(57)【要約】【課題】船体に対する風向を安定して制御することができる自動操舵制御装置を提供する。【解決手段】自動操舵制御装置は、風向風速情報取得部と、針路制御部と、を備える。風向風速情報取得部は、相対風向θAを取得する。針路制御部は、相対風向θAを設定風向θSに一致させるように針路制御を行う。針路制御部は、第１モードと第２モードに切り替え可能である。針路制御部は、第１モードにおいては、当該第１モードの間に風向風速情報取得部が取得する相対風向θAを利用して針路制御を行う（ステップＳ１０３からＳ１０５）。また針路制御部は、第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記相対風向θAを利用して針路制御を行う（Ｓ１１１からＳ１１３）。そして当該針路制御部は、設定風向θSの変更量に基づいて第１モードと第２モードを切り替える（Ｓ１０１）。【選択図】図２
2012179968.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動体に対する風向の情報を取得する風向情報取得部と、
前記移動体に対する風向を設定風向に一致させるように針路制御を行う針路制御部と、
を備え、
前記針路制御部は、少なくとも第１モードと第２モードに切り替え可能であり、
前記第１モードにおいては、当該第１モードの間に前記風向情報取得部が取得する前記風向の情報を利用して前記針路制御を行い、
前記第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記風向の情報を利用して前記針路制御を行い、
当該針路制御部は、前記設定風向の変更量に基づいて前記第１モードと前記第２モードを切り替えることを特徴とする自動操舵制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自動操舵制御装置であって、
前記針路制御部は、前記設定風向の変更量が所定量以下の場合は前記第１モードで前記針路制御を行い、前記設定風向の変更量が所定量より大きい場合には前記第２モードに切り替えて前記針路制御を行うことを特徴とする自動操舵制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の自動操舵制御装置であって、
前記針路制御部は、前記第２モードによって針路を変更した後、前記第１モードに切り替えて前記針路制御を行うことを特徴とする自動操舵制御装置。
【請求項４】
請求項２に記載の自動操舵制御装置であって、
前記針路制御部は、前記第２モードによって針路を変更した後、所定時間経過後に、前記第１モードに切り替えて前記針路制御を行うことを特徴とする自動操舵制御装置。
【請求項５】
請求項１から４までの何れか一項に記載の自動操舵制御装置であって、
針路の情報を取得する針路情報取得部を備え、
前記針路制御部は、前記第２モードにおいて、当該第２モードの間に前記針路情報取得部が取得する前記針路の情報を利用して前記針路制御を行うことを特徴とする自動操舵制御装置。
【請求項６】
請求項１から５までの何れか一項に記載の自動操舵制御装置と、
前記針路制御部からの信号に応じて前記移動体の舵を駆動するアクチュエータと、
前記移動体に対する風向を検出する風向センサと、
前記移動体の針路を検出する方位センサと、
を備えることを特徴とする自動操舵装置。
【請求項７】
移動体に対する風向の情報を取得するとともに、前記移動体に対する風向を設定風向に一致させるように針路制御を行う針路制御手順をコンピュータに実行させるための自動操舵制御プログラムであって、
前記針路制御手順においては、少なくとも第１モードと第２モードに切り替えて前記針路制御を行うことが可能であり、
前記第１モードにおいては、当該第１モードの間に取得される前記風向の情報を利用して前記針路制御を行い、
前記第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記風向の情報を利用して前記針路制御を行い、
前記針路制御手順においては、前記設定風向の変更量に基づいて前記第１モードと前記第２モードを切り替えることを特徴とする自動操舵制御プログラム。
【請求項８】
移動体に対する風向の情報を取得するとともに、前記移動体に対する風向を設定風向に一致させるように針路制御を行う自動操舵制御方法であって、
少なくとも第１モードと第２モードを切り替えて前記針路制御を行うことが可能であり
前記第１モードにおいては、当該第１モードの間に取得される前記風向の情報を利用して前記針路制御を行い、
前記第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記風向の情報を利用して前記針路制御を行い、
前記設定風向の変更量に基づいて前記第１モードと前記第２モードを切り替えることを特徴とする自動操舵制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船の操舵を自動的に行う自動操舵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
帆船（例えばヨット）においては、帆に対する風の当たり方を一定に保って船体を走行させたい場合がある。しかしながら、風向きの変化に応じて細かく帆を操作することは、操船者にとって負担が大きい。特に、小型のヨットやセーリングボートなどにおいては、操船者が帆と舵の両方を操作しなければならない場合もあるため、更に負担が大きくなる。
【０００３】
