JP2014193706A - 自動操舵装置、自動操舵方法及び自動操舵プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】強い外乱を受けた場合でも機首方位を安定して制御できる自動操舵装置を提供する。
【解決手段】自動操舵装置１は、偏角取得部５と、回頭角速度取得部６と、制御演算部８と、角速度反転タイミング取得部２１と、転舵停止指令部２２と、操舵機制御部１０と、を備える。偏角取得部５は、設定針路に対する船首方位のズレ角である偏角を取得し、回頭角速度取得部６は、偏角の変化速度である回頭角速度を取得する。制御演算部８は、偏角と、回頭角速度と、基づいて計算した指令舵角を出力する。角速度反転タイミング取得部２１は、回頭角速度が示す偏角の変化の向きと一致する方向から逆の方向に当該回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングを取得する。転舵停止指令部２２は、上記のタイミングに基づいて転舵停止を指令する。操舵機制御部１０は、指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更するが、転舵停止の指令を受けた場合には舵角を変更せず保持する。
【選択図】図２

Description

本発明は、主として自動操舵装置に関する。詳細には、自動操舵装置において、より針路を安定させるための構成に関する。

一般的に、船舶は、操舵を行ってから船体が旋回を始めるまでには、ある程度の時間が掛かる。また船体がいったん旋回を開始すると、舵を中立位置に戻した後もしばらくのあいだ旋回を続けてしまうため、所望の針路を取るためには早めに舵を戻す必要がある。このように、船舶の操舵には独特の難しさがあり、船首を所望の方位に向けるという操作を確実かつ迅速に行うには相当の熟練を要する。また、洋上では波や風等の外乱の影響があるため、船体を直進させるためには前記外乱を打ち消すように操舵を行う必要がある。しかし、前述のような操舵の難しさがあるため、単に船体を直進させるというだけでも相当の集中力を必要とし、操舵者にとって負担となる。

船舶用自動操舵装置（オートパイロット）は、上記のような操舵者の負担を軽減するために船舶に搭載されるものである。一般的な自動操舵装置は、船首を向けるべき方位（設定針路）を目標値として入力するように構成されており、操作要素としての操舵機を操作して舵角を自動的に変更することにより、制御量である船首方位が前記設定針路と一致するように制御を行う。なお、この制御は公知の制御手法によって行うことができるが、例えば、目標方位に対する機首方位のズレ角を取得し、このズレ角に比例して舵を切る制御（比例制御；Ｐ制御）や、過去のズレ角の累積値に比例して舵を切る制御（積分制御；Ｉ制御）や、ズレ角の変化速度を取得して、この変化速度に比例して舵を切る制御（微分制御；Ｄ制御）等が良く知られている。

この種の自動操舵装置は、例えば特許文献１及び２に開示されている。特許文献１の船舶用自動操舵装置においては、ジャイロコンパスより出力される方位信号から推定船首方位信号及び推定旋回角速度信号が求められ、これに基づいて最適な舵角命令が計算されて、舵取機へ出力されるように構成されている。特許文献２は、オートパイロットスタンドに組み込まれているオンラインリアルタイムの最適操舵システムにおいて、航海中の時々の海洋あるいは海域における外乱の特性を運転中に計測して解析することにより、外乱に応じて最適制御の評価関数を変化させる構成を開示する。

特開昭６２−１１３６９５号公報 特開昭５４−３３４９３号公報

ところで、上記のような自動操舵装置においては、航海中に船首が左右にブレることに対する保針制御を行うと、荒天時に強い外乱を受ける際には、操舵による船首方向の修正が追い付かずに船首方位が発散に近い挙動を示し、船舶が大きく蛇行してしまうことがある。

例えば、特許文献１の船舶用自動操舵装置は、船首方位の設定針路からの偏差がゼロから大きく乖離しており、また、旋回角速度が上記の乖離を増大させる方向でしかも大きい場合は、それに対応して、大きな舵角で舵を取るように舵取機を制御する。ここで、船体には慣性が働くので、船首方位の偏差をゼロに戻すべく舵を切った場合は、当該偏差がゼロを跨いで反対側に振れることが通常であり、この逆ブレは舵を反対に切ることで是正しなければならない。しかし、船首方位の偏差が一側に大きく振れたときに舵取機に与える舵角が大き過ぎると、舵切りの効果により偏差が逆側に振れ始めたときの舵の修正が、舵が水の抵抗を受けることもあって遅延してしまい、この結果、反対側の大きい舵角を舵取機に与えなければならなくなる。この繰返しが悪循環となって、上述した船首方位のブレの拡大（発散）が生じ、船舶の自動操舵の安定性を低下させてしまっていた。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、強い外乱を受けた場合でも機首方位を安定して制御することができる自動操舵装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成の自動操舵装置が提供される。即ち、この自動操舵装置は、偏角取得部と、回頭角速度取得部と、制御部と、角速度反転タイミング取得部と、転舵停止指令部と、操舵機制御部と、を備える。前記偏角取得部は、目標方位に対する機首方位のズレ角である偏角を取得する。前記回頭角速度取得部は、前記偏角が変化する速度である回頭角速度を取得する。前記制御部は、前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づいて舵角を計算し、この舵角を指令舵角として出力する。前記角速度反転タイミング取得部は、前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと一致する方向から逆の方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである角速度反転タイミングを取得する。前記転舵停止指令部は、前記角速度反転タイミングに基づき、転舵停止を指令する。前記操舵機制御部は、前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更するとともに、転舵停止の指令を前記転舵停止指令部から受けた場合には舵角を変更しないで保持するように操舵機の舵角を制御する。

