特開 2024-62802 船舶制御システム、外力ベクトル推定装置、船舶制御システムの制御方法、船舶制御システムの制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024062802

(43)【公開日】2024-05-10

(54)【発明の名称】船舶制御システム、外力ベクトル推定装置、船舶制御システムの制御方法、船舶制御システムの制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   B63B 79/40 20200101AFI20240501BHJP

   B63H 25/04 20060101ALI20240501BHJP

   B63H 21/21 20060101ALI20240501BHJP

   G08G 3/00 20060101ALI20240501BHJP

【ＦＩ】

B63B79/40

B63H25/04 D

B63H25/04 J

B63H21/21

G08G3/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022170897

(22)【出願日】2022-10-25

(71)【出願人】

【識別番号】503405689

【氏名又は名称】ナブテスコ株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003388

【氏名又は名称】東京計器株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】川谷 聖

(72)【発明者】

【氏名】田中 広樹

(72)【発明者】

【氏名】榊原 隆嗣

(72)【発明者】

【氏名】川崎 直行

(72)【発明者】

【氏名】山口 涼

(72)【発明者】

【氏名】植竹 啓延

(72)【発明者】

【氏名】島田 直毅

(72)【発明者】

【氏名】阿部 健太

【テーマコード（参考）】

5H181

【Ｆターム（参考）】

5H181AA25

5H181BB04

5H181BB15

5H181FF04

5H181FF13

(57)【要約】

【課題】外力ベクトルの影響を減らすことが可能な船舶制御システムの技術を提供することを目的とする。
【解決手段】ある態様の船舶制御システム１００は、船舶１の目標船位および目標船首方向を含む航路指令Ｅｓを出力する航路指令部５０と、船舶１の実船位と実船首方向を含む船舶情報Ｊｓを検知する情報検知部２１と、船舶情報Ｊｓと、船舶１の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、船舶１が受ける外力ベクトルＶｅを推定する外力ベクトル推定部２８と、航路指令Ｅｓと、船舶情報Ｊｓと、外力ベクトルＶｅと、に基づいて船舶の主機７４の回転数と舵角の少なくとも一方を制御する制御指令部１５と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力する航路指令部と、
前記船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知する情報検知部と、
前記船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定する外力ベクトル推定部と、
前記航路指令と、前記船舶情報と、前記外力ベクトルと、に基づいて前記船舶の主機の回転数と舵角の少なくとも一方を制御する制御指令部と、
を備える船舶制御システム。

【請求項2】

前記外力ベクトル推定部は、外力がかかっていない状態の船体運動モデルを用いて前記外力ベクトルを推定する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項3】

前記外力ベクトル推定部は、前記船舶の前後方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルを推定する、請求項２に記載の船舶制御システム。

【請求項4】

前記外力ベクトル推定部は、前記船舶の前後方向に直交する方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルを推定する、請求項２に記載の船舶制御システム。

【請求項5】

前記船舶が、風、および潮流の少なくとも一つから受ける外力の計測結果を用いて前記外力ベクトルを推定する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項6】

前記外力ベクトル推定部は、外力ベクトルの時系列データに対する周波数分析を用いて、風、潮流の少なくとも１つの成分を分離する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項7】

前記外力ベクトル推定部は、通信手段を介して、前記船体運動モデルを生成または更新する処理の一部または全部を船舶外の装置を用いて実行する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項8】

船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定する外力ベクトル推定部を備える外力ベクトル推定装置。

【請求項9】

船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力するステップと、
前記船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知するステップと、
前記船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定するステップと、
前記航路指令と、前記船舶情報と、前記外力ベクトルと、に基づいて前記船舶の主機の回転数と舵角の少なくとも一方を制御するステップと、
を含む船舶制御システムの制御方法。

