JP2006297977A - 自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 船体に働く変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定して、長周期変動力を補償するフィードフォワード制御を行うことにより、位置偏差を従来型の自動船位保持制御装置に比べて格段に小さくすることができる自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置を提供する。
【解決手段】 洋上において、推力発生装置３０を制御して船体位置及び船首方位を所定の位置及び方位に保持する自動船位保持制御方法であって、船体に作用する作用力及び作用モーメントに関して、波浪によって生じる長周期の変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定し、該推定した長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して推力発生装置３０が発生する制御力及び制御モーメントをフィードフォワード制御して船位保持する制御を行う。
【選択図】 図３

Description

本発明は、観測船等の自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置に関し、より詳細には、波浪による変動波漂流力を含む長周期変動力を推定し、この推定した長周期変動力を補償するフィードフォワード制御を行って、船体位置の偏差を著しく小さくすることができる自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置に関する。

自動船位保持システム（ＤＰＳ：Dynamic Postioning System)は、海洋における調査研究や開発作業に従事する船舶・海洋構造物を、錨で留める代わりに、推進用プロペラやスラスタをコンピュータで制御することにより、潮流、風、波などの外力に抗して、船体を洋上の定点位置に自動保持する装置であり、通常、目標位置と現在位置との偏差をゼロにするように、スラスタ等のアクチュエータを制御し、この制御力により船体を定点位置に保持しようとしている。

この自動船位保持システムは、作業船、調査船、海洋構造物などで、石油を始めとする海底資源の採掘や海洋調査など、海洋開発のニーズが増すと共に、その対象水域はますます深くなる状況にあり、錨を使用できない海域で威力を発揮している。

しかしながら、荒い海象下など、環境の変動が大きい場合には、位置偏差を検知してから、フィードバック制御をかけても制御に遅れが生じるため、十分な精度で自動船位保持制御が行えないことがある。そこで風圧力に対しては、風向・風速計で計測される風向及び風速を元に、現在船に作用している風による力及びモーメントを推定し、位置偏差を生じる前に、この風圧力及び風圧モーメントを補償する制御、いわゆるフィードフォワード制御が採用されてきている。

一方、波浪に関しては、波の周期で変動する波浪強制力及び波浪強制モーメント（プラス・マイナスに変動する）と呼ばれる力及びモーメントと、船体をある一定の方向に押しやる比較的長周期で変動する波漂流力及び波漂流モーメントとに分けて考えることができるが、この波漂流力及び波漂流モーメントは比較的長周期ではあるがその大きさが変動するため、風圧力及び風圧モーメントと同様に、この波漂流力及び波漂流モーメントがＤＰＳの位置制御に悪影響を及ぼすため、自動船位保持制御にとってはこの波漂流力及び波漂流モーメントに対する配慮が重要となる。

つまり、従来技術の自動船位保持システムでは、この変動する波漂流力及び波漂流モーメントに対して特別な措置を講じていないため、大きな変動波漂流力及び波漂流モーメントが船体に働いても、位置偏差がある程度有意な値にならないとフィードバック制御が働かないため、制御に遅れが生じ、位置偏差が大きくなってしまう。そのため、この変動波漂流力及び波漂流モーメントに対しても、これを推定して、この変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを補償するフィードフォワード制御を行う必要がある。

しかしながら、風による力とモーメントを推定可能にする風向・風速計のように、簡単に波漂流力及び波漂流モーメントを推定可能にする波などの物理量を計測する手段がないため、変動波漂流力及び波漂流モーメントを制御に取り入れることが難しいという問題がある。

なお、消防船などの自動操船装置の小型化を図り、操作性を向上するために、ジョイスティックの操作によって前後進プロペラとスラスタを動作させると共に、定点保持用の操作スイッチの操作によって、船位検出手段によって検出された船位が保持される保持機能を達成する制御手段を含む自動操船装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この自動操船装置の自動定点保持システムでは、船位保持機能／方位保持機能を有し、左右位置偏差、前後位置偏差、船首方位偏差を検出して、これらの値がゼロとなるように、前後進プロペラと横方向に推力を発生するスラスタの推力を操作するが、そのアルゴリズムは特に明示されておらず、また、波浪についての記載は無く、波浪を特に考慮していない。

