JP2021064248A - Automatic ship steering system for ship - Google Patents

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JP2021064248A
JP2021064248A JP2019189368A JP2019189368A JP2021064248A JP 2021064248 A JP2021064248 A JP 2021064248A JP 2019189368 A JP2019189368 A JP 2019189368A JP 2019189368 A JP2019189368 A JP 2019189368A JP 2021064248 A JP2021064248 A JP 2021064248A
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冬希 羽根
Fuyuki Hane
冬希 羽根
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Tokyo Keiki Inc
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Abstract

To provide an automatic ship steering system for ships capable of controlling steering of a ship by integrating TCS and BCS with each other.SOLUTION: An automatic ship steering system 1 for ships includes a propelling drive 4 capable of controlling the speeds in surge and sway directions and an angular speed about a yaw axis, and a sensor 5 that detects the azimuth of a bow and the position of a hull. The automatic ship steering system further includes a route control unit that performs feedback control on a hull position y and bow azimuth ψ in the sway direction of a ship so that the ship will follow a predesignated plan route, a position control unit that performs feedback control on the hull position (x, y) in the surge and sway directions of the ship so that the hull position (x, y) will be consistent with an arrival position (xB, yB) representing a destination of the plan route, and a mode change unit 15 that changes a movement mode in which the route control unit performs the feedback control, and a retention mode in which the position control unit performs the feedback control, on the basis of a separate distance between the arrival position (xB, yB) and the hull position (x, y).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、離着桟制御を行う船舶用自動操船装置に関する。 The present invention relates to an automatic ship maneuvering device for ships that controls takeoff and landing.

近年、利便性向上の期待や航海機器とのシステム化の実現などを目的として、船舶の離着桟操船を自動で制御する離着桟制御システム(以下、BCS:Berthing Control System)の需要が拡大している。BCSは、船体方位と船体位置とを出発点から到達点まで移動・保持するシステムであり、その制御方法として、非特許文献1,2が知られている。 In recent years, there has been an increase in demand for a takeoff and landing control system (hereinafter, BCS: Berthing Control System) that automatically controls the takeoff and landing pier of a ship for the purpose of improving convenience and realizing systematization with navigation equipment. doing. BCS is a system that moves and holds the hull direction and the hull position from the starting point to the reaching point, and Non-Patent Documents 1 and 2 are known as a control method thereof.

また、計画航路に追従させる航路制御システム(以下、TCS:Track Control System)に関連する技術として、指令舵角を出力するフィードバック制御部を、方位誤差、航路誤差及び潮流の推定を行う推定器と、方位制御ループを構成する方位制御系フィードバックゲイン器と、方位制御ループを含む航路制御ループを構成する航路制御系フィードバックゲイン器として構成し、推定器が、方位制御系フィードバックゲイン器へsway方向の潮流推定誤差に基づく修正量を入力することを特徴とする船舶用自動操舵装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。 In addition, as a technology related to a route control system (hereinafter, TCS: Track Control System) that follows a planned route, a feedback control unit that outputs a command steering angle is used as an estimator that estimates orientation error, route error, and tidal current. , The azimuth control system feedback gainer that constitutes the azimuth control loop and the route control system feedback gainer that constitutes the route control loop including the azimuth control loop, and the estimator is set to the azimuth control system feedback gainer in the way direction. An automatic marine steering device characterized by inputting a correction amount based on a tidal current estimation error is known (see, for example, Patent Document 1).

小瀬邦治、福戸淳司、菅野賢治、赤木茂、原田美秀子著「船の自動離着棧システムに関する研究」日本造船学会論文集第160号、1986年、p.103‐p.110Kuniharu Ose, Junji Fukuto, Kenji Kanno, Shigeru Akagi, Mihide Harada, "Study on Automatic Shipbuilding and Departure System", Proceedings of the Japan Shipbuilding Society, No. 160, 1986, p. 103-p. 110 小山健夫、金雁、金奎煥著「船の自動離着棧のシステム的考察(第1報)」日本造船学会論文集第162号、1987年、p.201‐p.210Takeo Koyama, Kim Gan, and Kim Yue, "Systematic Consideration of Automatic Shipbuilding and Detachment (1st Report)", Proceedings of the Japan Shipbuilding Society, No. 162, 1987, p. 201-p. 210

特開2016−159695号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-159695

本発明が解決しようとする課題は、TCSとBCSとを統合して船舶の操船制御を行うことができる船舶用自動操船装置を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide an automatic ship maneuvering device capable of controlling ship maneuvering by integrating TCS and BCS.

