JP2009248897A - Automatic ship steering device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an automatic ship steering device for putting a ship in a planned turning track by considering the turning side-slip property of a hull and/or a tidal current component. <P>SOLUTION: The automatic ship steering device comprises a reference orientation generating part 30 for generating a reference orientation ψ<SB>R</SB>to carry out turn following a planed route, a side-slip correcting part 32 for finding a reference oblique sailing angle β<SB>R</SB>corresponding to the turning angle speed generated by steering from a reference angle speed r<SB>R</SB>as a time differentiation of the reference orientation ψ<SB>R</SB>, a coordinate converting part 40 for coordinate-converting the tidal current component estimated by an estimator in accordance with the reference orientation output by the reference orientation generating part to find the horizontal component of the tidal current to the hull, a tidal current correcting part 42 for finding a corrected oblique sailing angle β<SB>d</SB>opposite to the tidal current from the horizontal component coordinate-converted by the coordinate converting part 40, and a feedforward steering angle generating part 46 for generating a corrected feedforward steering angle in accordance with the reference orientation, the reference oblique sailing angle β<SB>R</SB>and the corrected oblique sailing angle β<SB>d</SB>in turning. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、航路制御系の船舶用自動操舵装置に関し、旋回時に横滑り角及び潮流成分を考慮することにより計画航路に追跡させることができる船舶用自動操舵装置に関する。   The present invention relates to a marine vessel automatic steering device for a route control system, and more particularly to a marine vessel automatic steering device that can be traced to a planned route by taking into account a side slip angle and a tidal current component when turning.

船舶用自動操舵装置は、舵角を制御して設定方位に船首方位を追従させる方位制御系(HCS: Heading Control System)と、計画航路に船体位置を追跡させる航路制御系(TCS:Track Control System)とに分けられる。マイクロチップの高機能化、衛星測位システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)の小型化・低コスト化・高精度化により位置情報が簡単に得られるようになったことに伴い、航路制御系の要求が高まっている。   The automatic steering system for ships has a heading control system (HCS) that controls the steering angle and follows the heading to the set direction, and a track control system (TCS) that tracks the hull position on the planned route. ). The demand for navigation control systems has increased with the advancement of microchip functionality and the ease of obtaining location information through the downsizing, cost reduction, and high accuracy of the Global Navigation Satellite System (GNSS). Is growing.

一般的な航路制御系の船舶用自動操舵装置は、図1に示すように軌道計画部12、軌道航路誤差演算部14、フィードバック制御部16及び加算器17を備える。誘導システム22からの計画航路に基づき軌道計画部12が出力する参照方位ψRと参照位置xR、yRと、センサから検出される方位ψと位置x、yとの誤差を軌道航路誤差演算部14が求める。フィードバック制御部16は、主として保針時にその誤差から船体の方位と位置とを追跡させるべくフィードバック舵角δFBを出力する。また、旋回時には軌道計画部12からフィードフォワード舵角δFFが出力される。加算器17は、フィードバック舵角δFBとフィードフォワード舵角δFFとを加算して指令舵角δcを船体の操舵機に出力する。計画航路は、直線と円弧の曲線とから定められる。 As shown in FIG. 1, the general marine automatic steering device for a marine route control system includes a trajectory planning unit 12, a trajectory route error calculating unit 14, a feedback control unit 16, and an adder 17. Based on the planned route from the guidance system 22, an error between the reference azimuth ψ R and the reference position x R , y R output from the trajectory planning unit 12, and the azimuth ψ detected by the sensor and the position x, y is calculated. Part 14 seeks. The feedback control unit 16 outputs a feedback steering angle δ FB mainly for tracking the azimuth and position of the hull from the error at the time of holding. Further, the feed forward steering angle δ FF is output from the trajectory planning unit 12 during turning. The adder 17 adds the feedback steering angle δ FB and the feedforward steering angle δ FF, and outputs the command steering angle δ c to the hull steering machine. The planned route is determined from a straight line and a curved arc.

航路制御系のフィードバック制御系の制御時定数は方位制御系の制御時定数より長く、且つ、旋回時間は方位制御系の時定数より通常短いので、旋回で生じた航路誤差は、旋回中にフィードバック制御系で収斂させることは難しい。   The control time constant of the feedback control system of the route control system is longer than the control time constant of the direction control system, and the turn time is usually shorter than the time constant of the direction control system. It is difficult to converge with the control system.

ところで、船体は操舵によって、方位軸回りに旋回角速度を発生するのと同時に船体横方向に対水の反力による横滑り速度を発生させる。そのため、この横滑り特性により、旋回半径一定の計画航路に対して船体軌跡は計画した円弧状にならず航路誤差を生じる。また、方位は操舵を開始してから船体時定数が大きいためにすぐには変針しない。そのため旋回の操舵開始位置と旋回開始位置とに距離(リーチ(Reach)と呼ぶ)が生じる。リーチの見積りを誤ると航路誤差になるため、リーチ量、操舵量を調整する必要がある。   By the way, the hull generates a side-slip velocity due to a reaction force against water in the lateral direction of the hull at the same time as generating a turning angular velocity around the azimuth axis by steering. Therefore, due to this skid characteristic, the hull trajectory does not have the planned arc shape with respect to the planned route with a constant turning radius, resulting in a channel error. Also, the direction does not change immediately because the hull time constant is large after steering is started. Therefore, a distance (referred to as a reach) is generated between the turning start position and the turning start position. If the reach estimate is incorrect, it will result in a navigation error, so it is necessary to adjust the reach amount and the steering amount.

また、旋回時には、船体に印加する潮流成分は船首方位によって変化するために、潮流成分を考慮しないと、航路誤差が過渡的に生じることになる。   In addition, when turning, the tidal component applied to the hull changes depending on the heading direction, and therefore, if the tidal component is not taken into account, a channel error will occur transiently.

一方、本願発明者は、方位制御系において、船首方位を参照方位に遅れなく追従させることができる参照方位とフィードフォワード制御との技術を特許文献1、非特許文献1及び特許文献2で提案している。   On the other hand, the inventor of the present application proposes, in Patent Document 1, Non-Patent Document 1, and Patent Document 2, a technique of reference azimuth and feedforward control that allows the heading to follow the reference azimuth without delay in the azimuth control system. ing.

羽根冬希,「航路軌跡生成のための参照針路の設計方法」,第6回計測自動制御学会制御部門大会,2006Yuuki Hane, “Design method of reference course for route trajectory generation”, 6th Annual Conference of the Society of Instrument and Control Engineers, 2006 特開平8−207894号公報JP-A-8-207894 特開2007−290695号公報JP 2007-290695 A

そこで、本発明は、既に提案する船首方位を参照方位に遅れなく追従させることができる参照方位とフィードフォワード制御を基礎にし、船体の旋回時の横滑り特性及び/または潮流成分を考慮することによって、計画旋回の軌跡に乗せることができる船舶用自動操舵装置を提供することをその目的とする。   Therefore, the present invention is based on the reference direction and feedforward control that can follow the proposed heading without delay to the reference direction, and by taking into account the side-slip characteristics and / or tidal current components when turning the hull, An object of the present invention is to provide a marine vessel automatic steering device that can be placed on a trajectory of planned turning.

かかる目的を達成するために、本発明の請求項1に記載の発明は、センサで検出された船速が入力され、計画航路に基づき参照信号を発生すると共に旋回時に計画航路の軌跡に乗せるためのフィードフォワード舵角を出力する軌道計画部とを備える船舶用自動操舵装置において、
前記軌道計画部は、
計画航路に従う旋回を行うための参照方位ψRを発生する参照方位発生部と、
参照方位ψRの時間微分である参照角速度rRから舵を切ることによって発生する旋回角速度に対応する参照斜航角βRを求める横滑り修正部と、
前記参照方位と前記参照斜航角βRとに基づき、修正されたフィードフォワード舵角を発生する前記フィードフォワード舵角発生部と、
を備えることを特徴とする。
In order to achieve such an object, according to the first aspect of the present invention, the ship speed detected by the sensor is inputted, a reference signal is generated based on the planned route, and the trajectory of the planned route is placed when making a turn. In the ship automatic steering apparatus comprising a trajectory planning unit that outputs the feed forward rudder angle of
The trajectory planning unit
A reference azimuth generating unit for generating a reference azimuth ψ R for making a turn in accordance with the planned route,
A skid correction unit for obtaining a reference skew angle β R corresponding to a turning angular velocity generated by turning the rudder from a reference angular velocity r R which is a time derivative of the reference orientation ψ R ;
Based on the reference azimuth and the reference skew angle β R , the feedforward rudder angle generating unit that generates a corrected feedforward rudder angle;
It is characterized by providing.

請求項2記載の発明は、請求項1記載の前記軌道計画部が、さらに、
参照方位ψRと船速Uを用いて、
According to a second aspect of the present invention, the trajectory planning unit according to the first aspect further comprises:
Using reference direction ψ R and ship speed U,

Figure 2009248897
より参照速度ベクトル(uR,vR)を求める参照速度発生部と、
前記参照速度ベクトルを積分することにより参照位置を出力する参照位置発生部と、
を備えることを特徴とする。
Figure 2009248897
A reference speed generation unit for obtaining a reference speed vector (u R , v R ),
A reference position generator for outputting a reference position by integrating the reference velocity vector;
It is characterized by providing.

請求項3記載の発明は、センサで検出された船速が入力され、計画航路に基づき参照信号を発生すると共に旋回時に計画航路の軌跡に乗せるためのフィードフォワード舵角を出力する軌道計画部と、該軌道計画部からの参照信号とセンサで検出された検出信号とから軌道誤差を演算する軌道航路誤差演算部と、該軌道誤差から推定潮流成分とフィードバック舵角を出力するフィードバック制御部とを備え、
前記フィードバック舵角と前記フィードフォワード舵角とによって操舵を行わせる船舶用自動操舵装置において、
前記軌道計画部は、
計画航路に従う旋回を行うための参照方位ψRを発生する参照方位発生部と、
前記推定潮流成分を、参照方位発生部で出力する参照方位に基づき座標変換を行って潮流の船体の横方向成分を求める座標変換部と、
該座標変換部で座標変換された横方向成分から潮流に対抗する修正斜航角βdを求める潮流修正部と、
前記参照方位と前記修正斜航角βdとに基づき、修正されたフィードフォワード舵角を発生する前記フィードフォワード舵角発生部と、
を備えることを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a trajectory planning unit that receives a ship speed detected by a sensor, generates a reference signal based on the planned route, and outputs a feedforward steering angle for placing the trajectory on the planned route when turning. A trajectory route error calculation unit that calculates a trajectory error from the reference signal from the trajectory planning unit and a detection signal detected by the sensor, and a feedback control unit that outputs an estimated tidal current component and a feedback steering angle from the trajectory error. Prepared,
In the boat automatic steering apparatus that performs steering by the feedback steering angle and the feedforward steering angle,
The trajectory planning unit
A reference azimuth generating unit for generating a reference azimuth ψ R for making a turn in accordance with the planned route,
A coordinate conversion unit that obtains a lateral component of the hull of the tidal current by performing coordinate conversion based on the reference direction output by the reference direction generation unit for the estimated current component,
A tidal current correcting section for obtaining a corrected tilt angle β d that opposes the tidal current from the lateral component coordinate-converted by the coordinate converting section;
The feedforward steering angle generator for generating a corrected feedforward steering angle based on the reference azimuth and the corrected skew angle β d ;
It is characterized by providing.

請求項4記載の発明は、請求項3記載の前記軌道計画部が、さらに、参照方位ψRの時間微分である参照角速度rRから舵を切ることによって発生する旋回角速度に対応する参照斜航角βRを求める横滑り修正部を備え、
前記座標変換部は、参照方位ψRと参照斜航角βRとを加算した参照針路θRを用いて、推定潮流成分dx^、dy^から、
Fourth aspect of the present invention, the trajectory planning unit of claim 3, further, reference swash corresponding from the time derivative of the reference orientation [psi R reference angular velocity r R the turning angular velocity generated by cutting steering Wataru A skid correction part for obtaining the angle β R is provided,
The coordinate conversion unit uses the reference course θ R obtained by adding the reference direction ψ R and the reference oblique angle β R , from the estimated tidal component d x ^, d y ^,

Figure 2009248897
に従い、潮流の船体の横方向成分vd^を求めることを特徴とする。
Figure 2009248897
According to the above, the transverse component v d ^ of the tidal hull is obtained.

請求項5記載の発明は、請求項3または4記載の前記フィードバック制御部が、潮流成分を推定する推定器と、軌道誤差からフィードバックゲインを作用してフィードバック舵角を演算するフィードバックゲイン器とを有しており、
前記軌道計画部は、潮流に対向する修正斜航角βdに対してフィードバック制御部のフィードバックゲインを作用した修正量を算出して該修正量によりフィードフォワード舵角を修正するフィードフォワード舵角修正部をさらに備えることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, the feedback control unit according to the third or fourth aspect includes an estimator that estimates a tidal component, and a feedback gain unit that calculates a feedback steering angle by applying a feedback gain from a trajectory error. Have
The trajectory planning unit calculates a correction amount obtained by applying the feedback gain of the feedback control unit to the corrected skew angle β d facing the tidal current, and corrects the feedforward steering angle based on the correction amount. It further has a section.