また、船尾スラスターが不要で、かつプロペラ推進器は前進単一方向作動の固定ピット型式のものですむように、船体の位置、姿勢が所定の位置からどれだけずれているかを演算し、そのずれを所定の位置、姿勢に戻すように、前後進プロペラと２枚の高揚力舵の組み合わせと船首スラスターを制御して、船舶を所定の位置に保持する船舶の船位自動保持方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この船舶の船位自動保持方法においても、風及び潮流の力と方向は考慮されているが、波浪は考慮されていない。
特開２００２−２３４４９４号公報 特開平６−６４５８９号公報

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、その目的は、船体に働く変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定して、この長周期変動力及び長周期変動モーメントを補償するフィードフォワード制御を行うことにより、位置偏差を従来型の自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置に比べて格段に小さくすることができる自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の自動船位保持制御方法は、洋上において、推力発生装置を制御して船体位置及び船首方位を所定の位置及び方位に保持する自動船位保持制御方法であって、船体に作用する作用力及び作用モーメントに関して、波浪によって生じる長周期の変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定し、該推定した長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントをフィードフォワード制御して船位保持する制御を行うことを特徴とする。

この本発明の自動船位保持制御方法により、従来は考慮されていなかった変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを考慮に入れて制御できるようになり、しかも、推定して得た変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントに対してフィードフォワード制御するので、従来のフィードバック制御に比べて、位置偏位を著しく小さくすることができる。

また、上記の自動船位保持制御方法において、前記長周期変動力及び長周期変動モーメントに関して、船体の加速度及び角加速度を求め、該加速度及び角加速度に船体見掛け質量及び船体見掛け慣性モーメントを乗じて船体に作用する作用力及び作用モーメントを求め、該作用力及び作用モーメントから前記推力発生装置が発生する発生推力及び発生モーメントを差し引た値を前記長周期変動力及び長周期変動モーメントの推定値とするように構成すると、比較的簡単なアルゴリズムで変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定することができる。

つまり、船体に働く作用力及び作用モーメントは、船の加速度及び角加速度に船体の見掛け質量及び船体見掛け慣性モーメントを乗じれば求まる。一方で、船体に働く作用力（以下、モーメントも含む）は、波による波浪強制力と変動波漂流力、船体が運動することにより流体から受ける反力である船体流体力、風による風圧力、潮流による潮流力等の環境外力と、スラスタ等の推力発生装置（アクチュエータ）が発生する制御力（アクチュエータ力）に分けることができる。なお、海底採掘用のライザーから受けるライザー反力等は環境外力の一部として扱う。

従って、加速度及び角加速度から求まる船体に働く作用力及び作用モーメントから、既知の船体に働く制御力及び制御モーメントを差し引くことにより、短周期変動力及び変動モーメントと長周期変動力及び変動モーメントを得ることができ、波浪強制力と船体流体力による短周期変動力及び変動モーメントを除くことにより、風圧力、潮流力、変動波漂流力による長周期変動力及び変動モーメントを推定することができる。

言い換えれば、フィードファワード制御においては、検出される船体偏位は、船体に作用する作用力と、風圧力補償制御力、潮流力補償制御力、変動波漂流力補償制御力を含んだ制御力とが作用した結果であり、船体の加速度から算出できる作用力は環境外力と制御力の和である。従って、船体の加速度から算出した作用力から制御力を引き算すると環境外力を得ることができ、この環境外力から、短周期の波浪強制力と船体流体力を除き、更に、他の検出手段や演算手段で求められる風圧力、潮流力を引き算すると、変動波漂流力を得ることができる。

また、上記の自動船位保持制御方法で、前記加速度及び角加速度を、船体の位置検出装置で検出した船体位置及び船首方位の時系列データを２階微分して求めると、直接、加速度計や角加速度計で計測した加速度及び角加速度を使用する場合に比べて、雑音が少なくなり、長周期変動力及び長周期変動モーメントの推定精度を上げることができる。

