特開 2024-67882 船舶用自動操舵装置

(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】P2024067882

(43)【公開日】2024-05-17

(54)【発明の名称】船舶用自動操舵装置

(51)【国際特許分類】

   B63H 25/04 20060101AFI20240510BHJP

   G05B 11/36 20060101ALI20240510BHJP

   G05D 1/00 20240101ALI20240510BHJP

【ＦＩ】

B63H25/04 D

G05B11/36 G

G05D1/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022178274

(22)【出願日】2022-11-07

(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】100107928

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 正則

(74)【代理人】

【識別番号】110003362

【氏名又は名称】弁理士法人ｉ．ＰＡＲＴＮＥＲＳ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】羽根 冬希

【テーマコード（参考）】

5H004

5H301

【Ｆターム（参考）】

5H004GA30

5H004GB14

5H004HA07

5H004HA08

5H004HB07

5H004HB08

5H004KA71

5H004KA72

5H004KB32

5H301AA04

5H301CC03

5H301CC06

5H301GG07

5H301GG17

(57)【要約】      （修正有）

【課題】可変ピッチプロペラと舵とサイドスラスタとを備える船舶に適した離着桟技術を提供する。
【解決手段】可変ピッチプロペラとバウスラスタと舵とを有する推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶用自動操舵装置であって、船舶を目標位置及び方位に誘導するｓｕｒｇｅ方向とｓｗａｙ方向の参照位置及び方位の参照信号生成部と、ｓｗａｙ方向の船体位置を参照信号に追従させる仮想制御量と、船首方位を参照方位に追従させるｙａｗ方向の仮想制御量と、ｓｕｒｇｅ方向の船体位置を参照信号に追従させる可変ピッチプロペラのピッチ角を出力する制御部と、バウスラスタの推力によって、ｓｗａｙ方向の仮想制御量についてｙａｗ方向のモーメントが０に、且つｙａｗ方向の仮想制御量についてｓｗａｙ方向の力が０になるように、バウスラスタのプロペラ回転数と舵の舵角とを制御量として出力する非干渉化処理部とを備えた。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

可変ピッチプロペラとバウスラスタと舵とを有する推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操舵装置であって、
前記船舶を目標位置及び目標方位に誘導するｓｕｒｇｅ方向とｓｗａｙ方向の参照位置及び参照方位のそれぞれの時系列信号である参照信号を生成する参照信号生成部と、
ｓｗａｙ方向の船体位置をｓｗａｙ方向の参照信号に追従させるｓｗａｙ方向の仮想制御量と、前記船首方位を前記参照方位の参照信号に追従させるｙａｗ方向の仮想制御量と、ｓｕｒｇｅ方向の船体位置をｓｕｒｇｅ方向の参照信号に追従させる前記可変ピッチプロペラのピッチ角を出力する制御部と、
前記バウスラスタの推力によって、前記ｓｗａｙ方向の仮想制御量についてｙａｗ方向のモーメントが０になるように、且つ前記ｙａｗ方向の仮想制御量についてｓｗａｙ方向の力が０になるようにｓｗａｙとｙａｗとの連成運動を非干渉化し、前記バウスラスタのプロペラ回転数と前記舵の舵角とを制御量として出力する非干渉化処理部と
を備える船舶用自動操舵装置。

【請求項2】

前記ｓｗａｙとｙａｗとの連成運動は、
Ｆ_ｖを前記船舶のｓｗａｙ運動に作用する力、Ｍ_ｒを前記船舶のｙａｗ運動に作用するモーメント、λ_ｂｔを前記バウスラスタのプロペラ回転数、δを前記舵の舵角、Ｋ_ｂｔをプロペラ回転数に比例するバウスラスタの推力の比例定数、ｌ_ｂｔを前記船舶の重心から前記バウスラスタまでの距離、ｍを船体重量、Ｊを前記船舶の重心周りの慣性モーメント、Ｋ_ｖを前記舵の舵力の旋回力ゲイン、Ｋ_ｒを前記舵の舵力の横流れゲイン、Ｔ_ｖをｓｗａｙ方向の時定数、Ｔ_ｒをｙａｗ周りの時定数とすると、