一実施形態においては、surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操船装置であって、予め設定された計画航路に追従するように前記船舶のsway方向の船体位置及び船首方位のフィードバック制御を行う航路制御部と、前記計画航路における目的地である到達位置に前記船体位置を一致させるように前記船舶のsurge方向及びsway方向の船体位置をフィードバック制御する位置制御部と、前記到達位置と船体位置との離間距離に基づいて、前記航路制御部によりフィードバック制御を行う移動モードと、前記位置制御部によりフィードバック制御を行う保持モードとを切り替えるモード切替部とを備える。 In one embodiment, an automatic ship maneuvering device for controlling a ship including a propulsion drive device capable of controlling speeds in the serge direction and the way direction and an angular speed around the yaw, and sensors for detecting the bow orientation and the hull position. Therefore, the hull position is set to a route control unit that performs feedback control of the hull position and the bow direction of the ship in the sway direction so as to follow the preset planned route, and the hull position to the destination position in the planned route. A position control unit that feedback-controls the hull position of the ship in the serge direction and the way direction so as to match, and a movement mode in which the route control unit performs feedback control based on the separation distance between the arrival position and the hull position. A mode switching unit for switching between a holding mode in which feedback control is performed by the position control unit is provided.

船舶用自動操船装置と制御対象とを含むシステム全体のブロック図である。It is a block diagram of the whole system including an automatic ship maneuvering device for a ship and a controlled object. フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of a feedback control part. 計画航路と制御モードとを示す図である。It is a figure which shows the planned route and the control mode. 船体モデルを示す図である。It is a figure which shows the hull model. アジマススラスターの特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the azimuth thruster. 保持モードにおける誤差を示す図である。It is a figure which shows the error in a holding mode. 移動モードにおける誤差を示す図である。It is a figure which shows the error in the movement mode. 移動モード及び保持モードのそれぞれに対応する制御対象を示す図である。It is a figure which shows the control target corresponding to each of the movement mode and the holding mode. surge方向の速度制御を示す図である。It is a figure which shows the speed control in a serge direction. 参照速度の時系列を示す図である。It is a figure which shows the time series of a reference speed. 船体速度と潮流成分とを示す図である。It is a figure which shows the hull speed and the tidal current component. 簡略化した速度制御を示す図である。It is a figure which shows the simplified speed control. surge方向の位置制御を示す図である。It is a figure which shows the position control in the surge direction. シミュレーションにおける速度制御に係る制御ゲインを示す図である。It is a figure which shows the control gain which concerns on the speed control in a simulation. シミュレーションにおける位置制御に係る制御ゲインを示す図である。It is a figure which shows the control gain which concerns on the position control in a simulation. シミュレーション結果における計画航路と船体航跡とを示す図である。It is a figure which shows the planned route and the hull track in the simulation result. シミュレーション結果における船体運動量を示す図である。It is a figure which shows the hull momentum in the simulation result. シミュレーション結果における誤差量を示す図である。It is a figure which shows the error amount in the simulation result. シミュレーション結果における操作量を示す図である。It is a figure which shows the operation amount in the simulation result.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(1.1 船舶用自動操船装置の構成)
まず、本実施形態に係る船舶用自動操船装置を含むシステムについて説明する。図1は、船舶用自動操船装置と制御対象とを含むシステム全体のブロック図である。図2は、フィードバック制御部の構成を示すブロック図である。
(1.1 Configuration of automatic ship maneuvering device for ships)
First, a system including an automatic ship maneuvering device according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a block diagram of the entire system including an automatic ship maneuvering device and a controlled object. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a feedback control unit.

図1に示すように、本実施形態における船舶用自動操船装置1は、推進駆動装置4及びセンサ類5が備えられた船体3を制御するものであって、船体位置を計画航路に追従させるとともに、計画航路における最終地点である到達位置に一致させるように、surge方向及びsway方向の速度n,θ、yaw周りの角速度θを制御可能な推進駆動装置4によって制御する装置である。ここで推進駆動装置4は、船首と船尾とに設けられたアジマススラスターとする。 As shown in FIG. 1, the automatic ship maneuvering device 1 in the present embodiment controls a hull 3 provided with a propulsion drive device 4 and sensors 5, and causes the hull position to follow a planned route. , The device is a device in which the speed n u , θ v in the serge direction and the sway direction, and the angular velocity θ r around the yaw are controlled by a controllable propulsion drive device 4 so as to match the arrival position which is the final point in the planned route. Here, the propulsion drive device 4 is an azimuth thruster provided at the bow and the stern.