【請求項10】

船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力するステップと、
前記船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知するステップと、
前記船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定するステップと、
前記航路指令と、前記船舶情報と、前記外力ベクトルと、に基づいて前記船舶の主機の回転数と舵角の少なくとも一方を制御するステップと、
をコンピュータに実行させる船舶制御システムの制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、船舶制御システム、外力ベクトル推定装置、船舶制御システムの制御方法、および船舶制御システムの制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、船舶の自動操縦方法が記載されている。この方法は、船舶の実際位置と予定位置とのずれを定期的に算出し、経時的に得られる上記ずれ量を統計的に処理して船舶に作用する外力を推定する。この方法では、上記外力と実際位置と予定航路上の目標位置とから船舶の次の操舵指令を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開昭５８－０８２３１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、船舶の実際位置と予定位置との位置ずれがある程度大きくなってから補正をするため制御の誤差が大きくなる。また、外力ベクトルの影響が考慮されないので、外力ベクトルによる制御の誤差が大きくなる。制御の誤差が大きいと、それに応じて補正のための燃料消費量が増えるとう問題がある。

【0005】

本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、外力ベクトルの影響を減らすことが可能な船舶制御システムの技術を提供することを目的の一つとしている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の船舶制御システムは、船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力する航路指令部と、船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知する情報検知部と、船舶情報と、船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、船舶が受ける外力ベクトルを推定する外力ベクトル推定部と、航路指令と、船舶情報と、外力ベクトルと、に基づいて船舶の主機の回転数と舵角の少なくとも一方を制御する制御指令部と、を備える。

【0007】

なお、以上の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、外力ベクトルの影響を減らすことが可能な船舶制御システムの技術を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の第１実施形態に係る船舶制御システムが適用された船舶を概略的に示す図である。

【図2】図１の船舶制御システムを概略的に示すブロック図である。

【図3】図１の船舶制御システムの情報の流れを示す図である。

【図4】実施形態の船体運動モデル同定部の動作を示す動作ブロック図である。

【図5】風による旋回モーメントの発生例を説明する説明図である。

【図6】本発明の第２実施形態に係る船舶制御システムの制御方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本明細書で開示した実施形態のうち、複数の物体で構成されているものは、当該複数の物体を一体化してもよく、逆に一つの物体で構成されているものを複数の物体に分けることができる。一体化されているか否かにかかわらず、発明の目的を達成できるように構成されていればよい。

【0011】

本明細書で開示した実施形態のうち、複数の機能が分散して設けられているものは、当該複数の機能の一部または全部を集約して設けても良く、逆に複数の機能が集約して設けられているものを、当該複数の機能の一部または全部が分散するように設けることができる。機能が集約されているか分散されているかにかかわらず、発明の目的を達成できるように構成されていればよい。

【0012】

また、共通点のある別々の構成要素には、名称の冒頭に「第１、第２」等と付して区別し、総称するときはこれらを省略する。また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。

【0013】

ある態様の船舶制御システムは、船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力する航路指令部と、前記船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知する情報検知部と、前記船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定する外力ベクトル推定部と、前記航路指令と、前記船舶情報と、前記外力ベクトルと、に基づいて前記船舶の主機の回転数と舵角の少なくとも一方を制御する制御指令部と、を備える。

【0014】

この構成によれば、外力ベクトルを用いて船舶を制御するので、外力による船舶の位置や姿勢の乱れを制御により抑制できる。

【0015】

一例として、前記外力ベクトル推定部は、外力がかかっていない状態の船体運動モデルを用いて前記外力ベクトルを推定する。この場合、風や潮流など頻繁に変化する外力が少ない状態の船体運動モデルで外力ベクトルが推定されるので、外力ベクトルの不要な変動を低減できる。

【0016】

一例として、前記外力ベクトル推定部は、前記船舶の前後方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルを推定する。この場合、前後方向に作用する外力を用いて外力ベクトルを推定できる。

【0017】

一例として、前記外力ベクトル推定部は、前記船舶の前後方向に直交する方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルを推定する。この場合、横方向に作用する外力を用いて外力ベクトルを推定できる。

【0018】

一例として、前記船舶が、風、および潮流の少なくとも一つから受ける外力の計測結果を用いて前記外力ベクトルを推定する。この場合、取得した潮流、風速、風向の計測結果から外力を計算できるので、精度よく外力ベクトルを推定できる。

【0019】

一例として、前記外力ベクトル推定部は、外力ベクトルの時系列データに対する周波数分析を用いて、風、潮流の少なくとも１つの成分を分離する。この場合、分離された成分毎に異なる係数を乗じた結果を用いて制御できる。また、風の成分を分離することにより、風による旋回モーメントの影響を把握できる。

