JP2008230484A - 自動操舵装置および自動操舵方法 - Google Patents

Abstract

【課題】制御型自己回帰モデルを用いて針路偏差を抑制するように制御する自動操舵装置において、高精度の自動操舵を可能にする。
【解決手段】第１の手段として、（方位角検出手段）２から得られるターンレート２２を針路偏差補正６に加味して最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。また、第２の手段として、設定針路から所定角度ずらした仮想設定針路を設定し、その仮想設定針路に対する実際の航跡の差である針路偏差を計測し、その針路偏差から針路偏差オフセット値を算出し、その針路偏差オフセット値に基づいて最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動操舵装置に関し、特に針路偏差補正機能を有する自動操舵装置および方法に関する。

下記特許文献１には、船舶の制御モデルとして制御型自己回帰モデルを用いた減揺装置が開示されている。この減揺装置は、過去の測定データである舵角（制御量）並びに針路偏差（被制御量）および横揺角速度（被制御量）を制御型自己回帰モデルに代入することにより目標方位および目標横揺角速度（０ｒａｄ／ｓｅｃ）を実現し得る最適制御ゲインを予測し、該最適制御ゲインに基づいて最適舵角を算出するものである。このような減揺装置によれば、針路偏差を十分に抑制した状態で船舶体の横揺れを大幅に減少させることができる。なお、以下の説明では、上述した制御型自己回帰モデルを自己回帰モデルと略記する。

ところで、前記減揺装置Ｅは予め構築された固定的な自己回帰モデルを用いるため、船舶体に外乱として作用する風や波等の長期的な特性変化に対して十分な性能を有しない。このような事情から、航行中に自己回帰モデルを更新しつつ最適制御ゲインを求める適応型の減揺装置Ｅが提案されている。この適応型減揺装置は、隣接する２つの一定期間（バッチ区間）について、最初のバッチ期間１の測定データに対して現行の自己回帰モデルをあてはめ、またつぎのバッチ区間２の測定データに対しては別の自己回帰モデルをあてはめる。そして、バッチ期間１の測定データとバッチ区間２の測定データとの同質／異質をＭＡＩＣＥ法に基づいて比較検討し、異質である場合は自己回帰モデルを破棄して自己回帰モデルを採用し、同質である場合には、自己回帰モデルと自己回帰モデルとを併合して得られた自己回帰モデルを採用する。

しかしながら、前記適応型減揺装置では、バッチ期間１の測定データとバッチ区間２の測定データと同質である場合に採用する自己回帰モデルを計算上求めることができない場合がある。したがって、従来の適応型減揺装置は、実用上極めて重大な問題を含んでいた。

この対策として、下記特許文献２により、実用的な外乱適応型減揺機能を実現する技術が開示されている。すなわち、被制御変数を船舶体の横揺れ角速度および針路偏差とすると共に操作変数を舵角とする制御型自己回帰モデルにおける運動特性行列を固定値として予め記憶し、所定周期の各時刻について時々刻々と取得される船舶体の横揺れ角速度、方位角および舵角に関する各測定値並びに目標方位角および前記運動特性行列を制御型自己回帰モデルに適用することにより、各時刻における外乱の推定値を算出し、複数の時刻からなる各バッチ区間の各推定値に対して局所定常過程に対するOzaki-Tong法を適用することにより各バッチ区間に対して最適な外乱自己回帰モデルを順つぎ当てはめ、外乱自己回帰モデルに基づく外乱適応制御型自己回帰モデルによって船舶体の横揺れおよび針路偏差を抑制する最適操舵量を算出し舵を制御するというものである。
特開平４−３２１４８５号公報 特許第３７５１２３９号公報（特開２００３−１０４２９１号公報）

さらに、前記特許文献２の技術でも、つぎの問題点があった。
１．指令舵角を算出する際に、針路偏差のみを利用しており、一定方向からの外乱要素であるターンレートを利用していない。いわば、ＰＩＤ制御においてＤゲイン（微分項）がないことに等しい。

２．船舶が設定針路から離れるターンレートが発生する場合は、針路偏差のみで指令舵角を算出するので旋回を止めるための操舵量（操舵角）が不足する。したがって、設定針路から離れた船舶が設定針路に戻るのに時間がかかる。

３．船舶が設定針路から近づくターンレートが発生して旋回する場合は、針路偏差がなくなるまで設定針路に近づくように指令舵角を出力する。この時、旋回するターンレートがなくならないので、オーバーシュートが大きくなる（図４参照）。

