(57)【要約】【課題】従来解消できなかった針路偏差を解消する。【解決手段】針路偏差を解消し得る指令舵角を算出して船舶Ｓの舵１３を自動制御する自動操舵装置Ａであって、船舶Ｓの変針時に、船舶Ｓの舵１３のＰＩＤ制御における比例舵及び微分舵を舵角の制限値である舵角リミット値を用いて制限し、積分舵を舵角リミット値を用いて制限しない演算制御部４を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
針路偏差を解消し得る指令舵角を算出して航走体の舵を自動制御する自動操舵装置であって、
前記航走体の変針時に、前記航走体の舵のＰＩＤ制御における比例舵及び微分舵を舵角の制限値である舵角リミット値を用いて制限し、積分舵を前記舵角リミット値を用いて制限しない演算手段を具備することを特徴とする自動操舵装置。
【請求項２】
前記演算手段は、前記針路偏差が大きい程に大きい積分ゲインを使用して前記積分舵を算出することを特徴とする請求項1に記載の自動操舵装置。
【請求項３】
表示部と、
前記指令舵角が前記舵角リミット値を超えた場合には、前記舵角リミット値を超えて前記舵を切ることを前記表示部に表示させる制御手段とを具備することを特徴とする請求項1または２に記載の自動操舵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動操舵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、長期にわたって航行する船舶は、操縦者の睡眠時間の確保、または操縦者の負担軽減を目的として、オートパイロットと言われる自動操舵装置を備えている。この自動操舵装置は、予め設定された針路（設定針路）の変針点（船舶の進行方向を変更する地点）において船舶を変針させる変針処理や、船舶の針路を保針する保針処理を適切なタイミングで切り替えることにより船舶の自動操舵を実現している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記従来技術において、保針処理では、ＰＩＤ制御におけるＩ（積分）制御処理である積分舵計算を使用して指令舵角を算出するが、変針処理では、積分舵計算を使用せずに指令舵角を算出する。積分舵とは、針路偏差の積分値に基づく値であり、風、波及び潮流等の外乱による針路偏差を解消するように働くものである。つまり、上記従来技術において、変針処理では、積分舵計算を使用せずに指令舵角を算出するので、外乱によって生じた針路偏差を解消することができなかった。そのため、航海士は、設定針路をオフセットを持たせて設定することにより、船舶の針路偏差を解消していた。
【０００４】
また、上記従来技術において、保針処理及び変針処理では、舵角の制限値である舵角リミット値を用いて指令舵角を制限している。しかしながら、上記従来技術においては、針路偏差を解消可能な指令舵角が舵角リミット値を超えた場合に、該指令舵角が舵角リミット値内におさまるように制限される、つまり、針路偏差を解消するために舵角リミット値を超えて舵を切ることができなかったので、針路偏差を完全に解消することができなかった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、従来解消できなかった針路偏差を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、針路偏差を解消し得る指令舵角を算出して航走体の舵を自動制御する自動操舵装置であって、前記航走体の変針時に、前記航走体の舵のＰＩＤ制御における比例舵及び微分舵を舵角の制限値である舵角リミット値を用いて制限し、積分舵を前記舵角リミット値を用いて制限しない演算手段を具備するという手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記演算手段は、前記針路偏差が大きい程に大きい積分ゲインを使用して前記積分舵を算出するという手段を採用する。
【０００８】
本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、表示部と、前記指令舵角が前記舵角リミット値を超えた場合には、前記舵角リミット値を超えて前記舵を切ることを前記表示部に表示させる制御手段とを具備するという手段を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