【0020】

一例として、前記外力ベクトル推定部は、通信手段を介して、前記船体運動モデルを生成または更新する処理の一部または全部を船舶外の装置を用いて実行する。この場合、船舶上の情報処理量を減らせるので低コスト化に有利である。

【0021】

ある態様の外力ベクトル推定装置は、船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定する外力ベクトル推定部を備える。

【0022】

この構成によれば、外力ベクトルを用いて制御することが可能なり、外力による船舶の位置や姿勢の乱れを制御により抑制できる。

【0023】

以下、本発明を好適な実施形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施形態及び変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

【0024】

［第１実施形態］
以下、図１～図５を参照して、本発明の第１実施形態に係る船舶制御システム１００を説明する。図１は、第１実施形態に係る船舶制御システム１００が適用された船舶１を概略的に示す図である。図２は、船舶制御システム１００を概略的に示すブロック図である。図３は、船舶制御システム１００の情報の流れを示す図である。

【0025】

図２、図３のブロック図に示す各ブロックは、ハードウェア的には、コンピュータのプロセッサ、ＣＰＵ、メモリをはじめとする素子や電子回路、機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

【0026】

実施形態では、船舶１は、船体９０と、情報検知手段８８と、情報処理部１０と、航路指令部５０と、主機７４と、操舵機７６とを備える。船舶制御システム１００は、船舶１に設けられる。主機７４は、船舶１を推進させるエンジンであって、プロペラ７５を回転させて船体９０に推進力を付与する。主機７４は、船体９０を推進させ得るものであればよく、この例ではディーゼルエンジンである。主機７４は、主機７４を運転するために、主機７４の回転数やトルクに応じた量の燃料を消費する。主機７４には、主機７４の負荷変動に対する回転速度の変動を抑制するために燃料投入量を微調整するガバナ（不図示）が設けられてもよい。

【0027】

操舵機７６は、船舶１を旋回するために船体に設けられた舵７７を回転させる動力操舵機構である。操舵機７６は、電動機などの動力源の動力を用いて舵角を変化させる。

【0028】

情報検知手段８８は、ＧＰＳ受信機１１と、ジャイロ１２と、潮流センサ１３と、風向風速センサ１４と、主機センサ７８と、舵角センサ７９とを含む。

【0029】

ＧＰＳ受信機１１は、衛星電波を用いて受信機の現在位置を算出し、算出された現在位置を実船位として情報処理部１０の情報検知部２１へ提供する。ＧＰＳ受信機１１は、衛星電波を用いて受信機の現在位置を算出可能なものであればよく、特定のシステムに限定されない。実施形態のＧＰＳ受信機１１は、複数個の衛星のうち、上空にある数個の衛星からの測位用の信号を受信して、受信機の現在位置を算出する全地球測位システム（Global Positioning System）である。ジャイロ１２は、船舶１の姿勢を取得し、取得した姿勢から船舶１の実船首方向を特定し、特定した実船首方向を情報処理部１０の情報検知部２１へ提供する。

【0030】

潮流センサ１３は、船舶１に影響する潮流を計測可能なデバイスであり、計測した潮流を環境条件検知部２３に提供する。風向風速センサ１４は、船舶１に影響する風向と風速を計測可能なデバイスであり、計測した風向と風速を情報処理部１０の環境条件検知部２３に提供する。

【0031】

主機センサ７８は、主機７４の実回転数と、主機７４の軸馬力とを取得し、取得した実回転数および軸馬力を情報処理部１０の推進情報検知部２４に提供する。主機７４の軸馬力は、プロペラ軸に設けられる軸馬力計により計測できる。舵角センサ７９は、操舵機７６から舵７７の実舵角を取得し、取得した実舵角を情報処理部１０の推進情報検知部２４に提供する。

【0032】

航路指令部５０は、航海計画に基づいて、船舶１の目標船位Ｅ１および目標船首方向Ｅ２を含む航路指令Ｅｓを出力する。この例の航路指令部５０は、船舶１の目標船位Ｅ１、目標船首方向Ｅ２、および目標到達時刻Ｅ３を生成して、情報処理部１０の制御指令部１５に提供する。