特許文献１は、帆のブームの位置を風向きに応じて回転制御するオートセール制御を開示しているが、当該ブームを回転駆動する構成は大がかりであるため小型のヨット等には採用しにくいという問題がある。また、小型のヨットやセーリングボートなどにおいては、帆の操作を操船者が人手で直接行うので、帆のブームの位置を自動的に回転制御する構成は採りにくいという事情もある。
【０００４】
特許文献２は、風向きに対する船首方位が一定になるように、舵を自動的に操作する対風姿勢保持装置を開示している。特許文献２の構成をヨット等の帆船に適用することで、特許文献１のような大掛かりな構成を必要とせずに、操船者の負担を軽減することができると考えられる。即ち、帆の操作は操船者が自ら行うこととし、舵の操作を特許文献２の構成によって自動的に行う。これによれば、操船者は帆の操作に集中することができる。しかも、特許文献２の制御により、船体に対する風向きが一定に保たれる結果、帆に対する風の当たり方も一定となるため、風向きの変動に応じて帆を細かく操作する必要がなくなる。従って、操船者の負担を大きく軽減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３０１５８９号公報
【特許文献２】特許第３０２６０５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２の構成は、風向検出器（風向センサ）で取得した風向の情報を用いて、方位偏差をゼロとするように船体を回頭制御するものである。ところが、風向センサから得られる風向の情報は非常に不安定で、実際の風向に対して値がバラつき易いという問題がある。このように不安定な風向センサからの情報に基づいて上記回頭制御を行うと、常に舵切りが発生してしまうため効率が悪く、回頭制御も不安定になり易い。そこで、風向センサの出力にローパスフィルタを掛けて値のバラつきを抑え、かつ風向不感帯を設けて一定以上の風向変化に対してのみ対応する制御が考えられる。
【０００７】
ところが、ローパスフィルタを掛けると出力信号に遅延が発生するため、上記回頭制御による舵切りの操作に遅れが発生し、最適な回頭角度に達した後も船体が回頭を続けることになる。この結果、ローパスフィルタの影響がなくなるまでの間、船は振動するような回頭動作を行ってしまう。
【０００８】
以上のように、風向センサの出力に基づいて回頭制御を行う構成では、船体を安定して回頭させることが難しかった。結果として、船体に対する風向きを一定に保つという所期の目的を達成することが困難になっていたのである。
【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、船体に対する風向を安定して制御することができる自動操舵制御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、以下の構成の自動操舵制御装置が提供される。即ち、この自動操舵制御装置は、風向情報取得部と、針路制御部と、を備える。前記風向情報取得部は、移動体に対する風向の情報を取得する。前記針路制御部は、前記移動体に対する風向を設定風向に一致させるように針路制御を行う。前記針路制御部は、少なくとも第１モードと第２モードに切り替え可能である。前記針路制御部は、前記第１モードにおいては、当該第１モードの間に前記風向情報取得部が取得する前記風向の情報を利用して前記針路制御を行う。また前記針路制御部は、前記第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記風向の情報を利用して前記針路制御を行う。そして当該針路制御部は、前記設定風向の変更量に基づいて前記第１モードと前記第２モードを切り替える。
【００１２】
即ち、第１モードにおいては、針路制御中に取得される風向の情報を利用して当該針路制御を行うため、正確な針路制御が可能である。一方、第２モードにおいては、当該第２モードを開始するときの風向の情報を利用するので、当該第２モードの針路制御の最中に風向の情報が不安定になったとしても、当該針路制御が不安定になることはない。従って、状況に応じて第１モードと第２モードとを切り替えることにより、安定して正確な針路制御を行うことができる。
【００１３】
上記の自動操舵制御装置において、前記針路制御部は、前記設定風向の変更量が所定量以下の場合は前記第１モードで前記針路制御を行い、前記設定風向の変更量が所定量より大きい場合には前記第２モードに切り替えて前記針路制御を行うことが好ましい。
【００１４】
即ち、設定風向の変更量が小さい場合には、針路が大きく変化することもないので、風向情報取得部が取得する風向の情報も安定している。従って、この場合は第１モードによって正確な針路制御が可能である。一方、設定風向が大きく変更されると、針路を大きく変更しなければならないため、風向情報取得部が取得する風向の情報が不安定となり易い。従って、この場合は、第２モードによって針路制御を行うことにより、当該針路制御が不安定になることを防ぐことができる。
【００１５】
上記の自動操舵制御装置において、前記針路制御部は、前記第２モードによって針路を変更した後、前記第１モードに切り替えて前記針路制御を行うことが好ましい。
【００１６】
即ち、前記風向の情報が不安定になり易いときには第２モードによって針路制御を行い、当該第２モードによる針路制御が終わったあとに第１モードに切り替えることにより、当該第１モードで正確な針路制御を行うことができる。
【００１７】
上記の自動操舵制御装置において、前記針路制御部は、前記第２モードによって針路を変更した後、所定時間経過後に、前記第１モードに切り替えて前記針路制御を行うことがより好ましい。
【００１８】