このように本発明によれば、航走体の変針時に、積分舵を使用して指令舵角を算出するので外乱によって生じた針路偏差を解消することができる。また、本発明によれば、積分舵を舵角リミット値を用いて制限しないので、外乱により針路偏差が大きくなっていたとしても、舵角リミット値を超えて舵を切る。つまり、本発明によれば、外乱により針路偏差が大きくなっていたとしても、該針路偏差を完全に解消することができる。このようにして、本発明によれば、従来解消できなかった針路偏差を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る自動操舵装置Ａの機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態の動作を示すフローチャートである。
【図３】従来における船舶Ｓの動作（ａ）と、本発明の一実施形態によって自動制御された船舶Ｓの動作（ｂ）とを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
本実施形態に係る自動操舵装置Ａは、船舶Ｓに設けられたジャイロコンパス１１により検出された船舶Ｓの進行方位に基づいて船舶Ｓに設けられた舵取機１２を制御することにより船舶Ｓの舵１３を自動制御するものである。つまり、自動操舵装置Ａは、ジャイロコンパス１１により検出された進行方位に基づく実針路と、予め航海士等により設定された針路（設定針路）との差である針路偏差を解消し得る指令舵角を算出し、該指令舵角を示す指令舵角信号を舵取機１２に出力することにより船舶Ｓの舵１３を自動制御する。なお、以下では、自動操舵装置Ａの構成を説明するより先に、ジャイロコンパス１１、舵取機１２及び舵１３について説明する。
【００１２】
ジャイロコンパス１１は、回転型または振動型の機械式ジャイロスコープ、あるいは光ファイバジャイロまたはリングレーザジャイロ等の光学式ジャイロスコープ等を使用して船舶Ｓの進行方位及びターンレートを検出するものであり、進行方位を示す進行方位検出信号と、ターンレートを示すターンレート検出信号とを出力する。
舵取機１２は、舵１３を駆動する複数の油圧ポンプや、舵１３の実際の舵角を検出する舵角センサ等を備えており、自動操舵装置Ａから入力される指令舵角信号に基づいて舵１３の舵角を制御する。
舵１３は、例えば、水面に対して鉛直姿勢になるように船舶Ｓのスクリュー（不図示）後方に設けられた板部であり、舵取機１２により向きが変えられることでスクリューにより生み出される水流の向きを右または左方向へと変え、これにより船舶Ｓの進行方向を変更する。
【００１３】
続いて、自動操舵装置Ａの構成について説明する。自動操舵装置Ａは、図１に示すように、操作部１、針路設定部２、表示部３及び演算制御部４を備えている。なお、図１では、説明の便宜上、自動操舵装置Ａを船舶Ｓの外に図示しているが、実際自動操舵装置Ａは船舶Ｓ内に設置されている。また、演算制御部４は、本実施形態における演算手段及び制御手段である。
【００１４】
操作部１は、航海士等により操作される操作盤を備え、航海士等により入力された自動操舵モードと手動操舵モードとの切り替え指示や、船舶Ｓの旋回指示等を操作信号として出力する。針路設定部２は、航海士等により予め設定された海図上における船舶Ｓの設定針路を記憶し、船舶Ｓの操舵モードが自動操舵モードに設定されている場合には、設定針路を示す設定針路信号を出力する。表示部３は、例えば液晶モニタ等であり、演算制御部４から入力される表示信号に基づいて各種画像を表示する。
【００１５】
演算制御部４は、ジャイロコンパス１１から入力される進行方位検出信号及びターンレート検出信号と、針路設定部２から入力される設定針路信号とに基づいて指令舵角を算出し、該指令舵角を示す指令舵角信号を舵取機１２に出力すると共に、必要に応じて表示信号を表示部３に出力することにより表示部３に画像を表示させる。このような演算制御部４は、図１に示すように、統括制御部４ａ、保針処理部４ｂ、変針終了処理部４ｃ、変針処理部４ｄ及び変針前処理部４ｅを備えている。なお、ターンレートについては、ジャイロコンパス１１から演算制御部４に直接入力するようにしてもよいが、演算制御部４によって進行方位検出信号の単位時間あたりの変化量から算出されるようにしてもよい。
【００１６】
