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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6976367
(24)【登録日】2021年11月11日
(45)【発行日】2021年12月8日
(54)【発明の名称】船舶の方位制御装置
(51)【国際特許分類】
B63H 25/04 20060101AFI20211125BHJP
G05B 11/36 20060101ALI20211125BHJP
【ＦＩ】
B63H25/04 D
G05B11/36 501C
【請求項の数】8
【全頁数】27
(21)【出願番号】特願2020-24896(P2020-24896)
(22)【出願日】2020年2月18日
(65)【公開番号】特開2021-130313(P2021-130313A)
(43)【公開日】2021年9月9日
【審査請求日】2020年2月18日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006013
【氏名又は名称】三菱電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002941
【氏名又は名称】特許業務法人ぱるも特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】今村 直樹
(72)【発明者】
【氏名】阪口 亮
【審査官】
渡邊 義之
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１９−１８８８３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−２１３２６１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−１８８７９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１６−１５９６９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開昭５６−１２４５９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１４−１９３７０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開平８−１１９１９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−１８８９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１７−８８１２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１１−１８９８８４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｂ６３Ｈ ２５／０４
Ｇ０５Ｂ １／００− ７／０４
Ｇ０５Ｂ １１／００− １３／０４
Ｇ０５Ｂ １７／００− １７／０２
Ｇ０５Ｂ ２１／００− ２１／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
舵角を制御するための指令に基づいて船舶の舵角を制御する舵角制御系を備え、前記舵角の制御に基づいて前記船舶を操舵するようにした船舶の制御装置に設けられ、前記船舶を欲する方位に保持して航走させ又は欲する方位へ変更させながら航走させる機能を有する船舶の方位制御装置であって、
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令に基づいて振動成分を有する角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令に基づいて振動成分を有する舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
前記舵角指令に重畳された角速度制御帯域外の振動成分を抑制して最終舵角指令を生成して出力する振動抑制制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を、前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成され、
前記角速度制御器は、
前記角速度指令と実角速度との間の角速度偏差と、前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインとに基づいて、前記角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行ない、前記フィードバック制御の出力を第１の操作量として出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの前記船速と、に基づいて、前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させて出力する位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの前記船速に応じて可変となる可変ゲインとに基づいて得た舵角指令を第２の操作量として出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記舵角指令を生成するように構成されている、
ことを特徴とする船舶の方位制御装置。
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令に基づいて振動成分を有する角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令に基づいて振動成分を有する舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
前記舵角指令に重畳された角速度制御帯域外の振動成分を抑制して最終舵角指令を生成して出力する振動抑制制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を、前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成され、
前記角速度制御器は、
前記角速度指令と実角速度との間の角速度偏差と、前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインとに基づいて、前記角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行ない、前記フィードバック制御の出力を第１の操作量として出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの前記船速と、に基づいて、前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させて出力する位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの前記船速に応じて可変となる可変ゲインとに基づいて得た舵角指令を第２の操作量として出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記舵角指令を生成するように構成されている、
ことを特徴とする船舶の方位制御装置。
【請求項2】
前記第１のゲインスケジューリング制御器のゲイン、および前記第２のゲインスケジューリング制御器におけるゲインは、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記角速度制御帯域の設計値と、
前記角速度指令から前記実角速度までの角速度制御系の規範的な閉ループ伝達関数と、
に基づいて一意に決定され、
前記ゲインは、前記船速の関数又は予め定められた船速に対するマップとして与えられる可変ゲインである、
ことを特徴とする請求項１に記載の船舶の方位制御装置。
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記角速度制御帯域の設計値と、
前記角速度指令から前記実角速度までの角速度制御系の規範的な閉ループ伝達関数と、
に基づいて一意に決定され、
前記ゲインは、前記船速の関数又は予め定められた船速に対するマップとして与えられる可変ゲインである、
ことを特徴とする請求項１に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項3】
前記位相補償器は、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、前記角速度制御器から出力された前記舵角指令を、予め定められた速度領域において進相させるように構成され、
前記位相補償器のパラメータは、全船速領域において固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップとして与えられている、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の船舶の方位制御装置。
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、前記角速度制御器から出力された前記舵角指令を、予め定められた速度領域において進相させるように構成され、
前記位相補償器のパラメータは、全船速領域において固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップとして与えられている、
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項4】
前記振動抑制制御器は、
前記角速度制御器から出力された前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記第１の演算器の出力に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
を有し、
前記第１の演算器におけるパラメータと前記第２の演算器におけるパラメータは、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、全船速領域で固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップで与えられている、
ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
前記角速度制御器から出力された前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記第１の演算器の出力に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
を有し、
前記第１の演算器におけるパラメータと前記第２の演算器におけるパラメータは、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、全船速領域で固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップで与えられている、
ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項5】
前記振動抑制制御器は、
前記角速度制御器から出力された前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記第１の演算器の出力に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの前記実角速度に重畳した振動成分を抽出し、前記角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅、および交流副成分の周波数と振幅を出力する周波数分析器と、