【数1】

により表されることを特徴とする請求項１に記載の船舶用自動操舵装置。

【請求項3】

前記船舶の船体モデルは、ｕをｓｕｒｇｅ速度、ｖをｓｗａｙ速度ｖ、ｒをｙａｗ角速度、sをラプラス演算子、θ_ｕをｓｕｒｇｅ方向の制御量、δ_ｖをｓｗａｙ方向の仮想制御量、δ_ｒをｙａｗ方向の仮想制御量として

【数2】

により表され、

【数3】

であり、ここで、Ｋ_ｕはピッチ角θに比例するｓｕｒｇｅ速度の比例定数であり、Ｔ_ｕはｓｕｒｇｅ方向の時定数であり、Ｋ_ｖ’はＫ_ｖに前記バウスラスタの推力に基づく係数を乗じたものであり、Ｋ_ｒ’はＫ_ｒに前記バウスラスタの推力に基づく係数を乗じたものであることを特徴とする請求項２に記載の船舶用自動操舵装置。

【請求項4】

前記ｓｕｒｇｅ方向の参照信号は、開始時からｓｕｒｇｅ方向の目標位置に達するまで常時変動し、
前記ｓｗａｙ方向の参照信号と前記ｙａｗ方向の参照信号は、互いに重複しないように変動することを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の船舶用自動操舵装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記ｓｗａｙ方向の参照信号への追従、前記参照方位の参照信号への追従、及び前記ｓｕｒｇｅ方向の参照信号への追従のそれぞれをフィードフォワード制御とフィードバック制御とによって行い、
フィードバック制御のみにより前記ｓｕｒｇｅ方向の参照信号への追従が行われた後、フィードフォワード制御とフィードバック制御により前記ｓｕｒｇｅ方向の参照信号への追従が行われ、
前記ｓｗａｙ方向の参照信号、及び前記参照方位の参照信号は、フィードバック制御のみにより前記ｓｕｒｇｅ方向の参照信号への追従が行われる最中に変動されることを特徴とする請求項４に記載の船舶用自動操舵装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、船舶の自動操舵する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、船舶の航行技術において、離着桟航行に関する研究開発が精力的に進められている。離着桟航行の実現には、船体位置を出発地から移動させ、途中で旋回させ、そして目標地で停止させる船体位置制御技術が要求される。この種の技術として、本発明者による船体位置決め制御を適用した離着桟制御が知られている（非特許文献１，２参照）。この離着桟制御は、船首と船尾とに推進器を備えた両頭船を制御対象としている。

【0003】

ところで、一般的に、大型船舶は、プロペラのピッチが可変に構成された可変ピッチプロペラと、舵と、船体の船首側に設けられ船舶の左右方向を向く推力を発生させるバウスラスタとを備えるものが多い。本発明に関連する技術として、このような船舶を制御対象とするエキスパートシステムを応用した制御技術が知られている（非特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【非特許文献1】羽根冬希，非干渉化と経路順序による船位保持装置の設計，日本船舶海洋工学会講演会論文集，Ｎｏ．３０，ｐｐ．３３－４１，ｍａｙ ２０２０．

【非特許文献2】羽根冬希，加減速誤差，航路誤差とリーチ見積もりの修正による船体位置決め制御の性能向上，日本船舶海洋工学会講演会論文集，Ｎｏ．３３，ｐｐ．１－７，ｎｏｖ ２０２１．

【非特許文献3】羽生一成，三好晋太郎，無人運航船の実現に向けた自動着桟制御システムの開発－１軸１舵，バウスラスター１基の自動着桟制御－，日本船舶海洋工学会講演会論文集，Ｎｏ．３４，ｐｐ．２１－２４，ｍａｙ ２０２２．

【非特許文献4】羽根冬希，方位初期条件および操舵機制約を考慮した参照信号の設計：船体の変針操縦への適用，計測自動制御学会論文集，Ｖｏｌ．４４，Ｎｏ．４，ｐｐ．３３３－３４２，２００８．