これにより、偏角が一側に大きく振れた場合でも舵の切り過ぎを抑制できるので、その後に偏角が戻る状況に対応した舵の修正を素早く行うことができる。この結果、目標方位に対して機首方位を良好に収束させ、自動操舵の安定性を向上させることができる。

前記の自動操舵装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、この自動操舵装置は、偏角反転タイミング取得部と、転舵再開指令部と、を備える。前記偏角反転タイミング取得部は、ゼロからの乖離を増大させていた前記偏角が当該乖離を減少させ始めたタイミングである偏角反転タイミングを取得する。前記転舵再開指令部は、前記転舵停止指令部から転舵停止が指令されていた場合に、前記偏角反転タイミングに基づき、転舵再開を指令する。

これにより、偏角がゼロからの乖離を小さくする方向に変化し始めたタイミングで転舵を再開することにより、舵の戻し制御の遅れを防止して、自動操舵をより安定させることができる。

前記の自動操舵装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、この自動操舵装置は、第２角速度反転タイミング取得部と、転舵再開指令部と、を備える。前記第２角速度反転タイミング取得部は、前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと逆である方向から一致する方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである第２角速度反転タイミングを取得する。前記転舵再開指令部は、前記転舵停止指令部から転舵停止が指令されていた場合に、前記第２角速度反転タイミングに基づき、転舵再開を指令する。

これにより、転舵停止中に更なる大きな外乱が機体に加わった場合に転舵停止を解除して舵を適切に切ることができるので、自動操舵の安定性と柔軟性とを両立させることができる。

前記の自動操舵装置においては、以下の構成とすることが好ましい。即ち、前記制御部は、前記転舵停止指令部が転舵停止を指令している状態においても、前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づく前記舵角の計算及び指令を継続する。前記操舵機制御部は、前記転舵再開指令部によって転舵再開が指令されると、前記制御部による現在の前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更する。

これにより、制御部による舵角の制御を基本として、転舵停止時には舵を保持し、転舵再開時には急激に舵が戻るような制御をすることで、メリハリのついた操舵を実現することができる。

本発明の第２の観点によれば、機首方位を目標方位に一致させるように操舵機に対する指令舵角を出力する自動操舵プログラムであって、偏角取得ステップと、回頭角速度取得ステップと、制御ステップと、角速度反転タイミング取得ステップと、転舵停止指令ステップと、操舵機制御ステップと、を含む処理を、自動操舵装置に実行させる自動操舵プログラムが提供される。前記偏角取得ステップでは、目標方位に対する機首方位のズレ角である偏角を取得する。前記回頭角速度取得ステップでは、前記偏角が変化する速度である回頭角速度を取得する。前記制御ステップでは、前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づいて舵角を計算し、この舵角を指令舵角として出力する。前記角速度反転タイミング取得ステップでは、前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと一致する方向から逆の方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである角速度反転タイミングを取得する。前記転舵停止指令ステップでは、前記角速度反転タイミングに基づき、転舵停止を指令する。前記操舵機制御ステップでは、前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更するとともに、前記転舵停止指令ステップでの転舵停止の指令を受けた場合には舵角を変更しないで保持するように操舵機の舵角を制御する。

これにより、偏角が一側に大きく振れた場合でも舵の切り過ぎを抑制できるので、その後に偏角が戻る状況に対応した舵の修正を素早く行うことができる。この結果、目標方位に対して機首方位を良好に収束させ、自動操舵の安定性を向上させることができる。

本発明の第３の観点によれば、機首方位を目標方位に一致させるように操舵機に対する指令舵角を出力する自動操舵方法であって、以下の工程を含む自動操舵方法が提供される。即ち、この自動操舵方法は、偏角取得工程と、回頭角速度取得工程と、制御工程と、角速度反転タイミング取得工程と、転舵停止指令工程と、操舵機制御工程と、を含む。前記偏角取得工程では、目標方位に対する機首方位のズレ角である偏角を取得する。前記回頭角速度取得工程では、前記偏角が変化する速度である回頭角速度を取得する。前記制御工程では、前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づいて舵角を計算し、この舵角を指令舵角として出力する。前記角速度反転タイミング取得工程では、前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと一致する方向から逆の方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである角速度反転タイミングを取得する。前記転舵停止指令工程では、前記角速度反転タイミングに基づき、転舵停止を指令する。前記操舵機制御工程では、前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更するとともに、前記転舵停止指令工程での転舵停止の指令を受けた場合には舵角を変更しないで保持するように操舵機の舵角を制御する。