を有し、
前記第１の演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅とに基づいて与えられ、
前記第２の演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流副成分の周波数と振幅とに基づいて与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
前記角速度制御器から出力された前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記第１の演算器の出力に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの前記実角速度に重畳した振動成分を抽出し、前記角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅、および交流副成分の周波数と振幅を出力する周波数分析器と、
を有し、
前記第１の演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅とに基づいて与えられ、
前記第２の演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流副成分の周波数と振幅とに基づいて与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項6】
前記振動抑制制御器は、
前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
のうちの何れか一方のみを有し、
前記振動抑制制御器が有する前記何れか一方の演算器におけるパラメータは、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、全船速領域で固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップで与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
のうちの何れか一方のみを有し、
前記振動抑制制御器が有する前記何れか一方の演算器におけるパラメータは、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から前記実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、全船速領域で固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップで与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項7】
前記振動抑制制御器は、
前記角速度制御器から出力された舵角指令に重畳した角速度制御帯域外の交流成分を減衰させる演算器と、
前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの前記実角速度に重畳した振動成分を抽出し、角速度制御帯域外の交流成分の周波数と振幅を出力する周波数分析器と、
を有し、
前記演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流成分の周波数と振幅とに基づいて与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
前記角速度制御器から出力された舵角指令に重畳した角速度制御帯域外の交流成分を減衰させる演算器と、
前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの前記実角速度に重畳した振動成分を抽出し、角速度制御帯域外の交流成分の周波数と振幅を出力する周波数分析器と、
を有し、
前記演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流成分の周波数と振幅とに基づいて与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
【請求項8】
舵角を制御するための指令に基づいて船舶の舵角を制御する舵角制御系を備え、前記舵角の制御に基づいて前記船舶を操舵するようにした船舶の制御装置に設けられ、前記船舶を欲する方位に保持して航走させ又は欲する方位へ変更させながら航走させる機能を有する船舶の方位制御装置であって、
前記船舶に設けられたセンサ群からのセンサ群情報に重畳した制御帯域外の振動成分を抑制して出力する振動抑制制御器と、
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実方位とに基づいて、角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実角速度とに基づいて、最終舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を、前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成され、
前記角速度制御器は、
前記角速度指令と前記処理後実角速度との間の角速度偏差と、前記センサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインとに基づいて、前記角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行ない、前記フィードバック制御の出力を第１の操作量として出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの前記船速と、に基づいて、予め定められた船速にて前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させる位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの前記船速に応じて可変となる可変ゲインとに基づいて得た舵角指令を第２の操作量として出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、
を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記最終舵角指令を生成するように構成されている、
ことを特徴とする船舶の方位制御装置。
前記船舶に設けられたセンサ群からのセンサ群情報に重畳した制御帯域外の振動成分を抑制して出力する振動抑制制御器と、
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実方位とに基づいて、角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実角速度とに基づいて、最終舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を、前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成され、
前記角速度制御器は、
前記角速度指令と前記処理後実角速度との間の角速度偏差と、前記センサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインとに基づいて、前記角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行ない、前記フィードバック制御の出力を第１の操作量として出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの前記船速と、に基づいて、予め定められた船速にて前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させる位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの前記船速に応じて可変となる可変ゲインとに基づいて得た舵角指令を第２の操作量として出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、
を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記最終舵角指令を生成するように構成されている、
ことを特徴とする船舶の方位制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願は、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】
船舶の方位制御装置は、船外機または船内機を備えた船舶の航走を制御する船舶の制御装置に用いられ、船舶を欲する方位に保持して航走させ、あるいは船舶を欲する方位へ変更させながら航走させるための装置である。特許文献１に開示された従来の船舶の制御装置は、軌道計画に基づいた最適参照針路を演算する軌道演算部と、制御ループを安定化させるためのフィードバック制御器と、制御ループの変針特性を高めるためのフィードフォワード制御器とを有し、船舶の航走の方向を変更する変針時の船舶の角加速度と角速度の値を取り込むとともに操舵機の性能及び船舶の特性を考慮して、最適な変針軌道計画を実現するように構成されている。
【0003】
また、特許文献２に開示された従来の船舶の操舵装置は、外乱特性から外乱パワーが極大値を示す極大周波数を検出する外乱パワー演算部と、針路偏差から極大周波数に相当する周波数成分を除去あるいは減衰させる制御フィルタとを有し、予め取得された航走体の運動性能及び航走体の航走によって得られた外乱特性に基づいて、方位偏差と舵角指令を用いて最大６次の制御型多次元自己回帰モデルから航走体運動モデルを同定し、この航走体運動モデルから得られた最適制御ゲインを用いて、航走体の針路偏差に応じた舵角指令値を出力し、外乱に起因する不必要な操舵を減少させるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平８−２０７８９４号公報
【特許文献2】特開２０１４−１３６５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一般に、船舶には、実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性が船速に応じて変化するという固有の特徴がある。特許文献１に開示された従来の船舶の自動操舵装置の場合、フィードバック制御器とフィードフォワード制御器のゲインが、いずれも固定値であるため、たとえば、船速１０［ｋｍ／ｈ］程度の低船速では、船舶の航走する方位を変更すべく舵を切っても方位を変更させるのが困難であり、９０［ｋｍ／ｈ］程度の高船速では、船舶の航走する方位を変更すべく舵を切れば容易に方位を変更することができる。つまり、制御対象である船舶には、実舵角に対する実ヨーレートの周波数応答特性に船速依存性があるため、特許文献１に開示された従来の船舶の自動操舵装置の場合、制御器のゲインが固定値であるため、船速に応じて方位制御応答性がばらつくとともに、最悪の場合は方位制御系が不安定化するという課題があった。また、制御対象である船舶自身の動特性および風、波などの外乱起因の振動が方位検出値に現れることがあり、外乱起因の振動の周波数成分が方位制御系の制御帯域外の場合、外乱起因の振動の周波数成分を抑制する制御ができないため、実方位が振動し、乗り心地が悪化するという課題があった。
【0006】