【0033】

情報処理部１０は、情報検知部２１と、制御指令部１５と、主機制御部１８と、操舵制御部１９と、船体運動モデル同定部２６と、記憶部２９とを含む。

【0034】

情報検知部２１は、船舶１の実船位Ｊ１と実船首方向Ｊ２を含む船舶情報Ｊｓを検知する。この例の情報検知部２１は、船舶情報検知部２２と、環境条件検知部２３と、推進情報検知部２４とを含む。船舶情報検知部２２は、ＧＰＳ受信機１１から船舶１の実船位Ｊ１を取得し、ジャイロ１２から実船首方向Ｊ２を取得する。環境条件検知部２３は、船舶１が、風、および潮流の少なくとも一つから受ける外力を取得する。この例の環境条件検知部２３は、随時、潮流センサ１３から潮流の速度および潮流方向を、風向風速センサ１４から風速および風向を取得する。潮流センサ１３および風向風速センサ１４を備えることは必須ではない。推進情報検知部２４は、主機センサ７８から主機７４の実回転数と、主機７４の軸馬力とを取得し、舵角センサ７９から舵７７の実舵角を取得する。

【0035】

制御指令部１５は、航路指令Ｅｓと、船舶情報Ｊｓと、外力ベクトルＶｅとに基づいて船舶１の主機７４の回転数と舵角の少なくとも一方を制御する。実施形態の制御指令部１５は、船舶１の実船位Ｊ１および実船首方向Ｊ２が、航路指令部５０から提供される目標船位Ｅ１および目標船首方向Ｅ２に近づくように主機７４と操舵機７６を制御するとともに、外力ベクトルＶｅを用いて回転数指令および舵角指令を補正する。制御指令部１５は、補正された回転数指令Ｎｐを主機制御部１８に提供し、補正された舵角指令Ａｐを操舵制御部１９に提供する。

【0036】

記憶部２９は、情報検知部２１で取得した入力情報Ｊ１～Ｊ６の時系列データ、船体運動モデル同定部２６の各計算結果の時系列データを記憶する。また、記憶部２９は、船舶制御システム１００の制御プログラムＰ１００を格納する。

【0037】

船体運動モデル同定部２６（以下、単に同定部２６ということがある）は、船舶情報Ｊｓと、船舶１の船体運動に関する船体運動モデルを用いて、船舶１が受ける外力ベクトルＶｅを推定する。つまり、同定部２６は、外力ベクトル推定部２８としても機能し、外力ベクトル推定装置６０を構成する。この例の同定部２６は、潮流や風による外力ベクトルを推定する。船体運動モデルは、船舶１の加減速と旋回などに関する船体運動モデルである。

【0038】

図４、図５を参照して、同定部２６の動作の一例を説明する。図４は、同定部２６の動作Ｓ１１０を示す動作ブロック図である。図５は、風による旋回モーメントの発生例を説明する説明図である。図４の例では、動作Ｓ１１０は、複数の動作ブロックを含む。

【0039】

入力情報ブロック（動作ブロック１）では、同定部２６は、情報検知部２１から入力情報Ｊ１～Ｊ６を取得する。ここで、同定部２６は、船舶情報検知部２２から実船位Ｊ１、実船首方向Ｊ２および実時刻を取得する。また、同定部２６は、推進情報検知部２４から主機７４の実回転数Ｊ４、主機７４の実軸馬力Ｊ５、および実舵角Ｊ６を取得する。

【0040】

外力ベクトルＶｅを精度よく推定するために、外力ベクトル推定部２８は、船舶１が、風、および潮流の少なくとも一つから受ける外力の計測結果を用いて外力ベクトルＶｅを推定してもよい。具体的には、同定部２６は、潮流センサ１および風向風速センサ１４を有しており、環境条件検知部２３は、潮流センサ１および風向風速センサ１４で計測した潮流、風向、風速に関する環境情報Ｊ３を取得する。

【0041】

データ加工ブロック（動作ブロック２）では、同定部２６は、入力情報を用いてデータ加工を行う。同定部２６は、上述の入力情報Ｊ１～Ｊ６を用いて以下の計算を行う。

【0042】

外力ベクトル推定部２８は、船舶１の前後方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルＶｅを推定する。また、外力ベクトル推定部２８は、船舶１の前後方向に直交する方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルＶｅを推定する。このため、同定部２６は、下記の計算１と、計算２を実行する。
（計算１）同定部２６は、実船位Ｊ１の時間微分により前後方向の実船速と実加減速度、前後方向に直交する方向（以下、横方向という）の実船速と実加減速度を計算する。
（計算２）同定部２６は、船首方向の時間微分により実回頭速度と船首方向の実加減速度を計算する。