【非特許文献5】羽根冬希，航路保持システムのための保針制御に基づく解析的方法による設計，日本船舶海洋工学会論文集，Ｖｏｌ．２３，ｐｐ．３３－４４，ｊｕｎ ２０１６．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、可変ピッチプロペラと舵とサイドスラスタとを備える船舶に適した着桟技術を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施形態において、可変ピッチプロペラとバウスラスタと舵とを有する推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操舵装置であって、前記船舶を目標位置及び目標方位に誘導するｓｕｒｇｅ方向とｓｗａｙ方向の参照位置及び参照方位のそれぞれの時系列信号である参照信号を生成する参照信号生成部と、ｓｗａｙ方向の船体位置をｓｗａｙ方向の参照信号に追従させるｓｗａｙ方向の仮想制御量と、前記船首方位を前記参照方位の参照信号に追従させるｙａｗ方向の仮想制御量と、ｓｕｒｇｅ方向の船体位置をｓｕｒｇｅ方向の参照信号に追従させる前記可変ピッチプロペラのピッチ角とを出力する制御部と、前記バウスラスタの推力によって、前記ｓｗａｙ方向の仮想制御量についてｙａｗ方向のモーメントが０になるように、且つ前記ｙａｗ方向の仮想制御量についてｓｗａｙ方向の力が０になるようにｓｗａｙとｙａｗとの連成運動を非干渉化し、前記バウスラスタのプロペラ回転数と前記舵の舵角とを制御量として出力する非干渉化処理部とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】船舶用自動操舵装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。

【図2】船体モデルを示す図である。

【図3】ピッチ角θの時系列特性を示す図である。

【図4】ｓｕｒｇｅ速度ｕに対する舵力特性を示す図である。

【図5】船舶用自動操舵装置の構成を示すブロック図である。

【図6】参照信号生成部の構成を示すブロック図である。

【図7】参照信号のシーケンスを示す図である。

【図8】制御部による方位制御を示す図である。

【図9】非干渉化処理部の構成を示す図である。

【図10】シミュレーションにおける着桟計画のパラメータを示す図である。

【図11】シミュレーションにおける参照信号設定値を示す図である。

【図12】外乱なしの場合のシミュレーションによる船体航跡を示す図である。

【図13】外乱ありの場合のシミュレーションによる船体航跡を示す図である。

【図14】外乱なしの場合のシミュレーションによる船体運動を示す図である。

【図15】外乱ありの場合のシミュレーションによる船体運動を示す図である。

【図16】外乱なしの場合のシミュレーションによる誤差を示す図である。

【図17】外乱ありの場合のシミュレーションによる誤差を示す図である。

【図18】外乱なしの場合のシミュレーションによる力と応答を示す図である。

【図19】外乱ありの場合のシミュレーションによる力と応答を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

【0009】

（１ 制御システム）
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含む制御システムについて説明する。図１は、船舶用自動操舵装置を含む制御システムの全体構成を示すブロック図である。

【0010】

図１に示すように、本実施形態における船舶用自動操舵装置１は、推進駆動装置３、センサ類４が備えられた船体２を有する船舶を制御するものである。

【0011】

推進駆動装置３は、ｓｕｒｇｅ速度ｕ、ｓｗａｙ速度ｖ、及びｙａｗ角速度ｒを制御可能であり、推進装置と操舵装置とを備える駆動装置である。推進駆動装置３は、推進装置として可変ピッチプロペラ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ Ｐｉｔｃｈ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ、以下ＣＰＰと称する）とバウスラスタ（Ｂｏｗ Ｔｈｒｕｓｔｅｒ）とを備え、操舵装置としてフラップ舵（Ｆｌａｐ ｒｕｄｄｅｒ）を備える。

【0012】

センサ類４は、船体２の船首方位を検出するジャイロコンパス、船体２の対水速度を検出する速度計、ＧＰＳ等の衛星測位システム（ＧＮＳＳ）からの船体位置を検出するＧＮＳＳセンサなどを含む。なお、センサ類４は、船首方位、船体位置をそれぞれ検出可能なセンサを含むものであれば良い。