そして、上記の自動船位保持制御方法で、前記船体位置及び船首方位の時系列データをカルマンフィルタを通した後に２階微分して加速度及び角加速度を求める。つまり、実用的には、作用力算出用の加速度に加速度計で直接計測した検出値を採用すると、波浪強制力等の非常に大きな短周期変動成分のみが取り出され、変動波漂流力等の長周期変動成分が隠れてしまうので、ＧＰＳで計測された船体位置の時系列データをカルマンフィルタに通して、フィルタ処理した位置情報を２階微分して加速度を求める方法が好ましい。

このカルマンフィルタの使用により、短周期成分を除去できると共に、一時期先の加速度及び角加速度を精度良く求めることができるようになるので、つまり、一時期先の長周期変動力及び長周期変動モーメントを精度良く求められるので、より精度良く自動船位保持制御することができる。

また、上記の自動船位保持制御方法において、前記船体位置をＧＰＳ（Global Positioning System ：全地球位置把握システム）で検出すると、ＧＰＳによる測位精度が向上してきているので、簡便に精度良く船体位置を求めることができる。なお、このＧＰＳは、所謂ＧＰＳのみならず、その測位精度を向上させる工夫が追加されたＤＧＰＳ（ディファレンシャルＧＰＳ）等も含むものである。また、船首方位は、通常はジャイロコンパスで検出する。

また、船体位置の測定には、ＧＰＳ以外には、ＮＮＳＳ，ロランＣ，Ｓｙｌｅｄｉｓ、Ａｒｇｏ，Ｍａｘｉｒａｎ，トランスポンダ等の電波測位装置や、ジャイロコンパス、電磁ログなどの組み合わせによる測位手段の利用などが考えられる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の自動船位保持制御装置は、洋上において、推力発生装置を制御して船体位置及び船首方位を所定の位置及び方位に保持する自動船位保持制御装置であって、船体の位置及び船首方位を検出する船位検出手段と、船体が備えている推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントを算出する発生推力算出手段と、波浪による変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを算出する長周期変動力算出手段と、該長周期変動力算出手段で算出された長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して、前記推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントをフィードフォワード制御する推力発生制御手段を備えて構成する。

また、上記の自動船位保持制御装置において、更に、船体の重心位置における加速度及び角加速度を算出する船体加速度算出手段と、船体加速度算出手段で算出された加速度及び角加速度に船体見掛け質量及び船体見掛け慣性モーメントを乗じて船体に作用する作用力及び作用モーメントを算出する船体作用力算出手段とを備えると共に、前記長周期変動力算出手段が、前記船体作用力算出手段が算出した作用力及び作用モーメントから、前記発生推力算出手段が算出した制御力及び制御モーメントを差し引いて、前記長周期変動力及び長周期変動モーメントを算出するように構成する。

更に、上記の自動船位保持制御装置において、前記船体加速度算出手段が、前記加速度及び角加速度を、船体の位置検出装置で検出した船体位置及び船首方位の時系列データを２階微分して求めるように構成する。

また、更に、上記の自動船位保持制御装置において、前記船体加速度算出手段が、前記船体位置及び船首方位の時系列データをカルマンフィルタを通した後に２階微分して加速度及び角加速度を求めるように構成する。

そして、上記の自動船位保持制御装置において、前記船位検出手段が、前記船体位置をＧＰＳで検出するように構成される。

本発明の自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置によれば、船体に作用する変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定でき、この長周期変動力及び長周期変動モーメントを補償するフィードフォワード制御を行うので、位置偏差を従来型の自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置に比べて著しく小さくすることができる。

以下、図面を参照して本発明に係る自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置の実施の形態について説明する。

最初に、本発明に係わる自動船位保持制御装置２０を備えた自動船位保持システム１について説明する。

図１に示すように、この自動船位保持システム１は、船体の位置保持制御のための情報を検出する船位保持用データ検出装置１０と、この船位保持用データ検出装置１０の検出値を入力して、推力発生装置３０に指令を与える自動船位保持制御装置２０と、自動船位保持制御装置２０の指令出力に従って、船体に制御力及び制御モーメントを与える推力発生装置３０を備えている。