一方、特許文献２に開示された従来の自動操舵装置の場合、方位制御帯域内の外乱成分の抽出を主としているが、そもそも方位制御帯域内の外乱成分は制御での抑制が可能であるため、むしろ方位制御帯域外の外乱成分の抑制が実際には必要となるが、方位制御帯域外の外乱成分に対する対応策がとられておらず、方位制御帯域外の外乱成分をフィードバックしたとき、当該外乱成分によって実方位が振動し、方位制御系が不安定化する可能性がある。その上、多次元自己回帰モデルによる逐次推定は、一般に次数が高くなるにつれて演算負荷が高くなるので、逐次推定の演算過程において、予め定められた制御周期内で多次元自己回帰モデルによる逐次推定が完了できず、誤った推定値を制御器へ反映したとき、方位制御系が不安定化するという課題がある。
【0007】
本願は、前述のような課題を解決するための技術を開示するものであり、安定した船舶の航走を可能とする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する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本願に開示される船舶の方位制御装置は、舵角を制御するための指令に基づいて船舶の舵角を制御する舵角制御系を備え、前記舵角の制御に基づいて前記船舶を操舵するようにした船舶の制御装置に設けられ、前記船舶を欲する方位に保持して航走させ又は欲する方位へ変更させながら航走させる機能を有する船舶の方位制御装置であって、
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令に基づいて振動成分を有する角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令に基づいて振動成分を有する舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
前記舵角指令に重畳された角速度制御帯域外の振動成分を抑制して最終舵角指令を生成して出力する振動抑制制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を、前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成され、
前記角速度制御器は、
前記角速度指令と実角速度との間の角速度偏差と、前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインとに基づいて、前記角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行ない、前記フィードバック制御の出力を第１の操作量として出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの前記船速と、に基づいて、前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させて出力する位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの前記船速に応じて可変となる可変ゲインとに基づいて得た舵角指令を第２の操作量として出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記舵角指令を生成するように構成されている、
ことを特徴とする。
【0009】
また、本願に開示される船舶の方位制御装置は、舵角を制御するための指令に基づいて船舶の舵角を制御する舵角制御系を備え、前記舵角の制御に基づいて前記船舶を操舵するようにした船舶の制御装置に設けられ、前記船舶を欲する方位に保持して航走させ又は欲する方位へ変更させながら航走させる機能を有する船舶の方位制御装置であって、
前記船舶に設けられたセンサ群からのセンサ群情報に重畳した制御帯域外の振動成分を抑制して出力する振動抑制制御器と、
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実方位とに基づいて、角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実角速度とに基づいて、最終舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を、前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成され、
前記角速度制御器は、
前記角速度指令と前記処理後実角速度との間の角速度偏差と、前記センサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインとに基づいて、前記角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行ない、前記フィードバック制御の出力を第１の操作量を第１の操作量として出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの前記船速と、に基づいて、予め定められた船速にて前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させる位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの前記船速に応じて可変となる可変ゲインとに基づいて得た舵角指令を第２の操作量として出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、
を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記最終舵角指令を生成するように構成されている、
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0012】
本願に開示される船舶の方位制御装置によれば、安定した船舶の航走を可能とする船舶の方位制御装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】実施の形態1による船舶の方位制御装置および方位制御方法における、船舶の方位を説明するための、慣性座標系および機体固定座標系の定義を示す説明図である。
【図2】実施の形態１による船舶の方位制御装置を備えた船舶の制御装置の全体構成を示す機能ブロック図である。
【図3A】実施の形態１による船舶の方位制御装置における、角速度制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。
【図3B】実施の形態１による船舶の方位制御装置における、角速度制御器の内部構成の別の構成例を示す機能ブロック図である。
【図4】実施の形態１による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。
【図5】実施の形態１による船舶の方位制御装置における、基本的設計手順を示すフローチャートである。
【図6】実施の形態２による船舶の方位制御装置を備えた船舶の制御装置の全体構成を示す機能ブロック図である。
【図7】実施の形態２による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。
【図8】実施の形態３による船舶の方位制御装置を備えた船舶の制御装置の全体構成を示す機能ブロック図である。
【図9】実施の形態３による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。
【図10】実施の形態３による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成の別の例を示す機能ブロック図である。
【図11A】実施の形態３による船舶の方位制御装置における、角速度制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。
【図11B】実施の形態３による船舶の方位制御装置における、角速度制御器の内部構成の別の例を示す機能ブロック図である。
【図12A】実施の形態１から実施の形態３による船舶の方位制御装置における、制御部分をハードウェアで構成した場合の例を示すブロック図である。
【図12B】実施の形態１から実施の形態３による船舶の方位制御装置における、制御部分をソフトウェアで構成した場合のハードウェア構成の例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本願による船舶の方位制御装置および方位制御方法について、各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示す。
【0016】
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装置および方位制御方法における、船舶の方位を表現するための、慣性座標系および機体固定座標系の定義を示す説明図である。図１において、慣性座標系は、慣性の法則が成立する慣性空間に固定された座標系であって、紙面に平行な軸ＸＡと、紙面に平行でかつ軸ＸＡと直交する軸ＹＡと、紙面に対して垂直でかつ軸ＸＡと軸ＹＡに直交する軸ＺＡと、を有する。また、機体座標系は、機体としての船舶３００の重心位置Ｇに固定され、 慣性空間を移動もしくは回転する座標系であって、紙面に平行な軸ＸＯと、紙面に平行でかつ軸ＸＯと直交する軸ＹＯと、紙面に対して垂直でかつ軸ＸＯと軸ＹＯに対して直交する軸ＺＯと、を有する。
【0017】
方位ＡＺは、基準とする慣性座標系における軸ＸＡと機体固定座標系における軸ＸＯとの間の相対角度で表わされる。なお、「方位」を角度で表現したものが「方位角」であり、方位角は「ヨー角」とも称されるが、本願において「方位」は、特に定義しない限り、「方位角」、「ヨー角」と同義であるとし、また、後述する「角速度」は、特に定義しない限り、方位の時間微分として表現されるいわゆるヨーレートと同義であるとする。
【0018】
図２は、実施の形態１による船舶の方位制御装置を備えた船舶の制御装置の全体構成を示す機能ブロック図である。図２において、船舶の制御装置８００は、操作装置３０３と、ユーザーインターフェース６００と、実施の形態１による方位制御装置１Ａと、舵角制御系１００と、センサ群２００とを備えている。
【0019】
船舶３００には、船舶の制御装置８００と、船舶の前後左右の並進運動または方位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）が具備されている。操作装置３０３には、ジョイスティックなどのユーザーインターフェース６００が設けられている。操作装置３０３に設けられたユーザーインターフェース６００は、操船者が意図した方向に船首の方位を保持あるいは変更するための、方位信号ａｚを生成する。なお、ユーザーインターフェース６００には、操船者の指先で操船を指示するタッチパネル、あるいは操船者の音声で操船を指示する音声認識装置などの、あらゆるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を用いることができる。
【0020】
船外機は、船舶３００への推力を与える推力発生機構（図示せず）と、船舶３００の舵を切るための操舵機構（図示せず）を備えており、船舶３００の方位制御装置１Ａの出力である最終舵角指令ｆｓａｃに基づいて、船外機の実舵角ａｓａが最終舵角指令ｆｓａｃに追従するように制御される。船外機は、船舶３００の推進および操舵機構であり、船外機のエンジンの下方にスクリューが一体に設けられた船外機本体が、船舶３００の船体の外側に取り付けられており、船外機の本体の向きを変更することにより、船舶３００の方位ＡＺを変更することができる。このような船外機は、小型船舶に多く用いられている。
【0021】
なお、実施の形態１による船舶の方位制御装置１Ａの制御対象は、船外機を備えた船舶に限られるものではなく、船内機を備えた船舶も含むものである。ここで、船内機とは、エンジンなどの駆動部が船内に設けられており、船外に露出したスクリュー部で推力を発生させ、当該推力の方向を舵で変更する形態の推進および操舵機構である。このような船内機は、大型船に多く用いられている。