船舶用自動操船装置1は、軌道計画部11、誤差演算部12、フィードバック制御部13、速度推定部14、モード切替部15を備えている。誘導システム2から計画航路が軌道計画部11に入力され、軌道計画部11からは参照方位ψ、参照位置x、y、参照速度u、到達方位ψ、到達位置x,yを含む参照信号が出力される。ここで、参照方位ψは船体3を航路に追従させるための方位であり、参照位置x、yは航路上の一点である。また、到達位置x,yは計画航路の終点であり目的地点の位置であり、到達方位ψは予め設定された到達位置x,yにおいて船体3が向くべき方位である。 The automatic ship maneuvering device 1 includes a track planning unit 11, an error calculation unit 12, a feedback control unit 13, a speed estimation unit 14, and a mode switching unit 15. The planned route is input from the guidance system 2 to the orbit planning unit 11, and from the orbit planning unit 11, the reference direction ψ R , the reference position x R , y R , the reference speed u R , the arrival direction ψ B , the arrival position x b , y. A reference signal including b is output. Here, the reference direction ψ R is the direction for making the hull 3 follow the route, and the reference positions x R and y R are one point on the route. Further, the arrival positions x b and y b are the end points of the planned route and the positions of the destination points, and the arrival directions ψ B are the directions to which the hull 3 should face at the preset arrival positions x b and y b.

船体3のセンサ類5は、船体3の船首方位ψを検出するジャイロコンパス、GPS等の衛星測位システム(GNSS)からの船体位置(x,y)を検出するGNSSセンサを含む。なお、センサ類5は、船首方位ψ、船体位置(x,y)をそれぞれ検出可能なセンサを含むものであれば良い。 The sensors 5 of the hull 3 include a gyrocompass that detects the bow orientation ψ of the hull 3, and a GNSS sensor that detects the hull position (x, y) from a satellite positioning system (GNSS) such as GPS. The sensors 5 may include sensors capable of detecting the bow direction ψ and the hull position (x, y), respectively.

速度推定部14には、センサ類5からの検出信号のうち、船体位置(x,y)が入力され、速度推定部14は、船体位置(x,y)に基づいて船体3の速度を推定して推定速度u^として出力する。 The hull position (x, y) of the detection signals from the sensors 5 is input to the speed estimation unit 14, and the speed estimation unit 14 estimates the speed of the hull 3 based on the hull position (x, y). And output as the estimated speed u ^.

誤差演算部12には、船首方位ψ、船体位置(x,y)等のセンサ類5からの検出信号と速度推定部14からの推定速度u^が入力され、誤差演算部12は、参照方位ψ、参照位置x,y、到達方位ψ、到達位置x,y、参照速度uと、検出信号、推定速度との比較を行い、方位誤差ψ、航路誤差y、位置誤差x,y、速度誤差uを出力する。 A detection signal from sensors 5 such as the nose direction ψ and the hull position (x, y) and an estimated speed u ^ from the speed estimation unit 14 are input to the error calculation unit 12, and the error calculation unit 12 inputs the reference direction. ψ R , reference position x R , y R , arrival direction ψ B , arrival position x b , y b , reference speed u R are compared with the detection signal and estimated speed, and the orientation error ψ e and the route error y e , Position error x e , y e , and velocity error u e are output.

フィードバック制御部13は、図2に示すように、航路制御部132と、位置制御部133とを備える。航路制御部132は、方位誤差ψを低減させるyaw角速度θ、航路誤差y、速度誤差uをそれぞれ低減させるsurge速度n、sway速度θを制御量として推進駆動装置4へ出力する。位置制御部133は、方位誤差ψを低減させるyaw角速度θ、位置誤差x,yを低減させるsurge速度n、sway速度θを制御量として推進駆動装置4へ出力する。 As shown in FIG. 2, the feedback control unit 13 includes a route control unit 132 and a position control unit 133. Route control unit 132, yaw angular velocity theta r to reduce the azimuth error [psi e, route error y e, surge speed n u to reduce respectively the speed error u e, output to the propulsion drive 4 sway velocity theta v as a controlled variable To do. The position control unit 133 outputs the yaw angular velocity θ r that reduces the directional error ψ e , the surge velocity n u that reduces the position errors x e , and y e , and the sway velocity θ v as control amounts to the propulsion drive device 4.