４．制御型自己回帰モデルを使用する自動操舵装置では、指令舵角計算に、いわゆるＰＩＤ制御の積分項がない。そのため一定方向から外乱を受けるターンレートがある場合、船舶は一定の針路偏差を持って蛇行（ハンチング）する。このハンチングを解消できるように針路偏差を算出する時、針路偏差を積分して補正を行なう。しかし、針路偏差に積分値を入れると大きな舵角で操舵しなければならなくなるという欠点がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、針路偏差補正値を算出し、その算出された針路偏差補正値を針路偏差に加えることにより自動操舵の精度を上げることを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る自動操舵装置は、設定針路に対する方位角の針路偏差を被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて前記針路偏差を抑制するように制御する自動操舵装置において、方位角検出手段から得られるターンレートを針路偏差補正に加味して最適操舵量を算出し、該最適操舵量基づいて舵角を制御することを特徴とする。

本発明に係る自動操舵装置によれば、制御型自己回帰モデルを用いて針路偏差を抑制するように制御する自動操舵装置において、針路偏差のみを用いて指令舵角の算出した場合、Ｄゲイン（微分項）を省略したＰＩＤ制御に相当するため低精度であったところ、方位角検出手段から得られるターンレートを針路偏差補正に加味して最適操舵量を算出し、該最適操舵量に基づいて舵角を制御することが可能になった。このようにしたから、ターンレートまで加味して算出された針路偏差補正値を、針路偏差に加えることによって高精度の自動操舵が可能となる。

より具体的には、船舶が設定針路から離れる方向にターンレートが発生して旋回した場合にも、適切な操舵角が算出できるので、船舶が設定針路から離れてから戻るまでの時間を短縮することが可能となる。

また、船舶が設定針路へ近づく方向にターンレートが発生して旋回した場合にも、オーバーシュートをなくすことが可能となる。

また、本発明に係る自動操舵装置は、入力された指令舵角信号により操舵すると共に実舵角信号を出力する舵取機と、船舶の方位角を検出して方位信号を出力する方位角検出手段と、前記船舶の航行する針路を設定して針路設定信号を出力する針路設定手段と、前記針路設定信号と前記方位信号を入力して両者の差である針路偏差信号を出力する比較器と、前記針路偏差信号を用いると共に前記実舵角信号と前記指令舵角信号のバランスを得るように動作する最適コントローラと、を備えた自動操舵する自動操舵装置において、前記比較器と前記最適コントローラの間に針路偏差補正手段を介挿し、前記船舶に対する一定方向からの外乱によるターンレートを前記方位角検出手段から検出し、前記針路偏差補正手段は前記ターンレートを用いて生成した新針路偏差信号を前記最適コントローラへ入力することを特徴とする。

本発明に係る自動操舵装置によれば、まず、針路設定手段が船舶の航行する針路を設定するように針路設定信号を出力する。その他の機能部はつぎのように動作する。
方位角検出手段が船舶の方位角を検出して方位信号を出力する。
比較器が針路設定信号と方位信号を入力して両者の差である針路偏差信号を出力する。
方位角検出手段は船舶に対する一定方向からの外乱によるターンレートを検出する。
比較器と最適コントローラの間に介挿された針路偏差補正手段は、ターンレートを用いて生成した新針路偏差信号を最適コントローラへ入力する。
最適コントローラは針路偏差信号を用いると共に実舵角信号と指令舵角信号のバランスを得るように動作する。
舵取機は入力された指令舵角信号により操舵すると共に実舵角信号を出力する。
各機能部の動作により、ターンレートまで加味して算出された針路偏差補正値を針路偏差に加える制御が実行されて高精度の自動操舵が可能となる。

また、本発明に係る自動操舵装置は、設定針路に対する方位角の針路偏差を被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて前記針路偏差を抑制するように制御する自動操舵装置において、前記設定針路に対する針路偏差の所定時間における平均値を針路偏差オフセット値として算出し、前記設定針路から前記針路偏差オフセット値だけずらした仮想設定針路を設定し、前記仮想設定針路に対する針路偏差を所定周期ごとに再計測して針路偏差オフセット値を更新し、前記更新された針路偏差オフセット値と前記仮想設定針路とに基づいて最適操舵量を算出し、該最適操舵量に基づいて舵角を制御することを特徴とする。