【0022】
また、船舶３００の運動状態を検出するためのセンサ群２００は、たとえば、船舶３００が存在している場所の緯度と経度を計測するＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、船舶３００の方位ＡＺを計測する磁気方位センサなどから構成されているが、この構成に制限されるものではなく、船舶３００が旋回する角速度を計測するジャイロ、船舶３００の並進運動の加速度である並進加速度を計測する加速度センサなども備えた、いわゆる周知の慣性航法装置を備えたセンサ群であってもよい。センサ群２００は、少なくとも、実角速度ａａｖと、実方位ａａｚと、船速ｓｓとを含むセンサ群情報ｓｇｉを出力する。
【0023】
実施の形態１による船舶の方位制御装置１Ａは、方位指令生成器１０Ａと、方位制御器２０Ａと、角速度制御器３０Ａと、振動抑制制御器４０Ａとを備えている。以下、船舶３００の方位制御装置１Ａに設けられている方位指令生成器１０Ａと、方位制御器２０Ａと、角速度制御器３０Ａと、振動抑制制御器４０Ａとのそれぞれについて、入出力関係とともに、その機能を詳細に説明する。
【0024】
方位指令生成器１０Ａは、操船者によるユーザーインターフェース６００の操作を受けてユーザーインターフェース６００から出力される方位信号ａｚに基づいて方位指令ａｚｃを生成し、この生成した方位指令ａｚｃを後述する方位制御器２０Ａへ出力する。方位指令生成器１０Ａは、ユーザーインターフェース６００により生成されたままの離散的な生値である方位信号ａｚに、一定の処理を施して方位指令ａｚｃを生成して出力する。ここで、方位信号ａｚに施す処理としては、たとえば、ローパスフィルタ、移動平均フィルタ、バンドパスフィルタなどによる処理を利用することができる。
【0025】
次に、角速度制御器３０Ａについて説明する。図３Ａは、実施の形態１による船舶の制御装置における、角速度制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。図３Ａに示す角速度制御器３０Ａは、前述のように方位制御装置１Ａに設けられている。図３Ａにおいて、角速度制御器３０Ａは、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａと、位相補償器３２Ａと、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａとを備えている。第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａは、角速度指令ａｖｃと、センサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖとの偏差である角速度偏差（図示せず）と、センサ群情報ｓｇｉのうちの船速ｓｓとに基づいて、前述の角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行なう。
【0026】
第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａは、たとえば、比例制御器と積分制御器と微分制御器とを組み合わせた、いわゆるＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御器により構成される。この場合、ＰＩＤ制御器における比例制御器の比例ゲインと、積分制御器の積分ゲインと、微分制御器の微分ゲインとが、前述の船速ｓｓに応じて可変となる可変ゲインとなる。なお、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａは、前述のＰＩＤ制御器による構成に代えて、ＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｌ）制御器などのさまざまな制御器による構成を取り得ることは言うまでもない。また、前述の角速度偏差に対する前処理として、角速度偏差が小さい予め設定された区間では、角速度偏差を便宜的に零とする不感帯処理などを取り入れるようにしてもよい。
【0027】
第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａの前述の可変ゲインは、図２に示す舵角制御系１００、船舶３００および船舶３００に搭載されたセンサ群２００、までの開ループ周波数伝達関数に基づいて、試行錯誤することなく、以下述べるように系統的に設計することができる。以下、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａの可変ゲインの設計の詳細について説明する。
【0028】
すなわち、航走する船舶３００の船速ｓｓを一定とし、舵角指令ｓａｃとして正弦波を与え、この正弦波の周波数を掃引することで、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性とを事前に計測する。つぎに、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性の計測値を曲線近似して、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの開ループ周波数伝達関数を同定する。同様に、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性の計測値を曲線近似して、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの開ループ周波数伝達関数を同定する。
【0029】
そして、船速ｓｓを、必要回数だけそれぞれ異なる船速に変更し、この変更したそれぞれの船速毎に船舶３００を定速航走させ、それぞれの船速毎に、前述と同様にしてパラメータとしての舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの開ループ周波数伝達関数を同定し、かつ実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの開ループ周波数伝達関数を同定する。このようにして、変更した船速毎に、対象とする船舶３００の舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数と、をオフラインで取得する。
【0030】
なお、前述の計測に用いる舵角指令ｓａｃは、フィードバック制御しているときの舵角指令ではないことを明確にするために、「最終舵角指令ｆｓａｃ」とはせずに、単に、「舵角指令ｓａｃ」としていることに留意する必要がある。つまり、この「舵角指令ｓａｃ」は、方位制御装置１Ａによる演算結果ではなく、舵角制御系１００に直接印加する正弦波であることに留意する必要がある。また、計測に用いる舵角指令ｓａｃの信号形状としては、前述の正弦波に代えて、矩形波、あるいはＭ系列（Ｍ−ｓｅｑｕｅｎｃｅ）など、設計者が考慮すべき周波数帯域で十分なパワーを有する信号を用いることも可能である。
【0031】
次に、前述のオフラインで得た舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数とに基づいて、角速度制御系、すなわち角速度指令ａｖｃからセンサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖまでの制御系の閉ループ伝達関数が欲する特性となるように、設計者が定めた角速度制御器３０Ａの型（ＰＩＤ制御器、ＰＩ制御器など）、角速度制御帯域、および角速度指令ａｖｃから実角速度ａａｖまでの規範的な閉ループ伝達関数、を定め、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａのゲインを、たとえば、周知の技術である部分的モデルマッチング法、あるいは極配置法などのゲイン設計手法により、船速ｓｓ毎に一意に決定する。
【0032】
前述のようにして、船速ｓｓ毎にゲインを取得した第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａは、後述する方位制御器２０Ａの出力である角速度指令ａｖｃと、センサ群情報ｓｇｉのうちの船速ｓｓとに基づいて、実角速度ａａｖを角速度指令ａｖｃに完全に追従させて角速度偏差を零とするようにフィードバック制御を行ない、その出力としての第１の操作量ｏｍ１を出力する。なお、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａにおける可変ゲインは、船速ｓｓの関数として与えられてもよいし、船速ｓｓとゲインが１対１で対応したマップとして与えられてもよい。
【0033】
次に、位相補償器３２Ａについて説明する。図３Ａにおいて、位相補償器３２Ａは、センサ群２００の出力であるセンサ群情報ｓｇｉのうちの船速ｓｓと、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａの出力である第１の操作量ｏｍ１とを入力とし、第１の操作量ｏｍ１を予め定められた位相だけ進相させた出力ｏｍ１ｓを発生するように構成されている。前述したように、船舶３００の運動は、船速ｓｓに依存して変化し、この船舶３００の運動の変化は、前述した開ループ周波数応答特性に強く現れる。特に、舵を切っても方位を変更させ難い低船速の速度領域では、一般に開ループゲインが極めて低いため、角速度指令ａｖｃに対する実角速度ａａｖの位相遅れを、低船速以外の速度領域と同等になるように小さくする必要がある。
【0034】
そこで、位相補償器３２Ａは、たとえば、その内部のパラメータが船速ｓｓに応じて変化する可変パラメータとして構成されている。この可変パラメータは、位相遅れを低減させることが特に必要な低船速の速度領域でのみに第１の操作量ｏｍ１を進相させ、それ以外の速度領域では、第１の操作量ｏｍ１を進相させることなく、すなわち直列結合のゲインが１となるように、第１の操作量ｏｍ１をそのまま通過させるように設定される。
【0035】
なお、位相補償器３２Ａの内部の可変パラメータは、船速ｓｓの関数として与えられてもよいし、船速ｓｓとパラメータが［１：１］で対応するマップとして与えられてもよい。また、低船速以外の領域での進相が必要な場合は、当該速度領域でも進相を効かせるように設定することもできる。さらに、位相補償器３２Ａの具体的構成は、いわゆる周知の位相進み補償要素、あるいは位相進み補償要素と位相遅れ補償要素の直列結合など、第１の操作量ｏｍ１に予め定められた速度領域のみに位相補償効果を効かせるようにした位相補償要素の構成であれば、どのような構成でもよい。
【0036】
次に、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａについて説明する。図３Ａにおいて、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａは、センサ群２００の出力であるセンサ群情報ｓｇｉのうちの船速ｓｓと、後述する方位制御器２０Ａの出力である角速度指令ａｖｃとを入力とし、フィードフォワードで、前述の角速度指令ａｖｃを満足するための舵角指令を、第２の操作量ｏｍ２として出力する。具体的には、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａの内部のゲインとして、実舵角ａｓａから実角速度ａａｖまでの周波数応答特性に近似した周波数伝達関数の逆モデルのゲインが与えられる。あるいは、第２の操作量ｏｍ２を位相補償器３２Ａの出力ｏｍ１ｓに加える合わせる加算点３４Ａ以降からセンサ群２００までの周波数伝達関数の逆モデルのゲインが与えられてもよい。これらの逆モデルのゲインは、船速ｓｓに応じて変化する可変ゲインである。
【0037】