モード切替部15は、後述する条件に基づいて、航路制御部132により制御量を推進駆動装置4へ出力させる移動モードと、位置制御部133により制御量を推進駆動装置4へ出力させる保持モードとを切り替える。また、モード切替部15は、誤差演算部12についても移動モードと保持モードとの切り替えを行う。 The mode switching unit 15 has a movement mode in which the route control unit 132 outputs the control amount to the propulsion drive device 4 and a holding mode in which the position control unit 133 outputs the control amount to the propulsion drive device 4 based on the conditions described later. To switch. Further, the mode switching unit 15 also switches the error calculation unit 12 between the moving mode and the holding mode.

誤差演算部12は、移動モードにおいて、参照方位ψと船首方位ψとの誤差、計画航路に対するsway方向の船体位置の誤差、参照速度uと速度推定部14により出力された推定速度u^との誤差を、それぞれ、方位誤差ψ、航路誤差y、速度誤差uとしてフィードバック制御部13の航路制御部132に出力する。 In the movement mode, the error calculation unit 12 has an error between the reference direction ψ R and the bow direction ψ, an error in the hull position in the way direction with respect to the planned route, a reference speed u R, and an estimated speed u ^ output by the speed estimation unit 14. error between the respective azimuth error [psi e, and outputs route error y e, a speed error u e to route control unit 132 of the feedback control unit 13.

また、誤差演算部12は、保持モードにおいて、到達方位ψと船首方位ψとの誤差、到達位置x,yと船体位置x,yとの誤差を、それぞれ、方位誤差ψ、位置誤差x,yとしてフィードバック制御部13の位置制御部133に出力する。 Further, in the holding mode, the error calculation unit 12 sets the error between the arrival direction ψ B and the bow direction ψ and the error between the arrival positions x b and y b and the hull position x and y as the direction error ψ e and the position, respectively. It is output to the position control unit 133 of the feedback control unit 13 as errors x e and y e.

(1.2 計画航路と制御モード)
計画航路について説明する。図3は、計画航路と制御モードとを示す図である。
(1.2 Planned route and control mode)
The planned route will be explained. FIG. 3 is a diagram showing a planned route and a control mode.

船体位置の移動・保持は、図3に示すように、計画航路に船体航跡を追従させるものである。図3において、O−XYは地球固定座標、点Aは船体位置の出発点、点Bは到達点、点Wは点Aから点Bまでの中間点であるウェイポイント、点Cは旋回中心である。ウェイポイントは、多様な計画航路に対応するために設定される。 As shown in FIG. 3, the movement / holding of the hull position causes the hull track to follow the planned route. In FIG. 3, O-XY is the fixed coordinates of the earth, point A is the starting point of the hull position, point B is the reaching point, point W is the waypoint which is the intermediate point from point A to point B, and point C is the turning center. is there. Waypoints are set to accommodate a variety of planned routes.

計画航路は直線と曲線の組み合わせにより構成され、船舶用自動操船装置1は、計画航路上を移動モードと保持モードとで航行するように船舶を制御する。船舶用自動操船装置1は、概ね、以下のようなシーケンスにより計画航路に沿って出発位置である点Aから到達位置である点Bまでの航行を制御する。 The planned route is composed of a combination of straight lines and curved lines, and the automatic ship maneuvering device 1 controls the ship so as to navigate on the planned route in the movement mode and the holding mode. The automatic ship maneuvering device 1 generally controls navigation from point A, which is the departure position, to point B, which is the arrival position, along the planned route along the following sequence.

まず、船舶用自動操船装置1は、点Aにおける船体の船首方位ψを、初期方位ψから計画方位ψAWに旋回制御によって収束させる(ステップ1)。計画方位ψAWは、図3における直線AW方向における点W側を向く。次に、船舶用自動操船装置1は、船体位置を移動モードと保持モードとによって点Aから点Bに移し(ステップ2)、ステップ1と同様に、点Bにおける船首方位ψを、計画方位ψWBから到達方位ψに一致させる(ステップ3)。ここで、計画方位ψWBは、図3における直線WB方向における点B側を向き、到達方位ψは、点Bにおける船首方位ψとして予め設定される方位である。なお、旋回制御は、後述するように、旋回運動と方位制御とによって構成される。 First, the automatic ship maneuvering device 1 converges the bow direction ψ of the hull at the point A from the initial direction ψ 0 to the planned direction ψ AW by turning control (step 1). The planned direction ψ AW faces the point W side in the straight line AW direction in FIG. Next, the automatic ship maneuvering device 1 shifts the hull position from the point A to the point B according to the movement mode and the holding mode (step 2), and similarly to step 1, the bow direction ψ at the point B is set to the planned direction ψ. Match the arrival direction ψ B from the WB (step 3). Here, the planned direction ψ WB faces the point B side in the straight line WB direction in FIG. 3, and the arrival direction ψ B is a direction preset as the bow direction ψ at the point B. The turning control is composed of turning motion and directional control, as will be described later.