即ち、第２モードによる針路制御が終わった後も、しばらくの間は風向の情報が不安定な状態が続くことがある。そこで、風向の情報が安定するまでの時間が経過した後で第１モードによる針路制御を再開することで、より正確な針路制御を行うことができる。
【００１９】
上記の自動操舵制御装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この自動操舵制御装置は、針路の情報を取得する針路情報取得部を備える。前記針路制御部は、前記第２モードにおいて、当該第２モードの間に前記針路情報取得部が取得する前記針路の情報を利用して前記針路制御を行う。
【００２０】
針路の情報は、風向の情報のように不安定になりにくいので、針路制御中に取得される針路の情報を利用して針路制御を行うことにより、安定した針路制御を行うことができる。
【００２１】
本発明の第２の観点によれば、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、上記の自動操舵制御装置と、前記針路制御部からの信号に応じて前記移動体の舵を駆動するアクチュエータと、前記移動体に対する風向を検出する風向センサと、前記移動体の針路を検出する方位センサと、を備える。
【００２２】
この自動操舵装置により、移動対に対する風の当たり方を一定に保つ制御を実現することができる。
【００２３】
本発明の第３の観点によれば、以下の自動操舵制御プログラムが提供される。即ち、この自動操舵制御プログラムは、移動体に対する風向の情報を取得するとともに、前記移動体に対する風向を設定風向に一致させるように針路制御を行う針路制御手順を、コンピュータに実行させる。前記針路制御手順においては、少なくとも第１モードと第２モードに切り替え可能である。前記第１モードにおいては、当該第１モードの間に取得される前記風向の情報を利用して前記針路制御を行う。また前記第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記風向の情報を利用して前記針路制御を行う。そして、前記針路制御手順においては、前記設定風向の変更量に基づいて前記第１モードと前記第２モードを切り替える。
【００２４】
即ち、第１モードにおいては、針路制御中に取得される風向の情報を利用して当該針路制御を行うため、正確な針路制御が可能である。一方、第２モードにおいては、当該第２モードを開始するときの風向の情報を利用するので、当該第２モードの針路制御の最中に風向の情報が不安定になったとしても、当該針路制御が不安定になることはない。従って、状況に応じて第１モードと第２モードとを切り替えることにより、安定して正確な針路制御を行うことができる。
【００２５】
本発明の第４の観点によれば、以下の自動操舵制御方法が提供される。即ち、この自動操舵制御方法では、移動体に対する風向の情報を取得するとともに、前記移動体に対する風向を設定風向に一致させるように針路制御を行う。この自動操舵制御方法では、少なくとも第１モードと第２モードに切り替えて前記針路制御を行うことが可能である。前記第１モードにおいては、当該第１モードの間に取得される前記風向の情報を利用して前記針路制御を行う。また前記第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記風向の情報を利用して前記針路制御を行う。そして、この自動操舵制御方法では、前記設定風向の変更量に基づいて前記第１モードと前記第２モードを切り替える。
【００２６】
即ち、第１モードにおいては、針路制御中に取得される風向の情報を利用して当該針路制御を行うため、正確な針路制御が可能である。一方、第２モードにおいては、当該第２モードを開始するときの風向の情報を利用するので、当該第２モードの針路制御の最中に風向の情報が不安定になったとしても、当該針路制御が不安定になることはない。従って、状況に応じて第１モードと第２モードとを切り替えることにより、安定して正確な針路制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態に係る自動操舵装置の構成を示すブロック図。
【図２】針路制御プログラムの処理の概要を示すフローチャート。
【図３】風向偏角が発生している状況を説明する図。
【図４】相対風向と真風向との関係を説明する図。
【図５】設定風向が変更された場合の針路変更量の決定方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に示すように、本実施形態に係る自動操舵装置１０は、方位センサ１２と、風向風速センサ（風向センサ）１１と、アクチュエータ１３と、操作盤１５と、自動操舵制御装置２０と、を備えている。この自動操舵装置１０は、船体（移動体）に搭載され、当該船体が備える舵１４の操作を自動的に行うことにより、当該船体の針路を制御するものである。
【００２９】
方位センサ１２は、現在の船の針路ψ（船首が向く方向）を検出して、当該針路ψの情報を自動操舵制御装置２０に出力するように構成されている。風向風速センサ１１は、現在の風向及び風速を検出して、当該風向及び風速の情報を自動操舵制御装置２０に出力するように構成されている。なお、風向風速センサで検出できるのは、船体に対する相対的な風向及び風速である。従って、以下の説明において、風向風速センサ１１で検出された風向に関する情報を相対風向θA、風速に関する情報を相対風速ＷＳAと呼ぶ。相対風向θAは、船体に対して風が当たる方向が、船体の針路（船首方向）に対してどれだけ傾いているかを示す。
【００３０】