【0013】

船舶用自動操舵装置１は、船舶の着桟制御を実施するため、船体運動のｓｕｒｇｅ速度ｕ、ｓｗａｙ速度ｖ及びｙａｗ角速度ｒを制御する。ｓｕｒｇｅ速度ｕはＣＰＰのピッチ角θによって制御し、ｓｗａｙ速度ｖとｙａｗ角速度ｒとを舵角δとバウスラスタのプロペラ回転数λ_ｂｔによって制御する。したがって、船舶用自動操舵装置１は、ピッチ角θ、舵角δ、プロペラ回転数λ_ｂｔを用いて、船体位置を目標値の方位と位置に一致させるように船舶を制御する。なお、船舶用自動操舵装置１の構成については後に詳述する。

【0014】

（２ 制御対象）
（２．１ 船体モデル）
船体モデルについて説明する。図２は、船体モデルを示す図である。

【0015】

図２に示すように、Ｏ－ＸＹは地球固定座標、ＯＢ－ＸＢＹＢ は船体固定座標、ＯＢは重心である。

【0016】

以降の式において、ｕはｓｕｒｇｅ速度、ｖはｓｗａｙ速度、ｒはｙａｗ角速度、ψは船首方位、θはＣＰＰのピッチ角、δは舵角を示す。また、添字_ｂｔはバウスラスタを示し、λ_ｂｔはバウスラスタのプロペラ回転数を示す。なお、ＣＰＰの回転数は一定であるものとする。

【0017】

船体運動モデルを３自由度の線形項で表すと、次式になる。

【0018】

【数1】

ここで，太字はベクトルを表し、η（太字）＝［ｘ ｙ ψ］^Ｔ，μ（太字）＝［ｕ ｖ ｒ］^Ｔ，τ（太字）＝［θ λ δ］^Ｔ，０（太字）は適当な次元をもつゼロ行列、ｘ，ｙはそれぞれ北向き、東向きの位置であり、添字^Ｔは転置行列を表し、

【0019】

【数2】

である。ここで、添字_ｕ、添字_ｖ、添字_ｒは、それぞれ、ｓｕｒｇｅ方向、ｓｗａｙ方向、ｙａｗ周りを表わし、Ｔ，Ｋは船体パラメータでそれぞれ時定数とゲインであり、Ｋ_ｂｔは推力ゲイン、ｌ_ｂｔは船体の重心からバウスラスタまでの距離、ｍは船体重量、Ｊは船体の重心周りの慣性モーメントである。Ｋ_ｕ，Ｋ_ｖ，Ｋ_ｒ，Ｋ_ｂｔについては後に詳述する。

【0020】

Ω（太字）^Ｂ _Ｅは添字^Ｂで表される船体固定座標から添字_Ｅで表される地球固定座標（添字E）に変換する行列であり、次式になる。

【0021】

【数3】

【0022】

（２．２ ＣＰＰモデルと舵力モデル）
ＣＰＰモデルと舵力モデルの特性を仮定する。図３は、ピッチ角θの時系列特性を示す図である。図４は、ｓｕｒｇｅ速度ｕに対する舵力特性を示す図である。

【0023】

ＣＰＰモデルの特性はＣＰＰの回転数λとピッチ角θにより定められる。λ_０は一定とする。ｓｕｒｇｅ速度ｕはピッチ角θに比例し、その比例定数をＫ_ｕとする。図３は、ピッチ角θとｓｕｒｇｅ速度ｕとの関係を示す。図３において、添字_Ｒは後に詳述する参照信号を示し、ｓｕｒｇｅ速度の参照信号ｕ_Ｒはピッチ角の参照信号θ_Ｒに対して遅れ時間をもつものとする。舵力はｕ_Ｒに比例する。

【0024】

図４は、ｓｕｒｇｅ速度ｕに対する舵力の旋回力ゲインＫ_ｒ及び横流れゲインＫ_ｖの特性を示す。添字_ｓｅｔは設定値を表す。図４に示すように、Ｋ_ｒ，Ｋ_ｖは、ｕ_ｓｅｔに対して定められる。また、ｕ＜０のとき舵力はほとんど生じないものとする。