(1.3 船体モデル) (1.3 Hull model)

船体運動モデルは、3自由度の線形項で表すと、次式になる。 The hull motion model can be expressed by a linear term with three degrees of freedom as follows.

Figure 2021064248
ここで、ξ=[u v r],γ=[γ γ γは推進駆動装置4の推力とモーメント、添字は転置行列、添字は、それぞれ、surge,sway,yawの運動成分を示し、一定船速はu≒0とし、
Figure 2021064248
Here, ξ = [uv r] T , γ = [γ u γ v γ r ] T is the thrust and moment of the propulsion drive device 4, the subscript T is the transposed matrix, and the subscripts u , v , and r are surges, respectively. , Way, yaw kinetic components are shown, and the constant ship speed is u 0 ≒ 0.

Figure 2021064248
Figure 2021064248
である。ここで、Xu・,X,Yv・,Yr・,Nv・,Nr・,Y,Y,N,Nは流体微係数、mは質量、Iはyaw周りの慣性モーメント、xは船体中央から重心までの距離である。
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Is. Here, X u · , X u , Y v · , Y r · , N v · , N r · , Y v , Y r , N v , N r are fluid fine coefficients, m is mass, and I z is yaw. The moment of inertia around, x G, is the distance from the center of the hull to the center of gravity.

(1)式を書き直すと、 (1) If you rewrite the formula,

Figure 2021064248
になる。ここで、
Figure 2021064248
become. here,

Figure 2021064248
Figure 2021064248
ここで、添字−1は逆行列
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Where subscript -1 is the inverse matrix

Figure 2021064248
である。
Figure 2021064248
Is.

船体モデルは(4)式をsurge成分とsway,yaw成分とに分離し、ラプラス変換する。surge成分は、 The hull model separates equation (4) into a surge component and a sway and yaw components, and Laplace transforms them. The surge component is

Figure 2021064248
になる。ここで、sはラプラス演算子、P(S)はsurge運動の伝達関数
Figure 2021064248
become. Here, s is a Laplace operator, P u (S) is the transfer function of the surge motion

Figure 2021064248
である。ここで、T,Kはそれぞれ時定数とゲインである。sway,yaw成分は、船体運動を1次式で表すと、
Figure 2021064248
Is. Here, T u, the K u is a constant and the gain at each. The sway and yaw components express the hull motion as a linear equation.

Figure 2021064248
となる。ここで、P(s),P(s)はsway,yaw運動の伝達関数
Figure 2021064248
Will be. Here, P v (s), P r (s) is sway, the transfer function of the yaw motion

Figure 2021064248
Figure 2021064248
である。ここで、T,T,K,Kは船体パラメータであり、それぞれ2つの時定数とゲインである。上式の係数は近似したため、値を特定できない。船体パラメータはすべて正とする。
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Is. Here, T v , Tr , K v , and Kr are hull parameters, which are two time constants and gains, respectively. Since the coefficients in the above equation are approximated, the value cannot be specified. All hull parameters are positive.

船体速度には船体固定座標系が用いられ、船体位置には地球固定座標系が用いられるので、両者の関係は、 Since the hull fixed coordinate system is used for the hull speed and the earth fixed coordinate system is used for the hull position, the relationship between the two is

Figure 2021064248
になる。ここで、ψは方位、x,yはそれぞれ北向き、東向きの船体位置である。
Figure 2021064248
become. Here, ψ is the direction, and x and y are the hull positions facing north and east, respectively.

(1.4 アジマススラスターモデル)
アジマススラスターモデル(以下、ATM:Azimuth Thruster Model)について説明する。図4は、船体モデルを示す図である。図5は、アジマススラスターの特性を示す図である。
(1.4 Azimuth thruster model)
An azimuth thruster model (hereinafter referred to as ATM: Azimuth Thruster Model) will be described. FIG. 4 is a diagram showing a hull model. FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the azimuth thruster.