操作盤１５には、針路設定ダイヤル（針路設定具）１７と風向設定ダイヤル（風向設定具）１６が配置されている。操船者は、針路設定ダイヤル１７を操作することで設定針路ψS（後述）を設定することができる。また操船者は、風向設定ダイヤル１６を操作することで設定風向θS（後述）を設定することができる。
【００３１】
アクチュエータ１３は、船体が備える舵１４に接続されており、自動操舵制御装置２０からの操作信号に応じて舵１４を操作することができるように構成されている。このアクチュエータ１３は、例えば油圧シリンダ及び油圧ポンプから構成することができるが、電動モータなど他の種類のアクチュエータでも良い。
【００３２】
自動操舵制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェアと、自動操舵制御プログラム等のソフトウェアと、からなるコンピュータである。前記自動操舵制御プログラムは、本発明の自動操舵制御方法による自動操舵を、自動操舵制御装置２０によって実現するためのプログラムである。自動操舵制御プログラムは、移動体に対する風向の情報を取得するとともに、前記移動体に対する風向を設定風向に一致させるように針路制御を行う針路制御手順を、自動操舵制御装置に実行させるためのものである。当該プログラムを実行させることにより、自動操舵制御装置２０を、風向風速情報取得部２１、針路情報取得部２３、針路制御部２４等として機能させることができるように構成されている。
【００３３】
風向風速情報取得部（風向情報取得部）２１は、風向風速センサ１１の出力に基づいて、相対風向θA、相対風速ＷＳAを取得する。針路情報取得部２３は、方位センサ１２の出力に基づいて、現在の船の針路ψを取得する。
【００３４】
針路制御部２４は、設定針路ψS、現在の船の針路ψ、相対風速ＷＳA、相対風向θA等の情報に基づいて、必要な舵１４の操作量を算出し、当該操作量に応じた操作信号をアクチュエータ１３に対して出力するように構成されている。この操作信号に基づいてアクチュエータ１３が舵１４を操作することにより、船体を回頭させ、針路を変更することができる。
【００３５】
ところで、一般的な自動操舵装置（オートパイロット）は、船の針路ψを、操船者によって設定された設定針路ψSに一致させるように舵の操作を自動的に行うものである。即ち、海上においては、波や風の影響を受けて揺動する船体の姿勢を維持するために、操船者が細かい舵切りを行わなければならず、操船者にとって負担が大きい。そこで自動操舵装置によって舵の操作を自動的に行わせ、操船者が細かい舵切りを行わなくても針路を一定に保つようにしたものである。
【００３６】
本実施形態の自動操舵装置１０も、上記一般的な自動操舵装置と同等の機能を有している。具体的には、操船者は、針路設定ダイヤル１７を操作することにより、所望の設定針路ψSを予め設定しておく。針路制御部２４は、針路ψを設定針路ψSに一致させるように舵１４を操作するフィードバック制御を行う。なお、この制御は公知であるから、詳細な説明は省略する。上記のように針路のフィードバック制御を行うことで、波や風の影響を打ち消して針路ψを一定に保つことができる。従って、操船者が細かく舵切り操作を行う必要がなくなるので、操船者の負担を著しく軽減することができる。本明細書においては、上記のように一般的な自動操舵装置が行う制御のことを、「通常モード」の針路制御と呼ぶ。
【００３７】
本実施形態の針路制御部２４は、上記通常モードに加えて、船体に対する風向を一定に保つように針路制御を行うモードを有している。このように、船体に対する風向きを一定に保つモードを、本明細書では、「風見モード」と呼ぶ。風見モードによる針路制御は、ヨットなどの帆船において帆に対する風の当たり方を一定に保ちたい場合などに有効である。
【００３８】
そして本実施形態の自動操舵装置１０は、操船者が適宜の操作を行うことにより、通常モードと風見モードを切り替えることができるように構成されている。これにより、必要に応じて、適切な針路制御を行うことができる。
【００３９】
船体に対する風向きを制御するためには、特許文献２が開示しているように、風向検出器（本実施形態の場合は風向風速センサ１１）で現在の相対風向θAを検出し、当該相対風向θAを、操船者によって設定された設定風向θSに一致させるように舵を操作するフィードバック制御を行えば良い。
【００４０】
ところが前述のように、風向風速センサ１１の出力（相対風向θA）は不安定で、実際の風向に対してバラつくことがある。従って、常に風向風速センサ１１の出力に基づいてフィードバック制御を行うと、舵切りが安定しなくなる場合がある。
【００４１】
そこで、本実施形態において、針路制御部２４は、第１モードと第２モードを切り替えて針路制御を行うことができるように構成されている。
【００４２】
第１モードにおいて、針路制御部２４は、風向風速センサ１１の出力をリアルタイムに参照して針路制御を行う。一方、第２モードにおいては、針路制御部２４は、第２モードの開始時（又は開始直前）に風向風速センサ１１が出力した相対風向θAを利用して針路制御を行う。即ち、第２モードにおいては、当該第２モードで針路制御を行っている間は風向風速センサ１１の出力をリアルタイムでは参照しない。従って、第２モードでは、当該第２モードで針路制御を行っている間に風向風速センサ１１の出力（相対風向θA）が不安定になったとしても、針路制御が不安定になることはない。
【００４３】
従って、風向風速センサ１１の出力が安定しているときには第１モードによる針路制御を行い、風向風速センサの出力が不安定になるときには第２モードによる制御制御を行うことにより、正確かつ安定した針路制御が可能となる。
【００４４】