これにより、偏角が一側に大きく振れた場合でも舵の切り過ぎを抑制できるので、その後に偏角が戻る状況に対応した舵の修正を素早く行うことができる。この結果、目標方位に対して機首方位を良好に収束させ、自動操舵の安定性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る自動操舵システムの全体的な構成を示すブロック図。 自動操舵装置の構成を示すブロック図。 転舵停止制御部における処理を示すフローチャート。 船体シミュレーションにより船首方位を正弦波状に動かした際の本実施形態による舵の制御を示すグラフ。 海上で実際に自動操舵実験を行った際の本実施形態による舵の制御を示すグラフ。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る船舶用自動操舵装置を用いた自動操舵システムを示す。この自動操舵システムは、自動操舵装置１と、操舵機２と、船体３と、方位センサ４と、を含んでいる。なお、自動操舵装置１、操舵機２及び方位センサ４は、船体３に搭載されている。

方位センサ４は、船体３の船首方位（機首方位）φを検出し、自動操舵装置１に出力するように構成されている。

自動操舵装置１には、操舵者が設定針路φ_c（船体が進むべき方位、目標方位）を入力することができるように構成されている。そして、自動操舵装置１は、制御量としての船首方位φを目標値としての設定針路φ_cに一致させるべく、操舵機２の舵角Ｕを指定する舵角信号Ｕ_outを出力する。

操舵機２は、舵角信号Ｕ_outに応じて舵角Ｕを変更するように構成されている。この舵角Ｕを適宜調節することにより、航行中の船体３の船首方位φを制御することができる。

以上の構成により、船体３の船首方位φを設定針路φ_cに一致させるように制御することができる。

次に、自動操舵装置１の構成について詳しく説明する。

本実施形態の自動操舵装置１は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等のハードウェア（図略）と、前記ＲＯＭに記憶された自動操舵プログラム等のソフトウェアと、から構成されている。

前記自動操舵プログラムは、本発明に係る自動操舵方法を、自動操舵装置１によって実現するためのものである。この自動操舵方法は、偏角取得工程と、回頭角速度取得工程と、制御工程と、角速度反転タイミング取得工程と、転舵停止指令工程と、偏角反転タイミング取得工程と、第２角速度反転タイミング取得工程と、転舵再開指令工程と、操舵機制御工程と、を含んでいる。

従って、当該自動操舵方法を実現するための前記自動操舵プログラムは、前記各工程に対応して、偏角取得ステップと、回頭角速度取得ステップと、制御ステップと、角速度反転タイミング取得ステップと、転舵停止指令ステップと、偏角反転タイミング取得ステップと、第２角速度反転タイミング取得ステップと、転舵再開指令ステップと、操舵機制御ステップと、を含んでいる。そして、前記ハードウェアとソフトウェアとが協働して動作することにより、自動操舵装置１を、図２に示す偏角取得部５、回頭角速度取得部６、制御演算部（制御部）８、角速度反転タイミング取得部２１、転舵停止指令部２２、偏角反転タイミング取得部２３、第２角速度反転タイミング取得部２４、転舵再開指令部２５、操舵機制御部１０等として機能させることができる。

次に、図２を参照して、自動操舵装置１の機能的な構成を説明する。

操舵者が設定した設定針路φ_cは、偏角取得部５に入力される。偏角取得部５は、入力された設定針路φ_cと、方位センサ４から入力された船首方位φに基づいて、偏角φ_dを計算して取得する。

偏角φ_dとは船首方位φと設定針路φ_cとのなす角であり、本実施形態では、偏角φ_dは、船首方位φが設定針路φ_cと完全に一致している場合にゼロとなり、船首方位φが設定針路φ_cより進行方向右側にズレているときに正の値をとり、進行方向左側にズレているときに負の値をとるように定められる。この偏角取得部５における処理内容は、前記自動操舵プログラムの偏角取得ステップに対応している。偏角取得部５が取得した偏角φ_dは、回頭角速度取得部６及びＰＬＬ７に入力される。

回頭角速度取得部６には、偏角取得部５から所定の時間間隔で偏角φ_dが繰り返し入力される。回頭角速度取得部６は、この偏角φ_dの時間変化から、偏角φ_dの１階微分に相当する回頭角速度φ_d’を計算により取得する。この回頭角速度取得部６における処理内容は、前記自動操舵プログラムの回頭角速度取得ステップに対応している。回頭角速度取得部６は、取得した回頭角速度φ_d’をＰＬＬ７に出力する。

ＰＬＬ７は一種のローパスフィルタとして構成されており、所定の時間間隔で繰り返し入力された偏角φ_d及び回頭角速度φ_d’に対してそれぞれ平均化処理を行うことにより、高周波成分を除去する。ＰＬＬ７は、平均化処理後の偏角φ_d及び回頭角速度φ_d’を、制御演算部８及び転舵停止制御部９に出力する。