【0025】

（２．３ バウスラスタモデル）
バウスラスタモデルについて説明する。

【0026】

バウスラスタモデルの推力はプロペラ回転数λ_ｂｔに比例し、その比例定数をＫ_ｂｔとする。回転数の正方向はｓｗａｙ方向とする。

【0027】

（３ 船舶用自動操舵装置）
（３．１ 船舶用自動操舵装置の構成）
船舶用自動操舵装置の構成について説明する。図５は、船舶用自動操舵装置の構成を示すブロック図である。

【0028】

船舶用自動操舵装置１は、軌道追従方式によって、着桟開始時の船体の方位と位置を目標値の方位と位置に誘導移動させるものである。図５に示すように、船舶用自動操舵装置１は、参照信号生成部１１、制御部１２、非干渉化処理部１３を備える。船舶用自動操舵装置１には複数の設定値を含む設定情報が入力される。

【0029】

参照信号生成部１１は、設定情報に含まれる初期値と目標値とに基づいて、船体２を目標値へ誘導、移動する参照信号を生成する。ここで、初期値は、出発点における船体２の位置と方位とを示し、目標値は到達点における船体２の位置と方位とを示す。

【0030】

制御部１２は、追従性能を向上させるフィードフォワード制御と、閉ループ安定性と外乱除去性を向上させるフィードバック制御とを実行する。非干渉化処理部１３は、ｓｗａｙとｙａｗの連成運動を非干渉化によって分離する。

【0031】

（３．２ 船体モデル）
船体モデルについて説明する。

【0032】

船舶用自動操舵装置１により用いられる船体モデルを

【0033】

【数4】

とする。ここで、ｓはラプラス演算子、Ｐ（ｓ）は伝達関数である。また、Θ_ｕ（ｓ），Δ_ｖ（ｓ），Δ_ｒ（ｓ）は制御量であり、特にΔ_ｖ（ｓ），Δ_ｒ（ｓ）は仮想したものである。また、Ｐ_ｕ（ｓ），Ｐ_ｖ(ｓ)，Ｐ_ｒ（ｓ）は、次式になる。

【0034】

【数5】

ここで、船体パラメータは極低速対応のものであり、Ｋ’_ｖ≠Ｋ_ｖ，Ｋ’_ｒ≠Ｋ_ｒである。Ｋ’_ｖ，Ｋ’_ｒについては後に詳述する。

【0035】

（３．３ 参照信号生成部）
参照信号生成部の構成と動作について説明する。

【0036】

（３．３．１ 参照信号生成部の構成）
参照信号生成部の構成について説明する。図６は、参照信号生成部の構成を示すブロック図である。

【0037】

図６に示すように、参照信号生成部１１は、生成管理部１１０、ｓｕｒｇｅ信号生成部１１１Ａ、ｓｗａｙ信号生成部１１１Ｂ、ｙａｗ信号生成部１１１Ｃを備える。図６において、設定位置、設定方位は軌道計画の条件であり、設定位置は出発点における船体２のｓｕｒｇｅ方向の船体位置ｘとｓｗａｙ方向の船体位置ｙとを含み、設定方位は出発点における船体２の船首方位ψである。

【0038】

開始時の値を目標値に移動させる場合、目標値との偏差がそのまま制御システムに入力されると無軌道状態で収束する。生成管理部１１０は、移動経路を計画し、移動経路に則った管理信号を、予め設定された順序でｓｕｒｇｅ信号生成部１１１Ａ、ｓｗａｙ信号生成部１１１Ｂ、ｙａｗ信号生成部１１１Ｃに与える。

【0039】

ｓｕｒｇｅ信号生成部１１１Ａは、ｓｕｒｇｅ方向の参照位置の時系列信号である参照信号ｘ_Ｒを生成する。ｓｗａｙ信号生成部１１１Ｂは、ｓｗａｙ方向の参照位置の時系列信号である参照信号ｙ_Ｒを生成する。ｙａｗ信号生成部１１１Ｃは、参照方位の時系列信号である参照信号ψ_Ｒを生成する。