ここで、風向風速センサ１１の出力は、主に、船体が大きく旋回するとき（針路が大きく変化するとき）に不安定になり易い。船体が大きく旋回すると、風向風速センサ１１への風の当たり方が大きく変化して出力がバラつき易くなるためである。また、大きく旋回する際には船体が傾くため、船体に取り付けられた風向風速センサ１１も傾き、正確な風向を検出できなくなるという理由もある。
【００４５】
ここで、風見モードによる針路制御によって船体が大きく旋回するのは、設定風向θS（制御の目標値）と、風向風速センサ１１が取得する相対風向θA（制御の現在値）と、の偏差の絶対値が大きくなったときである。なお、以下の説明においては、前記偏差のことを風向偏角Δθと呼ぶ。ところで、海上においては、風向及び風速が短期間で大きく変化することはまれであるから、相対風向θAが短期間で自然に大きく変化することはない。従って、風向偏角Δθの絶対値が大きくなるのは、操船者によって設定風向θSが変更された場合であると考えてよい。即ち、操船者によって設定風向θSが変更されたときに、風向風速センサ１１の出力が不安定になり易いと言える。
【００４６】
そこで本実施形態において、針路制御部２４は、設定風向θSの変更量に基づいて、第１モードと第２モードとを切り替えるように構成されている。
【００４７】
以下、本発明の自動操舵制御方法の具体的な実現方法について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係る自動操舵制御プログラムが自動操舵制御装置２０に実行させる針路制御手順のフローチャートである。
【００４８】
まず、針路制御部２４は、ステップＳ１０１において、前回制御時の設定風向θSと現在の設定風向θSとの差、即ち設定風向θSの変更量が、所定量（例えば２０°）以上か否かを判定する。設定風向θSの変更量が所定量以下の場合（変更量＝ゼロの場合、即ち前回制御時から設定風向θSが変更されていない場合も含む）は、船体を大きく旋回させる必要がないので、風向風速センサ１１の出力は不安定になりにくい。そこで設定風向θSの変更量が所定量以下の場合、針路制御部２４は、第１モードに切り替え（ステップＳ１０２）、当該第１モードによる針路制御を行う。
【００４９】
一方、前回制御時からの設定風向θSの変更量が所定量よりも大きい場合、針路制御部２４は、第２モードに切り替え（ステップＳ１０６）、当該第２モードによる針路制御を行う。
【００５０】
次に、第１モードによる針路制御について説明する。
【００５１】
まず、風向風速情報取得部２１は、風向風速センサ１１の出力に基づいて、現在の相対風向θAの情報を取得する（ステップＳ１０３）。またこれと前後して、針路情報取得部２３は、方位センサ１２の出力に基づいて、現在の船の針路（船首が向いている方向）ψの情報を取得する。
【００５２】
続いて、針路制御部２４は、現在の相対風向θA及び現在の針路ψに基づいて、設定針路ψSを算出する（ステップＳ１０４）。即ち、図３のように、現在の相対風向θAと、オペレータによって設定された設定風向θSと、の間に偏差（風向偏角Δθ）が発生している場合、船の針路をΔθだけ変化させることにより、現在の相対風向θAを、設定風向θSに一致させることができる。そこでまず、針路制御部２４は、以下の数式１により、風向偏角Δθを算出する。
【００５３】
【数１】
2012179968.tif 000003
【００５４】
そして、針路制御部２４は、現在の針路ψに対して風向偏角Δθを足し込むことにより（以下の数式２）、設定針路ψSを算出する。
【００５５】
【数２】
2012179968.tif 000004
【００５６】
続いて、針路制御部２４は、現在の針路ψと、ステップＳ１０４で算出した設定針路ψSと、の偏差をゼロにするのに必要な舵１４の操作量を算出し、当該操作量を実現できる操作信号をアクチュエータ１３に出力する（ステップＳ１０５）。アクチュエータ１３は、操作信号に基づいて舵１４を操作することにより、船体を旋回させる。以上のステップＳ１０３からＳ１０５までのループにより、第１モードによる針路のフィードバック制御が実現される。
【００５７】
上記第１モードによって針路を制御することにより、風向偏角Δθをゼロに近づけていくことができるので、最終的に、設定風向θSで設定された相対風向θAを得ることができる。即ち、船体に対して所望の方向から風が当たるように制御できるので、帆に対する風の当たり方を一定に保つことができ、風向の変化に応じて細かく帆を調整する必要がなくなる。
【００５８】
以上のように、第１モードにおいては、当該第１モードによる針路制御の間に風向風速センサ１１が刻々と取得する風向の情報（相対風向θA）を参照している（ステップＳ１０３）。従って、第１モードは、風向風速センサ１１の出力をリアルタイムに利用してフィードバック制御を行うモードであると言うことができる。
【００５９】
このように、第１モードによる制御では、当該第１モードによる制御を行う間に風向風速センサ１１が刻々と出力する風向の情報を利用して制御を行うので、風向風速センサ１１の出力が安定している場合は良好な制御を行うことができる。しかしながら、設定風向θSが所定量より大きく変更された場合には、風向風速センサ１１の出力が不安定になり易くなるので、第１モードでは安定した針路制御が難しくなる。
【００６０】
そこで、針路制御部２４は、ステップＳ１０５の処理が終了すると、ステップＳ１０１の判断を再度行い、設定風向θSが所定量より大きく変更されていないかを判定する。そして、設定風向θSが所定量より大きく変更されていた場合には、針路制御部２４は、第２モードに切り替え（Ｓ１０６）、当該第２モードで針路制御を行う。
【００６１】