第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａの可変ゲインは、前述の第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａと同様な手順で、試行錯誤することなく系統的に設計することができる。以下、その詳細を説明する。すなわち、航走する船舶３００の船速ｓｓを一定とし、舵角指令ｓａｃとして正弦波を与え、この正弦波の周波数を掃引することで、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性とを事前に計測する。つぎに、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性の計測値を曲線近似して、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの開ループ周波数伝達関数を同定する。同様に、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性の計測値を曲線近似して、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの開ループ周波数伝達関数を同定する。
【0038】
そして、船速ｓｓを、必要回数だけそれぞれ異なる船速に変更し、この変更したそれぞれの船速毎に船舶３００を定速航走させ、それぞれの船速毎に、前述と同様にしてパラメータとしての舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの開ループ周波数伝達関数を同定し、かつ実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの開ループ周波数伝達関数を同定する。このようにして、変更した船速毎に、対象とする船舶３００の舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数と、をオフラインで取得する。
【0039】
なお、前述の計測に用いる舵角指令ｓａｃは、フィードバック制御しているときの舵角指令ではないことを明確にするために、「最終舵角指令ｆｓａｃ」とはせずに、単に、「舵角指令ｓａｃ」としていることに留意する必要がある。つまり、この「舵角指令ｓａｃ」は、方位制御装置１Ａによる演算結果ではなく、舵角制御系１００に直接印加する正弦波であることに留意する必要がある。また、計測に用いる舵角指令ｓａｃの信号形状としては、前述の正弦波に代えて、矩形波、あるいはＭ系列など、設計者が考慮すべき周波数帯域で十分なパワーを有する信号を用いることも可能である。
【0040】
次に、前述のオフラインで得た舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数とに基づいて、角速度制御系としての、角速度指令ａｖｃからセンサ群２００の出力であるセンサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖまでの制御系、の閉ループ伝達関数が「１」となるように、すなわち実角速度ａａｖが角速度指令ａｖｃに完全追従することを満足するように、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａの内部のゲインを、例えば、部分的モデルマッチング法、あるいは極配置法などのゲイン設計手法などにより船速毎に一意に決定する。
【0041】
前述のようにして、船速ｓｓ毎にゲインを取得した第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａは、後述する方位制御器２０Ａの出力である角速度指令ａｖｃと、センサ群情報ｓｇｉのうちの船速ｓｓとに基づいて、実角速度ａａｖを角速度指令ａｖｃに完全に追従させるようにフィードフォワード制御を行ない、その出力としての第２の操作量ｏｍ２を出力する。なお、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａにおける可変ゲインは、船速ｓｓの関数として与えられてもよいし、船速ｓｓとゲインが１対１で対応したマップとして与えられてもよい。
【0042】
図３Ｂは、実施の形態１による船舶の方位制御装置における、角速度制御器の内部構成の別の構成例を示す機能ブロック図である。図３Ｂに示す角速度制御器３０Ａが前述の図３Ａに示す角速度制御器３０Ａと相違する点は、図３Ｂの位相補償器３２Ａが、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａの出力である第１の操作量ｏｍ１と、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａの出力である第２の操作量ｏｍ２とが加算される加算点３４Ａの後段に配置されていることである。この場合、図３Ｂに示す第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａは、図３Ａに示す第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａをそのまま利用することができる。
【0043】
また、図３Ｂの第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａの内部のゲインとして、図３Ａの第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａの内部のゲインと同様に、実舵角ａｓａから実角速度ａａｖまでの周波数応答特性に近似した周波数伝達関数の逆モデルのゲインが与えられてもよいし、第２の操作量ｏｍ２を位相補償器３２Ａの出力ｏｍ１ｓに加え合わせる加算点３４Ａ以降からセンサ群２００までの周波数伝達関数の逆モデルのゲインが与えられてもよい。これらの逆モデルのゲインは、船速ｓｓに応じて変化する可変ゲインである。
【0044】
なお、図３Ａと図３Ｂとにおける、それぞれの第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａと位相補償器３２Ａの内部演算は同一であるが、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａの内部演算は、図３Ｂの場合に比較して図３Ａの場合のほうが、より簡素な構成となる。
【0045】
前述の図３Ａ、もしくは図３Ｂに示すように角速度制御器３０Ａを構成することで、船速ｓｓに依存して船舶３００の動特性が変化しても、船速ｓｓに依らずに常に一定の角速度制御帯域を有した角速度制御系を構築することができる。
【0046】
次に、実施の形態１による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器４０Ａについて説明する。図４は、実施の形態１による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。図４において、振動抑制制御器４０Ａは、前述の角速度制御器３０Ａの出力である舵角指令ｓａｃを入力とし、舵角制御系１００へ最終舵角指令ｆｓａｃを出力する。振動抑制制御器４０Ａは、第１の演算器４１Ａと、第２の演算器４２Ａとにより構成されている。第１の演算器４１Ａは、舵角指令ｓａｃに重畳した角速度制御帯域外の交流主成分のみを局所的に減衰させるフィルタ、たとえば中心周波数が角速度制御帯域外の交流主成分に相当するノッチフィルタにより構成されている。
【0047】
第２の演算器４２Ａは、舵角指令ｓａｃに重畳した角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させるフィルタ、たとえばローパスフィルタにより構成されている。なお、第１の演算器４１Ａは、前述のノッチフィルタに限定されるものではなく、交流主成分のみを局所的に減衰させる機能を有するフィルタであればよく、たとえばバンドパスフィルタなどあらゆる構成を取ることができる。また、第２の演算器４２Ａは、交流副成分を減衰させる機能を有するフィルタであればよく、たとえば次数が１次以上のローパスフィルタなどあらゆる構成を取ることができる。
【0048】
第１の演算器４１Ａと第２の演算器４２Ａを構成するフィルタのパラメータは、以下のようにして一意に設計することができる。すなわち、航走する船舶３００の船速ｓｓを一定とし、舵角指令ｓａｃとして正弦波を与え、この正弦波の周波数を掃引することで、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性とを事前に計測する。つぎに、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性の計測値を曲線近似して、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの開ループ周波数伝達関数を同定する。同様に、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性の計測値を曲線近似して、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの開ループ周波数伝達関数を同定する。
【0049】
そして、船速ｓｓを、必要回数だけそれぞれ異なる船速に変更し、この変更したそれぞれの船速毎に船舶３００を定速航走させ、それぞれの船速毎に、前述と同様にしてパラメータとしての舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの開ループ周波数伝達関数を同定し、かつ実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの開ループ周波数伝達関数を同定する。このようにして、変更した船速毎に、対象とする船舶３００の舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数と、をオフラインで取得する。
【0050】
なお、前述の計測に用いる舵角指令ｓａｃは、フィードバック制御しているときの舵角指令ではないことを明確にするために、「最終舵角指令ｆｓａｃ」とはせずに、単に、「舵角指令ｓａｃ」としていることに留意する必要がある。つまり、この「舵角指令ｓａｃ」は、方位制御装置１Ａによる演算結果ではなく、舵角制御系１００に直接印加する正弦波であることに留意する必要がある。また、計測に用いる舵角指令ｓａｃの信号形状としては、前述の正弦波に代えて、矩形波、あるいはＭ系列など、設計者が考慮すべき周波数帯域で十分なパワーを有する信号を用いることも可能である。
【0051】
次に、前述のようにしてオフラインで得た舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数とにおいて、角速度制御帯域外で、ピークゲインに基づいて位相が遅れている周波数を抽出し、ピークゲインが最も大きく出ている周波数を交流主成分として捉えることで、第１の演算器４１Ａを構成するフィルタの中心周波数、ノッチ減衰比、ノッチ深さに関わるパラメータを一意に決定することができる。
【0052】
また、第２の演算器４２Ａを構成するフィルタのパラメータを決定するための交流副成分は、あらゆる船舶の種類での航走試験の結果を鑑みると、交流主成分より高い周波数帯域に複数存在していることがあるため、前述の交流主成分をカットオフ周波数として、例えば１次以上のローパスフィルタとして一意に決定することができる。このようにして、第１の演算器４１Ａおよび第２の演算器４２Ａをそれぞれ構成するフィルタのパラメータは、船速ｓｓに依らず固定値とすることができる。
【0053】