請求項6記載の発明は、計画航路に基づき参照方位を発生すると共に、旋回時に計画航路の軌跡に乗せるためのフィードフォワード舵角を出力して開ループ制御を行う軌道計画部を備えて、該フィードフォワード舵角によって操舵を行わせる船舶用自動操舵装置において、
旋回操舵開始前に、旋回開始位置と操舵開始位置との距離(リーチという)を演算するリーチ演算部を備え、該リーチ演算部は、
計画航路から得られる旋回半径及び所定の旋回角から、参照方位ψRを求める参照方位発生部と、
参照方位ψRから予想船体航路を求める船体航路発生部と、
船体航路発生部によって求められた予想船体航路上で、操舵開始位置から旋回開始時の方位方向に最も遠い位置までの該方位方向の距離(アドバンスという)を求め、該アドバンスから旋回半径を減算することで、リーチを求めるリーチ出力部と、
を備えることを特徴とする。
The invention described in claim 6 includes a trajectory planning unit that generates a reference direction based on the planned route and outputs a feedforward rudder angle to be put on the trajectory of the planned route when turning, and performs open loop control. In an automatic steering device for a ship that performs steering by a feedforward rudder angle,
Prior to the start of turning steering, a reach calculating unit that calculates a distance (referred to as a reach) between the turning start position and the steering start position is provided.
A reference azimuth generator for obtaining a reference azimuth ψ R from a turning radius obtained from the planned route and a predetermined turning angle;
A hull route generating unit for obtaining an expected hull route from the reference direction ψ R ;
Find the distance in the azimuth direction (referred to as advance) from the steering start position to the position farthest in the azimuth direction at the start of the turn on the predicted hull route determined by the hull route generation unit, and subtract the turning radius from the advance With the reach output part which asks for reach,
It is characterized by providing.

請求項7記載の発明は、請求項6記載の前記リーチ演算部が、さらに、
推定潮流成分を、参照方位発生部で出力する参照方位に基づき座標変換を行って潮流の船体の横方向成分を求める座標変換部と、
該座標変換部で座標変換された横方向成分から潮流に対抗する修正斜航角βdを求める潮流修正部と、
を備え、前記船体航路発生部は、前記修正斜航角βdを用いて、前記予想船体航路を求めることを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, the reach calculation unit according to the sixth aspect of the present invention further includes:
A coordinate conversion unit that obtains a horizontal component of the hull of the tidal current by performing coordinate conversion on the estimated tidal current component based on the reference direction output by the reference direction generation unit;
A tidal current correcting section for obtaining a corrected tilt angle β d that opposes the tidal current from the lateral component coordinate-converted by the coordinate converting section;
And the hull route generating unit obtains the predicted hull route using the corrected skew angle β d .

請求項8記載の発明は、請求項3ないし7のいずれか1項に記載の前記座標変換部が、潮流成分を、参照方位発生部で出力する参照方位に基づき座標変換を行って潮流の船体の船首方向成分を求めており、前記参照方位発生部は、該船首方向成分による対地速度の変化に応じて計画航路に従う旋回を行うための参照方位を求めることを特徴とする。   According to an eighth aspect of the present invention, the coordinate conversion unit according to any one of the third to seventh aspects performs a coordinate conversion on the basis of a reference azimuth output of a tidal current component by a reference azimuth generation unit, thereby generating a tidal hull The reference azimuth generating unit obtains a reference azimuth for making a turn according to the planned route according to a change in ground speed due to the bow directional component.

請求項9記載の発明は、請求項8に記載の前記参照方位発生部が、対地速度の変化に応じて修正した旋回指定角速度を用いて参照方位を出力することを特徴とする。   The invention according to claim 9 is characterized in that the reference direction generation unit according to claim 8 outputs the reference direction using the specified turn angular velocity corrected according to the change in ground speed.

請求項10記載の発明は、請求項1ないし9のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置が、旋回前の参照方位及び推定潮流ベクトル及び旋回後の参照方位及び推定潮流ベクトルから、旋回後に、船速オフセットを求めて、船速を修正する船速オフセット修正部を備えることを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the marine vessel automatic steering apparatus according to any one of the first to ninth aspects of the present invention, based on the reference azimuth and estimated tidal current vector before turning and the reference azimuth and estimated tidal current vector after turning. A ship speed offset correcting unit is provided for determining a ship speed offset and correcting the ship speed later.

請求項1記載の本発明によれば、船体が舵をきることによって、方位軸回りに旋回角速度を発生させ、同時に、船体の横方向に横滑り速度が発生するが、この横滑り速度による航路誤差を防止するために、参照斜航角を求めて、この参照斜航角に基づきフィードフォワード舵角を修正することで、横滑り速度と参照斜航角とを相殺して、航路誤差を防ぐことができる。   According to the first aspect of the present invention, when the hull is steered, a turning angular velocity is generated around the azimuth axis, and at the same time, a side slip velocity is generated in the lateral direction of the hull. In order to prevent this, the reference skew angle is obtained, and the feedforward rudder angle is corrected based on the reference skew angle, so that the side slip speed and the reference skew angle can be offset to prevent a channel error. .

請求項2記載の本発明によれば、参照方位は、計画航路に沿った方位となるので、参照方位から求めた参照速度ベクトルを積分することで、参照位置を求めることができ、この参照位置によって決まる参照航路を計画航路の代わりに利用することもできる。   According to the second aspect of the present invention, since the reference direction is the direction along the planned route, the reference position can be obtained by integrating the reference velocity vector obtained from the reference direction. It is also possible to use a reference route determined by the above route instead of the planned route.

請求項3記載の本発明によれば、潮流による航路誤差を防止するために、推定器で推定された潮流成分を参照方位発生部で出力する参照方位に基づき座標変換を行って潮流の船体の横方向成分を求め、横方向成分から潮流に対抗する修正斜航角を求めて、この修正斜航角に基づきフィードフォワード舵角を修正することで、旋回により変化する横方向潮流成分と修正斜航角とを相殺して、航路誤差を防ぐことができる。   According to the third aspect of the present invention, in order to prevent a channel error due to tidal current, coordinate conversion is performed on the basis of the reference direction in which the tidal current component estimated by the estimator is output by the reference direction generating unit, and the tidal current hull is detected. By calculating the lateral component, determining the corrected tilt angle against the tidal current from the lateral component, and correcting the feedforward rudder angle based on this corrected tilt angle, the lateral tidal component and the corrected tilt that change due to the turn It is possible to cancel the navigation angle and prevent the navigation error.

請求項4記載の本発明によれば、潮流の船体の横方向成分は、参照方位と、横滑り速度を相殺するための参照斜航角がある場合には参照斜航角とを加算した参照針路を用いて正確に求めることができる。   According to the present invention as set forth in claim 4, the lateral component of the tidal hull is a reference course obtained by adding a reference heading and a reference heading angle when there is a reference heading angle for offsetting the skid speed. Can be obtained accurately using.

潮流成分はフィードバック制御器の推定器で推定されるために、この推定潮流成分に基づき決まる修正斜航角を参照方位に加算したものを参照信号とし、軌道航路誤差演算部で参照信号と検出信号との差異を軌道誤差としてフィードバック制御器に入力すると、マイナーループが出来てしまい制御系特性が変化してしまう。請求項5記載の本発明によれば、参照信号に修正斜航角を含めたものと同じ作用となるように、修正斜航角のフィードバック制御分に対応する修正量をフィードフォワード舵角に修正することで、マイナーループの生成を防ぐことができる。   Since the tidal component is estimated by the estimator of the feedback controller, a reference signal is obtained by adding a corrected oblique angle determined based on this estimated tidal component to the reference direction, and the reference signal and the detection signal are obtained by the orbital channel error calculation unit. Is input to the feedback controller as a trajectory error, a minor loop is created and the control system characteristics change. According to the fifth aspect of the present invention, the correction amount corresponding to the feedback control of the corrected skew angle is corrected to the feedforward steering angle so that the same operation as that including the corrected skew angle is included in the reference signal. By doing so, the generation of minor loops can be prevented.

請求項6記載の本発明によれば、操舵開始位置と旋回開始位置船体との差であるリーチを、予想船体航路上で、操舵開始位置から旋回開始時の方位方向に最も遠い位置までの該方位方向の距離であるアドバンス、いわゆる旋回縦距を求め、該アドバンスから旋回半径を減算することで、確実に求めることができる。   According to the sixth aspect of the present invention, the reach, which is the difference between the steering start position and the turning start position hull, is calculated on the predicted hull route from the steering start position to the farthest position in the azimuth direction at the start of turning. An advance that is a distance in the azimuth direction, that is, a so-called turning longitudinal distance is obtained, and the turning radius can be subtracted from the advance so that the advance can be reliably obtained.

請求項7記載の本発明によれば、リーチの計算に潮流成分の影響を加味して正確なリーチを求めることができる。   According to the seventh aspect of the present invention, an accurate reach can be obtained by taking the influence of a tidal component into consideration in the reach calculation.

請求項8及び9記載の本発明によれば、旋回によって潮流成分の船首方向成分が変化することに起因して対地速度が変化するので、この対地速度の変化に応じて修正した旋回指定角速度を用いて一定の旋回半径の計画航路に沿った軌跡を実現するための参照方位を出力することができる。   According to the present invention described in claims 8 and 9, since the ground speed changes due to the change in the bow direction component of the tidal component due to the turn, the specified turn angular velocity corrected according to the change in the ground speed is changed. It is possible to output a reference direction for realizing a trajectory along a planned route having a constant turning radius.

請求項10記載の本発明によれば、船速オフセットを、旋回前後の参照方位と推定潮流ベクトルから求めることができ、船速オフセットに起因する航路誤差を防ぐことができる。   According to the tenth aspect of the present invention, the ship speed offset can be obtained from the reference azimuth before and after the turn and the estimated tidal current vector, and a channel error caused by the ship speed offset can be prevented.

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、船舶用自動操舵装置と制御対象の全体のブロック図である。既述のように、船舶用自動操舵装置10は、計画航路に船体位置を追跡させるために舵を制御する装置であり、軌道計画部12、軌道航路誤差演算部14、フィードバック制御部16、加算器17及び各パラメータを同定する図示しない同定器を備えている。誘導システム22から計画航路及びセンサ類26のスピードログからの船速Uが軌道計画部12に入力され、軌道計画部12からは参照方位ψR、参照位置xR、yRといった参照信号及び旋回時にはフィードフォワード舵角δFFが出力される。 FIG. 1 is an overall block diagram of a marine vessel automatic steering apparatus and an object to be controlled. As described above, the marine vessel automatic steering device 10 is a device that controls the rudder in order to track the hull position on the planned route, and includes a trajectory plan unit 12, a trajectory route error calculation unit 14, a feedback control unit 16, and an addition. And an identifier (not shown) for identifying each parameter. The ship speed U from the planned route and the speed log of the sensors 26 is input to the trajectory planning unit 12 from the guidance system 22, and the trajectory planning unit 12 makes reference signals such as reference direction ψ R , reference positions x R , y R and turning. Sometimes the feedforward steering angle δ FF is output.

軌道航路誤差演算部14には、ジャイロコンパスからの船首方位ψ、GPS等の衛星測位システム(GNSS)からの船体の位置(x,y)といったセンサ類26からの検出信号が入力され、軌道航路誤差演算部14は、前記参照方位ψR、参照位置xR、yRと検出信号との比較を行い方位誤差ψe、位置誤差xe、ye(方位誤差、位置誤差を合わせて軌道誤差とも称する)を出力する。 The orbital route error calculation unit 14 receives detection signals from the sensors 26 such as the heading ψ from the gyrocompass and the position (x, y) of the hull from a satellite positioning system (GNSS) such as GPS. The error calculation unit 14 compares the reference azimuth ψ R , reference positions x R , y R and the detection signal to determine the azimuth error ψ e , position error x e , y e (the azimuth error, the position error and the trajectory error. (Also called).

フィードバック制御部16は、図1に示すように、推定器18とフィードバックゲイン器20とからなる。軌道航路誤差演算部14からの方位誤差及び位置誤差は、推定器18に入力される。推定器18において、方位誤差及び位置誤差から、方位誤差系の状態量、位置誤差、潮流ベクトルを推定する。   As shown in FIG. 1, the feedback control unit 16 includes an estimator 18 and a feedback gain unit 20. The azimuth error and position error from the track route error calculation unit 14 are input to the estimator 18. In the estimator 18, the state quantity, position error, and tidal vector of the azimuth error system are estimated from the azimuth error and the position error.

誘導システム22から与えられる計画航路は、直線航路の場合は開始位置と終端位置とから決定され、曲線航路の場合は旋回の開始位置(直線航路の終端位置に相当する)と終端点(旋回半径と旋回角で決まり、直線航路の開始位置に相当する)とで規定される。船舶用自動操舵装置は直線航路と曲線航路とにおいて、船体を許容誤差内に航跡させることであり、直線航路に関してはフィードバック制御部16が受け持ち、曲線航路に関しては軌道計画部12が受け持つ。   The planned route given from the guidance system 22 is determined from the start position and the end position in the case of a straight route, and the start position (corresponding to the end position of the straight route) and the end point (turn radius) in the case of a curved route. And the turn angle, which corresponds to the start position of the straight channel). The marine vessel automatic steering device is to cause the hull to track within an allowable error in a straight route and a curved route. The feedback control unit 16 takes charge of the straight route, and the trajectory planning unit 12 takes charge of the curved route.

