初に、ＧＰＳデータから測定されたか、近接データから測定されたかに関わらず、前進／後退、左／右及び船首方位の誤差は、第２誤差計算機７４からＰＩＤコントローラ７６に提供される。当業者に通常知られているように、ＰＩＤコントローラは、比例、積分及び導関数技術を用いて、予め選択された設定ポイントに測定変数を維持する。コントローラの比例帯において、コントローラの出力は、所望の大きさと、測定された大きさとの間の誤差に比例する。コントローラの積分部分は、誤差又は差が存在する時間に比例するコントローラの出力をもたらす。コントローラの導関数部分は、測定値の変化の割合に比例する出力をもたらす。ＰＩＤコントローラの当該部分又は制御方法のそれぞれは、典型的には、ＰＩＤコントローラ７６が特定のアプリケーションごとに適切に調整できるように、個々の利得係数を用いる。しかしながら、特殊なタイプのＰＩＤコントローラ及びコントローラの比例、積分及び導関数部分に関する特定の利得が限定していないことが理解されるべきである。
【００５０】
一例において、コントローラ１８がＧＰＳ１５からの地球上の位置及び船首方位データを用いているときよりも、コントローラ１８が近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを用いているときに、ＰＩＤコントローラ７６は、より積極的な複数のスラストコマンドを出力する。ＧＰＳ信号の誤差に対処する必要がないので、ＰＩＤは、より精密で速い応答を提供すべく調整され得る。例えば、近接データは、通常、ＧＰＳデータよりも精度がよいので、近接センサにより決定された位置及び方向の誤差に基づいてスラストコマンドを計算するときに、ＰＩＤ制御に用いられる利得は大きくなり得る。ＰＩＤコントローラ７６は、比例出力に対するより大きな利得係数を用いて、例えば、フィードバックループごとに所望の位置及び方向に船舶１０をより大きな量で戻し得る。一方、コントローラ１８が地球上の位置及び船首方位データを用いているときに用いられる利得は、位置及び方向に比較的小さい変化及び／又は比較的遅い変化を結果としてもたらし得る。
【００５１】
加えて又は代わりに、ＰＩＤコントローラ７６は、不感帯でプログラムされてよく、その結果、（１）選択された位置と、地球上の位置又は相対位置との間の差が、必要に応じて、位置誤差の閾値より大きいこと、及び、（２）選択された方向と、船首方位又は方位との間の差が、必要に応じて、方向誤差の閾値より大きいことのうちの一方又は両方が真でない限り、コントローラ１８は、船舶１０を再配置するためにスラストコマンドを計算しない。コントローラは、ＧＰＳにより提供された情報から決定される位置の誤差に基づいてスラストコマンドを計算するときよりも、近接センサにより提供される情報から決定された位置の誤差に基づいてスラストコマンドを計算するときに、制御に関する異なる不感帯を有してよい。この場合も先と同様に、近接センサは、ＧＰＳの精度よりより大きい精度を提供するので、地球上の位置及び船首方位データを用いるときよりも、相対位置及び方位データを用いるときに、当該不感帯は、狭くてよい（すなわち、低い位置誤差の閾値及び／又は低い方向誤差の閾値）。従って、地球上の位置及び船首方位データを用いるときよりも、相対位置及び方位データを用いるときに、コントローラ１８は、誤差のより小さいマージンに対処する。従って、コントローラ１８が近接センサ３４ａ−３４ｄからの相対位置及び方位データを用いるときよりも、コントローラ１８がＧＰＳ受信機１４からの地球上の位置及び船首方位データを用いるときに、プログラミングされた位置誤差の閾値及び方向誤差の閾値は、より大きくなり得る。
【００５２】
引き続き図６を参照すると、ＰＩＤコントローラ７６により提供される誤差の補正情報は、次に、操縦アルゴリズム７８により用いられ、操縦アルゴリズム７８は、本明細書の上記において、及び、'９２８特許においてより具体的に説明される。操縦アルゴリズム７８は、実際の地球上の位置（又は実際の相対位置）及び船首方位（又は方位）と、ユーザが選択した位置及び方向との間の誤差又は差を低減するのに必要とされる、必要な補正ベクトル、ターゲット線形スラスト（例えば、図２の３０又は図４の８０）及びターゲットモーメント（例えば、図２の３２又は図４の８２）の両方を記述する情報を受信する。
【００５３】
ステーション維持モードは、必ずしも、相当な距離分、船舶１０を移動させることを意図するものとは限らないことが認識されるべきである。代わりに、位置及び方向のわずかな変化に対するコントローラの継続的な応答は、むしろ、船舶１０の認識可能な動きを要求することなく、船舶１０を適切な位置に維持する。換言すると、船舶用推進デバイス４０ａ−４０ｃは、船舶１０の位置及び方向における僅かなずれに応答して選択的に作動され、結果として、図２及び図４に示されるもののような、より大きな補正動作があまり要求されない。結果として、最終結果が、船舶１０が動いていないままであり、外力により影響されない様相となるように、船舶用推進デバイスにより提供されるスラストは、風、流れ及び潮により引き起こされる船舶１０上の力に継続的に対抗する。
【００５４】
しかしながら、代替的な例は、以前にコントローラ１８のメモリに格納された、ユーザが選択した位置及び方向により定義される位置に船舶１０を移動させるべく用いられ得る。これらの条件のもと、初期の位置２６、５６がメモリから選択され、ステーション維持モードが有効にされたときに、比較的大きなターゲット線形スラスト３０、８０及びターゲットモーメント３２、８２は、船舶１０を初期の位置２６、５６に移動させるべく用いられ得る。例として、船舶の操縦者が格納されたユーザが選択した位置２６、５６の一般的近傍の位置に船舶１０を移動させた後に、参照番号２６又は５６で特定される位置のようなユーザ所望の位置をコントローラ１８に格納することができ、次に、ことによると数日後に呼び出すことができる。換言すると、船舶の操縦者が、それを参照番号２８又は６２で特定される場所のような場所へ操縦する場合、ステーション維持モードを有効し、かつ、作動させることができる。これらの条件のもと、制御システム１２は、船舶１０を、前回選択及び保存された自身の格納及び選択された位置２６又は５６に移動させる。本技術は、場合によっては、操縦者が、ユーザが選択した位置２６又は５６に通常近い位置に船舶１０を操縦した後に、所望の漁場又はドッキング位置に船舶１０を戻すのに有利であり得る。
【００５５】
上記の説明において、特定の用語が簡潔、明晰及び理解のために用いられてきた。そのような用語は、説明の目的のみに使用され、かつ、広く解釈されることを意図したものであるから、不必要な限定が、そこから従来技術の要件を超えて示唆されるべきではない。上記の本明細書で説明された異なるシステム及び方法は、単独で用いられてよく、又は、他のシステム及び方法と組み合わせて用いられてよい。様々な均等物、代替物及び改良物が添付の特許請求の範囲内で可能である。添付の特許請求の各限定事項は、３５ＵＳＣ§１１２（ｆ）のもとの解釈を想起させることが意図されており、「手段」又は「段階」という用語のみが各限定において明示的に列挙される。方法の請求項のそれぞれは、特定の制御システム機能を遂行するための具体的な一連の段階を含む一方、本開示の範囲は、本明細書で説明される段階のリテラル順序又はリテラル内容により縛られることを意図したものではなく、非実質的な違い又は変更が依然として本開示の範囲内に含まれる。
【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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