制御演算部８は、入力された偏角φ_d及び回頭角速度φ_d’に基づいて、偏角φ_dをゼロに近づける（船首方位φを設定針路φ_cに一致させる）ために操舵機２に与えるべき指令舵角Ｕ_cを計算し、この指令舵角Ｕ_cを操舵機制御部１０に出力する。なお、指令舵角Ｕ_cの計算は、公知の手法（例えば、ＰＩＤ制御等）を用いれば良いので、詳細な説明は省略する。上記の構成により、船首方位φが設定針路φ_cと一致するように制御し、船体３を、操舵者が意図した針路で航行させることができる。この制御演算部８における処理内容は、前記自動操舵プログラムの制御ステップに対応している。

転舵停止制御部９は、入力された偏角φ_d及び回頭角速度φ_d’に基づいて、操舵機制御部１０に制御演算部８からの指令舵角Ｕ_cに従って転舵させるべきか、転舵させずに（指令舵角Ｕ_cを無視して）現在の舵角を保持させるべきか、を判断し、その判断結果に応じて、操舵機制御部１０に対し信号を出力する。具体的には、操舵機制御部１０に転舵させずに現在の舵角を保持させるべきと転舵停止制御部９が判断した場合は、転舵停止指令を操舵機制御部１０に出力する。操舵機制御部１０に通常どおり転舵させるべきと転舵停止制御部９が判断した場合は、転舵停止制御部９は転舵再開指令を操舵機制御部１０に出力する。

以下、転舵停止制御部９の詳細な構成を説明する。転舵停止制御部９は、角速度反転タイミング取得部２１と、転舵停止指令部２２と、偏角反転タイミング取得部２３と、第２角速度反転タイミング取得部２４と、転舵再開指令部２５と、を備える。なお、角速度反転タイミング取得部２１、転舵停止指令部２２、偏角反転タイミング取得部２３、第２角速度反転タイミング取得部２４、及び転舵再開指令部２５における処理内容は、前記自動操舵プログラムにおける角速度反転タイミング取得ステップ、転舵停止指令ステップ、偏角反転タイミング取得ステップ、第２角速度反転タイミング取得ステップ、及び転舵再開指令ステップにそれぞれ対応している。

角速度反転タイミング取得部２１は、回頭角速度φ_d’が示す偏角φ_dの変化の向きと一致する方向から逆の方向に回頭角速度φ_d’の変化の向きが転じたタイミング（角速度反転タイミング）を検出して取得する。具体的には、角速度反転タイミング取得部２１は、入力される回頭角速度φ_d’を微分して得られる角加速度φ_d”が、回頭角速度φ_d’が正の領域にあるとき（偏角φ_dの変化の向きが正側のとき）は正から負にゼロクロスするタイミング、回頭角速度φ_d’が負の領域にあるとき（偏角φ_dの変化の向きが負側のとき）は負から正にゼロクロスするタイミングを検出して取得する。

転舵停止指令部２２は、角速度反転タイミング取得部２１が角速度反転タイミングを検出した場合は、即座に転舵停止を操舵機制御部１０に指令する。

偏角反転タイミング取得部２３は、ゼロからの乖離を増大させていた偏角φ_dがその乖離を減少させ始めたタイミング（偏角反転タイミング）を検出して取得する。具体的には、偏角反転タイミング取得部２３は、入力される回頭角速度φ_d’が、正から負、又は負から正にゼロクロスするタイミングを検出して取得する。

第２角速度反転タイミング取得部２４は、角速度反転タイミング取得部２１とは逆に、回頭角速度φ_d’が示す偏角φ_dの変化の向きと逆の方向から一致する方向に回頭角速度φ_d’の変化の向きが転じたタイミング（第２角速度反転タイミング）を検出して取得する。具体的には、第２角速度反転タイミング取得部２４は、回頭角速度φ_d’が正の領域にあるとき（偏角φ_dの変化の向きが正側のとき）は角加速度φ_d”が負から正にゼロクロスするタイミング、回頭角速度φ_d’が負の領域にあるとき（偏角φ_dの変化の向きが負側のとき）は角加速度φ_d”が正から負にゼロクロスするタイミングを検出して取得する。

転舵再開指令部２５は、転舵停止指令部２２が転舵停止を操舵機制御部１０に指令した状態であって、偏角反転タイミング取得部２３が偏角反転タイミングを検出した場合、又は、第２角速度反転タイミング取得部２４が第２角速度反転タイミングを検出した場合には、即座に転舵再開を操舵機制御部１０に指令する。

操舵機制御部１０は、制御演算部８から入力された指令舵角Ｕ_c、及び、転舵停止制御部９から入力される転舵停止指令及び転舵再開指令に基づいて、操舵機２の舵角Ｕを指定する舵角信号Ｕ_outを出力する。この操舵機制御部１０における処理内容は、前記自動操舵プログラムの操舵機制御ステップに対応している。