軌道計画部12は、図2に示すように、誘導システム22から曲線航路の計画航路が入力されると、その旋回条件を求め、旋回条件に合致する参照方位ψR及び参照角速度rRを発生する参照方位発生部30と、舵を切ることによって発生する旋回角速度に対応する参照斜航角βRを求める横滑り修正部32と、参照方位ψRに参照斜航角βRを加算した参照針路θRを発生する加算器33と、船体の参照速度を発生する参照速度発生部34と、船体の参照速度を積分して参照位置を発生する参照位置発生部36と、推定潮流を座標変換して船体の横方向(sway方向)の潮流成分を発生する座標変換部40と、潮流に対抗するための修正斜航角βdを発生する潮流修正部42と、対地速度の修正を行う対地速度修正部44と、船体方位を参照方位ψR+参照斜航角βR+修正斜航角βdに遅れなく追従させるためのフィードフォワード舵角δFFを出力するフィードフォワード舵角発生部46と、フィードフォワード舵角の修正を行うフィードフォワード舵角修正部48と、旋回開始位置と操舵開始位置との間の距離であるリーチを演算するリーチ演算部50と、を備える。 As shown in FIG. 2, when the planned route of the curved route is input from the guidance system 22, the trajectory planning unit 12 obtains the turning condition, and generates the reference direction ψ R and the reference angular velocity r R that match the turning condition. A reference azimuth generating unit 30, a side slip correcting unit 32 for obtaining a reference skew angle β R corresponding to the turning angular velocity generated by turning the rudder, and a reference course obtained by adding the reference skew angle β R to the reference azimuth ψ R An adder 33 that generates θ R , a reference speed generation unit 34 that generates a reference speed of the hull, a reference position generation unit 36 that generates a reference position by integrating the reference speed of the hull, and a coordinate conversion of the estimated tidal current. A coordinate conversion unit 40 that generates a tidal component in the lateral direction (sway direction) of the hull, a tidal current correction unit 42 that generates a modified oblique angle β d to counter the tidal current, and a ground speed that corrects the ground speed. a correction unit 44, see the hull azimuth orientation [psi R + A feedforward steering angle generating section 46 that outputs a feedforward steering angle [delta] FF for follow without delay to Teruhasu Wataru angle beta R + modified oblique Kou angle beta d, feedforward steering angle to correct the feedforward steering angle The correction part 48 and the reach calculating part 50 which calculates the reach which is the distance between a turning start position and a steering start position are provided.

旋回時、フィードフォワード舵角δFFは指令舵角として操舵機に送出され、操舵機は、指令舵角に比例した舵角を動かすため、船体は舵角によって旋回角速度を生じ方位、位置が変化する。旋回角速度の発生と共に、斜航角即ち横滑り速度が発生する。この横滑り速度による航路誤差を防止するために、参照方位ψRに横滑り速度を変換した参照斜航角βRを加算器33により加えた参照針路θRとし、これを含めてフィードフォワード舵角発生部46でフィードフォワード舵角に変換してフィードフォワード制御を実行することにより、横滑り速度と参照斜航角βRが相殺されて、船体航路は参照方位ψRに従うことになる。 During turning, the feedforward steering angle δ FF is sent to the steering machine as a commanded steering angle, and the steering machine moves the steering angle in proportion to the commanded steering angle. To do. Along with the generation of the turning angular velocity, a skew angle, that is, a skid speed is generated. To prevent route error due to the side-slip velocity, a reference azimuth ψ reference oblique Kou angle obtained by converting the side-slip velocity to R beta R as a reference course theta R plus by the adder 33, the feedforward steering angle generating including this by performing feedforward control part 46 converts the feedforward steering angle, referenced oblique Kou angle beta R is canceled and side-slip velocity, the hull route would follow the reference azimuth [psi R.

また、潮流による航路誤差を防止するために、対地系で推定される潮流成分を座標変換部40で変換して、潮流の船体の横方向(sway方向)成分の修正量である修正斜航角βdを潮流修正部42で求め、修正斜航角βdを含めてフィードフォワード舵角発生部46でフィードフォワード舵角に変換してフィードフォワード制御を実行することにより、潮流の船体の横方向(sway方向)成分と修正斜航角βdとが相殺されて、船体航路は参照方位ψRに従うことになる。 Further, in order to prevent a channel error due to tidal currents, the tidal current component estimated in the ground system is converted by the coordinate conversion unit 40, and the corrected oblique navigation angle which is the correction amount of the horizontal direction (sway direction) component of the hull of the tidal current. β d is obtained by the tidal current correcting unit 42, and the feed forward rudder angle generating unit 46 including the corrected oblique steering angle β d is converted into a feed forward rudder angle to execute feed forward control, thereby executing the lateral direction of the tidal hull. The (sway direction) component and the corrected skew angle β d are offset, and the hull route follows the reference direction ψ R.

また、船体位置を決める対地速度は、対水速度と、対地系の潮流成分を変換した船体の船首方向速度成分とから定まる。潮流の船体の船首方向速度成分は方位に連動して変化するために、旋回中に対地速度は変化する。半径一定旋回を実現するために、対地速度が変化したら対地速度修正部44において、参照方位を求めるための旋回角速度r0 *を修正する。これによって対地速度に起因する旋回半径の変化と参照角速度の修正とが相殺されて、船体航路は半径一定旋回の航路に従う。 The ground speed that determines the hull position is determined from the water speed and the bow direction speed component of the hull converted from the tidal component of the ground system. Since the bow direction velocity component of the tidal hull changes in conjunction with the bearing, the ground speed changes during the turn. In order to realize a turning with a constant radius, when the ground speed changes, the ground speed correcting unit 44 corrects the turning angular speed r 0 * for obtaining the reference direction. As a result, the change in the turning radius due to the ground speed and the correction of the reference angular velocity are canceled out, and the hull route follows a route with a constant radius turn.

また、船体は舵を切ったときに、横滑り速度の積分の方が船首方向速度のそれより多少応答が速いのでsway 方向に移動(この量をキック(Kick)と呼ぶ)した後変針して旋回軌跡を描くように移動する。旋回開始時の船首方向(surge 方向)から見た船体の移動量をアドバンス(Advance)と呼び、舵を切った位置(操舵開始位置)と実際の旋回開始位置との距離をリーチ(Reach)と呼ぶ。リーチを求めるのに、キック(Kick)から求めようとすると、キックは船種により小さい場合があり、且つ上記斜航角の修正によりキックはより小さくなる。そのため、リーチ演算部50では、アドバンス(Advance)からリーチ(Reach)を求める。リーチの演算は、変針を開始する前に事前に行い、事前の計算上で、潮流成分を印加させた状態で、旋回角(変針量)を90度以上、好ましくは130度程度に設定して予想航路を求め、アドバンス(Advance)を求める。リーチ(Reach)はアドバンス(Advance)から旋回半径を引いた量として得られる。   Also, when the hull turns the rudder, the side-slip speed integration is slightly faster than the bow-direction speed, so it moves in the sway direction (this amount is called a kick) and then turns and turns. Move to draw a trajectory. The amount of movement of the hull viewed from the bow direction (surge direction) at the start of turning is called advance, and the distance between the position where the rudder is turned off (steering start position) and the actual turning start position is called reach. Call. When trying to obtain reach, the kick may be smaller than the ship type, and the kick becomes smaller by correcting the skew angle. Therefore, the reach calculation unit 50 obtains a reach from the advance. The reach calculation is performed in advance before the start of the course change, and the turning angle (the amount of course change) is set to 90 degrees or more, preferably about 130 degrees in the state where the tidal current component is applied in advance calculation. Find the expected route and seek Advance. Reach is obtained as Advance minus the turning radius.

以下、上記構成の詳細について説明する。
1.運動方程式
1.1 座標系
航路制御系で用いる座標系は、図3に示すように、以下の座標系から構成する。
・対地系(XOY):地球固定の緯度経度座標系で、GNSSからの位置出力(x、y)に相当する。
・船体系(XBGYB):船体固定の運動座標系で、船体の重心を原点とし、船首方位をXB 軸とし、船体運動を定める。
・参照系(XRRR):誘導システム22により生成され指定された計画航路から定まる移動座標系である。
尚、座標系の回転極性は右ネジ方向を正とし、Z軸方向は重力方向を正とする。座標系はX軸、Y軸の2次元を用いる。
Details of the above configuration will be described below.
1. Equation of Motion 1.1 Coordinate System The coordinate system used in the route control system is composed of the following coordinate systems as shown in FIG.
Ground system (XOY): A latitude-longitude coordinate system fixed on the earth, which corresponds to position output (x, y) from GNSS.
・ Hull system (X B GY B ): A hull-fixed motion coordinate system that defines the hull motion with the center of gravity of the hull as the origin and the heading as the X B axis.
Reference system (X R O R Y R ): A moving coordinate system determined from the planned route generated and designated by the guidance system 22.
The rotation polarity of the coordinate system is positive in the right screw direction, and the gravity direction is positive in the Z-axis direction. The coordinate system uses two dimensions, the X axis and the Y axis.

1.2 船体の運動方程式
前記制御対象である船体モデルを定めるために、船体の運動方程式を導出する。船体の運動方程式は、前進方向を除き、横方向と方位軸回りとの運動を扱うので、
1.2 Hull equation of motion In order to determine the hull model to be controlled, a hull equation of motion is derived. Since the equation of motion of the hull deals with the movement in the lateral direction and around the azimuth axis, excluding the forward direction,

Figure 2009248897
Figure 2009248897

を用いる。ここでMx ,My はそれぞれx, y方向の付加質量を含んだ質量を、Iz はz軸まわりの付加慣性モーメントを含んだ慣性モーメントを,Y,Nはそれぞれy方向の流体力、z軸まわりの流体モーメントを示し、添字は対応する変数を意味する。変数U,v,r,δはそれぞれ前進速度、横流れ(横滑り)速度、旋回(回頭)角速度と舵角とを示す。上式を整理すると Is used. Here M x, M y, respectively x, the mass containing additional mass in the y-direction, I z is a moment of inertia including the additional moment of inertia about the z-axis, Y, fluid force of each N is the y direction, Indicates the fluid moment about the z-axis, where the suffix means the corresponding variable. Variables U, v, r, and δ represent forward speed, side flow (side slip) speed, turning (turning) angular speed, and steering angle, respectively. Organizing the above formula

Figure 2009248897
になり、ラプラス変換すると(s はラプラス演算子を示す)
Figure 2009248897
And Laplace transform (s is Laplace operator)

Figure 2009248897
のようになる。ここで、横滑り速度と旋回角速度とが舵角を入力とした関係で結ばれる。(5)式を整理して、舵加速度δ・・(t)≒0とし、
Figure 2009248897
become that way. Here, the skid speed and the turning angular speed are connected with the steering angle as an input. Rearranging equation (5), the rudder acceleration δ ・ ・ (t) ≒ 0,

Figure 2009248897
を得る。ここで、
Figure 2009248897
Get. here,

Figure 2009248897
とおいている。
Figure 2009248897
I keep it.

(6)式より、横方向(sway)の横滑り速度とヨー軸回りの旋回角速度との運動方程式は同一の形でかつ舵角による入力係数が異なるだけである。船体特性は舵を切ることによって、方位軸回りに旋回角速度を発生させ、同時に船体の横方向に対水の反力による横滑り速度を発生させる。(6)式において、実用的見地からs2 項による影響は無視できるためにs2 項を省略する。すると、(6)式は From equation (6), the equation of motion of the side slip velocity in the lateral direction (sway) and the turning angular velocity around the yaw axis are the same and only the input coefficient depending on the steering angle is different. By turning the rudder, the hull characteristics generate a turning angular velocity around the azimuth axis, and at the same time, generate a skid velocity due to the reaction force against water in the lateral direction of the hull. Those in (6), the s 2 Section for practical standpoint impact of s 2 term can be ignored. Then, equation (6) becomes

Figure 2009248897
になる。ここで、
Figure 2009248897
become. here,

Figure 2009248897
であり、Ts = T1+T2である。ここでKs は旋回力ゲイン、Kv は横滑りゲイン、Ts3、Tv3は時定数である。
Figure 2009248897
And T s = T 1 + T 2 . Here, K s is a turning force gain, K v is a skid gain, and T s3 and T v3 are time constants.

また、船舶用自動操舵装置は、舵角を通して制御量を入力するので、制御変数は角度単位の方が都合がよい場合があるため、   In addition, since the ship automatic steering device inputs the control amount through the rudder angle, the control variable may be more convenient in angle units.

Figure 2009248897

を用いて横滑り速度vを斜航角βに変換すると、
Figure 2009248897

Is used to convert the skid speed v to the skew angle β,

Figure 2009248897

として導出される。ここで、Kβ は横滑り角ゲインまたは斜航角ゲイン(旋回力ゲインKs と異符号となる)で、Tβ3は時定数で
Figure 2009248897

As derived. Here, K β is a side slip angle gain or a skew angle gain (which has a different sign from the turning force gain K s ), and T β3 is a time constant.

Figure 2009248897
を示す。
Figure 2009248897
Indicates.

船体モデルの横滑り速度vおよび斜航角β は旋回角速度rと共通の一次遅れ要素をもつので、(13)式からrを基準にすると   Since the side slip velocity v and the skew angle β of the hull model have a first-order lag element in common with the turning angular velocity r,

Figure 2009248897
Figure 2009248897

になる。これよりv, β はr にそれぞれゲインKv /Ks,Kβ/Ks によってほぼ比例することがわかる。Tv3 >Tβ3,Ts3 >Tβ3 の関係があるので,船体によりTv3,Tβ3 が省略可能である一方で、Kv およびKβ が必須なパラメータになる。 become. From this, it can be seen that v and β are approximately proportional to r by gains K v / K s and K β / K s , respectively. Since there is a relationship of T v3 > T β3 and T s3 > T β3 , T v3 and T β3 can be omitted depending on the hull, while K v and K β are essential parameters.

(1)式、(2)式はテーラー展開で1次の項までを考慮しているが、大きな変針角や旋回角速度に対応するためには、非線形項までを考慮する必要がある。その場合には、(9)式の運動方程式は、   Equations (1) and (2) take into account first-order terms in Taylor expansion, but in order to deal with large turning angles and turning angular velocities, it is necessary to take into account non-linear terms. In that case, the equation of motion of equation (9) is

Figure 2009248897

とするとよい。ここでαsは非線形係数であり、ゲイン、時定数と同様前記同定器によって与えられる。
Figure 2009248897

It is good to do. Here, α s is a nonlinear coefficient, and is given by the identifier as well as the gain and time constant.