【0040】

（３．３．２ 参照信号）
参照信号について説明する。図７は、参照信号のシーケンスを示す図である。

【0041】

図７には、参照信号生成部１１によって生成された参照信号のシーケンスが示される。図７において、ＦＦ，ＦＢは、それぞれフィードフォワード制御とフィードバック制御の動作状態である。参照信号ｘ_Ｒは、開始時から目標値に達するまで常時変動しており、参照信号ｘ_Ｒに追従するフィードフォワード制御のみがなされる第１区間と、参照信号ｘ_Ｒに追従する第１区間後にフィードフォワード制御とフィードバック制御とがなされる第２区間とを含む。参照信号ｙ_Ｒ，ψ_Ｒは、それぞれ、互いに重複しないように第１区間中に目標値に向かって変動される。本実施形態においては、参照信号ψ_Ｒが変動された後に参照信号ｙ_Ｒが変動される。参照信号ｙ_Ｒ，ψ_Ｒに対する追従は、フィードフォワード制御及びフィードバック制御によりなされる。このように、ｘ_Ｒに対するフィードバック制御は、参照信号ｙ_Ｒ，ψ_Ｒに対する追従制御後になされる。

【0042】

参照信号の設定値は次式に示すように、その時点のｘ，ｙ，ψに基づく。

【数6】

ここで、添字_ｇｏａｌ、添字_ｓｅｔは、それぞれ、参照信号の目標値、設定値を示す。

【0043】

参照信号は次式になる。なお、次式の詳細は非特許文献４を参照されたい。

【0044】

【数7】

ここで、ｆは関数であり、移動や変針の設定値、推進駆動装置３の動作などの条件を設定情報により入力する。推進駆動装置３の条件が設定されることで、その飽和対策が可能になる。ｘ_Ｒ、ｙ_Ｒ、ψ_Ｒは、互いに同様の形となるが、一例として説明すると、参照方位ψ_Ｒは

【0045】

【数8】

になる。ここで、ａは係数、ｔは時間である。

【0046】

（３．４ 制御部）
制御部の動作について説明する。図８は、制御部による方位制御を示す図である。

【0047】

制御部１２は、参照信号ｘ_Ｒに船体位置ｘを追従させる位置制御と、参照信号ｙ_Ｒに船体位置ｙを追従させる位置制御と、参照信号ψ_Ｒに船首方位ψを追従させる方位制御とを行う。上述したように、参照信号ｘ_Ｒが変動する間、参照信号ｙ_Ｒまたは参照信号ψ_Ｒのいずれか一方のみが変動するため、制御部１２による船体２の制御は２自由度制御となる。

【0048】

図８に示すように、制御部１２による３つの制御は、それぞれ、フィードフォワード制御とフィードバック制御とにより構成される。なお、図８には方位制御のみが一例として示されるが、船体位置ｘ，ｙの位置制御も同様に構成される。

【0049】

方位制御を例として説明すると、フィードフォワード制御は、船首方位を参照方位に追従させるものであり、フィードバック制御は、制御対象との閉ループ系を構成して方位誤差ψ_ｅをゼロに収束させ、外乱成分による誤差を低減させるものである。

【0050】

方位制御、２つの位置制御において、フィードフォワード制御、フィードバック制御は図７に示すように動作する。ｓｕｒｇｅ方向の位置制御と方位制御とによる２自由度制御がなされ、次いで、ｓｕｒｇｅ方向の位置制御とｓｗａｙ方向の位置制御とによる２自由度制御がなされる。２自由度制御がなされる際、ｓｕｒｇｅ方向の位置制御はフィードフォワード制御のみによってなされる。