本発明に係る自動操舵装置によれば、つぎの手順で舵角を制御する。
（１）一定方向から外乱を受けると、ある範囲の針路偏差を持って蛇行する。
（２）所定時間の針路偏差の平均（針路偏差オフセット値）を計算する。
（３）設定針路から針路偏差オフセット値だけずらした仮想設定針路を設定する。
（４）船舶は仮想設定針路上を蛇行しながら航行したものとして説明することも可能である。
（５）針路偏差オフセット補正値（＝針路偏差オフセット値）を、設定針路に対して外乱に対抗する方向に加えて仮想設定針路と定義する。この仮想設定針路は、針路偏差オフセット値の角度分だけ、外乱に対抗する方向に回転させたことに等しい。
（６）仮想設定針路に対する針路偏差を所定周期ごとに再計測して針路偏差オフセット値を更新する。
（７）更新された針路偏差オフセット値に基づいて最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。

また、本発明に係る自動操舵方法は、設定針路に対する方位角の針路偏差を被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて前記針路偏差を抑制するように制御する自動操舵方法において、設定針路に針路偏差オフセット値を加えて修正設定針路を算出する修正設定針路算出ステップと、方位角と修正設定針路の差により針路偏差を算出する針路偏差算出ステップと、針路偏差オフセット値を算出するオフセット算出ステップと、ターンレートに対するゲインにターンレートを乗じてターンレートによる修正値を算出するターンレート修正ステップと、針路偏差オフセット値と針路偏差修正値とターンレートによる修正値を加えて針路偏差修正値を算出する針路偏差修正値算出ステップと、前記針路偏差修正値算出ステップにより算出された針路偏差修正値を用いて前記舵取機を制御することを特徴とする。

本発明に係る自動操舵方法によれば、まず、設定針路に針路偏差オフセット値を加えて修正設定針路を算出する。ついで、方位角と修正設定針路の差により針路偏差を算出する。ついで、針路偏差オフセット値を算出する。ついで、ターンレートに対するゲインにターンレートを乗じてターンレートによる修正値を算出する。ついで、針路偏差オフセット値と針路偏差修正値とターンレートによる修正値を加えて針路偏差修正値を算出する。そして、算出された針路偏差修正値を用いて舵取機を制御する。

このような自動操舵方法によれば、制御型自己回帰モデルを使用する自動操舵方法において、ＰＩＤ制御による指令舵角計算から積分項を省略した時、ターンレートによって生ずる蛇行（ハンチング）を解消するために、針路偏差を積分して補正により針路偏差を計算した場合の新たな欠点、すなわち操舵角を大きくすることが必要になるという欠点まで解消することができる。このことにより、船舶は設定針路上を航行できるようになる。

本発明によれば、一定方向から外乱を受けるターンレートまで加味して算出された針路偏差補正値を針路偏差に加えることにより自動操舵の精度を上げる効果が得られる。
１．針路偏差のみを用いて指令舵角の算出した場合、Ｄゲイン（微分項）を省略したＰＩＤ制御に相当するため低精度であったところを、ターンレートまで加味することにより高精度の自動操舵が可能となる。

２．針路偏差のみを用いて指令舵角を算出した場合、船舶が設定針路から離れる方向にターンレートが発生して旋回した場合、大きな操舵角は算出されず速やかな航路修正が困難であったところを、ターンレートまで加味すれば適切な操舵角が算出できるので、船舶が設定針路から離れてから戻るまでの時間を短縮することが可能となる。

３．針路偏差のみを用いて指令舵角を算出した場合、船舶が設定針路へ近づく方向にターンレートが発生して旋回した場合、針路偏差がなくなるまで設定針路に近づくように指令舵角を出力するので、旋回するターンレートがなくならない限りオーバーシュートが大きく発生したところを、ターンレートまで加味すれば適切な操舵角が算出できるので、オーバーシュートをなくすことが可能となる。

４．制御型自己回帰モデルを使用する自動操舵装置では、ＰＩＤ制御による指令舵角計算に積分項がなければターンレートで蛇行（ハンチング）し、逆にハンチングを解消するため針路偏差を積分して補正する針路偏差の計算によれば、操舵角を大きくしなければならないというジレンマを解消することができる。このため、船舶は設定針路上を航行できるようになる。