この船位保持用データ検出装置１０としては、船体の運動についての情報を検出する測位センサ、速度センサ（対地、対水）、加速度センサ、姿勢センサ（ピッチ角、ロール角、ヨー角）、角速度センサ等があり、また、風力センサ、潮流センサ等が考えられるが、この実施の形態では、船体前後（サージ）方向位置、船体横方向（スウェイ）位置の測位センサとしてＧＰＳ装置１１を、船首方位（ヨウ）のセンサとしてはジャイロコンパス１２を、船速センサとしては電磁ログ１３をそれぞれ用いる。また、風力センサとしては、ベーンタイプの風向風速計１４を用いる。このＧＰＳ装置１１による測位精度（１σ）は５ｍ程度である。なお、σはランダム誤差の標準偏差である。

また、船に有効な制御力及び制御モーメントを与えることができる推力発生装置３０としては、一般的には、主推進器、舵、トンネル・スラスタ、アジマス・スラスタ、シュナイダ・プロペラ、ジェット推進などが考えられるが、この実施の形態では、可変プロペラの主推進器３１を２基、舵３２を２基、トンネル型可変ピッチプロペラのバウスラスタ３３を２基、トンネル型可変ピッチプロペラのスタンスラスタ３４を２基である。

そして、自動船位保持制御装置２０は、操作部２１と制御部２２と表示部２３とからなる。操作部２１は、３軸ジョイスティック及び各種スイッチを有して構成され、この操作部２１を通して、オペレータは、表示部２３を見ながら、制御部２２に指示を与えたり、制御の状態を知る。

制御部２２は、自動船位保持制御装置２０の中枢であり、この実施の形態では、２台の演算装置からなり、制御用演算装置及び監視用演算装置として使用され、共用メモリを通してデータの交換を行う。演算装置を構成するモジュールは、電源変動及び電磁誘導に対して十分なノイズマージンを持たせて設計され、センサ及びアクチュエータとつながる入出力インターフェイスは全て電気的に絶縁されて、外部トラブルが演算装置内部に悪影響を及ぼさないように考慮されている。また、演算装置の信頼性を高めるため、機械的駆動部を持つ外部補助記憶装置は採用せず、ＲＯＭモジュールにプログラム及びデータを全て書き込む。

この制御部２２は、船位保持用データ検出装置１０とデータを授受し、これらの検出データと、オペレータとのコミュニケーションで得られる指示データとから、諸演算を実行し、推力発生装置３０への指令を算出及び出力する。

表示部２３は、ＣＲＴディスプレイ、ディジタル表示器、表示灯等を有し、目標中心絶対座標表示又は自船中心相対座標表示で船位を表示する。この座標の表示スケールは自由に変更でき、左上に、風と推定定常力の方向を図示でき、更に、センサ状態、パワー状態、警報状態等のデータ表示機能を持っている。また、目標位置、目標方位、位置偏差、方位偏差、推進器指令推力を表示するディジタル表示機能と、各機器異常、発電機過負荷及び位置保持異常時に警報を出す警報機能と、動作状態、操作内容及び警報内容をカセットテープ出力及びプリンタ出力等で記録する記録機能が備わっている。

そして、この自動船位保持システム１は、ソフト的には、スタンバイモード、手動モード、半自動モード、自動モードの４つの運転モードを有している。

スタンバイモードは、操船に柔軟性を持たせるために、各推進器にゼロ推力を指令するためのモードであり、手動モードは、３軸ジョイステックの操作に応じた推力を指令するためのモードである。また、半自動モードは、設定された方位に船首方位を自動保持すると共に、３軸ジョイステックの操作により、並進操船を可能とするモードであり、自動モードは、設定された位置及び方位に、船体位置及び船首方位を自動保持し、船位設定値を変更すれば方位を保持したまま船位を変更し、方位設定値を変更すれば船位を保持したまま回頭するモードである。

本発明は、この自動モードの船体位置及び船首方位の自動保持に関するものである。次に、この自動船位保持の制御ロジックについて説明する。

洋上の船体は、風・潮流・波などの外乱を受け、これに対抗してスラスタ等の制御力と制御モーメントを発生しているが、常に運動し、予め設定された目標位置及び目標方位に対して位置偏差及び方位偏差を生じている。自動船位保持制御装置２０では、このような位置及び船首方位に関する偏差を無くし、更に、外乱下でも安定して船位を保持するための制御力及び制御モーメントを算出して、これを補償する指令を推力発生装置３０に出力し、必要な自動船位保持用の制御力及び制御モーメント（以下、モーメントも含めてＤＰＳ制御力と称する）を得ている。