1.3 対地速度と対地位置
船体の位置は、対地系で定義され、船体運動と潮流速度とからの対地速度を積分することで求めることができる。船体速度は対水速度で、潮流速度は対地速度でそれぞれ表す。
1.3 Ground speed and ground position The position of the hull is defined by the ground system and can be obtained by integrating the ground speed from the hull motion and tidal velocity. The hull speed is the water speed and the tidal current speed is the ground speed.

船体運動は舵角δを取ると角速度r=ψを生じるが、同時に横流れ速度v=yも生じる。その様子を、図4を用いて説明する。同図のように定常に旋回しているときまたは参照系が接線方位に一致しているとき、船体系は接線方位に対して斜航角βだけ内側に傾いて釣り合う。このとき船体速度の対地速度成分は When the hull motion takes the rudder angle δ, an angular velocity r = ψ · is generated, but at the same time, a lateral flow velocity v = y · is also generated. This will be described with reference to FIG. As shown in the figure, when turning in a steady state or when the reference system is coincident with the tangent direction, the ship system is balanced by inclining to the tangential direction by a skew angle β. At this time, the ground speed component of the hull speed is

Figure 2009248897
になる。ここでux,vy は対地系のそれぞれ北向き,東向きの船体速度、u,vは船体系の速度を示す。船体速度と斜航角との関係は、
Figure 2009248897
become. Here u x, v y are each facing north of the ground system, the hull speed of eastward, u, v indicates the speed of the hull system. The relationship between hull speed and skew angle is

Figure 2009248897
を用いる。
これより、対地系の速度は、船体速度と潮流速度との和になるから、
Figure 2009248897
Is used.
From this, the speed of the ground system is the sum of the hull speed and the tidal current speed,

Figure 2009248897
になる。ここでx、yは船体位置でそれぞれ北向き、東向きを示す。なおdx,dy は風が船体の上部構造物を押すことによる速度成分も含まれているとする。
位置と方位とはそれぞれ速度x、yと角速度rとを積分して
Figure 2009248897
become. Here, x and y indicate the north direction and the east direction, respectively, in the hull position. Note d x, d y is assumed to be included velocity component due to the wind pushes the upper structure of the ship.
The position and direction are obtained by integrating the velocity x · , y · and the angular velocity r, respectively.

Figure 2009248897
得る。ここで(0)は初期値を意味する。
Figure 2009248897
obtain. Here, (0) means an initial value.

2 旋回軌道
2.1 参照方位と参照角速度
船体の方位ψは、特許文献1、2、非特許文献1で示される方位制御系の変針制御系を利用すると参照方位ψRに追従させることができる。
2 Turning Trajectory 2.1 Reference Orientation and Reference Angular Velocity The ship orientation ψ can be made to follow the reference orientation ψ R by using the direction change control system shown in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1. .

軌道計画部12に入力される信号は、計画航路と船速U、出力は参照方位ψR、参照位置xR、yR、フィードフォワード舵角δFFとなる。 The signals input to the trajectory planning unit 12 are the planned route and ship speed U, the outputs are the reference direction ψ R , the reference positions x R and y R , and the feedforward steering angle δ FF .

参照方位発生部30は、誘導システム22から曲線航路の計画航路が入力されると、旋回条件である旋回半径R、変針量(旋回角)ψ0を求める。この旋回条件から、指定角速度r0が決定する。また、これ以外の旋回条件として、船体パラメータTs、Ks,TS3、T、Cβ=Kβ /Ks(これらの船体パラメータは既定値であるか、または同定器によって旋回する毎に同定される)、船体運動の初期角加速度C1a、初期角速度C2a、最大舵角δ0、舵速度の上限値δRH 、δRL などがある。 When the planned route of the curved route is input from the guidance system 22, the reference direction generation unit 30 obtains the turning radius R and the change amount (turning angle) ψ 0 that are turning conditions. From this turning condition, the designated angular velocity r 0 is determined. Further, as other turning conditions, hull parameters T s , K s , T S3 , T , C β = K β / K s (these hull parameters are default values or are turned by an identifier). The initial angular acceleration C 1a of the hull motion, the initial angular velocity C 2a , the maximum rudder angle δ 0 , and the upper limit values δ RH · and δ RL · of the rudder speed.

そして、この旋回条件を満足する参照方位を算出する。この算出にあたっては、特許文献1または特許文献2で提案する軌道演算部を利用することができ、軌道演算部は、船舶の所望される変針量に対して参照方位を加速モード、等速モード及び減速モードに分けて順次、時系列的に出力し、その際に、変針量に応じて最大舵速度を決定し、演算される参照方位に対応するフィードフォワード舵角の舵速度が前記決定された最大舵速度を超えないように、各モードの参照方位を演算して、参照方位ψR、参照角速度rR(rR=sψR(s))を出力する。具体的には、次のようにすることができる。 Then, a reference orientation that satisfies this turning condition is calculated. In this calculation, the trajectory calculation unit proposed in Patent Document 1 or Patent Document 2 can be used, and the trajectory calculation unit sets the reference direction to the desired amount of change of the ship in the acceleration mode, constant speed mode, and The speed is divided into deceleration modes and output sequentially in time series. At that time, the maximum rudder speed is determined according to the amount of change of needle, and the rudder speed of the feedforward rudder angle corresponding to the calculated reference azimuth is determined. The reference azimuth of each mode is calculated so as not to exceed the maximum steering speed, and the reference azimuth ψ R and the reference angular velocity r R (r R = sψ R (s)) are output. Specifically, it can be performed as follows.

加速モードにおける参照方位の2階微分、1階微分、参照方位は、次のように表すことができる。   The second-order differentiation, first-order differentiation, and reference orientation of the reference orientation in the acceleration mode can be expressed as follows.

Figure 2009248897
Figure 2009248897

等速モードにおける参照方位の2階微分、1階微分、参照方位は、次のように表すことができる。   The second-order differentiation, first-order differentiation, and reference orientation of the reference orientation in the constant velocity mode can be expressed as follows.

Figure 2009248897
Figure 2009248897

減速モードにおける参照方位の2階微分、1階微分、参照方位は、次のように表すことができる。   The second-order differentiation, first-order differentiation, and reference orientation of the reference direction in the deceleration mode can be expressed as follows.

Figure 2009248897
Figure 2009248897

a、Tv、Tdは、それぞれ加速時間、等速時間、減速時間を表しており、各モード間の連続性等を考慮すると、 T a , T v , and T d represent acceleration time, constant speed time, and deceleration time, respectively, and considering the continuity between the modes,

Figure 2009248897
の関係が成り立つ。
Figure 2009248897
The relationship holds.

ここで、等速時間Tv(初期角加速度C1aと初期角速度C2aがゼロであればTv=Taとなる)と減速時間Tdとの比率を等減速比Rvdとする。即ち、 Here, the ratio between the constant speed time T v (or T v = T a if the initial angular acceleration C 1a and the initial angular speed C 2a are zero) and the deceleration time T d is defined as a constant deceleration ratio R vd . That is,

Figure 2009248897
とする。
Figure 2009248897
And

等速時の角速度r0(=Taβa/6)=U/Rが指定されており、加速時間Ta、加速定数βa及びRvdを決定すれば、各係数は決まり、各モードにおける参照方位ψを求めることができる。 The angular velocity r 0 (= T a β a / 6) = U / R at the constant speed is specified, and if the acceleration time T a , acceleration constant β a and R vd are determined, each coefficient is determined and each mode is determined. it can be determined reference direction [psi R in.

以降、初期角加速度C1aと初期角速度C2aがゼロとすると、加速時間Taと加速定数βaと、最大舵速度δR との関係は、 Thereafter, if the initial angular acceleration C 1a and the initial angular velocity C 2a are zero, the relationship between the acceleration time Ta , the acceleration constant β a, and the maximum steering speed δ R ·

Figure 2009248897
となる。ここで、CRは舵定数と呼ぶ。加速モード、等速モード、減速モードの全モードの変針量ψ0は、
Figure 2009248897
It becomes. Here, C R is referred to as a rudder constant. Needle change amount ψ 0 in all modes of acceleration mode, constant speed mode, deceleration mode is

Figure 2009248897
となり、書き直すと、
Figure 2009248897
And then rewrite

Figure 2009248897
になる。Rvdは、一定値とし、等速モード時の旋回角速度が指定旋回角速度に可能な限り近くなる値が選択されるとよい。
Figure 2009248897
become. R vd may be a constant value, and a value that makes the turning angular velocity in the constant speed mode as close as possible to the designated turning angular velocity may be selected.

また、変針量から最大舵速度を決定し、演算される参照方位に基づきそれに対応するフィードフォワード舵角の舵速度が前記決定された最大舵速度を超えないように、且つ最大舵角を超えないように、Ta、βaを決定し、各モードの参照方位を演算する。 Further, the maximum steering speed is determined from the amount of change of the needle, and based on the calculated reference direction, the steering speed of the feedforward steering angle corresponding thereto is not exceeded and does not exceed the determined maximum steering speed. In this manner, T a and β a are determined, and the reference orientation of each mode is calculated.

まとめると、特許文献2で提案する参照方位ψRは、具体的には、 In summary, the reference orientation ψ R proposed in Patent Document 2 is specifically:

Figure 2009248897
と表すことができる。ここで、係数R5、R4、R3、R2、R1は、次の表のように表すことができる。
Figure 2009248897
It can be expressed as. Here, the coefficients R 5 , R 4 , R 3 , R 2 and R 1 can be expressed as shown in the following table.

Figure 2009248897
参照方位発生部30は、逐次計算される参照方位ψR及びその一次微分である参照角速度rRを出力する。
Figure 2009248897
The reference azimuth generating unit 30 outputs a reference azimuth ψ R that is sequentially calculated and a reference angular velocity r R that is a first derivative thereof.

2.2 フィードフォワード舵角修正
図5に、基本的な旋回制御系におけるフィードフォワード制御の概要を示す。同図においてGFB はフィードバック制御部16のゲインを、Pは船体モデルを、P−1 は逆の船体モデルを示す。このとき,参照方位ψR から船首方位ψ までの伝達特性は
2.2 Feedforward rudder angle correction FIG. 5 shows an outline of feedforward control in a basic turning control system. In the figure, G FB represents the gain of the feedback control unit 16, P represents the hull model, and P -1 represents the reverse hull model. At this time, the transfer characteristic from the reference direction ψ R to the bow direction ψ is

Figure 2009248897
になる。
船体モデルPは、(9)式から、
Figure 2009248897
become.
The hull model P is obtained from equation (9)

Figure 2009248897
となる。ここでP−1 のパラメータ不確かさは無視できるほど小さいとする。これより、船首方位ψを参照方位ψR に遅れなく追従する。
Figure 2009248897
It becomes. Here, it is assumed that the parameter uncertainty of P −1 is small enough to be ignored. Thus, the heading azimuth ψ follows the reference azimuth ψ R without delay.

よって、フィードフォワード舵角発生部46は、参照方位ψRに対して、P−1の伝達特性を持つように、フィードフォワード舵角を求める。 Thus, feedforward steering angle generating section 46 with respect to the reference direction [psi R, so as to have a transfer characteristic of P -1, obtaining the feedforward steering angle.

さらに、フィードフォワード舵角発生部46は、計画航路に船体航路を追跡させるために、参照方位に加えて船体の斜航角、潮流の斜航角に対応するフィードフォワード舵角を求める。ここで、(16)式で示したように、船体の斜航角と等価な参照斜航角βRは閉ループ系から独立して参照方位ψRまたは参照角速度rRに基づいて得られるから、図6(a)に示すように、ψRに加算することによって、船体の斜航角の影響を打ち消すことが可能である。ところが、潮流の斜航角βdは閉ループ系のフィードバック制御部16内にある推定器18から得られる推定潮流成分d x^、d y^から求まるので、図6(a)に示すように参照方位に加算するとマイナーループが構成されて、制御系特性が変化してしまう。 Further, the feedforward rudder angle generating unit 46 obtains a feedforward rudder angle corresponding to the ship's tilt angle and the tidal current angle, in addition to the reference direction, in order to cause the planned route to track the hull path. Here, as shown by the equation (16), the reference tilt angle β R equivalent to the ship's tilt angle is obtained independently of the closed loop system based on the reference direction ψ R or the reference angular velocity r R. as shown in FIG. 6 (a), by adding the [psi R, it is possible to cancel the influence of the oblique Wataru angle of the hull. However, the tidal angle β d of the tidal current can be obtained from the estimated tidal current components d x ^ and d y ^ obtained from the estimator 18 in the feedback control unit 16 of the closed loop system. Therefore, as shown in FIG. When added to the bearing, a minor loop is formed and the control system characteristics change.

よって、βdは前方に帰還できないので、図6(b)に示すように、フィードフォワード舵角修正部48によって、後方で修正することにし、図6(a)の前方で修正した場合と等価な処理になるようにする。なお同図でδψR,dβR,dβd はフィードフォワード舵角でそれぞれψR,βR,βd に対応する。
まず潮流の斜航角βdに対応するフィードフォワード舵角は
Therefore, since β d cannot be returned to the front, as shown in FIG. 6 (b), it is equivalent to the case where the feed forward rudder angle correcting unit 48 corrects the rear and corrects the front in FIG. 6 (a). Make sure that In the figure, δ ψR , d βR , and d βd are feedforward steering angles and correspond to ψ R , β R , and β d , respectively.
First, the feed-forward rudder angle corresponding to the tidal angle β d is

Figure 2009248897
により得られる.ここでsはラプラス演算子を、P-1 ψは(23)式で表される船体モデルである。βd を前方に帰還した場合の軌道航路誤差演算部14で求まる偏差は、
Figure 2009248897
Is obtained by Here, s is a Laplace operator, and P −1 ψ is a hull model represented by the equation (23). The deviation obtained by the orbital route error calculation unit 14 when β d is fed back is:

Figure 2009248897
になる。ここでψe =ψR−ψである。潮流の斜航角bdを含めたフィードバック舵角は、
Figure 2009248897
become. Here, ψ e = ψ R −ψ. The feedback steering angle including the tidal angle b d of the tidal current is

Figure 2009248897
なる。尚、フィードバックゲインGFBは、GFB=KP+KDsである。
よってβd の修正はフィードフォワード舵角δβd とフィードバック舵角
Figure 2009248897
Become. The feedback gain G FB is G FB = K P + K D s.
Therefore, β d is corrected by adjusting the feedforward steering angle δ βd and the feedback steering angle.