以下、第２モードの制御について具体的に説明する。
【００６２】
図２のステップＳ１０７からＳ１１４の処理が、第２モードによる処理である。第２モードによる針路制御が開始すると、風向風速情報取得部２１は、風向風速センサ１１の出力に基づいて、相対風向θA及び相対風速ＷＳAを取得する（ステップＳ１０７）。このとき取得される相対風向θA及び相対風速ＷＳAは、第２モード開始時の風速の情報であると言うことができる。そして針路制御部２４は、このときに取得した相対風向θA及び相対風速ＷＳAを利用して設定針路ψSを算出（Ｓ１１０）した後、ステップＳ１１１からＳ１１３のループにより針路のフィードバック制御を行っている。
【００６３】
第２モードにおける上記フィードバック制御について説明すると、以下のとおりである。即ち、針路情報取得部２３は、方位センサ１２の出力に基づいて、現在の船の針路（船首が向いている方向）ψを取得する（ステップＳ１１１）。続いて、針路制御部２４は、現在の針路ψと、ステップＳ１１０で算出した設定針路ψSと、の偏差をゼロにするのに必要な舵１４の操作量を算出し、当該操作量を実現できる操作信号をアクチュエータ１３に出力する。アクチュエータ１３は、操作信号に基づいて舵１４を操作（ステップＳ１１２）することにより、船体を旋回させる。
【００６４】
最後に、針路制御部２４は、現在の針路ψと、ステップＳ１１０で算出した設定針路ψSと、の偏差をゼロになったか否かを判定（ステップＳ１１３）し、当該偏差がゼロになっていない場合にはステップＳ１１１の処理に戻る。一方、前記偏差がゼロになっている場合（現在の針路ψと設定針路ψSが一致している場合）は、第２モードによる針路制御を終了する。以上のステップＳ１１１からＳ１１３までのループにより、第２モードによる針路のフィードバック制御が実現される。
【００６５】
このように、第２モードでは、当該第２モードの開始直後に風向風速センサ１１の出力を取得（ステップＳ１０７）するものの、当該第２モードによる針路制御の最中（ステップＳ１１１からＳ１１３のループの中）では風向風速センサ１１の出力を参照しない。従って、第２モードの針路制御中に船体が旋回して風向風速センサ１１の出力が不安定になったとしても、安定した針路制御を実現することができる。
【００６６】
なお方位センサ１２の出力は安定しているので、船体が旋回した場合であっても不安定になるおそれはない。従って、針路制御中に方位センサ１２の出力をリアルタイムで参照（ステップＳ１１１）して針路のフィードバック制御を行ったとしても、当該フィードバック制御が不安定になるおそれはない。
【００６７】
ところで、上記第２モードのステップＳ１１０では、第１モードのステップＳ１０４とは異なる方法で設定針路ψSを算出する。この理由は以下のようなものである。即ち、風見モードで針路制御を行って船体が旋回すると、帆に対する風の当たり方が変化する。帆に対する風の当たり方が変化すると、船速も変化する。ところが、数式１及び数式２では、帆に対する風の当たり方が変化することによる船速変化を考慮していない。従って、数式２で算出される設定針路ψSは、一種の近似値である。
【００６８】
第１モードでは、フィードバック制御のループの中で、設定針路ψSの値を随時算出し直す（ステップＳ１０４）ことができるので、数式２で算出される設定針路ψSは徐々に真の値に近づいていく。従って、第１モードでは、数式２で算出される設定針路ψSが近似値であっても問題はない。ところが第２モードにおいては、設定針路ψSをステップＳ１１０で算出した後は、当該設定針路ψSを算出し直すという処理を行わない。これは、フィードバック制御のループ（ステップＳ１１１からＳ１１３）の中で、風向風速センサ１１の出力をリアルタイムに参照することができないためである。
【００６９】
従って、第２モードにおいては、ステップＳ１１１からＳ１１３までのループで針路制御を開始する前に、正確な設定針路ψSを算出しておく必要がある。このため、ステップＳ１１０で、第１モードとは異なる方法で設定針路を算出するのである。
【００７０】
以下、具体的に説明する。操船者によって新たに設定された設定針路を、θS´とする。ここで、第２モードによる針路制御が終了した状態（ステップＳ１１３でψ=ψSが成立した状態）を仮想的に考える。このとき、船体は旋回を終了しており、当該船体に対しては、新しい設定風向θS´で設定された方向から風が当たっているはずである。新しい設定風向θS´の方向から風を受けているときの船速（即ち針路変更後の船速ｖ´）は、ポーラダイアグラムから読み取ることができる。
【００７１】
操船者は、様々な風速におけるポーラダイアグラムのデータを、自動操舵制御装置２０に予め入力しておく。針路制御部２４は、ポーラダイアグラムのデータに基づいて、針路変更後の船速ｖ´を求める。ここで、針路変更後の船速ｖ´をポーラダイアグラムから読み取るためには、真風向θTと真風速ＷＳTの情報が必要である。なお、真風向θTとは、仮に船体を静止させた場合（船速をゼロにした場合）に船体に対してどの方向から風が当たるかを示すものである。また、真風速ＷＳTは、仮に船体を静止させた場合（船速をゼロにした場合）に船体に対してどの程度の風速で風が当たるかを示すものである。
【００７２】
真風向θT及び真風速ＷＳTを求めるために、風向風速情報取得部２１は、風向風速センサ１１の出力に基づいて、第２モード開始時の相対風向θA及び相対風速ＷＳAを取得する（ステップＳ１０７）。なお、ステップＳ１１1からＳ１１３のループによる針路制御を開始する前（船体を旋回させる前）であれば、風向風速センサ１１の出力は比較的安定している。従って、第２モードを開始した直後（ステップＳ１０７の段階）であれば、風向風速センサ１１の出力に基づいて、相対風向θA及び相対風速ＷＳAを安定して取得することができる。