一方、オフラインで得た船速ｓｓ毎の、舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数の傾向によっては、ピークゲインの周波数帯が船速ｓｓ毎に変化する、あるいはその大きさが変化することも考えられる。その場合、第１の演算器４１Ａおよび第２の演算器４２Ａを構成するそれぞれのフィルタのパラメータは、全速度領域で固定値とせず、センサ群情報ｓｇｉのうちの船速ｓｓを用いた関数、あるいは船速ｓｓと当該パラメータが１対１で対応するマップとして、それぞれのフィルタのパラメータを、船速ｓｓを参照して与えることもできる。
【0054】
さらに、振動抑制制御器４０Ａは、舵角指令ｓａｃに重畳した角速度制御帯域外の交流主成分と交流副成分とで見分けが付き難く、同等の大きさの成分が複数存在している場合、前述の交流成分のそれぞれの周波数に対応させ、中心周波数とノッチ減衰比とノッチ深さの異なる複数の第１の演算器４１Ａを直列に接続し、あるいは、交流主成分だけが卓越していて当該周波数帯の振動だけが乗り心地などの観点で問題となる場合には、交流主成分を減衰させる第１の演算器４１Ａだけの単一の構成としてもよい。また、振動抑制制御器４０Ａは、舵角指令ｓａｃに重畳した角速度制御帯域外の交流主成分と交流副成分とで見分けが付き難く、同等の大きさの成分が複数存在している場合には、最も周波数が低い交流成分よりもやや低いカットオフ周波数で設定した交流副成分を減衰させる第２の演算器４２Ａだけの単一の構成としてもよい。
【0055】
このように振動抑制制御器４０Ａを構成することで、方位保持時もしくは方位変更時の阻害要因となる角速度制御帯域外の振動を抑制し、船舶３００が航走する全船速域で安定した角速度制御を実現することができる。
【0056】
次に、図２に示す方位制御器２０Ａについて説明する。方位制御器２０Ａは、方位指令生成器１０Ａの出力である方位指令ａｚｃと、センサ群情報ｓｇｉのうちの実方位（図示せず）との差に相当する方位偏差（図示せず）を零とするようにフィードバック制御する。方位制御器２０Ａは、例えば、ＰＩＤ制御器などのさまざまな構造を取ることができる。
【0057】
前述したように、角速度制御器３０Ａからなる角速度制御系の角速度制御帯域は、船速ｓｓによらず一定であるので、方位制御器２０Ａのゲインは、方位指令ａｚｃから実方位までの閉ループ伝達関数が欲する特性となるように、設計者が定めた方位制御帯域および方位指令ａｚｃから実方位までの規範的な閉ループ伝達関数に基づいて、船速ｓｓに依らず一意に求めることができる。また、前述の方位偏差を示す偏差信号に対する前処理として、方位偏差が小さい予め設定された区間では、方位偏差を便宜的に零とする不感帯処理などを取り入れてもよい。
【0058】
図５は、実施の形態１による船舶の方位制御装置における、基本的設計手順を示すフローチャートであって、前述の角速度制御器３０Ａ、振動抑制制御器４０Ａ、方位制御器２０Ａの基本的な設計手順を示している。図５において、ステップＳＴ１からステップＳＴ８で実行される内容は以下のとおりである。
【0059】
＜ステップＳＴ１＞船舶３００を一定の船速で航走させて舵角指令ｓａｃとして正弦波を与え、（１）舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性と、（２）実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性と、を事前に計測する。船速を変更しながら、それぞれの船速毎に前述の計測を実施する。
【0060】
＜ステップＳＴ２＞ステップＳＴ１で計測した、（１）舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数応答特性と、（２）実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数応答特性とをオフラインで曲線近似し、船速毎に前述のそれぞれの周波数伝達関数をパラメータ同定する。
【0061】
＜ステップＳＴ３＞角速度制御器３０Ａの型、角速度制御帯域、角速度制御系の規範閉ループ伝達関数を定め、ステップＳＴ２で求めた周波数伝達関数に基づいて、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａのゲインを船速毎に決定する。
【0062】
＜ステップＳＴ４＞ステップＳＴ３で求めた第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａを含む角速度制御系の開ループ伝達関数を指標として、進相が必要な船速および周波数帯における進相量を定め、位相補償器３２Ａのパラメータを、船速ｓｓに依存しない固定値あるいは船速毎の可変のパラメータとして決定する。
【0063】
＜ステップＳＴ５＞ステップＳＴ４までで定めた第１のゲインスケジューリング制御器３１Ａと、位相補償器３２Ａとを含む角速度制御系、すなわち角速度指令ａｖｃからセンサ群２００の出力であるセンサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖまでの閉ループ伝達関数が「１」、すなわち実角速度ａａｖが角速度指令ａｖｃに完全に追従するように、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ａのゲインを、船速毎に決定する。たとえば、船速毎の周波数伝達関数に基づいて、その逆モデルを利用して上記ゲインを決定する。
【0064】
＜ステップＳＴ６＞ステップＳＴ２で同定した船速毎の舵角指令ｓａｃに対する実舵角ａｓａの周波数伝達関数と、実舵角ａｓａに対する実角速度ａａｖの周波数伝達関数とに基づいて、角速度制御帯域外のピークゲインとその位相差を抽出し、当該ピークゲインを抑制させる振動抑制制御器４０Ａのパラメータを、船速ｓｓに依存しない固定値あるいは船速毎の可変のパラメータとして決定する。
【0065】
＜ステップＳＴ７＞方位制御器２０Ａの型、方位制御帯域、方位制御系の規範閉ループ伝達関数を定め、ステップＳＴ２で求めた周波数伝達関数、角速度制御器３０Ａ、位相補償器３２Ａおよび振動抑制制御器４０Ａを含む角速度制御系の閉ループ伝達関数に基づいて、方位制御器２０Ａのゲインを、船速ｓｓに依存しない固定値として決定する。
【0066】
＜ステップＳＴ８＞角速度制御器３０Ａ、振動抑制制御器４０Ａ、方位制御器２０Ａをソフトウェア実装する。
【0067】
以上述べた実施の形態１は、少なくとも下記の構成を含む。（１）舵角を制御するための指令に基づいて船舶の舵角を制御する舵角制御系を備え、前記舵角の制御に基づいて前記船舶を操舵するようにした船舶の制御装置に設けられ、前記船舶を欲する方位に保持して航走させ又は欲する方位へ変更させながら航走させる機能を有する船舶の方位制御装置であって、
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令に基づいて角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令に基づいて舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
前記舵角指令に重畳された角速度制御帯域外の振動成分を抑制して最終舵角指令を生成して出力する振動抑制制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成されている。
この構成により、船舶を振動させることなく、方位保持または方位変更するために必要な船外機の最終的な舵角指令を生成することができる。
【0068】
（２）前記角速度制御器は、角速度指令と実角速度の偏差と、前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインと、に基づいて、第１の操作量を生成して出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの前記船速と、に基づいて、前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させて出力する位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの前記船速に応じて可変となる可変ゲインと、に基づいて、第２の操作量を生成して出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、
を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記舵角指令を生成するように構成されている。
この構成により、船速が変化しても角速度制御帯域が変動することなく、常に一定の角速度制御応答を実現できる。
【0069】
（３）前記第１のゲインスケジューリング制御器のゲイン、および前記第２のゲインスケジューリング制御器におけるゲインは、前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記角速度制御帯域内での設計値と、
前記角速度制御器における角速度制御系の規範的な閉ループ伝達関数と、
に基づいて一意に決定され、
前記ゲインは、前記船速の関数又は予め定められた船速に対するマップとして与えられる可変ゲインである。
この構成により、船速が変化しても角速度制御帯域が変動することなく、常に一定の角速度制御応答を実現することができる。
【0070】
（４）前記位相補償器は、前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、前記角速度制御器から出力された前記舵角指令を、予め定められた速度領域において進相させるように構成され、
前記位相補償器のパラメータは、全船速領域において固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップとして与えられている。
この構成により、所定船速における角速度制御器の出力の位相遅れを低減し、角速度制御系を安定化できる。
【0071】
（５）前記振動抑制制御器は、前記角速度制御器から出力された前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記第１の演算器の出力に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
を有し、
前記第１の演算器におけるパラメータと前記第２の演算器におけるパラメータは、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、全船速領域で固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップで与えられている。
この構成により、方位保持時もしくは方位変更時の阻害要因となる角速度制御帯域外の振動を抑制し、全船速域で安定した角速度制御を可能とする。
【0072】
（６）前記振動抑制制御器は、前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
のうちの何れか一方のみを有し、
前記振動抑制制御器が有する前記何れか一方の演算器におけるパラメータは、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの舵角指令から実舵角までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
前記船舶を複数の異なる船速でそれぞれ定速航走させたときの前記実舵角から実角速度までの、前記異なる船速毎の予め取得された周波数応答特性と、
に基づいて、全船速領域で固定値であり、又は前記センサ群情報のうちの前記船速の関数であり、又はマップで与えられている。
この構成により、振動抑制のための演算を簡素化できる。
【0073】
また、実施の形態１は、少なくとも下記の方法を含む。（７）船舶を欲する方位で保持し、又は船舶を欲する方位へ変更させながら航走させる船舶の方位制御方法であって、
ユーザーインターフェースの操作による方位信号を方位指令に変換し、
前記方位指令と実方位との偏差を零とする角速度指令を生成し、