推進駆動装置4のATMは、そのプロペラ回転数とその方向によって推力ベクトルを制御する。図4において、2機のATMから発生するγは The ATM of the propulsion drive device 4 controls the thrust vector according to the propeller rotation speed and its direction. In FIG. 4, the γ generated from the two ATMs is

Figure 2021064248
になる。ここで、添字はそれぞれfore(船首)、aft(船尾)を示し、Fは対水推力、nはプロペラ回転数、nは一定回転数、θは船の基線からの推力方向の角度であり、lはミッドシップから推進駆動装置4までのレバー長でl=l=lである。
Figure 2021064248
become. Here, the subscripts f and a indicate fore (bow) and aft (stern), respectively, F is thrust against water, n is propeller rotation speed, n 0 is constant rotation speed, and θ is the thrust direction from the baseline of the ship. It is an angle, and l is the lever length from the midship to the propulsion drive device 4, and l f = l a = l.

ATMの回転数と推力の特性を図5に示す。この図5において、nの推力微係数を The characteristics of the ATM rotation speed and thrust are shown in FIG. In FIG. 5, the thrust coefficient of n 0 is calculated.

Figure 2021064248
とする。ここで、nf0=na0=n,fn0は推力微係数である。
Figure 2021064248
And. Here, n f0 = n a0 = n 0 , f n0 is a thrust coefficient.

(14)式に上式を代入すると、γは Substituting the above equation into equation (14), γ becomes

Figure 2021064248
となる。ここで、近似cosθ≒1,sinθ≒θを用いる。
Figure 2021064248
Will be. Here, the approximation cos θ≈1, sinθ≈θ is used.

一方、ATMの入力を制御量n,θ,θで置き換えると On the other hand, if the ATM input is replaced with control quantities n u , θ v , and θ r,

Figure 2021064248
Figure 2021064248
になる関係をもつ。ここで、nはsurge速度、θはsway速度、θはyaw角速度である。上式を(16)式に代入すると
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Have a relationship to become. Here, n u is a surge velocity, θ v is a sway velocity, and θ r is a yaw angular velocity. Substituting the above equation into equation (16)

Figure 2021064248
Figure 2021064248
になる。よって、上式をそれぞれ(8),(10)式に代入すると、船体モデルの伝達関数は
Figure 2021064248
Figure 2021064248
become. Therefore, if the above equations are substituted into equations (8) and (10), respectively, the transfer function of the hull model will be

Figure 2021064248
となる。ここで、K,K,Kは推進駆動装置4のゲインを乗じたもので置換する。
Figure 2021064248
Will be. Here, K u, K v, K r is replaced by multiplied by the gain of the propulsion drive 4.

(1.5 外乱成分) (1.5 Disturbance component)

外乱成分は、潮流成分u,vと方位軸周り角速度roとする。定式化すると次式になる。 Disturbance component is a tidal component u c, v c and the azimuth axis angular velocity r o. When formulated, it becomes the following equation.

Figure 2021064248
ここで、u,vは対地座標成分で、それぞれ北向き、西向きの速度である。
Figure 2021064248
Here, u c and v c are the coordinate components to the ground, and are the velocities facing north and west, respectively.

(2 制御システム) (2 control system)

制御システムについて説明する。 The control system will be described.

(2.1.1 制御対象)
(13)式において、方位をψ=0で線形化すると次式になる。
(2.1.1 Control target)
In equation (13), when the orientation is linearized with ψ = 0, the following equation is obtained.

Figure 2021064248
制御対象は上式、(21)式の船体モデルと(22)式の外乱モデルとを用いて次式になる。
Figure 2021064248
The control target is the following equation using the above equation, the hull model of equation (21) and the disturbance model of equation (22).

Figure 2021064248
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Figure 2021064248

(2.1.2 誤差)
保持モード、移動モードにおける誤差について説明する。図6、図7は、それぞれ、保持モード、移動モードにおける誤差を示す図である。
(2.1.2 error)
The error in the holding mode and the moving mode will be described. 6 and 7 are diagrams showing errors in the holding mode and the moving mode, respectively.

保持モードの誤差を図6、移動モードの誤差を図7に示すように定める。図6、図7に示すように、保持モードでは到達位置が、移動モードでは計画航路が、それぞれ参照される。方位誤差ψは、保持モード、移動モードのいずれにおいても The error of the holding mode is defined as shown in FIG. 6, and the error of the moving mode is defined as shown in FIG. As shown in FIGS. 6 and 7, the arrival position is referred to in the holding mode, and the planned route is referred to in the moving mode. The orientation error ψ e is set in both the holding mode and the moving mode.