以下、図面を参照して、本発明の最良の実施形態について、構成と動作を適宜織り交ぜて説明する。なお、各図に亘って同一機能には同一符号を付して説明の重複を避ける。

図１は、本発明の実施形態（本実施形態）に係る自動操舵装置（以下、「本装置」ともいう）Ｅ′の基礎概念を示す機能ブロック図である。なお、機能ブロック図であるため、図示する構成要素が必ずしも物であるとは限らず、図示せぬコンピュータのハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせ等により実現される機能等も含んでいる。図１に示すように、本装置Ｅ′は船舶１０に装備され、針路設定手段（以下、「設定針路」ともいう）１と、ジャイロコンパス２と、最適コントローラ３と、舵取機４と、比較器５により構成されている。また、図１の船舶１０は、例えば北北東５ｍ／ｓｅｃの風・波浪（以下、「外乱」ともいう）７の環境で設定針路１を北に保ちたい状況を例示している。

ここで、本装置Ｅ′の基礎的動作原理であるＰＩＤ制御に関して説明する。ＰＩＤ制御とは、フィードバック制御の一種であり、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の３つの要素によって行う制御技術のことである。このＰＩＤ制御は、フィードバック制御の基礎ともなっており、様々な制御手法が開発・提案され続け、産業界では主力とされる制御手法である。

なお、基本的なフィードバック制御として比例制御(Ｐ制御)がある。これは入力値を出力値と目標値の偏差の一つぎ関数として制御するものである。ＰＩＤ制御では、この偏差に比例して入力値を変化させる動作を比例動作あるいはＰ(Proportional)動作という。また、比例動作に用いる定数は比例ゲインと呼ばれる。比例制御においては比例ゲインを変えない限り、出力値に対して入力値は常に決まっている。

図１において針路設定手段１は、船舶１０の航路等に沿って設定される針路を意味する針路設定信号１１を出力して比較器５へ入力する。ジャイロコンパス２は方位検出手段（同一符号２）であり実際に船舶１０の船首が向いている方角を検出しジャイロ方位信号（以下、「方位信号」または「方位」ともいう）２１を出力して比較器５へ入力する。比較器５へ入力された針路設定信号１１と、同様に入力されたジャイロ方位信号２１を比較し、それらの差である針路偏差信号（以下、「針路偏差」ともいう）５１を出力して最適コントローラ３へ入力する。最適コントローラ３は指令舵角信号３１を出力して舵取機４へ入力する。舵取機４は実舵角信号４１を出力して最適コントローラ３へフィードバック入力する。最適コントローラ３では実舵角信号４１と指令舵角信号３１のバランスを得るように動作する。

本装置Ｅ′は設定針路１に対する方位角２１の針路偏差５１を被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて針路偏差５１を抑制するように制御する自動操舵するものである。本装置Ｅ′は、方位角検出手段２から得られるターンレート２２を針路偏差補正５１に加味して最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。

ここで、一定方向からの外乱７によるターンレート２２を含めて説明する。
図２は本実施形態に係る自動操舵装置Ｅの構成を示すブロック図である。図２に示すように、自動操舵装置Ｅは、図１に示した自動操舵装置Ｅ′に対し、ターンレート２２への対応策を講じたものである。すなわち、自動操舵装置Ｅ′における比較器５と最適コントローラ３の間に針路偏差補正手段６を介挿し、針路偏差補正手段６へはジャイロコンパス２より検出されたターンレート２２が入力される。この針路偏差補正手段６は、針路偏差信号５１にターンレート２２を加味した新針路偏差信号６１を出力して最適コントローラ３へ入力する。

しかし、実際に制御を行う場合、同じ出力値に対しても周囲の環境などによって入力値を変えなければならないことがある。例えば本装置Ｅの針路を北に保ちたい時、北北東の風が５ｍ／ｓの時と、１５ｍ／ｓの場合では指令舵角３１を変えなければならない。いま、１５ｍ／ｓの状況下で、５ｍ／ｓの時に用いた比例ゲインの値を使用して比例制御を行うと、設定針路１を維持することはできない。このようにして生じる出力値と目標値との偏差を残留偏差またはオフセットという。

しかながら、周囲の環境が変わるたびに残留偏差をなくすため、最適の比例ゲインを決定しなおすのは難しい。そこで制御型自己回帰モデル、すなわち制御数式モデルにおける２つ目の項を付け加える。この項は残留偏差が存在する場合、その偏差が継続している時間に比例して入力値を変化させる動作をする。つまり偏差のある状態が長い時間続けばそれだけ入力値の変化を大きくして目標値に近づけようとする役目を果たす。この偏差の積分に比例して入力値を変化させる動作を積分動作あるいはＩ(Integral)動作という。前記のように比例動作と積分動作を組み合わせた制御方法はＰI制御という。