統括制御部４ａは、所定の制御周期毎に各種条件（操舵モード、針路偏差等）に応じて保針処理部４ｂ、変針終了処理部４ｃ、変針処理部４ｄ及び変針前処理部４ｅを切り替え、切り替えられた各部に指令舵角を算出させる。例えば、統括制御部４ａは、一定方向からの外乱により生じた針路偏差が一定状態のまま船舶Ｓが航行した場合に、針路偏差が所定のしきい値を超えない場合には、船舶Ｓが保針状態でよいと判断して保針処理部４ｂに指令舵角を計算させる。また、統括制御部４ａは、針路偏差が所定のしきい値を超える場合には、船舶Ｓが変針状態になる必要があると判断して変針終了処理部４ｃまたは変針処理部４ｄに指令舵角を計算させる。
【００１７】
保針処理部４ｂは、ＰＩＤ制御における比例舵、微分舵及び積分舵を算出することにより指令舵角を算出し、該指令舵角によって船舶Ｓの針路の保針を実行するものであり、第１のフィルタｂ１、減算器ｂ２、第２のフィルタｂ３、比例舵計算部ｂ４、微分舵計算部ｂ５、積分舵計算部ｂ６、第１の加算器ｂ７、舵角リミッタｂ８、第２の加算器ｂ９及び表示制御部ｂ１０を備えている。
第１のフィルタｂ１は、ジャイロコンパス１１から入力された進行方位検出信号に基づいて船舶Ｓの実針路を推定し、推定された実針路を減算器ｂ２に出力する。
減算器ｂ２は、第１のフィルタｂ１から入力された実針路と、針路設定部２から入力された設定針路信号に示される設定針路との差である針路偏差を算出し、該針路偏差を比例舵計算部ｂ４及び積分舵計算部ｂ６に出力する。
【００１８】
第２のフィルタｂ３は、ジャイロコンパス１１から入力されたターンレート検出信号に基づいて船舶Ｓのターンレートを推定し、推定されたターンレートを微分舵計算部ｂ５に出力する。
比例舵計算部ｂ４は、予め設定された比例ゲインＧｐを減算器ｂ２から入力された針路偏差に乗算したものを比例舵として第１の加算器ｂ７に出力する。
【００１９】
微分舵計算部ｂ５は、第２のフィルタｂ３から入力されたターンレートに対して予め設定された微分ゲインＧｄを乗算したものを微分舵として第１の加算器ｂ７に出力する。なお、この微分舵は、ＰＩＤ制御において針路偏差をゼロにする際にターンレートをセロにすることを目的として用いられる。
積分舵計算部ｂ６は、減算器ｂ２から入力された針路偏差を時間積分した積分値を算出し、予め設定された積分ゲインＧｉ１を積分値に乗算したものを積算舵として第２の加算器ｂ９に出力する。
【００２０】
第１の加算器ｂ７は、比例舵計算部ｂ４から入力された比例舵と、微分舵計算部ｂ５から入力された微分舵とを加算し、算出された加算値を舵角リミッタｂ８に出力する。
舵角リミッタｂ８は、第１の加算器ｂ７から入力された加算値を舵角の制限値である舵角リミット値を用いて制限し、第２の加算器ｂ９に出力する。つまり、舵角リミッタｂ８は、比例舵及び微分舵を舵角リミット値を用いて制限する。
【００２１】
第２の加算器ｂ９は、舵角リミッタｂ８から入力された加算値に、積分舵計算部ｂ６から入力された積分舵を加算した値を指令舵角として算出し、該指令舵角を示す指令舵角信号を表示制御部ｂ１０と、船舶Ｓの舵取機１２に出力する。
表示制御部ｂ１０は、第２の加算器ｂ９から入力された指令舵角信号により示された指令舵角が舵角リミット値を超えた場合に、舵角リミット値を超えて舵１３を切ることを示す画像を表示するように指示する表示信号を表示部３に出力する。
【００２２】
変針終了処理部４ｃは、ＰＩＤ制御における比例舵、微分舵及び積分舵を算出することにより指令舵角を算出し、該指令舵角によって船舶Ｓの針路の変針を実行するものであり、第１のフィルタｃ１、減算器ｃ２、第２のフィルタｃ３、比例舵計算部ｃ４、微分舵計算部ｃ５、積分舵計算部ｃ６、第１の加算器ｃ７、舵角リミッタｃ８、第２の加算器ｃ９及び表示制御部ｃ１０を備えている。なお、変針終了処理部４ｃにおける積分舵計算部ｃ６以外の構成要素については、保針処理部４ｂにおける同名の構成要素と同じ機能を有するので、説明を省略する。
【００２３】
積分舵計算部ｃ６は、減算器ｃ２から入力された針路偏差を時間積分した積分値を算出し、積分ゲインＧｉ２を積分値に乗算したものを積算舵として第２の加算器ｃ９に出力する。この際、積分舵計算部ｃ６は、針路偏差が大きい程に大きい積分ゲインＧｉ２を使用して積分舵を算出する。つまり、積分舵計算部ｃ６は、針路偏差が大きい程に大きいゲイン乗数を掛けた積分ゲインＧｉ２を使用して積分舵を算出する。
【００２４】