この自動船位保持制御装置２０が指令するＤＰＳ制御力は、短周期のフィードバック制御力（以下、モーメントも含めてＦＢ制御力という）と長周期のフィードフォワード制御力（以下、モーメントも含めてＦＦ制御力という）からなる（ＤＰＳ制御力＝ＦＢ制御力＋ＦＦ制御力）。

このＦＢ制御力は、船体の位置偏差及び方位偏差や推定船速の大きさに基づいて発揮する制御力であり、比例制御と微分制御を用いて算出されるフィードバック制御用の力及びモーメントである。従って、船体の位置偏差や方位偏差が生じなければ、このＦＢ制御力は発生しない。

これに対して、ＦＦ制御力は、略定常力に近い長周期の変動力に対応するもので、位置偏差及び方位偏差の有無に関わらず、風圧力と潮流力と波漂流力により船体に作用する長周期の変動力に対抗して安定した制御を実現するために指令されるフィードフォワード制御用の補償制御力である。

このＦＦ制御力には、風圧力に関係する風圧補償制御力及び制御モーメントが含まれるが、この風圧補償制御力及び制御モーメントは、風向風速計からの相対風向及び相対風力のデータを基に、現在船体が受けている風圧力をリアルタイムに推定すると共に、この風圧力に対抗する風圧補償制御力を算出できる。なお、正確な風圧力を推定するために、本船の縮尺模型を用いて実施した風洞試験データを用いる。

しかし、本発明の自動船位保持制御方法では、実用上は、風圧力と潮流力と変動波漂流力を分離する必要はないので、以下、風圧力及び風圧モーメント、潮流力及び潮流モーメント、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを含んだものとして長周期変動力及び長周期変動モーメントと称する。この長周期変動力及び長周期変動モーメントは、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを含んでおり、これを推定するための波等の情報を正確に検出できないので、現状では、直接、波等の検出データから十分な精度で推定することができない。

本発明においては、この変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを、船体位置の時系列データからカルマンフィルタを用いて推定演算する。このカルマンフィルタを用いることにより、船体に発生するＤＰＳ制御力による船体運動への影響も考慮し、船体位置及び船首方位の時間的変化から船体運動を推定演算し、この船体運動推定値と推力発生装置３０により発生したＤＰＳ制御力の算出値を用いて、この長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定演算する。

そして、この長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定することにより、船体の位置偏差及び方位偏差の有無に関わらず、この変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを含む長周期変動力及び長周期変動モーメントに対抗するためのＤＰＳ制御力を発揮することが可能となるので、この長周期変動力及び長周期変動モーメントを算出して、位置偏差や方位偏差が生じる前に、この推定した長周期変動力及び長周期変動モーメントにマイナスを乗じた値を、この長周期変動力及び長周期変動モーメントに対する補償制御力及び補償制御モーメント、即ち、ＦＦ制御力として、ＤＰＳ制御力に加える。

次に、この変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを含む長周期変動力及び長周期変動モーメントに対するＦＦ制御力を算出して、フィードフォワード制御する自動船位保持制御装置２０の構成について説明する。なお、短周期のＦＢ制御力に基づくフィードバック制御に関しては、従来技術の自動船位保持制御のフィードバック制御を用いることができ、周知であるので、ここでは特に説明しない。

この自動船位保持制御装置２０の制御手段Ｃ２０は、図２に示すように、船位検出手段Ｃ２１、船体加速度算出手段Ｃ２２、船体作用力算出手段Ｃ２３、発生推力算出手段Ｃ２４、長周期変動力算出手段Ｃ２５、推力発生制御手段Ｃ２６を備えて構成される。

この船位検出手段Ｃ２１は、ＧＰＳ装置により船体の位置を検出し、また、ジャイロコンパスで船首方位を検出する。そして、この船体位置及び船首方位から目標位置及び目標方位を差し引いて位置偏差及び方位偏差を求める。船体加速度算出手段Ｃ２２は、この位置偏差及び方位偏差の時系列データをカルマンフィルタを通した後に２階微分して船体の重心位置における加速度及び角加速度を算出する。