【0043】

（計算３）同定部２６は、主機７４が発生する主機推進力を計算する。例えば、主機推進力は、推進情報検知部２４から取得した主機７４の実回転数Ｊ４と、主機７４の実軸馬力Ｊ５と、プロペラ７５の特性から算出できる。
（計算４）同定部２６は、前後方向の船体抵抗および慣性質量を計算する。

【0044】

（計算５）同定部２６は、横方向の船体抵抗および慣性質量を計算する（動作ブロック７）。船舶１では、横方向の船体抵抗および慣性質量は、船舶１の旋回前後で外力ベクトルに対する船舶１の相対的な対向角度が変化するときの、前後および横方向の実船速と実加減速度のデータから推定できる。また、船舶がスラスタを搭載している場合、横方向の船体抵抗および慣性質量は、スラスタを作動させた際の前後および横方向の実船速と実加減速度のデータから推定できる。
（計算６）同定部２６は、舵７７により発生する回頭モーメントを計算する。

【0045】

同定部２６は、計算１～計算６の計算結果を用いて、主機と舵による船体運動モデルを同定する（動作ブロック３）。主機と舵による船体運動モデルは、例えば、入力情報Ｊ１～Ｊ６および計算１～計算６の計算結果を用いて機械学習により同定できる。また、入力情報Ｊ１～Ｊ６または計算１～計算６の結果が変化した場合、同定部２６は、船体運動モデルを更新できる（動作ブロック４）。

【0046】

（計算７）同定部２６は、回頭方向の船体抵抗および慣性モーメントを計算する。ここで、計算７の回頭方向の船体抵抗および慣性モーメントに関する計算モデルは、計算２の実回頭速度と船首方向の実加減速度の時系列データ、および計算６の回頭モーメントの時系列データとにより作成できる。

【0047】

（計算８）同定部２６は、潮流や風による外力ベクトルＶｅを計算する（動作ブロック５）。ここで、計算８の潮流や風による外力ベクトルＶｅは、計算３の主機推進力、および計算６の回頭モーメントから計算される船舶１の加減速度、および回頭加減速度と、実際の加減速度から船舶１にどのような外力が加えられているかどうかにより計算できる。実施形態では、潮流センサ１３および風向風速センサ１４を搭載しており、環境条件検知部２３を介して取得した潮流、風速、風向の計測結果から潮流や風による外力を計算できる。

【0048】

また、計算８の潮流や風による外力ベクトルＶｅは、簡便には潮流と風の影響を分離する必要はなく、各時点で船舶１に作用する外力を総括し、ベクトルＶｅを力の大きさと向きとして把握できればよい。この場合、変針点での旋回時にあらかじめ外力ベクトルの変化を想定して主機７４の出力を制御することが可能となり、船速の無駄な加減速が発生しなくなることで、燃料消費量を削減できる。

【0049】

また、計算８について、潮流の影響と風の影響とを分離してモデル化することも可能である。例えば、風向風速センサ１４で計測した風向と風速データから、風による外力ベクトル（以下、風外力ベクトルという）のモデルを同定できる。この場合、潮流の影響が小さい場合のデータを抽出するか、もしくは風向が変化する際の外力ベクトルをモニターすることにより、風外力ベクトルのモデルを同定できる。

【0050】

潮流や風などの外力は頻繁に変動する。このように頻繁に変動する外力を含んだデータから同定された船体運動モデルには不要な変動が含まれる。この変動は、この船体運動モデルを用いて推定された外力ベクトルＶｅを用いる制御の誤差要因となり得る。そこで、実施形態では、外力ベクトル推定部２８は、外力がかかっていない状態の船体運動モデルを用いて外力ベクトルＶｅを推定する。特に、同定部２６は、前後方向および横方向の船速・加減速度、および主機７４の推進力の時系列データのデータ群から潮や風の影響がない場合を抽出して船体運動モデルを作成する。この場合、船体運動モデルにおける外力の変動の影響を減らし、外力ベクトルＶｅを用いる制御の誤差を減らすことができる。