図３は本実施形態に係る自動操舵装置Ｅにおけるターンレート２２関連の動作説明図である。図３に示すように、船舶１０は針路１に対し、方位２１に船首を向けて航行中である。この時、針路偏差５１とされていたところを、右舷方向（ＳＴＡＲＢＯＡＲＤ）に発生したターンレート２２を考慮した針路偏差補正手段６（図２）により新針路偏差６１を加えた針路偏差補正値６２を設定する。

図４は本実施形態に係る自動操舵装置Ｅの効果をシミュレーション検証した短時間推移特性図であり、（ａ）針路偏差の特性図、（ｂ）指令舵角の特性図である。図４（ａ）において、横軸は４００秒までの時間軸、縦軸はプラス１．２（ｄｅｇ）およびマイナス０．４（ｄｅｇ）の範囲を示す針路偏差の特性を示すグラフである。図４（ａ）に示すように、ターンレート制御しなかった場合の特性Ａは大きくハンチングしているのに対し、ターンレート制御した場合の特性Ｂは速やかに針路偏差ゼロへと収束していることがシミュレーション検証された。

図４（ｂ）において、横軸は４００秒までの時間軸、縦軸はプラス１．２（ｄｅｇ）およびマイナス０．４（ｄｅｇ）の範囲を示す指令舵角の特性を示すグラフである。図４（ｂ）に示すように、ターンレート制御しなかった場合の特性Ｃも大きくハンチングしているのに対し、ターンレート制御した場合の特性Ｄは速やかに指令舵角ゼロへと収束していることがシミュレーション検証された。

ここで、ＰＩＤ制御におけるオーバーシュートに関して説明する。積分動作に用いる定数は積分ゲインと呼ばれる。また積分時間はある一定の大きさのオフセットが継続した時にＰ動作とＩ動作の項が同じになるのに要する時間である。積分時間が小さいほどＩ動作の寄与が大きくなり残留偏差の矯正が迅速に行われるが、小さすぎると目標値を行き過ぎたり(オーバーシュート)、目標値の前後を出力値が振動したり(ハンチング)する現象を起こすことがある。

一方、天候の急変等による周囲の環境が変化したり、大型の船舶１０において満載重量と空荷状態の変化する等により制御対象に撹乱が加わったりすることで、出力値が急に変動することがある。このような場合にもＰＩ制御は出力値を目標値に常に近づけようとする。しかし、Ｉ動作はある程度時間が経過しないと働かないため、どうしても出力値を目標値に戻すために時間がかかる。具体的には、大型の船舶１０はいっそう旋回が遅くなることを意味している。

そこで、急激な出力値の変化が起こった場合、その変化の大きさに比例した入力を行うことで、その変化に抗しようとする制御機能を果たす。この偏差の微分に比例して入力値を変化させる動作を微分動作あるいはＤ(Derivative)動作という。前記のように比例動作、積分動作、微分動作を組み合わせた制御方法をＰＩＤ制御というのである。

また、微分動作に用いる定数は微分ゲインと呼ばれる。この微分時間はある一定の変化率の出力値の変動が継続した時に、Ｐ動作とＤ動作の項が同じになるまでに要する時間である。微分時間が大きいほどＤ動作の寄与が大きくなり変動へ対処が迅速に行われるが、大きすぎると今度は逆方向へ変動したりすることになり制御が不安定になる。

ＰＩＤ制御において適切な比例ゲイン、積分ゲイン(または積分時間)、微分ゲイン(または微分時間)を決定するには制御対象の入力に対する応答を調べておく必要がある。このためには入力値を階段状に変動させた時に出力値が応答しはじめるまでに要する時間(無駄時間)、応答しはじめてからの変化の速度(時定数)、入力値の変化量と出力値の変化量の比(プロセスゲイン)などを測定し、その値から設定する方法がある。無駄時間が長く時定数が小さい(応答開始に時間がかかるが、応答がはじまると急激に変化する)制御対象にはＰＩＤ制御は不向きである。このようなわけで、満載状態と空荷状態で重量に大きな差がある大型の船舶１０へのＰＩＤ制御には相当の工夫を要するのである。