操舵機制御部１０の動作を具体的に説明する。操舵機制御部１０は、通常モードと転舵停止モードの２つのモードを有している。

通常モードでは、操舵機制御部１０は、制御演算部８から入力された指令舵角Ｕ_cを記憶しつつ、そのまま舵角信号Ｕ_outとして出力する。一方で、転舵停止制御部９から転舵停止指令が入力されると、操舵機制御部１０は転舵停止モードに移行して、モード移行直前に入力され記憶されている指令舵角Ｕ_c（以下「記憶舵角」と呼ぶことがある）を舵角信号Ｕ_outとして出力する。なお、転舵停止モードにおいても制御演算部８は指令舵角Ｕ_cを操舵機制御部１０へ継続的に出力するが、操舵機制御部１０は、刻々と変化する指令舵角Ｕ_cを無視して、固定値である上記の記憶舵角を舵角信号Ｕ_outとして操舵機２に出力する。従って、転舵停止モードの間は、出力される舵角信号Ｕ_outが示す舵角は一定である。転舵停止制御部９からの転舵再開指令が操舵機制御部１０に入力されると、操舵機制御部１０の転舵停止モードが解除され、通常モードに移行する。

次に、図３のフローチャートを参照して、転舵停止制御部９の処理について詳細に説明する。

処理がスタートすると、転舵停止制御部９として動作するＣＰＵは、ＰＬＬ７から刻々と入力される回頭角速度φ_d’の値を調べ、この回頭角速度φ_d’がゼロクロスしたか、即ち、ゼロを跨いで変化したか否かを判定する（Ｓ１０１）。Ｓ１０１の判断で回頭角速度φ_d’がゼロクロスしていた場合は、Ｓ１０８の処理に移行し、（操舵機制御部１０に転舵停止を既に指令していた場合は）ＣＰＵが転舵再開指令を操舵機制御部１０に出力して、Ｓ１０１に戻る。

Ｓ１０１の判断で回頭角速度φ_d’がゼロクロスしていなかった場合、ＣＰＵは、回頭角速度φ_d’の時間変化から得られた角加速度φ_d”の値を調べ、この角加速度φ_d”がゼロクロスしたか、即ち、ゼロを跨いで変化したか否かを判定する（Ｓ１０２）。なお、この角加速度φ_d”は、回頭角速度φ_d’の１階微分に相当し、また、偏角φ_dの２階微分に相当する。Ｓ１０２の判断で角加速度φ_d”がゼロクロスしていないと判定されると、Ｓ１０１に戻る。

Ｓ１０２の判断で角加速度φ_d”がゼロクロスしていた場合は、Ｓ１０３で回頭角速度φ_d’が正であるか否かが判断される。回頭角速度φ_d’が正だった場合、Ｓ１０４で、上記の角加速度φ_d”がゼロクロスした方向が正から負であったか否かが判定される。Ｓ１０４の判断で、角加速度φ_d”のゼロクロスの方向が正から負であった場合、Ｓ１０５の処理に移行し、ＣＰＵは転舵停止指令を操舵機制御部１０に出力する。Ｓ１０４の判断で、角加速度φ_d”のゼロクロスの方向が負から正であった場合、Ｓ１０６の処理に移行し、ＣＰＵは転舵再開指令を操舵機制御部１０に出力する。その後、Ｓ１０１に戻る。

Ｓ１０３の判断で回頭角速度φ_d’が負だった場合、Ｓ１０７で、上記の角加速度φ_d”がゼロクロスした方向が負から正であったか否かが判定される。Ｓ１０７の判断で、角加速度φ_d”のゼロクロスの方向が負から正であった場合、Ｓ１０５の処理に移行し、ＣＰＵは転舵停止指令を操舵機制御部１０に出力する。Ｓ１０７の判断で、角加速度φ_d”のゼロクロスの方向が正から負であった場合、Ｓ１０８の処理に移行し、ＣＰＵは転舵再開指令を操舵機制御部１０に出力する。その後、Ｓ１０１に戻る。

以上のフローにおいて、角速度反転タイミング取得部２１及び転舵停止指令部２２の処理内容は、Ｓ１０３、Ｓ１０４（Ｓ１０７）、Ｓ１０５に相当する。また、偏角反転タイミング取得部２３及び転舵再開指令部２５の処理内容は、Ｓ１０１及びＳ１０８に相当する。第２角速度反転タイミング取得部２４及び転舵再開指令部２５の処理内容は、Ｓ１０３、Ｓ１０４（Ｓ１０７）、Ｓ１０６（Ｓ１０８）に相当する。

以上のフローで表される制御の効果を説明する。外乱等の何らかの理由により、船体３に正負何れかの方向の偏角φ_dが生じ、しかも、その偏角φ_dを悪化させる方向に船体３（船首方位φ）が回転しつつあるとする。この場合、制御演算部８は、当該偏角φ_dを悪化させる方向の船体３の回転を押し戻して、更に、偏角φ_dをゼロに近づける方向に船体３を回転させるべく、指令舵角Ｕ_cを計算して操舵機制御部１０に出力し、操舵機制御部１０は指令舵角Ｕ_cをそのまま操舵機２に出力する。この操舵により、船体３の進行方向が変化して、船首方位φが設定針路φ_cに近づくこととなる。