Figure 2021064248
になる。ここで、ψは船首方位、ψは参照方位である。保持モードにおける位置誤差x,yは地球座標系で
Figure 2021064248
become. Here, ψ is the bow direction and ψ R is the reference direction. Positional errors x e and y e in retention mode are in the Earth coordinate system

Figure 2021064248
になる。ここで、x,yは船体位置、x,yは到達位置である。制御器の入力になる位置誤差は船体座標系になるので、位置誤差を座標変換すると
Figure 2021064248
become. Here, x and y are hull positions, and x b and y b are arrival positions. The position error that is the input of the controller is the hull coordinate system, so if you convert the position error to the coordinates

Figure 2021064248
になる。ここで、T (ψ)は地球座標(添字)から船体座標(添字)に変換する行列
Figure 2021064248
become. Here, T E B (ψ) is converted from the global coordinates (subscript E) to the hull coordinates (subscript B) matrix

Figure 2021064248

Figure 2021064248
添字−1は逆行列である。
Figure 2021064248

Figure 2021064248
Subscript -1 is an inverse matrix.

移動モードの誤差を示す図7において、点Pは船体位置、点HはPからの垂足を示し、航路誤差y>0(右手系)は垂足の長さになる。速度誤差uIn FIG. 7, which shows the error of the movement mode, the point P indicates the hull position, the point H indicates the foot drop from P, and the route error y e > 0 (right-handed system) is the length of the foot drop. Speed error u e is

Figure 2021064248
になる。ここで、u^は速度推定部14により推定される推定速度、uは軌道計画部11により出力される参照速度である。旋回半径radiusは
Figure 2021064248
become. Here, u ^ is the estimated speed estimated by the speed estimation unit 14, and u R is the reference speed output by the trajectory planning unit 11. The turning radius radius is

Figure 2021064248
になる。ここで、rは軌道計画部11により出力される参照角速度である。
Figure 2021064248
become. Here, r R is the reference angular velocity output by the orbit planning unit 11.

(2.1.3 制御器)
フィードバック制御部における制御器について説明する。図8は、移動モード及び保持モードのそれぞれに対応する制御対象を示す図である。
(2.1.3 Controller)
The controller in the feedback control unit will be described. FIG. 8 is a diagram showing a control target corresponding to each of the movement mode and the holding mode.

フィードバック制御部における制御器の伝達特性は、船体座標において次式となる。 The transmission characteristics of the controller in the feedback control unit are given by the following equation in hull coordinates.

Figure 2021064248
ここで、C(s)はsurge速度の制御器、Cはsurge位置の制御器、Cはsway位置の制御器、Cψはyaw角度の制御器である。
Figure 2021064248
Here, C u (s) is the surge speed controller, the C x controller of surge position, C y is the controller of the sway position, the C [psi a controller of yaw angle.

図8に示すように、移動モードにおいては、surge速度、sway位置及びyaw角度が制御対象となり、保持モードにおいては、surge位置、sway位置及びyaw角度が制御対象となる。 As shown in FIG. 8, in the movement mode, the serge speed, the sway position and the yaw angle are controlled targets, and in the holding mode, the sage position, the sway position and the yaw angle are controlled targets.

(2.2 移動モード)
移動モードについて説明する。図9は、surge方向の速度制御を示す図である。
(2.2 movement mode)
The movement mode will be described. FIG. 9 is a diagram showing speed control in the serge direction.

移動モードに切り替えられた際に制御量を出力する航路制御部132は、速度制御と航路制御の2つの制御動作をもつ。速度制御は、図9に示すように、参照速度にsurge速度を追従させる制御動作である。航路制御は参照航路に船体位置を追従させる制御動作である。航路制御は航路誤差yをゼロに収斂させるもので、(34)式のC(s)によって実施する。C(s)は保持モードの説明において後述し、本節においては速度制御について説明する。 The route control unit 132 that outputs a control amount when the movement mode is switched has two control operations, speed control and route control. As shown in FIG. 9, the speed control is a control operation in which the serge speed is made to follow the reference speed. Route control is a control operation that causes the hull position to follow the reference route. The route control converges the route error y e to zero, and is carried out by Cy (s) of Eq. (34). Cy (s) will be described later in the description of the holding mode, and speed control will be described in this section.

(2.2.1 参照速度)
参照速度uについて説明する。図10は、参照速度の時系列を示す図である。
(2.2.1 Reference speed)
The reference speed u R will be described. FIG. 10 is a diagram showing a time series of reference speeds.