そして、船体作用力算出手段Ｃ２３は、船体加速度検出手段Ｃ２２で検出された加速度及び角加速度に船体見掛け質量及び船体見掛け慣性モーメントを乗じて船体に作用する作用力及び作用モーメントを算出する。また、発生推力算出手段Ｃ２４は、船体が備えている推力発生装置３０が発生する制御力及び制御モーメントを算出する。

また、長周期変動力算出手段Ｃ２５は、前記船体作用力算出手段Ｃ２３が算出した作用力及び作用モーメントから、前記発生推力算出手段Ｃ２４が算出した制御力及び制御モーメントを差し引いて、波浪による変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを算出し、推力発生制御手段Ｃ２６は、この長周期変動力算出手段Ｃ２５で算出された長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して、推力発生装置３０が発生する制御力及び制御モーメント（ＦＦ制御力）をフィードフォワード制御する。

次に、この長周期変動力及び長周期変動モーメント及びこれに対する補償制御力及び補償制御モーメントの算出について、図３に示す長周期変動力補償制御フローに従って説明する。

この長周期変動力補償制御フローは、時間領域で行われる演算であり、データは時系列のデータとして扱われる。また、この長周期変動力補償制御フローは、船体の作用する力を算出する作用力算出フロー（ステップＳ１０）と、制御力算出フロー（ステップＳ２０）と長周期変動力算出フロー（ステップＳ３０）とから形成される。

最初のステップＳ１０の作用力算出フローでは、ステップＳ１１で、ＧＰＳ等により船体の前後左右位置（サージ方向、スウェイ方向）を、また、ジャイロコンパスにより船首方位（ヨウ方向）を検出する。この船体位置及び船首方位から得れる位置偏差及び方位偏差（変位）を、ステップＳ１２でカルマンフィルタを通して高周波成分を除去し、低周波位置偏差及び方位偏差（低周波変位）とする。

この低周波位置偏差及び方位偏差をステップＳ１３で２階微分フィルタを通し、加速度及び角加速度を算出する。ステップＳ１４で、この算出された加速度ａ及び角加速度αから船体に作用する船体作用力Ｆtotal 及び船体作用モーメントＭtotal を算出する。これは、加速度ａに船体の見掛け質量Ｍを乗じて、又は、角加速度αに船体の見掛け慣性モーメントＩを乗じて行う。これにより、船体作用力Ｆtotal 及び船体作用モーメントＭtotal が得られる。

一方、ステップＳ２０の制御力算出フローでは、ステップＳ２１で推力発生装置２０の各アクチュエータ２１〜２４の応答を検出し、主推進器２１、２２の可変ピッチプロペラの翼角δ1,δ2 、回転数ｎ1,ｎ2 、舵２３、２４の舵角δ3,δ4 、各スラスタ２５〜２８の可変ピッチプロペラの翼角δ5 〜δ8 、回転数ｎ5 〜ｎ8 等のデータをステップＳ２２に出力し、ステップＳ２２で、これらの翼角（又は舵角）δi 、回転数ｎi の関数（ｆi （ｎi ，δi ）、ｍi （ｎi ，δi ））として計算される推力発生装置２０の各アクチュエータで発生する力の総和である制御力Ｆcmd （＝Σｆi （ｎi ，δi ））及び制御モーメントＭcmd （＝Σｍi （ｎi ，δi ））を算出する。これにより、推力発生装置２０で発生している力である制御力Ｆcmd 及び制御モーメントＭcmd が得られる。

そして、ステップＳ３０の長周期変動力算出フローのステップＳ３１で、作用力算出フローで算出された船体作用力Ｆtotal 及び船体作用モーメントＭtotal から制御力Ｆcmd 及び制御モーメントＭcmd を差し引くと、長周期変動力Ｆcw（＝Ｆtotal −Ｆcmd ）及び長周期変動モーメントＭcw（＝Ｍtotal −Ｍcmd ）が算出される。

そして、ステップＳ３２で、この長周期変動力及び長周期変動モーメントにマイナスを乗じた力及びモーメントをＦＦ制御力（モーメントも含む）として自動船位保持制御に入れ、フィードフォワード制御する。