【0051】

また、計算１の前後方向の加減速度は、潮流や風の影響が無ければ、計算３の主機７４が発生する主機推進力と、計算４の前後方向の船体抵抗および慣性質量とのバランスで決まる。このため、計算１の各方向の実船速および実加減速度のデータと、計算３の主機７４の実回転数Ｊ４および実軸馬力Ｊ５の時系列データとを記憶部２９に記憶し、この時系列データのうち潮流や風の影響がない場合をデータ抽出し（動作ブロック６）、計算４の前後方向の船体抵抗および慣性質量の計算モデルを作成できる。

【0052】

実施形態では、潮流センサ１３および風向風速センサ１４を搭載しており、環境条件検知部２３を介して取得した潮流、風速、風向の計測結果を加味した上で計算１の各方向の実船速および実加減速度の時系列データと、計算３の主機７４の実回転数Ｊ４および実軸馬力Ｊ５の時系列データとにより、計算４の前後方向の船体抵抗および慣性質量の計算モデルを作成することが可能である。この場合、計算４の計算モデルの作成の頻度が増加するので、より迅速に潮流や風の状態の変化を捉えることが可能になり、また、計算４の計算モデルの精度向上が期待できる。

【0053】

さらに、風外力ベクトルと、トータルの外力ベクトルＶｅを用いて合成することにより、潮流による外力ベクトル（以下、潮流外力ベクトルという）を分離してモデル化できる。

【0054】

風外力ベクトルおよび潮流外力ベクトルは、船舶１に旋回モーメントを発生させる場合がある。図５を参照して、風外力ベクトルによる旋回モーメントの発生例を説明する。図５は、風による旋回モーメントの発生例を説明する説明図である。図５（Ａ）は、側方視の船舶１の模式図であり、図５（Ｂ）は、上方視の船舶１の模式図である。船舶１は、船体９０の船尾に寄った側に上方に突出する船上構造物９２を有する。

【0055】

例えば、船舶１には、船上構造物９２に風が当たることにより、風が当たる相対角度に応じて、風により発生する旋回モーメント（以下、風旋回モーメントＩｗという）が矢印のように発生する。図５の例では、船上構造物９２が船尾側に寄って配置されているため、風に船尾側が強く押され、船舶１には、上方視で時計回りのモーメントが発生する。この風旋回モーメントＩｗは、風外力ベクトルの大きさＦｗと、風と船舶１の相対対向角度θｗにより式１で表すことができる。
Ｉｗ＝ｆ（Ｆｗ、θｗ） ・・（式１）

【0056】

潮流により発生する旋回モーメントについても、風旋回モーメントと同様である。外力ベクトルＶｅを潮流と風とに分離し、更に旋回モーメントも考慮することで、より高い精度で外力の影響を把握できる。このように求められた外力ベクトルＶｅは、制御指令部１５に提供され、制御指令部１５において指令値Ｎｐ、Ａｐの生成に使用される。

【0057】

制御指令部１５は、航路指令部５０より入力される目標船位Ｅ１、目標船首方向Ｅ２、目標到達時刻Ｅ３に対し、実船位Ｊ１および実船首方向Ｊ２からの短期航路計画を策定する。短期航路計画では、微小時間後の推定船位および推定船首方向が規定され、また逐次更新される。

【0058】

図２に示すように、制御指令部１５は、生成部１６と、補正部１７を有する。生成部１６は、微小時間後に目標船位、目標船首方向となるように、主機７４を制御するための基本回転数指令Ｎｓを生成し、操舵機７６を制御するための基本舵角指令Ａｓを生成する。補正部１７は、外力ベクトルＶｅが船位変化や船首方向変化に及ぼす影響に基づいて、基本回転数指令Ｎｓおよび基本舵角指令Ａｓを補正し、補正結果である回転数指令Ｎｐを主機制御部１８に提供し、舵角指令Ａｐを操舵制御部１９に提供する。

【0059】

この結果、外力ベクトルＶｅを用いて主機７４の回転数指令および舵角指令を補正するから、船舶１の位置や姿勢の制御の誤差を抑制できる。また、前述の通り、変針点での旋回後の外力との相対的な対向角度の変化を考慮して旋回中の主機７４および操舵機７６を制御するから、無駄な船速の変化を抑制し燃料消費量を低減できる。