【0051】

式（６）の制御量は図８から次式になる。

【0052】

【数9】

【0053】

（３．４．１ フィードフォワード制御）
フィードフォワード制御の制御量は、式（１０）の微分値から次式になる。

【0054】

【数10】

ここで、後述の式（２３）と式（２７）からＫ_ｖ’＝Ｓ_ｖＫ_ｖ，Ｋ_ｒ’＝Ｓ_ｒＫ_ｒである。

【0055】

（３．４．２ フィードバック制御）
フィードバック制御の制御量について説明する。フィードバック制御における誤差量は、図８から地球座標で

【0056】

【数11】

になる。これらの誤差量を添字^Ｂで表される船体座標の値に変換すると

【0057】

【数12】

になる。ここで、添字^－１は逆行列を表す。

【0058】

制御量は上記の誤差量を用いると次式になる。なお、次式の詳細については非特許文献５を参照されたい。

【0059】

【数13】

ここで、Ｃ(ｓ)はフィードバック制御器であり、

【0060】

【数14】

であり、ここでｇは設定値、制御対象のパラメータなどを入力する関数である。

【0061】

フィードバック制御器は状態推定器と状態フィードバックからなり、船体パラメータの不確かさを考慮して、波浪成分、推進駆動装置３のバイアス成分などを含む外乱を除去する。

【0062】

（３．５ 非干渉化処理部）
非干渉化処理部の構成について説明する。図９は、非干渉化処理部の構成を示す図である。

【0063】

式（６）により示される船体モデルにおいて、仮想制御量δ_ｖ，δ_ｒは、いずれも操舵に関する入力になるため、通常、同一になる。本実施形態においては、船舶用自動操舵装置１が仮想制御量をそのまま利用するために非干渉化処理部１３が以下のように非干渉化を行う。

【0064】

ｓｗａｙとｙａｗの連成運動に働く力とモーメントをバウスラスタの推力によって非干渉化する。式（４）から連成運動は

【0065】

【数15】

になる。ここで、Ｆ_ｖはｓｗａｙ運動に作用する力、Ｍ_ｒはｙａｗ運動に作用するモーメントである。

【0066】

（３．５．１ 仮想制御量δ_ｖに関する非干渉化）
仮想制御量δ_ｖについては、式（１７）でモーメントがＭｒ＝０になるように非干渉化する。式（１７）に

【0067】

【数16】

を代入すると、

【0068】

【数17】

になる。ここで、

【0069】

【数18】

である。

【0070】

（３．５．２ 仮想制御量δ_ｒに関する非干渉化）
仮想制御量δ_ｒについては、式（１７）で力がＦ_ｖ＝０になるように非干渉化する。式（１７）に

【0071】

【数19】

を代入すると、

【0072】

【数20】

になる。ここで、

【0073】

【数21】

である。

【0074】

（３．５．３ 非干渉化処理部の構成）
バウスラスタの推力によってｓｗａｙ方向の力とｙａｗ周りのモーメントとを非干渉化すると、非干渉化処理部１３は、図９に示すように構成される。非干渉化処理部１３は、式（２０）、（２６）から

【0075】

【数22】

によってｓｗａｙとｙａｗとの連成運動を非干渉化し、制御量としてのプロペラ回転数λ_ｂｔ及び舵角δとを出力する。これによって、仮想制御量δ_ｖ，δ_ｒは船舶用自動操舵装置１において利用可能となる。

【0076】

（４ 検証）
本実施形態に係る船舶用自動操舵装置をシミュレーションによって検証し、その有効性を確認する。ただし、図３に示した遅れ時間は簡単化のためゼロとする。

【0077】

（４．１ 条件）
（４．１．１ 着桟計画と参照信号設定値）
シミュレーションにおける着桟計画と参照信号設定値とについて説明する。図１０は、シミュレーションにおける着桟計画のパラメータを示す図である。図１１は、シミュレーションにおける参照信号設定値を示す図である。

【0078】

（４．１．２ 参照信号）
シミュレーションにおける参照信号は以下の通りである。

【0079】

１．船体が前進開始後、方位がψ＝０ｄｅｇに回転される。
２．方位は回転された後に保持され、ｓｗａｙ方向位置がｙ＝５０ｍに移動される。
３．ｓｗａｙ方向位置が移動された後に保持され、ｓｕｒｇｅ方向位置がｘ＝６００ｍに移動される。