図５は本実施形態に係る自動操舵装置Ｅにおける針路偏差オフセット補正の説明図である。図５に示すように、本装置Ｅは、設定針路１に対する方位角φ_１，φ_２，φ_３，φ_Ｎの針路偏差θ_１，θ_２，θ_３，θ_Ｎを被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて針路偏差θ_１〜θ_Ｎを抑制するように制御して自動操舵する。このことを、図５に沿って説明する。

（１）一定方向から外乱７を受けると、図５（ａ）の下半分に示すように、ある範囲の針路偏差θ_１〜θ_Ｎを持って蛇行する。
（２）３００秒間の針路偏差θ_１〜θ_Ｎの平均（針路偏差オフセット値θ）を計算する。
（３）針路偏差オフセットは、図５（ｂ）の破線矢印８が示す方位になる。
（４）船舶１０は破線矢印８の延長線上を蛇行しながら航行したものとして説明することも可能である。
（５）図５（ａ）の上半分に示すように、針路偏差オフセット補正値θ（＝針路偏差オフセット値θ）を、設定針路１に対する反時計方向に加えて仮想設定針路１′と定義する。この仮想設定針路１′は、図５（ｂ）に示した図を針路偏差オフセットの角度θ分だけ、反時計方向に回転させたことに等しい。
（６）仮想設定針路１′に対する針路偏差θ_１〜θ_Ｎを所定周期３００秒ごとに再計測して針路偏差オフセット値を更新する。
（７）更新された針路偏差オフセット値θに基づいて最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。

要するに、船舶１０は、外乱７である風に対抗するように、３００秒間の針路偏差θ_１〜θ_Ｎの平均である針路偏差オフセット値θだけ船首を風上に向けて補正した仮想設定針路１′を設定すれば、設定針路１を安定確保して航行することが可能となる。なお、実際の針路偏差オフセットは０．１〜２．０度程度である。

このように、設定針路１から所定の角度θ、すなわち、針路偏差オフセット補正値θ分だけずらした仮想設定針路１′を設定する。そして、仮想設定針路１′に対する実際の航跡の差である針路偏差θ_１〜θ_Ｎを計測する。この針路偏差θ_１〜θ_Ｎから針路偏差オフセット値θを再び算出する。再計算された針路偏差オフセット値θに基づいて最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。

制御型自己回帰モデルを使用する自動操舵装置Ｅでは、指令舵角の計算に、いわゆるＰＩＤ制御の積分項がない。そのため一定方向から外乱７を受けると、船舶１０は一定の針路偏差を持って蛇行（ハンチング）する。この問題を解決するために、針路偏差θ_１〜θ_Ｎを算出する時に、針路偏差θ_１〜θ_Ｎを積分して補正を行なう。しかし、針路偏差θ_１〜θ_Ｎに積分値を入れると、大きな舵角で操舵しなければならなくなるという欠点がある。

制御型自己回帰モデルを使用する本装置Ｅでは、一定方向から外乱７を受けると、船舶１０は設定針路１から一定の針路偏差θ_１〜θ_Ｎを持って蛇行する。そこで、針路偏差オフセット値θを算出し、現在の設定針路１から所定角度θだけずらした仮想設定針路１′を設ける。このことによって、船舶１０は設定針路１上を航行するようになる。

図６は本実施形態に係る自動操舵装置Ｅにおける針路偏差オフセット補正する針路偏差修正のフローチャートである。図６に示す自動操舵方法は、まず、修正設定針路算出ステップ（Ｓ１０）により、設定針路１に針路偏差オフセット値を加えて修正設定針路を算出する。ついで、針路偏差算出ステップ（Ｓ２０）により、方位角２１と修正設定針路の差により針路偏差５１を算出する。

オフセット算出ステップ（Ｓ３０）では、図７に示すサブルーチンプログラムの実行により、針路偏差オフセット値θを算出する。ついで、ターンレート修正ステップ（Ｓ４０）により、ターンレートに対するゲインにターンレート２２を乗じてターンレートによる修正値を算出する。

ついで、針路偏差修正値算出ステップ（Ｓ５０）により、針路偏差オフセット値θと針路偏差５１とターンレートによる修正値を加えて針路偏差修正値を算出する。この針路偏差修正値算出ステップ（Ｓ５２）により算出された針路偏差修正値を用いて舵取機４１を制御する。より具体的には、ジャイロコンパス２より検出されたジャイ方位（方位角）２１およびターンレート２２を用いて自動操舵を行なう。