【００７３】
図４に、船体に対する風向及び風速をベクトルで表示した例を示す。図４において、ベクトルの向きが風向、ベクトルの大きさが風速を表す。図４に示すように、相対風向及び相対風速を示すベクトルに対して船速ベクトルを加算することにより、真風向及び真風速を示すベクトルを得ることができる。図４からわかるように、真風向θTは、以下の数式３で求めることができる。また、真風速ＷＳTは、余弦定理により以下の数式４で求めることができる。
【００７４】
【数３】
2012179968.tif 000005
【００７５】
【数４】
2012179968.tif 000006
【００７６】
針路制御部２４は、上記のようにして求めた真風向θT及び真風速ＷＳTに基づいて、針路変更後の船速ｖ´をポーラダイアグラムから読み取る（ステップＳ１０８）。続いて、針路制御部２４は、新しく設定された設定風向θS´を得るために必要な針路変更量Δψを求める（ステップＳ１０９）。図５からわかるように、Δψは以下の数式５により求めることができる。
【００７７】
【数５】
2012179968.tif 000007
【００７８】
なお、θCは、以下の数式６で表される。従って、結局、Δψは以下の数式７で求めることができる。
【００７９】
【数６】
2012179968.tif 000008
【００８０】
【数７】
2012179968.tif 000009
【００８１】
次に、針路情報取得部２３は、方位センサ１２の出力に基づいて現在の針路ψを取得する。そして、針路制御部２４は、現在の針路ψに針路変更量Δψを加算することにより、設定針路ψSを算出する（ステップＳ１１０）。そして、既に説明したように、Ｓ１１１からＳ１１３のループで、現在の針路ψと設定針路ψSとの偏差をゼロにするように針路のフィードバック制御を行う。そして、針路ψが設定針路ψSに一致したときに、第２モードによる制御を終了する。
【００８２】
第２モードによる針路制御が終了した後は、第１モードに復帰することにより、当該第１モードによって風向風速センサ１１の出力をリアルタイムに参照する正確な針路制御を行うことができる。
【００８３】
ただし、第２モードによる針路制御が終了した直後（船体の針路を大きく変更した直後）は、風向風速センサ１１に対する風の当たり方が変化した直後であるから、風向風速センサ１１の出力が不安定なままの状態である可能性がある。そこで、本実施形態の針路制御部２４は、第２モードによる針路制御が終了した後、所定時間が経過するまでの間は針路制御を行わずに待機する（ステップＳ１１４）ように構成されている。一方、所定時間が終了したあとは、風向風速センサ１１の出力も安定化する。そこで針路制御部２４は，ステップＳ１１４で所定時間経過したと判断されたときには、ステップＳ１０１に戻って、風向風速センサ１１の出力をリアルタイムに参照するフィードバック制御（第１モードによる制御）を再開する。
【００８４】
以上で説明したように、本実施形態の自動操舵制御装置２０は、風向風速情報取得部２１と、針路制御部２４と、を備える。風向風速情報取得部２１は、相対風向θAを取得する。針路制御部２４は、相対風向θAを設定風向θSに一致させるように針路制御を行う。針路制御部２４は、第１モードと第２モードに切り替え可能である。針路制御部２４は、第１モードにおいては、当該第１モードの間に風向風速情報取得部２１が取得する相対風向θAを利用して針路制御を行う。また針路制御部２４は、第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における前記相対風向θAを利用して針路制御を行う。そして当該針路制御部２４は、設定風向θSの変更量に基づいて第１モードと第２モードを切り替える。
【００８５】
また、本実施形態の自動操舵制御プログラムは、相対風向θAを取得するとともに、相対風向θAを設定風向θSに一致させるように針路制御を行う針路制御手順を、自動操舵制御装置２０に実行させる。針路制御手順においては、少なくとも第１モードと第２モードに切り替え可能である。第１モードにおいては、当該第１モードの間に取得される相対風向θAを利用して針路制御を行う。また第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における相対風向θAを利用して針路制御を行う。そして、この針路制御手順においては、設定風向θSの変更量に基づいて第１モードと第２モードを切り替える。
【００８６】
また、本実施形態の自動操舵制御プログラムによる自動操舵制御方法は、以下のようなものである。即ち、この自動操舵制御方法では、相対風向θAを取得するとともに、相対風向θAを設定風向θSに一致させるように針路制御を行う。この自動操舵制御方法では、少なくとも第１モードと第２モードを切り替えて針路制御を行うことが可能である。第１モードにおいては、当該第１モードの間に取得される相対風向θAを利用して針路制御を行う。また、第２モードにおいては、当該第２モードの開始時における相対風向θAを利用して針路制御を行う。そして、この自動操舵制御方法では、設定風向θSの変更量に基づいて第１モードと第２モードを切り替える。
【００８７】
即ち、第１モードにおいては、針路制御中に取得される風向の情報を利用して当該針路制御を行うため、正確な針路制御が可能である。一方、第２モードにおいては、当該第２モードを開始するときの風向の情報を利用するので、当該第２モードの針路制御の最中に風向の情報が不安定になったとしても、当該針路制御が不安定になることはない。従って、状況に応じて第１モードと第２モードとを切り替えることにより、安定して正確な針路制御を行うことができる。