また、このＦＦ制御力には、風圧力に関係する風圧補償制御力及び制御モーメントが含まれているが、風向風速計からの相対風向及び相対風力のデータを基に、現在船体が受けている風圧力及び風圧モーメントをリアルタイムに推定することができるので、ＦＦ制御力から、この推定された風圧力及び風圧モーメントを差し引くと、残りは潮流力及び潮流モーメントと変動波漂流力及び変動波漂流モーメントとなり、また、潮流力及び潮流モーメントを考慮する必要が無いときは、変動波漂流力及び変動波漂流モーメントとなる。

上記の構成の自動船位保持制御方法及び自動船位保持制御装置２０によれば、船体に作用する長周期変動力及び長周期変動モーメントを早い段階で検知でき、この波浪によって生じる長周期の変動波漂流力及び変動波漂流モーメントを含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを補償するフィードフォワード制御を行うので、位置偏差及び方位偏差を従来型の自動船位保持制御装置に比べて格段に小さくすることができる。

本発明に係わる自動船位保持制御装置を備えた自動船位保持システムの構成を示す図である。 本発明に係わる自動船位保持制御装置の制御手段の構成を示す図である。 本発明に係わる長周期変動力補償制御フローを示す図である。

符号の説明

１ 自動船位保持システム
１０ 船位保持用データ検出装置
１１ ＧＰＳ装置
１２ ジャイロコンパス
１３ 電磁ログ
１４ 風向風速計
２０ 自動船位保持制御装置
２１ 操作部
２２ 制御部
２３ 表示部
３０ 推力発生装置
３１ 主推進器
３２ 舵
３３ バウスラスタ
３４ スタンスラスタ

Claims (6)

1. 洋上において、推力発生装置を制御して船体位置及び船首方位を所定の位置及び方位に保持する自動船位保持制御方法であって、船体に作用する作用力及び作用モーメントに関して、波浪によって生じる長周期の変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを推定し、該推定した長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントをフィードフォワード制御して船位保持する制御を行うことを特徴とする自動船位保持制御方法。
2. 前記長周期変動力及び長周期変動モーメントに関して、船体の加速度及び角加速度を求め、該加速度及び角加速度に船体見掛け質量及び船体見掛け慣性モーメントを乗じて船体に作用する作用力及び作用モーメントを求め、該作用力及び作用モーメントから前記推力発生装置が発生する発生推力及び発生モーメントを差し引た値を前記長周期変動力及び長周期変動モーメントの推定値とすることを特徴とする請求項１記載の自動船位保持制御方法。
3. 前記加速度及び角加速度を、船体の位置検出装置で検出した船体位置及び船首方位の時系列データを２階微分して求めることを特徴とする請求項２記載の自動船位保持制御方法。
4. 洋上において、推力発生装置を制御して船体位置及び船首方位を所定の位置及び方位に保持する自動船位保持制御装置であって、
   船体の位置及び船首方位を検出する船位検出手段と、
   船体が備えている推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントを算出する発生推力算出手段と、
   波浪による変動波漂流力及び変動波漂流モーメントの少なくとも一方を含む長周期変動力及び長周期変動モーメントを算出する長周期変動力算出手段と、
   該長周期変動力算出手段で算出された長周期変動力及び長周期変動モーメントに対して、前記推力発生装置が発生する制御力及び制御モーメントをフィードフォワード制御する推力発生制御手段を備えたことを特徴とする自動船位保持制御装置。
5. 更に、船体の重心位置における加速度及び角加速度を算出する船体加速度算出手段と、 船体加速度検出手段で算出された加速度及び角加速度に船体見掛け質量及び船体見掛け慣性モーメントを乗じて船体に作用する作用力及び作用モーメントを算出する船体作用力算出手段とを備えると共に、
   前記長周期変動力算出手段が、前記船体作用力算出手段が算出した作用力及び作用モーメントから、前記発生推力算出手段が算出した制御力及び制御モーメントを差し引いて、前記長周期変動力及び長周期変動モーメントを算出することを特徴とする請求項４に記載の自動船位保持制御装置。
6. 前記船体加速度算出手段が、前記加速度及び角加速度を、船体の位置検出装置で検出した船体位置及び船首方位の時系列データを２階微分して求めることを特徴とする請求項５記載の自動船位保持制御装置。
   

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