【0080】

（４．１．３ 船体パラメータ）
シミュレーションにおける船体パラメータは以下の通りである。

【0081】

船長：Ｌ＝１６０．９３ｍ
海水密度：ρ_ｗ＝１０３．１０^３ｋｇ・ｍ^－３
質量：ｍ＝ｍ’×０．５ρ_ｗＬ^３＝１．７１２９・１０^７ｋｇ，ｍ’＝７９８・１０^－５（添字’は無次元量を示す）
慣性モーメント：Ｊ＝Ｊ’×０．５ρ_ｗＬ^５＝２．１７９１・１０^１０ｋｇ・ｍ^２，Ｊ’＝３９．２・１０^－５
バウスラスタ：Ｋ_ｂｔ＝０．００３ｋｇｆ・ｒｐｍ^－１，ｌ_ｂｔ＝７５
Ｋ_ｕ＝０．０１ｋｇｆ・ｒｐｍ^－１，Ｔ_ｕ＝６０ｓ，Ｋ_ｖ＝－０．０５ｋｇｆ・ｓ^－１，Ｔ_ｖ＝５０ｓ，Ｋ_ｒ＝０．００５ｋｇｆ・ｍ・ｓ^－１，Ｔ_ｒ＝５０ｓ
Ｃ_ｖ＝－９．６８４９・１０^５ｒｐｍ，Ｃ_ｒ＝５．７０９５・１０^６ｒｐｍ
Ｓ_ｖ＝２．６９６３，Ｓ_ｒ＝１．５８９５，Ｃ_Ｋ＝－１０ｍ，σ＝０．０５８９５３ｍ^－１

【0082】

（４．１．４ 外乱）
シミュレーションにおける外乱は、潮流成分とバイアス成分とからなり、潮流成分の大きさをＵ_ｃ＝０．２ｍ・ｓ^－１、潮流成分の方向ψ_ｃ＝４５ｄｅｇとし、ｙａｗバイアス成分をｒ_ｂｉａｓ＝０．２ｄｅｇ・ｓ^－１とする。

【0083】

（４．１．５ 制御パラメータ）
シミュレーションにおける船舶用自動操舵装置１における主な制御パラメータは、比例ゲインＫ_ｐ＝１、減衰係数ζ＝０．７０７１である。

【0084】

（４．２ 結果）
シミュレーションの結果について説明する。図１２、図１３は、それぞれ、外乱なしの場合、外乱ありの場合のシミュレーションによる船体航跡を示す図である。図１４、図１５は、それぞれ、外乱なしの場合、外乱ありの場合のシミュレーションによる船体運動を示す図である。図１６、図、１７は、それぞれ、外乱なしの場合、外乱ありの場合のシミュレーションによる誤差を示す図である。図１８、図１９は、それぞれ、外乱なしの場合、外乱ありの場合のシミュレーションによる力と応答を示す図である。

【0085】

図１２に示すように、外乱なしの場合、船体位置は着桟計画に沿う。図１３に示すように、外乱ありの場合、船体位置は外乱なしの場合と比較して方位修正時の誤差がより大きくなる。

【0086】

図１４に示すように、外乱なしの場合、船体運動は、方位修正時にｖ誤差が生じるが参照信号に追従する。図１５に示すように、外乱ありの場合、船体運動は大きく過渡応答するが時間とともに静定する。

【0087】

図１６に示すように、外乱なしの場合、ｘ_ｅはフィードフォワード制御時に生じるが、フィードバック制御の働きによりゼロに収束する。図１７に示すように、外乱ありの場合、外乱なしの場合と比較して誤差がより大きくなるが、外乱誤差修正の働きによりゼロに収束する。

【0088】

図１８に示すように、外乱なしの場合、ｓｗａｙとｙａｗの運動が非干渉化の効果により、互いに独立するように制御されるため、船舶用自動操舵装置１は、船体位置を目標値に誘導することができる。図１９に示すように、外乱ありの場合、外乱の影響はあるが連成運動は非干渉化の効果により低減されるため、船舶用自動操舵装置１は、外乱がある場合であっても船体位置を目標値に誘導することができる。

【0089】

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0090】

１ 船舶用自動操舵装置
２ 船体
３ 推進駆動装置
４ センサ類
１１ 参照信号生成部
１２ 制御部
１３ 非干渉化処理部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】