Figure 2009248897
とによる修正を実施すれば、前方のψR に帰還した場合と同等の応答特性、すなわち
Figure 2009248897
If the correction by is performed, the response characteristic equivalent to the case of returning to the front ψ R , that is,

Figure 2009248897
を得ることができる。
Figure 2009248897
Can be obtained.

フィードフォワード舵角修正部48は、フィードフォワード舵角発生部46で得られたフィードフォワード舵角に対して、潮流の斜航角βdに対してフィードバックゲインGFBを掛けたものを修正フィードバック舵角として、加算して修正する。 Feedforward steering angle correction unit 48, to the feed forward steering angle obtained by the feedforward steering angle generating section 46, correct the multiplied by the feedback gain G FB against tide oblique Kou angle beta d feedback steering Add and correct as a corner.

2.3 参照方位による参照航路
参照速度発生部34によって発生する参照速度は、
2.3 Reference route by reference direction The reference speed generated by the reference speed generator 34 is

Figure 2009248897
から得られる。ここでuR,vR は対地系参照速度でそれぞれx,y方向を、tは時間を、ψRは参照方位を、Uは一定船速を示す。これより、参照位置発生部36で求まる参照航路は、(28)、(29)式を積分することにより、
Figure 2009248897
Obtained from. Here, u R and v R are ground system reference speeds in the x and y directions, t is time, ψ R is the reference direction, and U is a constant ship speed. Thus, the reference route obtained by the reference position generator 36 is obtained by integrating the equations (28) and (29).

Figure 2009248897
Figure 2009248897

になる。ここでxR,yR は対地系参照航路でそれぞれx,y方向を、rRは参照旋回角速度でrR=ψR の関係を持ち、cx,cy はそれぞれx,y の初期値を,R =U/rR は旋回半径を示す。初期条件t=0 のときxR =yR =0 と置けば become. Here, x R and y R are the ground reference channel in the x and y directions, respectively, r R is the reference turning angular velocity and r R = ψ R · Where c x and c y are the initial values of x and y, respectively, and R 1 = U / r R is the turning radius. If you put a x R = y R = 0 when the initial conditions t = 0

Figure 2009248897
を得る。よって参照航路は
Figure 2009248897
Get. So the reference route is

Figure 2009248897
になる。上式より
Figure 2009248897
become. From the above formula

Figure 2009248897
を得る。よって参照方位による参照速度を積分した参照航路は中心が(0,R) で、円状の軌道を描く。これより参照航路を計画航路の代わりに利用することが可能になる。
Figure 2009248897
Get. Therefore, the reference route obtained by integrating the reference velocity based on the reference direction has a center of (0, R) and draws a circular orbit. This makes it possible to use the reference route instead of the planned route.

2.4 船体の横滑り速度
船体の横滑り速度を換算した横滑り角または斜航角が半径一定旋回に及ぼす影響を説明し、横滑り修正部32の作用を説明する。船体の特性が既知とすれば、横滑り速度、斜航角は参照方位に置き換えられる。
2.4 Side slip speed of the hull The effect of the side slip angle or the tilt angle obtained by converting the side slip speed of the hull on the constant radius turning will be described, and the action of the side slip correcting unit 32 will be described. If the characteristics of the hull are known, the skid speed and the skew angle are replaced with the reference direction.

参照斜航角βRは、(16)式より、簡単化のため、rR =0、時定数Ts3,Tβ3はゼロとすると、βR =CβrR,Cβ =Kβ/Ksである。
参照斜航角を含んだ参照速度は上述より
Referring oblique Kou angle beta R is (16) than, for simplicity, r R · = 0, the time constant T s3, T .beta.3 is when zero, β R = C β r R , C β = K β / K s .
The reference speed including the reference skew angle is

Figure 2009248897
になる。ここでu ,v は参照斜航角を含んだ対地系参照速度でそれぞれx,y方向を示す。これより参照航路は、
Figure 2009248897
become. Here, u and v are ground system reference velocities including the reference skew angle and indicate the x and y directions, respectively. From this, the reference route is

Figure 2009248897
になる。ここでx,y は対地系参照航路でそれぞれx,y方向を、c,c はそれぞれ初期値を示す。初期条件t=0のときx =y =0と置けば
Figure 2009248897
become. Here, x and y are respectively the x and y directions on the ground system reference route, and c and cyβ are initial values. When initial condition t = 0, if x = y = 0

Figure 2009248897
を得る。よって参照航路は
Figure 2009248897
Get. So the reference route is

Figure 2009248897
になるから、参照斜航角を含まない参照航路を用いると
Figure 2009248897
Therefore, if you use a reference route that does not include the reference skew angle,

Figure 2009248897
になる。x,y の軌跡は上式より、xR,yRの円状軌跡を−βRだけ原点周りに回転させたものになる。
Figure 2009248897
become. The trajectories of x and y are obtained by rotating the circular trajectories of x R and y R around the origin by −β R from the above equation.

次に、斜航角特性を、図7を用いて説明する。同図において対地座標系XYで中心(0,R)半径Rの細線の円が設定された航路を示し、−βRの回転座標系をξηで表す。太線の円が細線の円を−β だけ原点回りに回転している。航路は細線の円上の計画であったが、斜航角のために太線の円上を航跡する。このとき太線の航路に関して
1. 半径は細線の航路と変わらないが、中心は
Next, the skew angle characteristics will be described with reference to FIG. In the figure, a route in which a thin circle with a center (0, R) radius R is set in the ground coordinate system XY is shown, and a rotational coordinate system of −β R is represented by ξη. The thick circle is rotated around the origin by -β over the thin circle. Although the route was planned on a thin line circle, it will track on a thick line circle because of the skew angle. At this time, with regard to the thick line route, 1. The radius is the same as the narrow route, but the center is

Figure 2009248897
に変化する
2. 軌跡は一度旋回方向と反対方向に移動し、その後旋回し始める。その移動量は
Figure 2009248897
Changes to 2. The trajectory once moves in the direction opposite to the turning direction and then starts to turn. The amount of movement is

Figure 2009248897
になる。さらにxの最大位置はxβ +R=R(sinβR+1) になる
3. 対地系方位または針路φRはψRからξη系回転角βR だけ遅れている。すなわち
Figure 2009248897
become. Further, the maximum position of x is x β + R = R (sin β R +1) 3. The ground direction or course φ R is delayed from ψ R by the ξη system rotation angle β R. Ie

Figure 2009248897
になり、斜航角により回転した円の接線方向を向いている
なる特性をもつ。この斜航角特性から、船速一定の旋回に関する移動量x,yについて調べる。βR(<30o)を微小角とする。
Figure 2009248897
And has a characteristic that it is directed to the tangential direction of the circle rotated by the skew angle. From the skew angle characteristics, the movement amounts x and y relating to turning at a constant ship speed are examined. Let β R (<30 °) be a small angle.

Figure 2009248897
になる。ここで、βR≒CβR、Cβ=Kβ/Ks、R=U/Rである。
Figure 2009248897
become. Here, β R ≈C β r R , C β = K β / K s, r R = U / R.

これより、x はCKにUを乗じたものになり、R,rR に無関係であることが分かる。一方、yはx の2乗を2Rで割ったものになり、R,rRに関係し、UrRに比例する。 From this, it can be seen that x is obtained by multiplying C K by U and is independent of R and r R. On the other hand, y is obtained by dividing the square of x by 2R, and is related to R and r R and is proportional to Ur R.

数値例を挙げると、Cβ = 30[s],U= 20[knot],R= 1500[m]のとき、x = 30×20×0.5144 = 308.6[m],y =−31.75[m]になる。またy を−50[m] 以下にする半径は、R<952.6[m]になる。 And numerical example, C β = 30 [s] , U = 20 [knot], when R = 1500 in [m], x Rβ = 30 × 20 × 0.5144 = 308.6 [m], y Rβ = -31.75 [ m]. The radius that makes y −50 [m] or less is R <952.6 [m].

さて、船体の斜航角が航路に及ぼす影響が確認されたので、上記特性から、船体航路を参照航路に一致させるために、参照方位に参照斜航角を逆に加算した参照針路を用いると良いことが分かる。すなわち   Now, since the influence of the hull's oblique angle on the route has been confirmed, from the above characteristics, in order to match the hull route with the reference route, the reference course with the reference oblique angle added to the reference direction in reverse is used. I know it ’s good. Ie

Figure 2009248897
になる。ここでθRは参照針路を示す。上式を用いることによって、
Figure 2009248897
become. Here, θ R indicates a reference course. By using the above formula,

Figure 2009248897
になり、船体航路は参照航路つまり円状軌跡に描く。
Figure 2009248897
The hull route is drawn as a reference route, that is, a circular trajectory.

横滑り修正部32は、参照方位発生部30から出力される参照角速度rRから、(16)式の関係を用いて斜航角βRを発生し、修正斜航角を実施するために、フィードフォワード舵角発生部46は、(24)式で表されるのと同じように、逆船体モデルP-1で表される伝達特性により横滑りによる斜航角に対応するフィードフォワード舵角δβRを求める。但し、このフィードフォワード舵角δβRの算出は、斜航角βRと参照方位ψRとを加算した上で、逆船体モデルP-1で表される伝達特性によりフィードフォワード舵角δψR+δβR を求めることでもよい。 The side slip correction unit 32 generates a skew angle β R from the reference angular velocity r R output from the reference bearing generation unit 30 using the relationship of the equation (16), and feeds it to implement the corrected skew angle. The forward rudder angle generation unit 46 sets the feed forward rudder angle δ βR corresponding to the skew angle due to the side slip by the transmission characteristic represented by the reverse hull model P -1 in the same manner as represented by the equation (24). Ask. However, calculation of the feedforward steering angle [delta] [beta] R is, after adding the reference azimuth [psi R swash Kou angle beta R, feedforward steering angle δ ψR + δ by the transmission characteristic expressed by reverse hull model P -1 It is also possible to obtain βR .

2.5 潮流成分の修正
フィードバック制御部16の推定器18で推定される対地系潮流成分を用いて、船体のsway 方向に印加する潮流成分を修正する。
2.5 Correction of tidal component The tidal component applied in the sway direction of the hull is corrected using the ground tidal component estimated by the estimator 18 of the feedback control unit 16.

座標変換部40は、推定器18から得られた対地系の潮流成分の推定値dx ^、dy ^から、船体系の潮流成分に変換する。即ち、 The coordinate conversion unit 40 converts the estimated values d x ^ and d y ^ of the tidal current components of the ground system obtained from the estimator 18 into tidal current components of the ship system. That is,

Figure 2009248897
になる。ここで、θRは(49)式で表される参照針路である。
Figure 2009248897
become. Here, θ R is a reference course represented by equation (49).

これより、潮流修正部42は、sway 方向の潮流成分vd に起因した航路誤差を低減させるためのsway 方向の修正斜航角を As a result, the tidal current correction unit 42 calculates the corrected oblique navigation angle in the sway direction to reduce the channel error due to the tidal component v d in the sway direction.

Figure 2009248897
から求める。ここで
Figure 2009248897
Ask from. here

Figure 2009248897
を示す。
Figure 2009248897
Indicates.

よって、修正斜航角を実施するために、フィードフォワード舵角発生部46は、(24)式により修正斜航角に対応するフィードフォワード舵角δβdを求め、フィードフォワード舵角修正部48は、(26)式により、修正値を求める。この計算に必要なβdの1階微分値と2階微分値との導出は、数値微分でも求めることができるが、サンプリング時間の影響を受け、舵角変動が大きいので、潮流成分はほぼ一定値としたβx ,βy =0の近似解とした解析微分の方が好ましい。 Therefore, in order to implement the corrected skew angle, the feed forward rudder angle generator 46 obtains the feed forward rudder angle δ βd corresponding to the corrected skew angle by the equation (24), and the feed forward rudder angle corrector 48 , (26) is used to obtain a correction value. Derivation of the first and second derivative values of β d required for this calculation can also be obtained by numerical differentiation, but because the rudder angle variation is large due to the influence of sampling time, the tidal component is almost constant. It is preferable to use an analytical differential that is an approximate solution of β x · , β y · = 0 as values.

すなわち、解析により、   That is, by analysis,

Figure 2009248897
として得られる。ここで、
Figure 2009248897
As obtained. here,

Figure 2009248897
を示す。ψR,rR,rR は参照方位発生部30から得られる。
Figure 2009248897
Indicates. ψ R , r R , r R · are obtained from the reference orientation generator 30.

2.6 対地速度修正
対地速度修正部44は、対地速度変化による旋回角速度の修正を行う。
2.6 Ground Speed Correction The ground speed correction unit 44 corrects the turning angular speed by changing the ground speed.

船体航路は対地系速度を積分して得られる。船体速度は対水船速(ログ船速)と、潮流(風による成分も含む)とからなる。   The hull route is obtained by integrating the ground speed. The hull speed is composed of speed against water (log ship speed) and tidal current (including wind component).

まず、座標変換部40によって得られたsurge方向の潮流成分ud((51)式参照)から、潮流の影響を加味した対地速度U*First, from the tidal component u d in the surge direction obtained by the coordinate conversion unit 40 (see equation (51)), the ground speed U * taking into account the tidal current is calculated.