前記角速度指令と実角速度との偏差を零とする舵角指令を生成し、
前記舵角指令に重畳する振動成分を減衰させた最終舵角指令を生成し、
前記最終舵角指令に基づいて前記船舶の方位を制御する方法。
この方法により、船舶を振動させることなく、方位保持または方位変更するために必要な船外機の最終的な舵角指令を生成することができる。
【0074】
実施の形態１による船舶の方位制御装置および方位制御方法によれば、船舶が航走する全船速域において、角速度制御応答と方位制御応答それぞれの制御帯域を船速に依らず一定としつつ、潮流もしくは風などの船舶への外乱および舵角制御系から船舶までの特性に起因する振動を助長させることなく、安定した角速度制御と方位制御を実現することができる。さらに、角速度制御器、振動抑制制御器および方位制御器の内部演算におけるゲインおよびパラメータは、予めオフラインで得た、船速毎の舵角指令に対する実舵角の周波数伝達関数と、実舵角に対する実角速度の周波数伝達関数の傾向によって一意に決定され、特許文献２に開示されたような行列の逐次演算を一切必要としない簡素な構成とすることができるので、方位制御装置の演算負荷を低減することができる。
【0075】
実施の形態２．つぎに、実施の形態２による船舶の方位制御装置および方位制御方法について説明する。図６は、実施の形態２による船舶の方位制御装置を備えた船舶の制御装置の全体構成を示す機能ブロック図である。図６に示すユーザーインターフェース６００、船舶３００、センサ群２００、舵角制御系１００の構成は、前述の実施の形態１の船舶の方位制御装置におけるそれらと同様であるので、説明は省略する。
【0076】
実施の形態２による船舶の方位制御装置１Ｂは、方位指令生成器１０Ａと、方位制御器２０Ａと、角速度制御器３０Ａと、振動抑制制御器４０Ｂとを備えている。方位制御装置１Ｂに設けられている方位指令生成器１０Ａ、方位制御器２０Ａ、角速度制御器３０Ａは、実施の形態１の方位制御装置１Ａに設けられている方位指令生成器１０Ａ、方位制御器２０Ａ、角速度制御器３０Ａと同一である。実施の形態１との違いは、振動抑制制御器４０Ｂの内部構成にある。
【0077】
つぎに、振動抑制制御器４０Ｂについて詳細に説明する。図７は、実施の形態２による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。図７において、振動抑制制御器４０Ｂは、前述の角速度制御器３０Ａの出力である舵角指令ｓａｃを入力とし、舵角制御系１００へ最終舵角指令ｆｓａｃを出力するものである。振動抑制制御器４０Ｂは、第１の演算器４１Ｂと、第２の演算器４２Ｂと、周波数分析器４３Ｂとにより構成されている。振動抑制制御器４０Ｂは、前述の図４に示した実施の形態１における振動抑制制御器４０Ａと比較して、周波数分析器４３Ｂが加わっている点が異なる。
【0078】
周波数分析器４３Ｂは、センサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖの時系列を入力とし、この実角速度ａａｖの時系列に対して、高速フーリエ変換などの周知の周波数分析アルゴリズムにより、交流主成分の分析を行う。この分析により求められた実角速度ａａｖにおける角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅から、実角速度ａａｖにおける角速度制御帯域外の交流主成分の中心周波数、ノッチ減衰比、ノッチ深さを、第１の演算器４１Ｂへ出力する。さらに、同様な分析により求められた実角速度ａａｖにおける角速度制御帯域外の交流副成分の周波数と振幅から、カットオフ周波数を第２の演算器４２Ｂへ出力する。
【0079】
第１の演算器４１Ｂは、角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅を受けて、中心周波数、ノッチ減衰比、ノッチ深さに代表されるパラメータを適応的に決定する。第２の演算器４２Ｂは、角速度制御帯域外の交流副成分の周波数と振幅を受けて、カットオフ周波数に代表されるパラメータを適応的に決定する。なお、第１の演算器４１Ｂを直列に複数接続した場合は、その直列接続要素それぞれのパラメータを適応的に決定できる。また、第２の演算器４２Ｂを直列に複数接続した場合は、その直列接続要素それぞれのパラメータを適応的に決定できる。
【0080】
なお、振動抑制制御器４０Ｂは、舵角指令ｓａｃに重畳した角速度制御帯域外の交流主成分と交流副成分とで見分けが付き難く、同等の大きさの成分が複数存在している場合、前述の交流成分のそれぞれの周波数に対応させ、中心周波数とノッチ減衰比とノッチ深さの異なる複数の第１の演算器４１Ｂを直列に接続し、あるいは、交流主成分だけが卓越していて当該周波数帯の振動だけが乗り心地などの観点で問題となる場合には、交流主成分を減衰させる第１の演算器４１Ｂだけの単一の構成としてもよい。また、振動抑制制御器４０Ｂは、舵角指令ｓａｃに重畳した角速度制御帯域外の交流主成分と交流副成分とで見分けが付き難く、同等の大きさの成分が複数存在している場合には、最も周波数が低い交流成分よりもやや低いカットオフ周波数で設定した交流副成分を減衰させる第２の演算器４２Ｂだけの単一の構成としてもよい。
【0081】
以上述べた実施の形態２は、前述の実施の形態１の構成と同一となる構成および方法の他に、少なくとも以下の構成を含む。（８）前記振動抑制制御器は、
前記角速度制御器から出力された前記舵角指令に重畳した前記角速度制御帯域外の交流主成分を減衰させる第１の演算器と、
前記第１の演算器の出力に重畳した前記角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させる第２の演算器と、
前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの実角速度に重畳した振動成分を抽出し、前記角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅、および交流副成分の周波数と振幅を出力する周波数分析器と、
を有し、
前記第１の演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅とに基づいて与えられ、
前記第２の演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流副成分の周波数と振幅とに基づいて与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
この構成により、センサ群情報のうちの実角速度に重畳した振動成分に逐次適合させ、最適な第１の演算器と第２の演算器を得ることができる。
【0082】
（９）前記振動抑制制御器は、前記角速度制御器から出力された舵角指令に重畳した角速度制御帯域外の交流成分を減衰させる演算器と、
前記船舶の設けられたセンサ群から出力されたセンサ群情報のうちの実角速度に重畳した振動成分を抽出し、角速度制御帯域外の交流成分の周波数と振幅を出力する周波数分析器と、
を有し、
前記演算器のパラメータは、前記周波数分析器から出力された前記角速度制御帯域外の交流成分の周波数と振幅とに基づいて与えられている、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の船舶の方位制御装置。
この構成により、センサ群情報のうちの実角速度に重畳した振動成分に逐次適合させ、最適な演算器を得ることができるとともに、振動抑制のための演算を簡素化できる。
【0083】
以上、この実施の形態２によれば、実施の形態１における振動抑制制御器４０Ａに比較して、センサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖに重畳した振動成分に逐次適合させ、最適な第１の演算器４１Ｂと第２の演算器４２Ｂのそれぞれのフィルタを、可変のパラメータとして得ることができる。これにより、船舶３００が航走する全船速域において、角速度制御応答と方位制御応答それぞれの制御帯域を一定としつつ、潮流、風などの船舶３００への外乱および舵角制御系１００から船舶３００までの特性に起因する振動を助長させることなく、安定した角速度制御と方位制御を実現することができる。
【0084】
実施の形態３．つぎに、実施の形態３による船舶の方位制御装置及び方位制御方法について説明する。 図８は、実施の形態３による船舶の方位制御装置を備えた船舶の制御装置の全体構成を示す機能ブロック図である。図８に示すユーザーインターフェース６００、船舶３００、センサ群２００、舵角制御系１００の構成は、前述の実施の形態１及び実施の形態２の船舶の方位制御装置におけるそれらと同様であるので、説明は省略する。
【0085】
実施の形態３による船舶の方位制御装置１Ｃは、方位指令生成器１０Ａと、方位制御器２０Ｃと、角速度制御器３０Ｃと、振動抑制制御器４０Ｃとを備えている。方位制御装置１Ｃに設けられている方位指令生成器１０Ａは、実施の形態１および実施の形態２の方位制御装置１Ａ、１Ｂに設けられている方位指令生成器１０Ａと同一である。実施の形態１および実施の形態２との違いは、振動抑制制御器４０Ｃへの入力に、センサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖと実方位ａａｚを用いている点である。
【0086】
つぎに、振動抑制制御器４０Ｃについて詳細に説明する。図９は、実施の形態３による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。図９において、振動抑制制御器４０Ｃは、センサ群２００の出力であるセンサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖと実方位ａａｚをそれぞれ入力とし、角速度制御器３０Ｃへ処理後実角速度ｆａａｖを出力し、方位制御器２０Ｃへ処理後実方位ｆａａｚをそれぞれ出力する。
【0087】
振動抑制制御器４０Ｃは、第１の演算器４１Ｃと第２の演算器４２Ｃとにより構成される。第１の演算器４１Ｃは、実角速度ａａｖに重畳した角速度制御帯域外の交流主成分のみを局所的に減衰させるフィルタであって、例えば、中心周波数が前述の交流主成分に相当するノッチフィルタである。第２の演算器４２Ｃは、実角速度ａａｖに重畳した角速度制御帯域外の交流副成分を減衰させるフィルタであって、例えば、ローパスフィルタである。なお、第１の演算器４１Ｃと第２の演算器４２Ｃのフィルタのパラメータの設計法は、実施の形態１の場合と同様であって、第１の演算器４１Ｃと第２の演算器４２Ｃのそれぞれのフィルタのパラメータは、実施の形態１で示した第１の演算器４１Ａと第２の演算器４２Ａそれぞれと同一構成とする。
【0088】
図１０は、実施の形態３による船舶の方位制御装置における、振動抑制制御器の内部構成の別の例を示す機能ブロック図である。実施の形態３による船舶の方位制御装置１Ｃは、前述の図９に示す振動抑制制御器４０Ｃに代えて、図１０に示す振動抑制制御器４０Ｄを用いることができる。図１０において、振動抑制制御器４０Ｄは、センサ群２００の出力であるセンサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖと実方位ａａｚを入力とし、処理後実角速度ｆａａｖおよび処理後実方位ｆａａｚを出力する。
【0089】
振動抑制制御器４０Ｄは、センサ群２００の出力であるセンサ群情報ｓｇｉのうちの実角速度ａａｖおよび実方位ａａｚを入力とし、角速度制御器３０Ｃへ処理後実角速度ｆａａｖを出力し、方位制御器２０Ｃへ処理後実方位ｆａａｚを出力する。振動抑制制御器４０Ｄは、第１の演算器４１Ｄと、第２の演算器４２Ｄと、周波数分析器４３Ｄとにより構成されている。なお、第１の演算器４１Ｄと第２の演算器４２Ｄのフィルタのパラメータは、実施の形態２の場合と同様にして、適応的に決定することができる。周波数分析器４３Ｄは、主成分分析で求められた角速度制御帯域外の交流主成分の周波数と振幅から、中心周波数、ノッチ減衰比、ノッチ深さを第１の演算器４１Ｄへ出力する。さらに、周波数分析器４３Ｄは、同様な分析により求められた角速度制御帯域外の交流副成分の周波数と振幅から、カットオフ周波数を第２の演算器４２Ｄへ出力する。