そして、本実施形態では、正の領域で増大していた回頭角速度φ_d’が減少し始めたタイミング（Ｓ１０３→Ｓ１０４）、又は、負の領域で減少していた回頭角速度φ_d’が増大し始めたタイミング（Ｓ１０３→Ｓ１０７）を検出して、転舵停止制御部９が操舵機制御部１０に転舵停止を指令することになる（Ｓ１０５）。なお、舵が効き、やがて回頭角速度φ_d’が正から負、あるいは負から正に切り替わったときには、転舵再開が指令される（Ｓ１０１→Ｓ１０８）。

ここで、制御演算部８が出力する指令舵角Ｕ_cは、偏角φ_dのゼロからの乖離が大きい程、また、その乖離を拡大させる方向に当該偏角φ_dが変化する速度が大きい程、中立から大きく離れることになる。しかしながら、このときに舵角を大きくし過ぎると、ゼロからの乖離を増大させつつあった偏角φ_dが舵の作用で反転してゼロに近づき、ゼロを跨いで反対側に振れたときに、これに対応して舵の方向を反転させる動作が（水流による抵抗が舵に加わることもあって）遅れてしまい、反対側への偏角φ_dを拡大させてしまうおそれがある。従って、制御演算部８の指令舵角Ｕ_cに単純に従う制御では、船首方位φが設定針路φ_cに収束せず、偏角φ_dのブレが発散して、船体３が大きく蛇行するような挙動を示す場合がある。

この点、本実施形態の自動操舵装置１においては、上記のように正の領域で増大していた回頭角速度φ_d’が減少し始めたタイミング、又は、負の領域で減少していた回頭角速度φ_d’が増大し始めたタイミングを転舵停止制御部９が検出し、そのタイミングで舵が効き始めたものとみなして、転舵停止指令により、その時点での舵角から変化しないように舵を固定させる。従って、偏角φ_dが一側に大きく振れた場合でも舵の切り過ぎを抑制できるので、その後に偏角φ_dが戻る状況に対応した舵の修正を素早く行うことができる。この結果、自動操舵の安定性を向上させることができる。

しかも、上記の転舵停止は、回頭角速度φ_d’がゼロクロスした時点で転舵再開指令により解除され、その後は転舵が通常どおり行われる。回頭角速度φ_d’のゼロクロスは、偏角φ_dがゼロからの乖離を小さくする方向に変化し始めたことを意味するから、このタイミングで転舵を再開することにより、舵の戻し制御の遅れを防止して、自動操舵をより安定させることができる。しかも、上述したＰ制御やＤ制御のパラメータを変化させる複雑な制御ではなく、転舵停止／再開を切り替えるシンプルな制御であるので、自動操舵装置１の負荷軽減及び低コスト化に貢献できる。

ただし、海上において船舶は多種多様な外乱を受けるので、上記のように舵が利き始めたものと転舵停止制御部９がみなしたタイミングの後でも、偏角φ_dがゼロから乖離する勢いを再び強める可能性も十分に考えられる。この点、本実施形態では、転舵停止を指令した後に、正の領域で減少していた回頭角速度φ_d’が増大し始めたり（Ｓ１０３→Ｓ１０４）、又は、負の領域で増大していた回頭角速度φ_d’が減少し始めたりすると（Ｓ１０３→Ｓ１０７）、転舵停止制御部９が転舵再開指令を操舵機制御部１０に出力する（Ｓ１０６、Ｓ１０８）。これにより、転舵停止中に更なる大きな外乱が船体３に加わった場合に転舵停止を解除して舵を適切に切ることができるので、自動操舵の安定性と柔軟性とを両立させることができる。

次に、本実施形態の具体的な制御について、図４及び図５のグラフを参照して説明する。図４には、船体シミュレーションにより船首方位を強制的に正弦波状に動かした際の、本実施形態による舵の制御が示されている。

図４にａで示す時点は、負の領域にあって減少していた回頭角速度φ_d’が増大し始めたポイント（回頭角速度φ_d’が極値を示す点、偏角φ_dの変曲点、角速度反転タイミング）を表している。このときに転舵停止制御部９では転舵停止が指令されるので（Ｓ１０３→Ｓ１０７→Ｓ１０５）、その時点で舵角Ｕ_outの変化が停止し、一定値に保持されていることがわかる。このように、舵角Ｕ_outは指令舵角Ｕ_cよりも若干緩やかになるように制御され、この結果、舵の切り過ぎが抑制される。