Figure 2009248897
Figure 2009248897

から求める。尚、ここで、U≒uとし、変針中の船速および潮流速度をほぼ一定値とし、(51)式より、ud≒ud^を用いる。旋回半径を一定に保つためには、ψR により変化するU*に対応して旋回角速度を修正する必要が生じる。すなわち Ask from. Note that here, U≈u, the ship speed and the tidal current speed during the course change are set to substantially constant values, and u d ≈u d ^ is used from the equation (51). To keep the turning radius constant, necessary to modify the turning angular velocity in response to U * which varies by [psi R occurs. Ie

Figure 2009248897
になる。ここで、r0 *は軌道計画の指定旋回角速度(等速時の角速度)を、Rは計画航路の旋回半径を、SetΔUは設定値(例えば5%)を、U0 *は前回の値を示す。
Figure 2009248897
become. Here, r 0 * is the specified turning angular velocity (angular velocity at constant speed) of the trajectory plan, R is the turning radius of the planned route, SetΔU is the set value (for example, 5%), and U 0 * is the previous value. Show.

対地速度修正部44は、座標変換部40から順次出力される潮流成分ud^の変化によるU*の変化を検出し、(60)式に基づき、その変化量が設定値を超えたならば、r0 *を更新して、それを参照方位発生部30に出力する。 The ground speed correction unit 44 detects a change in U * due to a change in the tidal component u d ^ sequentially output from the coordinate conversion unit 40, and if the change amount exceeds the set value based on the equation (60). , R 0 * is updated and output to the reference orientation generator 30.

参照方位発生部30では、r0 *が更新されたら、r0 *を満足するべく、参照方位ψR及びその一次微分である参照角速度rRを再構成して、出力する。その際の指定変針量は既に変針された方位分を差し引いた量 When r 0 * is updated, the reference azimuth generator 30 reconstructs and outputs the reference azimuth ψ R and the reference angular velocity r R that is the first derivative thereof so as to satisfy r 0 * . The amount of specified change at that time is the amount obtained by subtracting the direction already changed.

Figure 2009248897
になる。ここでψ0 *は指定変針量(旋回角)を、ψ0 は計画航路の指定変針量(旋回角)を、Δψ'Rはr0 *が更新されるまでの変針量(旋回角)を示す。
Figure 2009248897
become. Here, ψ 0 * is the designated change amount (turning angle), ψ 0 is the designated change amount (turning angle) of the planned route, and Δψ ' R is the change amount (turning angle) until r 0 * is updated. Show.

2.7 リーチ(Reach)計算
本発明では、リーチ計算をすることを特徴の一つとしており、3つの修正である、船体斜航角、潮流斜航角および速度修正(角速度修正)が、すべてフィードフォワード制御を用いて開ループによって実施される。ここではパラメータ不確かさは無いものとする。
2.7 Reach Calculation In the present invention, reach calculation is one of the features, and three corrections, hull inclination angle, tidal inclination angle, and speed correction (angular speed correction) are all included. Implemented by open loop using feedforward control. Here, there is no parameter uncertainty.

フィードフォワード制御を用いない場合は船体の運動方程式と制御系とを合せた閉ループ系に参照信号を与えて数値計算することになる。なぜなら、潮流が印加するとsway 方向誤差が生じるため、制御系が必要になる。   When feedforward control is not used, a reference signal is given to a closed loop system that combines a hull equation of motion and a control system, and numerical calculation is performed. This is because a sway direction error occurs when tidal current is applied, so a control system is required.

一方、フィードフォワード制御を用いる場合は閉ループ系を利用する必要がない。潮流成分の影響は潮流斜航角および速度修正によって打ち消されるために、sway 方向誤差が生じない。故に制御系は不要になり、図8のように構成が簡単化される。図8において、リーチ演算部50は、誘導システム22からの計画航路が入力されると、その旋回条件を求め、旋回開始の方位を北向きに変換した第2座標系における、旋回条件の旋回半径及び所定の旋回角に合致する参照方位ψR及び参照角速度rRを発生する参照方位発生部52と、舵を切ることによって発生する旋回角速度に対応する参照斜航角βRを求める横滑り修正部54と、推定潮流を座標変換して旋回開始の方位を北向きに変換した第2座標系の潮流成分に座標変換する前段座標変換部62と、第2座標系の潮流成分から船体の横方向(sway方向)の潮流成分を発生する座標変換部64と、潮流に対向する修正斜航角βdを発生する潮流修正部66と、対地速度の修正を行う対地速度修正部68と、参照方位ψRと修正斜航角βdとを加算する加算器70と、第2座標系における船体速度成分を発生する船体速度発生部72と、第2座標系における潮流速度成分を加算する加算器74と、加算した速度成分を積分して予想船体航路を求める船体位置発生部76と、船体位置発生部76からアドバンスを求め、アドバンスからリーチを求めるリーチ出力部78と、を備える。船体速度発生部72、加算器74及び船体位置発生部76とから船体航路発生部が構成される。 On the other hand, when feedforward control is used, it is not necessary to use a closed loop system. Since the influence of the tidal component is canceled by the tidal angle and speed correction, there is no sway direction error. Therefore, the control system becomes unnecessary, and the configuration is simplified as shown in FIG. In FIG. 8, when the planned route from the guidance system 22 is input, the reach calculation unit 50 obtains the turning condition and turns the turning radius of the turning condition in the second coordinate system in which the turning start direction is converted to the north. A reference azimuth generating unit 52 that generates a reference azimuth ψ R and a reference angular velocity r R that match a predetermined turning angle, and a side slip correction unit that obtains a reference skew angle β R corresponding to the turning angular velocity generated by turning the rudder. 54, a front coordinate conversion unit 62 that converts the coordinate of the estimated tidal current and transforms the direction of the turning start into the north direction, and converts the direction into the north direction, and the horizontal direction of the hull from the tidal component of the second coordinate system A coordinate conversion unit 64 that generates a tide component in the (sway direction), a tide correction unit 66 that generates a corrected oblique angle β d that faces the tide, a ground speed correction unit 68 that corrects the ground speed, and a reference orientation and [psi R and correction oblique Kou angle beta d An adder 70 for calculating, a hull velocity generating unit 72 for generating a hull velocity component in the second coordinate system, an adder 74 for adding a tidal velocity component in the second coordinate system, and integrating the added velocity components for prediction A hull position generation unit 76 for obtaining a hull route and a reach output unit 78 for obtaining an advance from the hull position generation unit 76 and obtaining a reach from the advance are provided. The hull speed generator 72, the adder 74, and the hull position generator 76 constitute a hull route generator.

リーチ計算を参照信号ではなくフィードフォワード舵角によって実施したとしたら、潮流成分が印加されていなければ、参照信号の場合とほぼ一致するが、潮流成分が印加されたならば、sway 方向誤差が生じるため制御系が必要になる。したがってリーチ計算はフィードフォワード制御に基づいた参照信号(ψR,rR)と修正信号(βR,βd)とによって達成される。 If the reach calculation is performed using the feed-forward steering angle instead of the reference signal, if the tidal component is not applied, it almost matches the case of the reference signal, but if the tidal component is applied, a sway direction error occurs. Therefore, a control system is required. Accordingly, the reach calculation is achieved by the reference signal (ψ R , r R ) and the correction signal (β R , β d ) based on the feedforward control.

リーチは、旋回のために操舵を開始してから,船体が旋回方向に移動するまでの船首方向の移動距離であり、Wheel Over Point(WOP) と旋回開始位置または円の中心との距離になる。   Reach is the distance traveled in the bow direction from the start of steering for turning until the hull moves in the turning direction, and is the distance between the Wheel Over Point (WOP) and the turning start position or the center of the circle .

リーチ計算は旋回前に行い、旋回軌跡を数値計算する。その手順を以下に示す。
計画航路は図9(a)に示すように3つのWay-Point(WP1,WP2,WP3)と、旋回半径Rとによって決定される。この座標関係では計算が煩雑になるので、旋回開始の方位ψR1を北向きに常に固定することで、リーチ計算は簡単化される。そのXOY系の計画航路を図9(b)のようなX’O’Y’ 系(第2座標系とも言う)の計画航路に座標変換して考える。それと共に旋回角(変針量)を計画航路による旋回角にかかわらず、90度以上、例えば130度の所定旋回角とする。
その際、潮流成分の方位角はψd から
The reach calculation is performed before turning, and the turning trajectory is calculated numerically. The procedure is shown below.
The planned route is determined by three way-points (WP 1 , WP 2 , WP 3 ) and a turning radius R as shown in FIG. Since the calculation is complicated in this coordinate relationship, the reach calculation can be simplified by always fixing the turning start direction ψ R1 to the north. The planned route of the XOY system is considered by converting the coordinates into the planned route of the X′O′Y ′ system (also referred to as the second coordinate system) as shown in FIG. At the same time, the turning angle (the amount of change of needle) is set to a predetermined turning angle of 90 degrees or more, for example, 130 degrees, regardless of the turning angle by the planned route.
At that time, the azimuth angle of the tidal component is from ψ d

Figure 2009248897
に変換される。
X’O’Y’ 系の速度成分x'、y'は(20)式を参考にすると
Figure 2009248897
Is converted to
X'O'Y 'system velocity component x of' ·, y is a Sankounisuru the formula (20)

Figure 2009248897
になる。ここでux 、vy はX’O’Y’ 系の船体速度成分で、dx 、dy はX’O’Y’ 系の潮流速度成分で、それぞれ
Figure 2009248897
become. Here u x ·, v y · the 'hull speed component of the system, d x ·, d y · is X'O'Y'X'O'Y in tidal velocity component of the system, respectively

Figure 2009248897
Figure 2009248897

Figure 2009248897
を示す。
Figure 2009248897
Indicates.

参照方位発生部52は、参照方位発生部30と同じ構成であるが、X’O’Y’ 系における参照信号ψR,rRを時系列的に出力する。また、対地速度修正部68は、対地速度修正部44と同じ構成であり、対地速度の変化を修正した更新指定旋回角速度を適宜、参照方位発生部52に供給する。 The reference azimuth generating unit 52 has the same configuration as that of the reference azimuth generating unit 30, but outputs the reference signals ψ R and r R in the X′O′Y ′ system in time series. The ground speed correction unit 68 has the same configuration as that of the ground speed correction unit 44, and appropriately supplies an updated designated turning angular speed in which a change in the ground speed is corrected to the reference direction generation unit 52.

横滑り修正部54は、X’O’Y’ 系における船体の参考斜航角である修正信号βRを時系列的に出力する。加算器55で参照方位ψRと修正信号βRの加算がなされる。 The side slip correction unit 54 outputs a correction signal β R that is a reference tilt angle of the hull in the X′O′Y ′ system in time series. The adder 55 adds the reference direction ψ R and the correction signal β R.

前段座標変換部62は、推定潮流速度成分dx^、dy^と旋回開始の方位ψR1から、dx^≒dx、dy^≒dy から、(64)式に基づき、X’O’Y’ 系の潮流速度成分d'x、d'yに変換し、座標変換部64は、参照針路θRに基づき、船体系の潮流速度成分ud^、vd^に変換し、潮流修正部66がその潮流斜航角である修正信号βdを出力する。 From the estimated tidal velocity components d x ^, dy ^ and the turning start direction ψ R1 , the preceding coordinate conversion unit 62 calculates X from the d x ^ ≈d x , d y ^ ≈d y based on the equation (64). Based on the reference course θ R , the coordinate conversion unit 64 converts the tide velocity components u d ^ and v d ^ of the ship system into the tide velocity components d ' x and d' y of the 'O'Y' system. The tidal current correction unit 66 outputs a correction signal β d which is the tidal current oblique angle.

加算器70で参照方位ψRと修正信号βdとが加算されて、船体速度発生部72により、(63)式に基づき、X’O’Y’ 系における速度成分を求める。ここで船体斜航角β はその修正信号βR によって相殺されるので、含まれないことに注意されたい。船体速度発生部72からの船体速度成分には、加算器74によって、X’O’Y’ 系における潮流速度成分が加算される。
船体位置発生部76は、これよりX’O’Y’ 系の船体航路x’,y’を、
The adder 70 adds the reference bearing ψ R and the correction signal β d, and the hull velocity generator 72 obtains the velocity component in the X′O′Y ′ system based on the equation (63). Note that the hull angle β is not included because it is offset by the correction signal β R. To the hull velocity component from the hull velocity generator 72, the adder 74 adds the tidal velocity component in the X'O'Y 'system.
From this, the hull position generating unit 76 uses the X'O'Y 'series of hull routes x', y ',

Figure 2009248897
Figure 2009248897

から求める。このときτは、x'座標が最大値をとるP2点を通過する変針時間とし、変針時間は、加速モードの加速時間Ta、等速モードの等速時間Tv、減速モードの減速時間Tdのうちの等速時間を超える、τ≧Ta+Tvとする。
リーチ出力部78は、上記x’y’から、x’座標が最大値をとるときのy’座標を求める。このy’座標がアドバンスとなる。そして、アドバンスから旋回半径Rを差し引くことで、リーチを求める。
即ち、リーチは、次式より求まる。
Ask from. At this time, τ is a change time for passing the point P2 where the x ′ coordinate has the maximum value. The change time is the acceleration time T a in the acceleration mode, the constant speed time T v in the constant speed mode, and the deceleration time T in the deceleration mode. It is assumed that τ ≧ T a + T v exceeding the constant speed time of d .
The reach output unit 78 obtains the y ′ coordinate when the x ′ coordinate takes the maximum value from the x′y ′. This y ′ coordinate is an advance. Then, the reach is obtained by subtracting the turning radius R from the advance.
That is, reach is obtained from the following equation.