【0090】
つぎに、角速度制御器３０Ｃについて説明する。図１１Ａは、実施の形態３による船舶の方位制御装置における、角速度制御器の内部構成を示す機能ブロック図である。図１１Ａにおいて、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ｃは、後述する方位制御器２０Ｃの出力である角速度指令ａｖｃと、振動抑制制御器４０Ｃまたは振動抑制制御器４０Ｄの出力である処理後実角速度ｆａａｖとの差に相当する角速度偏差と、センサ群情報ｓｇｉのうちの船速ｓｓとに基づいて、前述の角速度偏差を零とするようにフィードバック制御し、その出力として第１の操作量ｏｍ１を出力する。第１のゲインスケジューリング制御器３１Ｃは、実施の形態１の場合と同様の構成を取ることができる。また、前述の角速度偏差を示す偏差信号への前処理として、角速度偏差が小さい予め設定された区間は、角速度偏差を便宜的に零とする不感帯処理などを適用してもよい。なお、位相補償器３２Ａは、実施の形態１および実施の形態２の場合と同様である。
【0091】
図１１Ｂは、実施の形態３による船舶の方位制御装置における、角速度制御器の内部構成の別の例を示す機能ブロック図である。実施の形態３による船舶の方位制御装置１Ｃは、前述の図１１Ａに示す角速度制御器３０Ｃに代えて、図１１Ｂに示す角速度制御器３０Ｃを用いることができる。前述の図１１Ａとの違いは、位相補償器３２Ａが、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ｃの出力である第１の操作量ｏｍ１と、第２のゲインスケジューリング制御器３３Ｃの出力である第２の操作量ｏｍ２とを加算する加算点３４Ａの後段に配置されている点である。この場合、第１のゲインスケジューリング制御器３１Ｃは、実施の形態１で述べたものをそのまま利用できる。
【0092】
第２のゲインスケジューリング制御器３３Ｃの内部のゲインとして、実舵角ａｓａから実角速度ａａｖまでの周波数応答特性に近似した周波数伝達関数の逆モデルのゲインが与えられる。あるいは、第２の操作量ｏｍ２を第１の操作量ｏｍ１に加える合わせる加算点３４Ａ以降からセンサ群２００までの周波数伝達関数の逆モデルのゲインが与えられてもよい。これらの逆モデルのゲインは、船速ｓｓに応じて変化する可変ゲインである。
【0093】
図８に示す方位制御器２０Ｃは、方位指令生成器１０Ａの出力である方位指令ａｚｃと、振動抑制制御器４０Ｃまたは振動抑制制御器４０Ｄの出力である処理後実方位ｆａａｚとの差に相当する方位偏差を零とするようにフィードバック制御するためのものである。方位制御器２０Ｃは、例えば、ＰＩＤ制御器などのさまざまな構造を取ることができる。前述したように、舵角制御系１００の角速度制御帯域が船速ｓｓに依らず一定であるので、方位制御器２０Ｃのゲインは、方位指令ａｚｃから実方位ａａｚまでの閉ループ伝達関数が欲する特性となるように、設計者が定めた方位制御帯域および方位指令ａｚｃから実方位ａａｚまでの規範的な閉ループ伝達関数に基づいて、船速ｓｓに依らず一意に求めることができる。また、前述の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では、方位偏差を便宜的に零とする不感帯処理などを適用してもよい
【0094】
以上述べた実施の形態３は、少なくとも以下の構成を含む。（１０）舵角を制御するための指令に基づいて船舶の舵角を制御する舵角制御系を備え、前記舵角の制御に基づいて前記船舶を操舵するようにした船舶の制御装置に設けられ、前記船舶を欲する方位に保持して航走させ又は欲する方位へ変更させながら航走させる機能を有する船舶の方位制御装置であって、
前記船舶に設けられたセンサ群からのセンサ群情報に重畳した制御帯域外の振動成分を抑制して出力する振動抑制制御器と、
ユーザーインターフェースの操作により生成された方位信号を方位指令に変換して出力する方位指令生成器と、
前記方位指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実方位とに基づいて、角速度指令を生成して出力する方位制御器と、
前記角速度指令と前記振動抑制制御器から出力された処理後実角速度とに基づいて、最終舵角指令を生成して出力する角速度制御器と、
を備え、
前記最終舵角指令を前記舵角を制御するための指令として前記舵角制御系に与えるように構成されている。
この構成により、方位保持時もしくは方位変更時の阻害要因となる振動を抑制し、全船速域で安定した方位制御を可能とする。
【0095】
（１１）前記角速度制御器は、前記角速度指令と前記処理後実角速度との偏差と、前記センサ群情報のうちの船速に応じて可変となるゲインとに基づいて、第１の操作量を生成して出力する第１のゲインスケジューリング制御器と、
前記第１の操作量と、前記センサ群情報のうちの船速とに基づいて、予め定められた船速にて前記第１の操作量を予め定められた量だけ進相させる位相補償器と、
前記角速度指令と、前記センサ群情報のうちの船速に応じて可変とする可変ゲインとに基づいて、第２の操作量を生成して出力する第２のゲインスケジューリング制御器と、
を有し、
前記位相補償器の出力と前記第２の操作量とを加算して前記最終舵角指令を生成するように構成されている。
この構成により、方位保持時もしくは方位変更時の阻害要因となる振動を抑制し、全船速域で安定した方位制御を可能とする。
【0096】
また、実施の形態３は、少なくとも下記の方法を含む。（１２）船舶を欲する方位で保持し、又は船舶を欲する方位へ変更させながら航走させる船舶の方位制御方法であって、
前記船舶に設けられたセンサ群からのセンサ群情報に重畳した制御帯域外の振動成分を抑制して、処理後実方位と処理後実角速度とを生成し、
ユーザーインターフェースの操作による方位信号を方位指令に変換し、
前記方位指令と前記処理後実方位との偏差を零とする角速度指令を生成し、
前記角速度指令と前記処理後実角速度との偏差を零とする最終舵角指令を生成し、
前記最終舵角指令に基づいて前記船舶の方位を制御する方法。
この方法により、方位保持時もしくは方位変更時の阻害要因となる振動を抑制し、全船速域で安定した方位制御を可能とする。
【0097】
以上、この実施の形態３によれば、先に示した実施の形態１および実施の形態２と同様な効果を得ることができる。
【0098】
さらに、以上のすべての実施の形態において、船速に依らず常に一定の角速度制御系を構築できるので、角速度制御系の外側の制御ループをなす方位制御系の方位制御帯域、すなわち方位制御応答は、設計者のみならず、操船者自身の志向に応じてユーザーインターフェース６００の操作で自由に調整する機能も付加することができる。たとえば、角速度制御帯域に対して、方位制御帯域を１／３倍、１／４倍など１未満の比率で調整できる。さらに、角速度制御帯域と方位制御帯域が一定の比率で設定できる場合、角速度制御器のゲインを係数倍することで、両制御帯域を同時に広帯域化あるいは狭帯域化することもできる。
【0099】
なお、前述の各実施の形態において、図２に記載された方位制御装置１Ａの方位指令生成器１０Ａ、方位制御器２０Ａ、角速度制御器３０Ａ、振動抑制制御器４０Ａ，さらにはこれらを構成する図３から図１１に示された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、あるいは１つの制御回路でまとめて構成してもよい。また、前述の制御部分においては、船外機および船内機の舵角を制御する舵角制御系１００までを含めてもよい。この点に関し、これらの機能を実現する処理回路は、専用のハードウェアであっても、メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ(Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、プロセッサ、ＤＳＰともいう)であっても構成可能である。
【0100】
図１２Ａは、実施の形態１から実施の形態３による船舶の方位制御装置における、制御部分をハードウェアで構成した場合の例を示すブロック図である。図１２Ａにおいて、処理回路１０００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらを組み合わせたものが該当する。上記各部の機能それぞれを処理回路で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路で実現してもよい。
【0101】
図１２Ｂは、実施の形態１から実施の形態３による船舶の方位制御装置における、制御部分をソフトウェアで構成した場合のハードウェア構成の例を示すブロック図であって、各実施の形態のそれぞれの制御部分の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。図１２Ｂにおいて、ソフトウェア、ファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ２１００に格納される。処理回路であるプロセッサ２０００は、メモリ２１００に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。これらのプログラムは、前述の各部の手順、方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ２１００とは、たとえば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリー、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、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等が該当する。
【0102】
なお、前述の各部の機能について、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。
【0103】
このように、各実施の形態の処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。また処理に必要な各種情報は、ハードウェア構成の場合は回路に予め設定され、またソフトウェア構成の場合にはメモリに予め記憶させておく。
【0104】
なお、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【0105】
８００ 船舶の制御装置、１００ 舵角制御系、２００ センサ群、３００ 船舶、３０３ 操作装置、６００ ユーザーインターフェース、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 方位制御装置、１０Ａ 方位指令生成器、２０Ａ、２０Ｃ 方位制御器、３０Ａ、３０Ｃ 角速度制御器、３１Ａ、３１Ｃ 第１のゲインスケジューリング制御器、３２Ａ 位相補償器、３３Ａ、３３Ｃ 第２のゲインスケジューリング制御器、３４Ａ 加算点、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄ 振動抑制制御器、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄ 第１の演算器、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ 第２の演算器、ｓａｃ 舵角指令、ｆｓａｃ 最終舵角指令、ａｓａ 実舵角、ａｚ 方位信号、ａａｚ 実方位、ｆａａｚ 処理後実方位、ａｚｃ 方位指令、ｓｇｉ センサ群情報、ａｖｃ 角速度指令、ａａｖ 実角速度、ｆａａｖ 処理後実角速度、ｓｓ 船速、ｏｍ１ 第1の操作量、ｏｍ２ 第２の操作量