【0060】

以上が第１実施形態の説明である。

【0061】

以下、図６を参照して、本発明の第２、第３実施形態を説明する。図６は、第２実施形態の船舶制御システムの制御方法を示すフローチャートであり、第３実施形態の制御プログラムにも適用される。第２、第３実施形態の図面及び説明では、第１実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。第１実施形態と重複する説明を適宜省略し、第１実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

【0062】

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態は、船舶制御システム１００の制御方法Ｓ２１０である。この方法Ｓ２１０は、船舶１の目標船位Ｅ１および目標船首方向Ｅ２を含む航路指令Ｅｓを出力するステップ（Ｓ２１１）と、船舶１の実船位Ｊ１と実船首方向Ｊ２を含む船舶情報Ｊｓを検知するステップ（Ｓ２１２）と、船舶情報Ｊｓと、船舶１の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、船舶１が受ける外力ベクトルＶｅを推定するステップ（Ｓ２１３）と、航路指令Ｅｓと、船舶情報Ｊｓと、外力ベクトルＶｅと、に基づいて船舶１の主機の回転数と舵角の少なくとも一方を制御するステップ（Ｓ２１４）と、を含む。

【0063】

第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用及び効果を奏する。

【0064】

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態は、船舶制御システム１００の制御プログラムＰ１００（コンピュータプログラム）である。このプログラムＰ１００は、船舶１の目標船位Ｅ１および目標船首方向Ｅ２を含む航路指令Ｅｓを出力するステップ（Ｓ２１１）と、船舶１の実船位Ｊ１と実船首方向Ｊ２を含む船舶情報Ｊｓを検知するステップ（Ｓ２１２）と、船舶情報Ｊｓと、船舶１の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、船舶１が受ける外力ベクトルＶｅを推定するステップ（Ｓ２１３）と、航路指令Ｅｓと、船舶情報Ｊｓと、外力ベクトルＶｅと、に基づいて船舶１の主機の回転数と舵角の少なくとも一方を制御するステップ（Ｓ２１４）と、をコンピュータに実行させる。

【0065】

プログラムＰ１００のこれらの機能は、情報処理部１０の機能ブロックに対応する複数のモジュールが実装されたアプリケーションプログラムとして情報処理部１０のストレージ（例えば記憶部２９）にインストールされてもよい。プログラムＰ１００は情報処理部１０に組み込まれたコンピュータのプロセッサ（例えばＣＰＵ）のメインメモリに読み出しされて実行されてもよい。

【0066】

第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用及び効果を奏する。

【0067】

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明した。上述した実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除などの多くの設計変更が可能である。上述の実施形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「実施形態の」「実施形態では」等との表記を付して説明しているが、そのような表記のない内容に設計変更が許容されないわけではない。

【0068】

［変形例］
以下、変形例を説明する。変形例の図面及び説明では、実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施形態と重複する説明を適宜省略し、実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

【0069】

実施形態の説明では、外力ベクトルＶｅに特別な処理を施さずに用いる例を示したが、これに限定されない。例えば、外力ベクトルＶｅに平均化処理を施して用いてもよいし、外力ベクトルＶｅの高周波数成分をフィルタリングして用いてもよい。この場合、外力ベクトルが、信号ノイズや海象状況によって頻繁に変化するときに、これらの影響を小さくできる。

【0070】

実施形態の説明では、船体運動モデルの生成および更新の処理を船舶１の装置で処理する例を示したが、これに限定されない。例えば、船舶制御システムは外部と通信可能な通信手段を備え、外力ベクトル推定部は、当該通信手段を介して、船体運動モデルを生成または更新する処理の一部または全部を船舶外の装置を用いて実行するようにしてもよい。船舶外の装置は、例えば、陸上の情報処理システムである。船体運動モデルの同定には大きな演算能力を要するところ、演算能力の一部または全部を外部で処理することにより、船舶上の機器の処理能力を削減可能でコスト的に有利になる。

【0071】

実施形態の説明では、外力ベクトル推定部２８が、外力として潮流と風を用いて外力ベクトルＶｅを推定する例を示したが、これに限定されない。例えば、外力ベクトル推定部は、これらに加え、外力として波（有義波高、うねりなど）を用いて外力ベクトルを推定してもよい。この場合、波を定量的に計測する方法として、船舶上に波高計や波浪計を備えるようにしてもよい。