Figure 2009248897
Figure 2009248897

尚、このリーチ演算部50による演算は、計画航路が立てられてから実行されるが、WOP の手前付近(例えば3L〜5L範囲内,Lは船長)に近づいてから再度計算することが望ましい。船速や潮流の変化に対応するためである。   The calculation by the reach calculation unit 50 is executed after the planned route is established, but it is desirable to calculate again after approaching the vicinity of the WOP (for example, within the range of 3L to 5L, L is the captain). This is to cope with changes in ship speed and tidal current.

2.8 船速のオフセット
対水速度である船速は、センサ類のスピードログから得られるが、スピードログはバイアス誤差、オフセットを持つ。この船速オフセットがあると、直線時には、この船速オフセットを潮流成分として扱うために航路誤差が生じないが、旋回時には、潮流成分に含まれるオフセットのために航路誤差が生じる。数値例として、潮流なしの場合にオフセットを、船速20ktの+10%とすると、誤差が−5mから−100mになる。これは、実質的に潮流が2kt印加した状態に相当する。よって、このオフセットを除去する船速オフセット修正部80(図2参照)をさらに、備える。
2.8 Ship speed offset The ship speed, which is the water speed, is obtained from the speed log of the sensors, but the speed log has a bias error and an offset. When there is this ship speed offset, no route error occurs because the ship speed offset is handled as a tidal component when straight, but a route error occurs because of the offset included in the tidal component when turning. As a numerical example, if the offset is + 10% of the ship speed of 20 kt when there is no tidal current, the error will be from -5 m to -100 m. This substantially corresponds to a state where a tidal current of 2 kt is applied. Therefore, the ship speed offset correction part 80 (refer FIG. 2) which removes this offset is further provided.

まず船速オフセットの特性を検討する。
軌道航路誤差演算部14で求められる位置誤差及び方位誤差(航路誤差)は、参照系に対する船体系の位置誤差及び方位誤差であり、図3より、
First, the characteristics of ship speed offset are examined.
The position error and direction error (route error) obtained by the orbital route error calculation unit 14 are the position error and the direction error of the ship system with respect to the reference system.

Figure 2009248897
Figure 2009248897

になる。ここでψ,x,yは船首方位と対地位置とを、ψR,xR,yR は参照方位と参照位置とを、ψ,x,yは方位誤差と航路誤差とをそれぞれ示す。x,yは船体位置Gから参照系のY,X 軸にそれぞれ垂線を下ろした距離に相当する。
船体系による速度誤差は(67)式,(20)式から導出され
become. Here ψ, x, y is a heading and ground position, ψ R, x R, y R and is referred to as a reference orientation position, ψ e, x e, y e , respectively the azimuth error and the route error Show. x e and y e correspond to the distances from the hull position G to the Y R and X R axes of the reference system, respectively.
The speed error due to the ship system is derived from Eqs. (67) and (20).

Figure 2009248897
になる。潮流速度による速度誤差は対地系成分を参照系成分に変換すると
Figure 2009248897
become. The velocity error due to the tidal velocity is converted from the ground system component to the reference system component.

Figure 2009248897
になる。ここでud,vd は参照系の潮流速度成分を、dx,dy は対地系の潮流速度成分をそれぞれ示す。よって速度誤差は
Figure 2009248897
become. Here, u d and v d indicate tidal current velocity components of the reference system, and d x and d y indicate tidal current velocity components of the ground system. So the speed error is

Figure 2009248897
で与えられる。ここで、ud,vdにログオフセットが含まれるとして、
Figure 2009248897
Given in. Here, assuming that log offset is included in u d and v d ,

Figure 2009248897
を示す。ここで、Uは船速を、Uoはログオフセットを示す。(71)式を(70)式に代入すると、
Figure 2009248897
Indicates. Here, U represents the ship speed and U o represents the log offset. Substituting equation (71) into equation (70),

Figure 2009248897
Figure 2009248897

を得る。(72)式より、
・オフセットは、x e にだけ現れ、方位に無関係である。
・潮流はx e , y e に現れ、方位の座標変換に連動する。
・直線時ψR一定であるので、(−Uo+ud)は一定になる。
・旋回の前後で、udは変化する。
という特性が分かる。これらの特性から、Uo,dx,dyが旋回前後においてほぼ一定とすれば、旋回前後の潮流推定値から船速オフセットUoを求めることができることが分かる。dx,dyは一定であるが、x e , y e においては、ψRを介してその影響が出るので、変化する。逆に、Uoはx e において一定であるが、対地系ではψRを介してその影響が出る。このUo,dx,dyの性質を利用する。
再度、(68)式及び(70)式から、斜航角及び横滑り速度を0とすると、
Get. From equation (72)
The offset appears only at x e · and is independent of orientation.
・ Tidal currents appear at x e , y e and are linked to coordinate transformation of direction.
Since ψ R is constant when straight, (−U o + u d ) is constant.
And swing before and after, u d is changed.
You can see the characteristics. From these characteristics, it is understood that the ship speed offset U o can be obtained from the estimated tidal current before and after the turn if U o , d x and dy are substantially constant before and after the turn. d x and dy are constant, but change in x e · and y e · because the influence is given through ψ R. Conversely, U o is constant at x e · , but in the ground system, the influence is exerted via ψ R. This U o, d x, to use the nature of the d y.
Again, from equation (68) and equation (70), if the tilt angle and skid speed are 0,

Figure 2009248897
となる。ここで、横滑り速度v=0とし、ψe≒0とした。従って、速度誤差の推定値の推定誤差は、
Figure 2009248897
It becomes. Here, the skid speed v = 0 and ψ e ≈0. Therefore, the estimated error of the estimated speed error is

Figure 2009248897
となる。ここで、Uoψe≒0として省き、推定誤差をゼロとして定常値を求めると、
Figure 2009248897
It becomes. Here, when U o ψ e ≈0 is omitted, and the estimation error is zero, the steady value is obtained.

Figure 2009248897
になる。(78)式より潮流推定値はUoによる誤差を持ち、方位により変化することが分かる。
Figure 2009248897
become. (78) power flow estimate from equation has an error due to U o, it can be seen to vary by orientation.

図9(a)を参照して、旋回前後の方位をそれぞれψR1, ψR2とすると、(77)式より、 Referring to FIG. 9A, assuming that the directions before and after the turn are ψ R1 and ψ R2 , respectively,

Figure 2009248897
が得られる。これより
Figure 2009248897
Is obtained. Than this

Figure 2009248897
を得る。また、ψR1R2により、
cosψR1 = cosψR2 あるいは sinψR1 =sinψR2
の場合が生じる。この関係にならないことに注意すれば、U0
Figure 2009248897
Get. In addition, by ψ R1 and ψ R2 ,
cosψ R1 = cosψ R2 or sinψ R1 = sinψ R2
This happens. Note that this is not the case, U 0 is

Figure 2009248897
より求まる。潮流値をU0 によって校正すると、
Figure 2009248897
More. When the tidal current value is calibrated by U 0 ,

Figure 2009248897
になる。dx2^,dy2^は現在の値である。
Figure 2009248897
become. d x2 ^ and d y2 ^ are current values.

よって、船速オフセット修正部80は、(82)式のU0を求めて、潮流推定値に対して(83)式の修正を行うと共に、ログスピードからの信号(U+U0)に−U0 を加算する。こうして、オフセットU0 に起因した航路誤差への影響は低減される。 Therefore, the ship speed offset correcting unit 80 obtains U 0 in the equation (82), corrects the equation (83) with respect to the estimated tidal current, and also applies −U 0 to the signal (U + U 0 ) from the log speed. Is added. Thus, the influence on the channel error due to the offset U 0 is reduced.

この船速オフセット修正部80による船速オフセットの演算は、1回の旋回が終了した地点、図9(a)のP4で行われる。推定器18による潮流推定は、図9(a)においてP0 からWOPの間、及びWP2 からP4 までの間で行われ、P4 の地点で、船速オフセット修正部80による修正が行われて、潮流推定成分及び船速は修正される。変針中WOPからWP2 までの間には、船速オフセット修正部80による新たな修正は行われず、前に修正された潮流推定成分及び船速を用いて演算される。 The calculation of the boat speed offset by the boat speed offset correcting unit 80 is performed at a point where one turn is completed, P4 in FIG. 9A. The tidal current estimation by the estimator 18 is performed between P 0 and WOP and between WP 2 and P 4 in FIG. 9A, and the ship speed offset correction unit 80 performs correction at the point P 4. Therefore, the tidal current estimation component and the ship speed are corrected. During the course change from WOP to WP 2 , no new correction is performed by the ship speed offset correction unit 80, and calculation is performed using the tidal current estimation component and the ship speed that have been corrected previously.

2.9 数値計算例
以上のように構成される船舶用自動操舵装置の旋回運動において、その性能をシミュレーションによって検証する。
船体パラメータ: U= 20[knot],Ks = 0.027[1/s],Kv = −100Ks[m/deg],Kβ =−Kv/U
s = 17.5[s],Ts3 = 0.1[s],Tβ3 = 0.03[s],Tβ3 = 0.03[s]
センサ分解能: 速度0.1[knot],方位0.1[deg],位置1.852[m]= 0.001[arc min]、船速オフセットはなし
計画航路: 初期方位ψR1 =40[deg],最終方位ψR2 =140[deg],原点から距離Dist=4[NM]で半径R= 1[NM],旋回角ψ0 =100[deg],旋回角速度r0 = 19.1[deg/min] 相当
外乱: 潮流の大きさUd = 0, 5[knot],方向は別途記載,舵角オフセットδo=0,波浪はなし
シミュレーション結果: シミュレーション条件から求まる船体の横滑り速度vR および斜航角βR と、潮流の最大斜航角βdmax とはつぎのようになる。
2.9 Numerical Calculation Example The performance of the turning operation of the marine vessel automatic steering apparatus configured as described above is verified by simulation.
Hull parameters: U = 20 [knot], K s = 0.027 [1 / s], K v = −100 K s [m / deg], K β = −K v / U
T s = 17.5 [s], T s3 = 0.1 [s], T β3 = 0.03 [s], T β3 = 0.03 [s]
Sensor resolution: Speed 0.1 [knot], Direction 0.1 [deg], Position 1.852 [m] = 0.001 [arc min], No ship speed offset Planned route: Initial direction ψ R1 = 40 [deg], Final direction ψ R2 = 140 [deg], distance from the origin Dist = 4 [NM], radius R = 1 [NM], turning angle ψ 0 = 100 [deg], turning angular velocity r 0 = 19.1 [deg / min] Equivalent disturbance: tidal current U d = 0, 5 [knot], direction is described separately, rudder angle offset δ o = 0, no wave Simulation results: Hull skid velocity v R and tilt angle β R determined from simulation conditions, maximum tidal current The navigation angle β dmax is as follows.

Figure 2009248897
である。
Figure 2009248897
It is.

図10には、その際の参照信号である参照方位ψR、参照旋回角速度rR、参照旋回角加速度drR/dt,フィードフォワード舵角δFFを示す。
シミュレーション結果を以下の表にまとめる。
FIG. 10 shows the reference direction ψ R , the reference turning angular velocity r R , the reference turning angular acceleration dr R / dt, and the feedforward steering angle δ FF that are reference signals at that time.
The simulation results are summarized in the following table.

Figure 2009248897
Figure 2009248897

図中、non-correctionは全く修正をしないことを、SSは横滑り速度を参照斜航角で修正することを、CSは潮流の修正斜航角を修正することを、SCは対地速度を修正することを表す。    In the figure, non-correction means no correction at all, SS corrects the side-slip speed with the reference tilt angle, CS corrects the tidal current corrected tilt angle, and SC corrects the ground speed. Represents that.

図のキャプションにおいて,(a) はReach 計算を,(b) は航路軌跡をそれぞれ示し,各図の(b) でSTWは対地速度speed over the ground を,STWは対水速度speed through the water を意味する。その結果より
1. 表2より、リーチはほぼ100[m] で、短いほど良好とされる。参照方位の加速時間の移動距離はTa×U = 19×10.3 = 195.5 [m](図10よりTa = 19 [s])になるから、加速モードの途中から旋回している。
2. 図11より、βR による航路誤差の修正量は100[m] の効果になる。修正しないと、リーチは200[m] に達する。
3. 図12のSS とSS+CS とにより、潮流成分の斜航角修正量は0.3[NM] の効果になる。
4. 図13のSS+CSとSS+CS+SCとにより、潮流成分の速度修正量は0.2[NM] の効果になる。
5. 図13のSSとSS+CS+SCとにより、潮流成分の斜航角修正および速度修正量は0.45[NM] の効果になる。
が確認された。従って、本発明による本制御系は各修正の効果があることが検証された。
In the captions in the figure, (a) shows the Reach calculation, (b) shows the route trajectory, and in each figure (b), the STW shows the speed over the ground and the STW shows the speed through the water. means. From the results, 1. From Table 2, the reach is almost 100 [m], the shorter the better. Since the moving distance of the acceleration time in the reference direction is T a × U = 19 × 10.3 = 195.5 [m] (T a = 19 [s] from FIG. 10), the vehicle is turning from the middle of the acceleration mode.
2. From FIG. 11, the correction amount of the channel error due to β R is 100 [m]. If not corrected, reach reaches 200 [m].
3. By SS and SS + CS in FIG. 12, the correction of the tilt angle of the tidal component is 0.3 [NM].
4). According to SS + CS and SS + CS + SC in FIG. 13, the speed correction amount of the tidal component becomes an effect of 0.2 [NM].
5. With the SS and SS + CS + SC in FIG. 13, the correction of the tilt angle and speed correction of the tidal current component is 0.45 [NM].
Was confirmed. Therefore, it was verified that the present control system according to the present invention has the effect of each correction.