図４にｂで示す時点は、上記の転舵停止指令後、回頭角速度φ_d’がゼロクロスする点（偏角φ_dが極値を示す点、偏角反転タイミング）を表している。このときに転舵停止制御部９から転舵再開が指令されるので（Ｓ１０１→Ｓ１０８）、操舵機制御部１０は、操舵機２を最大限に駆動して、固定されていた現状の舵角Ｕ_outを指令舵角Ｕ_cに一致させる。この結果、比較的緩やかな値で一定に保持されていた舵角Ｕ_outはゼロ付近にまで急激に戻り、その後は指令舵角Ｕ_cに追従して変化する。以上のように、舵の素早い切戻し操作が実現されている。

図４にｃで示す時点は、正の領域にあって増大していた回頭角速度φ_d’が減少し始めたポイント（回頭角速度φ_d’が極値を示す点、偏角φ_dの変曲点、角速度反転タイミング）を表している。このときに転舵停止制御部９では転舵停止が指令されるので（Ｓ１０３→Ｓ１０４→Ｓ１０５）、その時点で舵角Ｕ_outの変化が停止し、一定値に保持されている。このように、舵角Ｕ_outは指令舵角Ｕ_cよりも若干緩やかになるように制御され、この結果、舵の切り過ぎが抑制される。

図４にｄで示す時点は、上記の転舵停止指令後、回頭角速度φ_d’がゼロクロスする点（偏角φ_dが極値を示す点、偏角反転タイミング）を表している。このときに転舵停止制御部９では転舵再開が指令されるので（Ｓ１０１→Ｓ１０８）、比較的緩やかな値で一定に保持されていた舵角Ｕ_outはゼロ付近にまで急激に戻り、その後は指令舵角Ｕ_cに追従して変化する。以上のように、舵の素早い切戻し操作が実現されている。

なお、図４のグラフで偏角φ_dや回頭角速度φ_d’としてプロットされているものは、ＰＬＬ７によって平均化処理される前のデータである一方、転舵停止／再開の指令の判断は、ＰＬＬ７によって平均化処理された後の偏角φ_dや回頭角速度φ_d’に基づいて行われる。従って、ａ〜ｄのタイミングから実際に転舵停止／転舵再開が指令される時点までに、平均化処理に伴う多少の遅れが生じていることに留意すべきである。

図５には、海上で実際に自動操舵実験を行った際の本実施形態による舵の制御が示されている。

図４のシミュレーションでは回頭角速度φ_d’が綺麗な正弦波を描いているのと対照的に、図５では、実際の海上で船体３が様々な外乱を受けるのを反映して、例えばグラフのｅで示した領域では、回頭角速度φ_d’が細かい周期で増大／減少を繰り返しながら、偏角φ_dが正からゼロに近づき、ゼロを跨いで負になった後、ゼロからの乖離を増大させている。

この状況で、転舵停止制御部９は、回頭角速度φ_d’が極値を形成する毎に（即ち、角加速度φ_d”がゼロクロスし、角速度反転タイミング及び第２角速度反転タイミングが交互に検出される毎に）、転舵停止と再開とを交互に指令し、この結果、実際の舵角は階段状に変化している。このように、転舵停止中に更なる大きな外乱が船体３に加わった場合等、必要な場合には、転舵停止を解除して一層きつい舵角になるように舵を制御することができるので、柔軟性に優れた自動操舵を実現することができている。

ここで、様々な方向、大きさの外乱を受ける船舶は、その偏角及び回頭角速度が、（例えば、低周波振動に高周波振動が重畳したような）増減頻度の極めて高い挙動を示すことがある。このような偏角及び回頭角速度の挙動に対して常にＰＩＤ制御で舵を追従させ続けることは、著しい乗り心地の低下と消費エネルギーの増加を招く。特に、通常では航走中に発電を行わないセイルボート等において、消費エネルギーの増加は深刻な問題になり得る。この点、本実施形態によれば、それぞれの細かな動揺において、状況が悪化する際にだけ舵の追従を許すことで、過剰な転舵を抑制でき、上記の問題点を解消することができる。

なお、本実施形態では、現在の偏角φ_dの値が正であるか負であるかにかかわらず、回頭角速度φ_d’が正の領域であれば当該回頭角速度φ_d’の変化の向きが正から負に転じたタイミングで、回頭角速度φ_d’が負の領域であれば当該回頭角速度φ_d’の変化の向きが負から正に転じたタイミングで、舵角を保持する制御が行われる。従って、図５にも現れているように、偏角φ_dの値が負に限らず正であっても、負側に変化しているときには、その負側へ変化する勢いが小さくなれば舵角を保持するという動作が実現されている。これにより、転舵量を抑えることができるとともに、偏角φ_dがゼロに寄り切る前にヨーイングと舵の勢いを止めて、転舵再開時に残差をＰ制御で緩やかに寄せることができる。また、セイルボート等において風向偏角をゼロにする制御を行う際には、偏角φ_dの中心がゼロにならなくなるが、この場合でも本実施形態の自動操舵を有効に機能させることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記の実施形態では、角速度反転タイミングが検出されれば即座に転舵停止が指令され、偏角反転タイミングや第２角速度反転タイミングが検出されれば即座に転舵再開が指令されていたが、転舵停止／再開は上記の反転タイミングに基づいてされていれば良く、多少遅れて指令されても良い。