以下に、詳細を確認する。
ＡｄｊＳｅｔＣｏ：修正設定針路
ＳｅｔＣｏ：設定針路
Ｄｅｖ：針路偏差
ＴｒＨｅａｄ：方位角
ＯｆｆＳｅｔ：針路偏差オフセット値
ＴｕｒｎＲａｔｅ：ターンレート
Ｌａｍ：ターンレートに対するゲイン
Ｔ：ターンレートによる修正値
ＮｅｗＤｅｖ：針路偏差修正値

まず、修正設定針路算出ステップ（Ｓ１０）では、修正設定針路を下式により算出する。 修正設定針路＝設定針路＋針路偏差オフセット値
ＡｄｊＳｅｔＣｏ＝ＳｅｔＣｏ＋ＯｆｆＳｅｔ

針路偏差算出ステップ（Ｓ２０）では、針路偏差を下式により算出する。
針路偏差＝方位角−修正設定針路
Ｄｅｖ＝ＴｒＨｅａｄ−ＡｄｊＳｅｔＣｏ

オフセット算出ステップ（Ｓ３０）では、図７に示すサブルーチンプログラムの実行により、後記説明するように針路偏差オフセット値を算出する。

ターンレート修正ステップ（Ｓ４０）では、ターンレートによる修正値を下式により算出する。
ターンレートによる修正値＝ターンレートに対するゲイン×ターンレート
Ｔ＝Ｌａｍ＊ＴｕｒｎＲａｔｅ

針路偏差修正値算出ステップ（Ｓ５０）では、針路偏差修正値を下式により算出する。
針路偏差修正値＝針路偏差＋針路偏差修正値＋ターンレートによる修正値
ＮｅｗＤｅｖ＝Ｄｅｖ＋Ｏｆｆｓｅｔ＋Ｔ

針路偏差修正値算出ステップ（Ｓ５０）により算出された新針路偏差値６１を、最適コントローラ３へ入力すれば指令舵角３１が算出されるので、その指令舵角３１どおりで適切に舵取機４が制御される。

図７は本実施形態に係る自動操舵装置Ｅにおけるオフセット計算するサブルーチンのフローチャートである。ここでは５分間の針路偏差によるオフセットを算出すると仮定する。図７に示すように、オフセット算出開始ステップ（Ｓ３１）において、制御周期は５００ｍｓ、Ｓｕｍの初期値は０とする。

ついで、カウント確認ステップ（Ｓ３２）において、カウンタ＝６００であるか否か？を確認し、Ｎｏならカウントアップステップ（Ｓ３３）に進み、つぎのカウント値＝元のカウント値＋１としてカウントアップする。ついで、針路偏差値の総和ステップ（Ｓ３４）においてＳｕｍ＝Ｓｕｍ＋針路偏差値の処理を実行したらオフセット算出を終了する。

一方、カウント確認ステップ（Ｓ３２）において、カウンタ＝６００？がＹｅｓであれば、針路偏差オフセット算出ステップ（Ｓ３５）へ進み針路偏差オフセット値＝Ｓｕｍ／６００と算出する。このステップ（Ｓ３５）において、Ｏｆｆｓｅｔ値のリミットは±２．０である。ついで、リセットステップ（Ｓ３６）へ進み、初期値に戻すようにカウンタ＝０，Ｓｕｍ＝０にリセットしたらオフセット算出を終了する。

以下に、詳細を確認する。
算出開始ステップ（Ｓ３１）Ｃａｌｌ ＯｆｆＳｅｔ
オフセットにおいて、制御周期は５００ｍｓ、Ｓｕｍの初期値は０とする。

カウント確認ステップ（Ｓ３２）Ｃｏｕｎｔｅｒ＝６００？
ステップ（Ｓ３２）Ｎｏ→カウントアップステップ（Ｓ３３）
つぎのカウント値＝元のカウント値＋１としてカウントアップする。
Ｃｏｕｎｔｅｒ＝Ｃｏｕｎｔｅｒ＋１

針路偏差値の総和ステップ（Ｓ３４）つぎの総和Ｓｕｍ＝元のＳｕｍ＋針路偏差値
Ｓｕｍ＝Ｓｕｍ＋Ｄｅｖ
ステップ（Ｓ３４）の処理を実行したらオフセット算出を終了する。Ｅｘｉｔ

ステップ（Ｓ３２）？Ｙｅｓ→針路偏差オフセット算出ステップ（Ｓ３５）
針路偏差オフセット値＝Ｓｕｍ／６００，Ｏｆｆｓｅｔ値のリミットは±２．０
Ｏｆｆｓｅｔ＝Ｓｕｍ／６００