【0072】

実施形態の説明では、潮流センサ１３および風向風速センサ１４の検知結果により、潮流の影響と風の影響とを分離する例を示したが、これに限定されない。例えば、外力ベクトル推定部は、外力ベクトルの時系列データに対する周波数分析を用いて、風および潮流の少なくとも１つの成分を分離するようにしてもよい。この場合、風、潮流のうち分離された成分毎に異なる係数を乗じて用いることができる。また、風による旋回モーメントの影響を把握できる。

【0073】

実施形態の説明では、船舶１の実船位の変化を時間で微分して実船速を取得する例を示したが、これに限定されない。例えば、船舶の実船速を検知する船速センサを備え、この船速センサの検知結果を用いて実船速を取得してもよい。

【0074】

実施形態の説明では、主機７４がプロペラ７５を回転させて推進力を得る例を示したが、これに限定されない。推進力を得るための機構は、船舶を推進させ得るものであればよく、例えば、主機７４の回転に基づいて気体等を吐き出し、その気体等の反力で推進力を得る構成であってもよい。

【0075】

実施形態の説明では、主機７４がディーゼルエンジンである例を示したが、これに限定されない。例えば、主機は、ディーゼルエンジン以外の内燃機関、外燃機関であってもよい。

【0076】

上述の変形例は、各実施形態と同様の作用及び効果を奏する。

【0077】

上述した各実施形態及び変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施形態は、組み合わされる実施形態及び変形例それぞれの効果をあわせもつ。

【符号の説明】

【0078】

１ 船舶、 １０ 情報処理部、 １５ 制御指令部、 １８ 主機制御部、 １９ 操舵制御部、 ２１ 情報検知部、 ２２ 船舶情報検知部、 ２６ 船体運動モデル同定部、 ５０ 航路指令部、 ６０ 外力ベクトル推定装置、 ７４ 主機、 ７６ 操舵機、 １００ 船舶制御システム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2023-06-30

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力する航路指令部と、
前記船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知する情報検知部と、
前記船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定する外力ベクトル推定部と、
前記航路指令と、前記船舶情報と、前記外力ベクトルと、に基づいて前記船舶の主機の回転数及び舵角の両方を制御する制御指令部と、
を備える船舶制御システム。

【請求項2】

前記外力ベクトル推定部は、外力がかかっていない状態の船体運動モデルを用いて前記外力ベクトルを推定する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項3】

前記外力ベクトル推定部は、前記船舶の前後方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルを推定する、請求項２に記載の船舶制御システム。

【請求項4】

前記外力ベクトル推定部は、前記船舶の前後方向に直交する方向の実船速と実加減速度を用いて外力ベクトルを推定する、請求項２に記載の船舶制御システム。

【請求項5】

前記船舶が、風、および潮流の少なくとも一つから受ける外力の計測結果を用いて前記外力ベクトルを推定する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項6】

前記外力ベクトル推定部は、外力ベクトルの時系列データに対する周波数分析を用いて、風、潮流の少なくとも１つの成分を分離する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項7】

前記外力ベクトル推定部は、通信手段を介して、前記船体運動モデルを生成または更新する処理の一部または全部を船舶外の装置を用いて実行する、請求項１に記載の船舶制御システム。

【請求項8】

船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定する外力ベクトル推定部を備える外力ベクトル推定装置。

【請求項9】

船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力するステップと、
前記船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知するステップと、
前記船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定するステップと、
前記航路指令と、前記船舶情報と、前記外力ベクトルと、に基づいて前記船舶の主機の回転数及び舵角の両方を制御するステップと、
を含む船舶制御システムの制御方法。

【請求項10】

船舶の目標船位および目標船首方向を含む航路指令を出力するステップと、
前記船舶の実船位と実船首方向を含む船舶情報を検知するステップと、
前記船舶情報と、前記船舶の船体運動に関する船体運動モデルと、を用いて、前記船舶が受ける外力ベクトルを推定するステップと、
前記航路指令と、前記船舶情報と、前記外力ベクトルと、に基づいて前記船舶の主機の回転数及び舵角の両方を制御するステップと、
をコンピュータに実行させる船舶制御システムの制御プログラム。