上記の実施形態では、回頭角速度φ_d’、角加速度φ_d”は、偏角φ_dを１階微分、２階微分することで計算により求めていたが、例えば船体３に角速度センサを設置し、この角速度センサの出力に基づいて回頭角速度φ_d’等を求めるように構成しても良い。

制御演算部８による指令舵角Ｕ_cの計算は、上記のＰＩＤ制御のほか、例えばＰＤ制御等に基づいても良い。

上記の実施形態では、自動操舵装置１はソフトウェアとハードウェアとから構成されるものとしたが、自動操舵装置１の機能の一部又は全部を専用のハードウェアによって実現しても良い。

本発明の自動操舵装置は、船舶に限らず、飛行機、自動車等の任意の移動体に搭載することができる。

１ 自動操舵装置
８ 制御演算部（制御部）
９ 転舵停止制御部
１０ 操舵機制御部
２１ 角速度反転タイミング取得部
２２ 転舵停止指令部
２３ 偏角反転タイミング取得部
２４ 第２角速度反転タイミング取得部
２５ 転舵再開指令部

Claims (6)

1. 目標方位に対する機首方位のズレ角である偏角を取得する偏角取得部と、
   前記偏角が変化する速度である回頭角速度を取得する回頭角速度取得部と、
   前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づいて舵角を計算し、この舵角を指令舵角として出力する制御部と、
   前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと一致する方向から逆の方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである角速度反転タイミングを取得する角速度反転タイミング取得部と、
   前記角速度反転タイミングに基づき、転舵停止を指令する転舵停止指令部と、
   前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更するとともに、転舵停止の指令を前記転舵停止指令部から受けた場合には舵角を変更しないで保持するように操舵機の舵角を制御する操舵機制御部と、
   を備えることを特徴とする自動操舵装置。
2. 請求項１に記載の自動操舵装置であって、
   ゼロからの乖離を増大させていた前記偏角が当該乖離を減少させ始めたタイミングである偏角反転タイミングを取得する偏角反転タイミング取得部と、
   前記転舵停止指令部から転舵停止が指令されていた場合に、前記偏角反転タイミングに基づき、転舵再開を指令する転舵再開指令部と、
   を備えることを特徴とする自動操舵装置。
3. 請求項１又は２に記載の自動操舵装置であって、
   前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと逆である方向から一致する方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである第２角速度反転タイミングを取得する第２角速度反転タイミング取得部と、
   前記転舵停止指令部から転舵停止が指令されていた場合に、前記第２角速度反転タイミングに基づき、転舵再開を指令する転舵再開指令部と、
   を備えることを特徴とする自動操舵装置。
4. 請求項２又は３に記載の自動操舵装置であって、
   前記制御部は、前記転舵停止指令部が転舵停止を指令している状態においても、前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づく前記舵角の計算及び指令を継続し、
   前記操舵機制御部は、前記転舵再開指令部によって転舵再開が指令されると、前記制御部による現在の前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更することを特徴とする自動操舵装置。
5. 機首方位を目標方位に一致させるように操舵機に対する指令舵角を出力する自動操舵プログラムであって、
   目標方位に対する機首方位のズレ角である偏角を取得する偏角取得ステップと、
   前記偏角が変化する速度である回頭角速度を取得する回頭角速度取得ステップと、
   前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づいて舵角を計算し、この舵角を指令舵角として出力する制御ステップと、
   前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと一致する方向から逆の方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである角速度反転タイミングを取得する角速度反転タイミング取得ステップと、
   前記角速度反転タイミングに基づき、転舵停止を指令する転舵停止指令ステップと、
   前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更するとともに、前記転舵停止指令ステップでの転舵停止の指令を受けた場合には舵角を変更しないで保持するように操舵機の舵角を制御する操舵機制御ステップと、
   を含む処理を、自動操舵装置に実行させることを特徴とする自動操舵プログラム。
6. 機首方位を目標方位に一致させるように操舵機に対する指令舵角を出力する自動操舵方法であって、
   目標方位に対する機首方位のズレ角である偏角を取得する偏角取得工程と、
   前記偏角が変化する速度である回頭角速度を取得する回頭角速度取得工程と、
   前記偏角と、前記回頭角速度と、に少なくとも基づいて舵角を計算し、この舵角を指令舵角として出力する制御工程と、
   前記回頭角速度が示す前記偏角の変化の向きと一致する方向から逆の方向に前記回頭角速度の変化の向きが転じたタイミングである角速度反転タイミングを取得する角速度反転タイミング取得工程と、
   前記角速度反転タイミングに基づき、転舵停止を指令する転舵停止指令工程と、
   前記指令舵角に基づいて操舵機の舵角を変更するとともに、前記転舵停止指令工程での転舵停止の指令を受けた場合には舵角を変更しないで保持するように操舵機の舵角を制御する操舵機制御工程と、
   を含むことを特徴とする自動操舵方法。

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