【００８８】
また、本実施形態の自動操舵制御装置２０において、針路制御部２４は、設定風向θSの変更量が所定量以下の場合は第１モードで前記針路制御を行い、設定風向θSの変更量が所定量より大きい場合には前記第２モードに切り替えて前記針路制御を行っている。
【００８９】
即ち、設定風向θSの変更量が小さい場合には、針路が大きく変化することもないので、風向風速情報取得部２１が取得する風向の情報も安定している。従って、この場合は第１モードによって正確な針路制御が可能である。一方、設定風向θSが大きく変更されると、針路を大きく変更しなければならないため、風向風速情報取得部２１が取得する風向の情報が不安定となり易い。従って、この場合は、第２モードによって針路制御を行うことにより、当該針路制御が不安定になることを防ぐことができる。
【００９０】
また、本実施形態の自動操舵制御装置２０において、針路制御部２４は、第２モードによって針路を変更した後、所定時間経過後に、前記第１モードに切り替えて前記針路制御を行っている。
【００９１】
即ち、前記風向の情報が不安定になり易いときには第２モードによって針路制御を行い、当該第２モードによる針路制御が終わったあとに第１モードに切り替えることにより、当該第１モードで正確な針路制御を行うことができる。また、第２モードによる針路制御が終わった後も、しばらくの間は風向の情報が不安定な状態が続くことがあるので、風向の情報が安定するまでの時間が経過した後に第１モードによる針路制御を再開することで、より正確な針路制御を行うことができる。
【００９２】
また、本実施形態の自動操舵制御装置２０は、針路の情報を取得する針路情報取得部２３を備える。針路制御部２４は、前記第２モードにおいて、当該第２モードの間に針路情報取得部２３が取得する針路の情報を利用して前記針路制御を行う。
【００９３】
針路の情報は、風向の情報のように不安定になりにくいので、針路制御中に取得される針路の情報を利用して針路制御を行うことにより、安定した針路制御を行うことができる。
【００９４】
また本実施形態の自動操舵装置１０は、上記の自動操舵制御装置２０と、針路制御部２４からの信号に応じて船体の舵１４を駆動するアクチュエータ１３と、船体に対する風向を検出する風向風速センサ１１と、船体の針路を検出する方位センサ１２と、を備える。
【００９５】
この自動操舵装置１０により、船体に対する風の当たり方を一定に保つ制御を実現することができる。
【００９６】
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。
【００９７】
上記の自動操舵装置は、帆船に限らず、移動体に対する風の当たり方を制御したい場合に広く用いることができる。
【００９８】
上記実施形態では通常モードと風見モードとを切り替え可能としているが、通常モードが必要ないのであれば、風見モードのみを有する自動操舵装置として構成しても良い。
【００９９】
上記実施形態では、自動操舵制御装置２０は、ハードウェアとソフトウェアとから構成されるとしたが、自動操舵制御装置２０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する構成であっても良い。
【０１００】
上記実施形態では、ステップＳ１１４において所定時間待機した後に第１モードへと復帰しているが、この処理は省略することもできる。
【０１０１】
上記実施形態では、ステップＳ１０１において、設定風向θSの変更量が所定量より大きかった場合に第１モードから第２モードへ切り替えて針路制御を行っているが、これに限らず、設定風向θSに基づいて第１モードと第２モードとを切り替える構成であれば良い。例えば、オペレータによって設定風向θSが変更されたときに、第１モードから第２モードへと切り替える構成であっても良い。なお、この場合は、上記実施形態において所定量＝ゼロとした場合に相当する。また例えば、設定風向θSの変更速度が所定より大きい場合（設定風向θSが急激に変更された場合）に、第１モードから第２モードへと切り替えるように構成しても良い。
【０１０２】
また、風向偏角Δθが所定量より大きく変化したときに、第１モードから第２モードへと切り替えるように構成しても良い。即ち、前述のように、風向偏角Δθが大きい場合には、船体を大きく旋回させなければならないので、風向風速センサ１１の出力が不安定になり易い。そこで、風向偏角Δθが所定量より大きく変化したときに、第１モードから第２モードへと切り替えるように構成すれば、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、風向偏角Δθは設定風向θSに基づいて求められるものであるから、上記のように風向偏角Δθの変更量に基づいてモードを切り替える構成も、結局は、設定風向θSの変更量に基づいてモードを切り替えているのだと言うことができる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０  自動操舵装置
１１  風向風速センサ（風向センサ）
１２  方位センサ
１３  アクチュエータ
１４  舵
２０  自動操舵制御装置
２１  風向風速情報取得部（風向情報取得部）
２２  針路情報取得部
２４  針路制御部
【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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