変針処理部４ｄは、ＰＩＤ制御における比例舵及び微分舵を算出することにより指令舵角を算出し、該指令舵角によって船舶Ｓの針路の変針を実行するものである。変針処理部４ｄは、変針終了処理部４ｃと異なり、積分舵計算部ｃ６、第２の加算器ｃ９及び表示制御部ｃ１０を備えていない。つまり、変針処理部４ｄは、積分舵を使用せずに指令舵角を算出するので、外乱による針路偏差を解消することができない。また、変針処理部４ｄは、比例舵と微分舵との加算値を舵角リミット値を用いて制限したものを指令舵角とするので、舵角リミッタを超える指令舵角を得ることができない。
変針前処理部４ｅは、操舵モードが手動操舵モードである場合に、船舶Ｓに対する自動操舵を停止状態にするものである。
【００２５】
次に、このように構成された自動操舵装置Ａの動作について説明する。
本自動操舵装置Ａにおいて、統括制御部４ａは、所定の制御周期毎に操舵モードを判定し、操舵モードが自動操舵モードである場合には、指令舵角を算出すると共に該指令舵角を示す指令舵角信号を船舶Ｓの舵取機１２に出力し、操舵モードが手動操舵モードである場合には、船舶Ｓに対する自動操舵を停止状態にする。つまり、統括制御部４Ａは、図２に示すフローチャートに沿った処理を実行する。
【００２６】
統括制御部４ａは、図２のフローチャートに示すように、所定の制御周期毎に操舵モードが自動操舵モードであるか否か判定する（ステップＳ１）。そして、統括制御部４ａは、操舵モードが自動操舵モードでない、つまり操舵モードが手動操舵モードである場合（ＮＯの場合）には、変針前処理部４ｅに船舶Ｓに対する自動操舵を停止状態にさせる（ステップＳ２）。
【００２７】
一方、統括制御部４ａは、操舵モードが自動操舵モードである場合（ＹＥＳの場合）には、針路偏差が所定のしきい値を超えたか否か判定する（ステップＳ３）。統括制御部４ａは、針路偏差が所定のしきい値を超えていない場合（ＮＯの場合）には、船舶Ｓが保針状態でよいと判断して、保針処理部４ｂに船舶Ｓの針路の保針を実行させる（ステップＳ４）。
【００２８】
ステップＳ４の処理について、以下詳細に説明する。まず、保針処理部４ｂにおいて、第１のフィルタｂ１は、ジャイロコンパス１１から入力された進行方位検出信号に基づいて船舶Ｓの実針路を推定し、推定された実針路を減算器ｂ２に出力する。そして、減算器ｂ２は、第１のフィルタｂ１から入力された実針路と、針路設定部２から入力された設定針路との差である針路偏差を算出し、該針路偏差を比例舵計算部ｂ４及び積分舵計算部ｂ６に出力する。比例舵計算部ｂ４は、予め設定された比例ゲインＧｐを減算器ｂ２から入力された針路偏差に乗算したものを比例舵として第１の加算器ｂ７に出力する。また、積分舵計算部ｂ６は、減算器ｂ２から入力された針路偏差を時間積分した積分値を算出し、予め設定された積分ゲインＧｉ１を積分値に乗算したものを積算舵として第２の加算器ｂ９に出力する。
【００２９】
一方、第２のフィルタｂ３は、ジャイロコンパス１１から入力されたターンレート検出信号に基づいて船舶Ｓのターンレートを推定し、推定されたターンレートを微分舵計算部ｂ５に出力する。微分舵計算部ｂ５は、第２のフィルタｂ３から入力されたターンレートに対して予め設定された微分ゲインＧｄを乗算したものを微分舵として第１の加算器ｂ７に出力する。
【００３０】
そして、第１の加算器ｂ７は、比例舵計算部ｂ４から入力された比例舵と、微分舵計算部ｂ５から入力された微分舵とを加算し、算出された加算値を舵角リミッタｂ８に出力する。舵角リミッタｂ８は、第１の加算器ｂ７から入力された加算値を舵角の制限値である舵角リミット値を用いて制限し、第２の加算器ｂ９に出力する。
【００３１】
そして、第２の加算器ｂ９は、舵角リミッタｂ８から入力された加算値に、積分舵計算部ｂ６から入力された積分舵を加算した値を指令舵角として算出し、該指令舵角を示す指令舵角信号を表示制御部ｂ１０と、船舶Ｓの舵取機１２に出力する。船舶Ｓの舵取機１２は、指令舵角信号に基づいて舵１３の舵角を制御する。また、表示制御部ｂ１０は、第２の加算器ｂ９から入力された指令舵角信号により示された指令舵角が舵角リミット値を超えている場合には、舵角リミット値を超えて舵１３を切ることを報知する画像を表示するように指示する表示信号を表示部３に出力する。
【００３２】
表示部３は、表示信号に従って、「舵角リミットを超えて舵を切っているが、これは、設定針路に追従させるための積分動作が働いている為である。」という旨を表示する。このように、保針処理部４ｂは、積分舵を舵角リミット値を用いて制限しない。つまり、自動操舵装置Ａは、風、波及び潮流等の外乱により針路偏差が大きくなっていたとしても、舵角リミット値を超えて船舶Ｓに舵１３を切らせるので、針路偏差を解消することができる。