リセットステップ（Ｓ３６）初期値に戻すようにカウンタ＝０，Ｓｕｍ＝０にリセットしたらオフセット算出を終了する。Ｃｏｕｎｔｅｒ＝０，Ｓｕｍ＝０→Ｅｘｉｔ

本発明の実施形態（本実施形態）に係る自動操舵装置Ｅの基礎概念を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る自動操舵装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る自動操舵装置におけるターンレート関連の動作説明図である。 本実施形態に係る自動操舵装置の効果をシミュレーション検証した短時間推移特性図であり、（ａ）針路偏差の特性図、（ｂ）指令舵角の特性図である。 本実施形態に係る自動操舵装置における蛇行関連の動作説明図である。の特性図である。 本実施形態に係る自動操舵装置における針路偏差オフセット補正する針路偏差修正のフローチャートである。 本実施形態に係る自動操舵装置におけるオフセット計算するサブルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１…針路，設定針路，針路設定手段 ２…方位角検出手段，（ジャイロコンパス）
３…最適コントローラ ４…舵取機 ５…比較器
６…針路偏差補正，針路偏差補正手段 ７…外乱 １０…船舶
１１…針路設定信号 ２１…方位角，方位信号 ２２…ターンレート
３１…指令舵角，指令舵角信号 ４１…実舵角，針路偏差 ５１…針路偏差信号
６１…新針路偏差信号 Ｅ，Ｅ′…自動操舵装置
θ…針路偏差オフセット（補正）値 θ_１，θ_２，θ_３，θ_Ｎ…針路偏差
φ_１，φ_２，φ_３，φ_Ｎ…方位角

Claims (4)

1. 設定針路に対する方位角の針路偏差を被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて前記針路偏差を抑制するように制御する自動操舵装置において、
   方位角検出手段から得られるターンレートを針路偏差補正に加味して最適操舵量を算出し、該最適操舵量に基づいて舵角を制御することを特徴とする自動操舵装置。
2. 入力された指令舵角信号により操舵すると共に実舵角信号を出力する舵取機と、
   船舶の方位角を検出して方位信号を出力する方位角検出手段と、
   前記船舶の航行する針路を設定して針路設定信号を出力する針路設定手段と、
   前記針路設定信号と前記方位信号を入力して両者の差である針路偏差信号を出力する比較器と、
   前記針路偏差信号を用いると共に前記実舵角信号と前記指令舵角信号のバランスを得るように動作する最適コントローラと、を備えた自動操舵装置において、
   前記比較器と前記最適コントローラの間に針路偏差補正手段を介挿し、
   前記船舶に対する一定方向からの外乱によるターンレートを前記方位角検出手段から検出し、
   前記針路偏差補正手段は前記ターンレートを用いて生成した新針路偏差信号を前記最適コントローラへ入力することを特徴とする請求項１記載の自動操舵装置。
3. 設定針路に対する方位角の針路偏差を被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて前記針路偏差を抑制するように制御する自動操舵装置において、
   前記設定針路に対する針路偏差の所定時間における平均値を針路偏差オフセット値として算出し、
   前記設定針路から前記針路偏差オフセット値だけずらした仮想設定針路を設定し、
   前記仮想設定針路に対する針路偏差を所定周期ごとに再計測して針路偏差オフセット値を更新し、
   前記更新された針路偏差オフセット値と前記仮想設定針路とに基づいて最適操舵量を算出し、該最適操舵量に基づいて舵角を制御することを特徴とする自動操舵装置。
4. 設定針路に対する方位角の針路偏差を被制御変数とし舵角を操作変数とする制御型自己回帰モデルを用いて前記針路偏差を抑制するように制御する自動操舵方法において、
   設定針路に針路偏差オフセット値を加えて修正設定針路を算出する修正設定針路算出ステップと、
   方位角と修正設定針路の差により針路偏差を算出する針路偏差算出ステップと、
   針路偏差オフセット値を算出するオフセット算出ステップと、
   ターンレートに対するゲインにターンレートを乗じてターンレートによる修正値を算出するターンレート修正ステップと、
   針路偏差オフセット値と針路偏差修正値とターンレートによる修正値を加えて針路偏差修正値を算出する針路偏差修正値算出ステップと、
   前記針路偏差修正値算出ステップにより算出された針路偏差修正値を用いて前記舵取機を制御することを特徴とする自動操舵方法。

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