(a)は本発明による船舶用自動操舵装置の全体構成を表すブロック図、(b)はフィードバック制御部の構成を表すブロック図である。(A) is a block diagram showing the whole structure of the ship automatic steering device by this invention, (b) is a block diagram showing the structure of a feedback control part. 図1の軌道計画部の構成を表すブロック図である。It is a block diagram showing the structure of the track | orbit plan part of FIG. 航路制御系で用いる座標系を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the coordinate system used with a route control system. 舵を取ったときに発生する横流れ速度を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the transverse flow speed which generate | occur | produces when taking a rudder. (a)は旋回制御系におけるフィードフォワード制御の概要を示すブロック図であり、(b)は(a)中のフィードバック制御部の構成を示すブロック図である。(A) is a block diagram which shows the outline | summary of the feedforward control in a turning control system, (b) is a block diagram which shows the structure of the feedback control part in (a). (a)は潮流の斜航角を参照方位に加算した場合にマイナーループが形成されることを表すブロック図であり、(b)は潮流の斜航角を参照方位に加算せずに、フィードフォワード舵角修正部によって(a)と同じように構成することを示す本発明に対応するブロック図である。(A) is a block diagram showing that a minor loop is formed when the tidal current is added to the reference direction, and (b) is a feed without adding the tidal angle to the reference direction. It is a block diagram corresponding to this invention which shows comprising similarly to (a) by a forward steering angle correction part. 計画航路(細線)と、横滑り角の影響を受けた船体の航路(太線)を表す図である。It is a figure showing a planned course (thin line) and a course (thick line) of a hull affected by a side slip angle. リーチ演算部のブロック図である。It is a block diagram of a reach calculation part. (a)はリーチに関する航路を表す図であり、(b)は(a)をX'O'Y'座標に変換した図である。(A) is a figure showing the route regarding reach, (b) is the figure which converted (a) into X'O'Y 'coordinate. シミュレーション結果を表すグラフである。It is a graph showing a simulation result. シミュレーション結果を表すグラフである。It is a graph showing a simulation result. シミュレーション結果を表すグラフである。It is a graph showing a simulation result. シミュレーション結果を表すグラフである。It is a graph showing a simulation result. シミュレーション結果を表すグラフである。It is a graph showing a simulation result. シミュレーション結果を表すグラフである。It is a graph showing a simulation result.

符号の説明Explanation of symbols

10 船舶用自動操舵装置
12 軌道計画部
14 軌道航路誤差演算部
16 フィードバック制御部
18 推定器
20 フィードバックゲイン器
30 参照方位発生部
32 横滑り修正部
34 参照速度発生部
36 参照位置発生部
40 座標変換部
42 潮流修正部
46 フィードフォワード舵角発生部
48 フィードフォワード舵角修正部
50 リーチ演算部
52 参照方位発生部
62 前段座標変換部
64 座標変換部
66 潮流修正部
72 船体速度発生部(船体航路発生部)
74 加算器(船体航路発生部)
76 船体位置発生部(船体航路発生部)
78 リーチ出力部
80 船速オフセット修正部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ship automatic steering device 12 Trajectory plan part 14 Trajectory route error calculation part 16 Feedback control part 18 Estimator 20 Feedback gain device 30 Reference direction generation part 32 Side slip correction part 34 Reference speed generation part 36 Reference position generation part 40 Coordinate conversion part 42 Tidal Current Correction Unit 46 Feed Forward Steering Angle Generation Unit 48 Feed Forward Steering Angle Correction Unit 50 Reach Calculation Unit 52 Reference Direction Generation Unit 62 Preceding Coordinate Conversion Unit 64 Coordinate Conversion Unit 66 Tidal Current Correction Unit 72 Hull Speed Generation Unit (Hull Route Generation Unit )
74 Adder (Hull Route Generator)
76 Hull position generator (Hull route generator)
78 Reach output unit 80 Ship speed offset correction unit

Claims (10)

センサで検出された船速が入力され、計画航路に基づき参照信号を発生すると共に旋回時に計画航路の軌跡に乗せるためのフィードフォワード舵角を出力する軌道計画部を備える船舶用自動操舵装置において、
前記軌道計画部は、
計画航路に従う旋回を行うための参照方位ψRを発生する参照方位発生部と、
参照方位ψRの時間微分である参照角速度rRから舵を切ることによって発生する旋回角速度に対応する参照斜航角βRを求める横滑り修正部と、
前記参照方位と前記参照斜航角βRとに基づき、修正されたフィードフォワード舵角を発生する前記フィードフォワード舵角発生部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
In an automatic steering apparatus for a ship provided with a trajectory planning unit that receives a ship speed detected by a sensor, generates a reference signal based on the planned route, and outputs a feed-forward steering angle for placing on the trajectory of the planned route when turning,
The trajectory planning unit
A reference azimuth generating unit for generating a reference azimuth ψ R for making a turn in accordance with the planned route,
A skid correction unit for obtaining a reference skew angle β R corresponding to a turning angular velocity generated by turning the rudder from a reference angular velocity r R which is a time derivative of the reference orientation ψ R ;
Based on the reference azimuth and the reference skew angle β R , the feedforward rudder angle generating unit that generates a corrected feedforward rudder angle;
A marine vessel automatic steering apparatus comprising:
前記軌道計画部は、さらに、
参照方位ψRと船速Uを用いて、
Figure 2009248897
より参照速度ベクトル(uR,vR)を求める参照速度発生部と、
前記参照速度ベクトルを積分することにより参照位置を出力する参照位置発生部と、
を備えることを特徴とする請求項1記載の船舶用自動操舵装置。
The trajectory planning unit further includes:
Using reference direction ψ R and ship speed U,
Figure 2009248897
A reference speed generation unit for obtaining a reference speed vector (u R , v R ),
A reference position generator for outputting a reference position by integrating the reference velocity vector;
The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 1, comprising:
センサで検出された船速が入力され、計画航路に基づき参照信号を発生すると共に旋回時に計画航路の軌跡に乗せるためのフィードフォワード舵角を出力する軌道計画部と、該軌道計画部からの参照信号とセンサで検出された検出信号とから軌道誤差を演算する軌道航路誤差演算部と、該軌道誤差から推定潮流成分とフィードバック舵角を出力するフィードバック制御部とを備え、
前記フィードバック舵角と前記フィードフォワード舵角とによって操舵を行わせる船舶用自動操舵装置において、
前記軌道計画部は、
計画航路に従う旋回を行うための参照方位ψRを発生する参照方位発生部と、
前記推定潮流成分を、参照方位発生部で出力する参照方位に基づき座標変換を行って潮流の船体の横方向成分を求める座標変換部と、
該座標変換部で座標変換された横方向成分から潮流に対抗する修正斜航角βdを求める潮流修正部と、
前記参照方位と前記修正斜航角βdとに基づき、修正されたフィードフォワード舵角を発生する前記フィードフォワード舵角発生部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
A trajectory planning unit that inputs the ship speed detected by the sensor, generates a reference signal based on the planned route, and outputs a feed-forward steering angle for placing on the trajectory of the planned route when turning, and a reference from the trajectory planning unit An orbital channel error calculation unit that calculates a trajectory error from the signal and the detection signal detected by the sensor, and a feedback control unit that outputs an estimated tidal current component and a feedback steering angle from the trajectory error,
In the boat automatic steering apparatus that performs steering by the feedback steering angle and the feedforward steering angle,
The trajectory planning unit
A reference azimuth generating unit for generating a reference azimuth ψ R for making a turn in accordance with the planned route,
A coordinate conversion unit that obtains a lateral component of the hull of the tidal current by performing coordinate conversion based on the reference direction output by the reference direction generation unit for the estimated current component,
A tidal current correcting section for obtaining a corrected tilt angle β d that opposes the tidal current from the lateral component coordinate-converted by the coordinate converting section;
The feedforward steering angle generator for generating a corrected feedforward steering angle based on the reference azimuth and the corrected skew angle β d ;
A marine vessel automatic steering apparatus comprising:
前記軌道計画部は、さらに、参照方位ψRの時間微分である参照角速度rRから舵を切ることによって発生する旋回角速度に対応する参照斜航角βRを求める横滑り修正部を備え、
前記座標変換部は、参照方位ψRと参照斜航角βRとを加算した参照針路θRを用いて、推定潮流成分dx^、dy^から、
Figure 2009248897
に従い、潮流の船体の横方向成分vd^を求めることを特徴とする請求項3記載の船舶用自動操舵装置。
The trajectory planning unit further includes a side slip correction unit that obtains a reference skew angle β R corresponding to a turning angular velocity generated by turning the rudder from a reference angular velocity r R that is a time derivative of the reference orientation ψ R ,
The coordinate conversion unit uses the reference course θ R obtained by adding the reference direction ψ R and the reference oblique angle β R , from the estimated tidal component d x ^, d y ^,
Figure 2009248897
4. The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 3, wherein a lateral component v d ^ of the hull of the tidal current is obtained according to
前記フィードバック制御部は、潮流成分を推定する推定器と、軌道誤差からフィードバックゲインを作用してフィードバック舵角を演算するフィードバックゲイン器とを有しており、
前記軌道計画部は、潮流に対向する修正斜航角βdに対してフィードバック制御部のフィードバックゲインを作用した修正量を算出して該修正量によりフィードフォワード舵角を修正するフィードフォワード舵角修正部をさらに備えることを特徴とする請求項3または4記載の船舶用自動操舵装置。
The feedback control unit includes an estimator that estimates a tidal component, and a feedback gain unit that calculates a feedback steering angle by applying a feedback gain from a trajectory error,
The trajectory planning unit calculates a correction amount obtained by applying the feedback gain of the feedback control unit to the corrected skew angle β d facing the tidal current, and corrects the feedforward steering angle based on the correction amount. The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 3 or 4, further comprising a section.
計画航路に基づき参照方位を発生すると共に、旋回時に計画航路の軌跡に乗せるためのフィードフォワード舵角を出力して開ループ制御を行う軌道計画部を備えて、該フィードフォワード舵角によって操舵を行わせる船舶用自動操舵装置において、
旋回操舵開始前に、旋回開始位置と操舵開始位置との距離(リーチという)を演算するリーチ演算部を備え、該リーチ演算部は、
計画航路から得られる旋回半径及び所定の旋回角から、参照方位ψRを求める参照方位発生部と、
参照方位ψRから予想船体航路を求める船体航路発生部と、
船体航路発生部によって求められた予想船体航路上で、操舵開始位置から旋回開始時の方位方向に最も遠い位置までの該方位方向の距離(アドバンスという)を求め、該アドバンスから旋回半径を減算することで、リーチを求めるリーチ出力部と、
を備えることを特徴とする船舶用自動操舵装置。
A trajectory planning unit that generates a reference direction based on the planned route and outputs a feed-forward rudder angle for turning on the trajectory of the planned route during turning to perform open-loop control, and performs steering by the feed-forward rudder angle In the ship automatic steering device
Prior to the start of turning steering, a reach calculating unit that calculates a distance (referred to as a reach) between the turning start position and the steering start position is provided.
A reference azimuth generator for obtaining a reference azimuth ψ R from a turning radius obtained from the planned route and a predetermined turning angle;
A hull route generating unit for obtaining an expected hull route from the reference direction ψ R ;
Find the distance in the azimuth direction (referred to as advance) from the steering start position to the position farthest in the azimuth direction at the start of the turn on the expected hull route determined by the hull route generation unit, and subtract the turning radius from the advance With the reach output part which asks for reach,
A marine vessel automatic steering apparatus comprising:
前記リーチ演算部は、さらに、
推定潮流成分を、参照方位発生部で出力する参照方位に基づき座標変換を行って潮流の船体の横方向成分を求める座標変換部と、
該座標変換部で座標変換された横方向成分から潮流に対抗する修正斜航角βdを求める潮流修正部と、
を備え、前記船体航路発生部は、前記修正斜航角βdを用いて、前記予想船体航路を求めることを特徴とする請求項6記載の船舶用自動操舵装置。
The reach calculation unit further includes:
A coordinate conversion unit that obtains a horizontal component of the hull of the tidal current by performing coordinate conversion on the estimated tidal current component based on the reference direction output by the reference direction generation unit;
A tidal current correcting section for obtaining a corrected tilt angle β d that opposes the tidal current from the lateral component coordinate-converted by the coordinate converting section;
The ship hull route generation unit according to claim 6, wherein the hull route generation unit obtains the predicted hull route using the corrected skew angle β d .
前記座標変換部は、潮流成分を、参照方位発生部で出力する参照方位に基づき座標変換を行って潮流の船体の船首方向成分を求めており、前記参照方位発生部は、該船首方向成分による対地速度の変化に応じて計画航路に従う旋回を行うための参照方位を求めることを特徴とする請求項3ないし7のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。   The coordinate conversion unit performs coordinate conversion on the tidal component based on the reference direction output from the reference direction generation unit to obtain a bow direction component of the tidal hull, and the reference direction generation unit is based on the bow direction component. The ship automatic steering apparatus according to any one of claims 3 to 7, wherein a reference direction for making a turn in accordance with a planned route is obtained in accordance with a change in ground speed. 前記参照方位発生部は、対地速度の変化に応じて修正した旋回指定角速度を用いて参照方位を出力することを特徴とする請求項8に記載の船舶用自動操舵装置。   The marine vessel automatic steering apparatus according to claim 8, wherein the reference azimuth generation unit outputs a reference azimuth using a turn specified angular velocity corrected according to a change in ground speed. 旋回前の参照方位及び推定潮流ベクトル及び旋回後の参照方位及び推定潮流ベクトルから、旋回後に、船速オフセットを求めて、船速を修正する船速オフセット修正部を備えることを特徴とする請求項1ないし9のいずれか1項に記載の船舶用自動操舵装置。   A ship speed offset correction unit that corrects a ship speed by obtaining a ship speed offset after a turn from a reference direction and an estimated tidal current vector before turning and a reference direction and an estimated tidal current vector after turning is provided. The automatic steering device for a ship according to any one of 1 to 9.
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