【００３３】
図２に戻り、統括制御部４ａは、ステップＳ３の処理において針路偏差が所定のしきい値を超えた場合（ＹＥＳの場合）には、船舶Ｓが変針状態になる必要があると判断する。そして、統括制御部４ａは、設定針路へ到達する最短の変針時間を算出し、変針処理部４ｄに船舶Ｓの変針を実行させた場合に、最短の変針時間の所定の倍数の間に保針状態（針路偏差が所定のしきい値を下回る）になるか否か判定する（ステップＳ５）。統括制御部４ａは、保針状態になる場合（ＹＥＳの場合）には、変針処理部４ｄに船舶Ｓの針路の変針を実行させる（ステップＳ６）。
【００３４】
一方、統括制御部４ａは、保針状態にならない場合（ＮＯの場合）には、変針終了処理部４ｃに船舶Ｓの針路の変針を実行させる（ステップＳ７）。ステップＳ７の処理について以下説明するが、ステップＳ７の処理においては、変針処理部４ｄの積分舵計算部ｃ６以外の構成要素の動作が、ステップＳ４の処理における保針処理部４ｂの同名の構成要素の動作と同じであるので、積分舵計算部ｃ６以外の構成要素の動作については説明を省略する。
【００３５】
積分舵計算部ｃ６は、減算器ｃ２から入力された針路偏差を時間積分した積分値を算出し、針路偏差が大きい程に大きいゲイン乗数を掛けた積分ゲインＧｉ２を積分値に乗算したものを積算舵として第２の加算器ｃ９に出力する。つまり、積分舵計算部ｃ６は、針路偏差が大きい程に大きいゲイン乗数を掛けた積分ゲインＧｉ２を使用して積分舵を算出する。
【００３６】
もし、上記ステップＳ７において、変針処理部４ｄが船舶Ｓの変針を実行した場合、つまり積分舵を使用せずに指令舵角を算出した場合には、図３（ａ）に示すように、針路偏差が解消されずに、一定状態の針路偏差が残ったまま船舶Ｓの航行が継続される。しかしながら、上記ステップＳ７において、変針終了処理部４ｃが船舶Ｓの変針を実行した場合、つまり積分舵を使用して指令舵角を算出した場合には、図３（ｂ）に示すように、針路偏差が解消されて、針路偏差が残らない状態で船舶Ｓの航行が行われる。
【００３７】
このように本実施形態によれば、船舶Ｓの変針時に、積分舵を使用して指令舵角を算出するので外乱によって生じた針路偏差を解消することができる。また、本実施形態によれば、積分舵を舵角リミット値を用いて制限しないので、外乱により針路偏差が大きくなっていたとしても、舵角リミット値を超えて舵１３を切る。つまり、本実施形態によれば、外乱により針路偏差が大きくなっていたとしても、該針路偏差を完全に解消することができる。このように、本実施形態によれば、従来解消できなかった針路偏差を解消することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、微分舵計算部ｂ５，ｃ５がターンレートから微分舵を算出したが、本発明はこれに限定されない。例えば、微分舵計算部ｂ５，ｃ５は、針路偏差から微分舵を算出するようにしてもよい。
【００３９】
（２）上記実施形態は、船舶Ｓの自動操舵を行う自動操舵装置であるが、船舶Ｓ以外の航空機等の航走体の自動操舵に本発明を適用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４０】
Ａ…自動操舵装置、１…操作部、２…針路設定部、３…表示部、４…演算制御部（演算手段，制御手段）、４ａ…統括制御部、４ｂ…保針処理部、４ｃ…変針終了処理部、４ｄ…変針処理部、４ｅ…変針前処理部、ｂ１…第１のフィルタ、ｂ２…減算器、ｂ３…第２のフィルタ、ｂ４…比例舵計算部、ｂ５…微分舵計算部、ｂ６…積分舵計算部、ｂ７…第１の加算器、ｂ８…舵角リミッタ、ｂ９…第２の加算器、ｂ１０…表示制御部、ｃ１…第１のフィルタ、ｃ２…減算器、ｃ３…第２のフィルタ、ｃ４…比例舵計算部、ｃ５…微分舵計算部、ｃ６…積分舵計算部、ｃ７…第１の加算器、ｃ８…舵角リミッタ、ｃ９…第２の加算器、ｃ１０…表示制御部、Ｓ…船舶、１１…ジャイロコンパス、１２…舵取機、１３…舵
【図１】
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【図２】
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【図３】
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