参照速度uは、軌道計画部11により設定値に基づいて算出される。参照速度uは図10に示すように、加速時間Tacc、等速時間Tvolと減速時間Tdecの順で時系列に並ぶ3つの区間を有し、加速時間Tacc、減速時間Tdecにおける加減速はランプ傾斜になる。等速は船体位置からの参照航路上の垂足位置が減速開始位置に達するまで継続する。参照速度に関する変数は軌道計画部11において設定される。 The reference speed u R is calculated by the trajectory planning unit 11 based on the set value. As shown in FIG. 10, the reference speed u R has three sections arranged in chronological order in the order of acceleration time T acc , constant velocity time T vol, and deceleration time T dec , and has acceleration time T acc and deceleration time T dec. The acceleration / deceleration in is the ramp inclination. The constant velocity continues until the foot drop position on the reference route from the hull position reaches the deceleration start position. Variables related to the reference speed are set in the trajectory planning unit 11.

(2.2.1 船体速度の推定値)
速度推定部により算出される船体速度の推定値について説明する。図11は、船体速度と潮流成分とを示す図である。
(2.2.1 Estimated hull speed)
The estimated value of the hull speed calculated by the speed estimation unit will be described. FIG. 11 is a diagram showing the hull velocity and the tidal current component.

対地速度は図11に示すように,船体成分と潮流成分との和になり As shown in Fig. 11, the ground speed is the sum of the hull component and the tidal current component.

Figure 2021064248
になる。ここで、u,vはそれぞれ北向きと東向きの速度成分、添字g,n,cはそれぞれ、対地、船体、潮流の成分を示し、
Figure 2021064248
become. Here, u and v indicate the velocity components facing north and east, respectively, and the subscripts g, n and c indicate the components of the ground, hull and tidal current, respectively.

Figure 2021064248
Figure 2021064248
であり、ここで、Uは潮流速度、ψは潮流方位である。
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Here, U c is the tidal current velocity and ψ c is the tidal current direction.

対地速度は時間当たりの船体位置の変化に相当するから Because the ground speed corresponds to the change in hull position per hour.

Figure 2021064248
になる。ここで、Δtはサンプリング時間、添字kは基点でk=1,2,…である。よって、船体速度の推定値は次式になる。
Figure 2021064248
become. Here, Δt is the sampling time, and the subscript k is k = 1, 2, ... At the base point. Therefore, the estimated value of the hull speed is given by the following equation.

Figure 2021064248
ここで、添字^は推定値である。上式は潮流成分を含んだ船体速度になる。
Figure 2021064248
Here, the subscript ^ is an estimated value. The above formula is the hull velocity including the tidal current component.

(2.2.2 速度フィードバック制御)
速度フィードバック制御について説明する。
(2.2.2 Speed feedback control)
The speed feedback control will be described.

速度フィードバック制御C(s)は Speed feedback control Cu (s)

Figure 2021064248
となる。ここで、C(s)はPI制御の伝達関数で
Figure 2021064248
Will be. Here, Cu (s) is a transfer function of PI control.

Figure 2021064248
であり、ここで、sはラプラス演算子、Kpuは比例ゲイン、Tiuは積分時定数、F(s)はローパスフィルタの伝達関数で
Figure 2021064248
Where s is the Laplace operator, K pu is the proportional gain, T iu is the integral time constant, and Fu (s) is the transfer function of the low-pass filter.

Figure 2021064248
とする。ここで、添字はフィルタを意味し、Tfuは時定数である。
(2.2.3 速度制御の特性)
速度制御の特性について説明する。図12は、簡略化した速度制御を示す図である。
Figure 2021064248
And. Here, the subscript f means a filter, and T fu is a time constant.
(2.2.3 Characteristics of speed control)
The characteristics of speed control will be described. FIG. 12 is a diagram showing simplified speed control.

図12に示す速度誤差の伝達特性と定常特性は The transmission characteristics and steady-state characteristics of the speed error shown in FIG. 12 are shown.

Figure 2021064248
Figure 2021064248
になる。ここで、U(s),U(s)はそれぞれ速度誤差、参照速度であり、U(s),U(s)の初期値は
Figure 2021064248
Figure 2021064248
become. Here, U e (s), U R (s) , respectively the speed error, a reference speed, the initial value of U R (s), U c (s) is

Figure 2021064248
である。よって、速度制御の特性は、潮流成分を含んだ速度を参照速度に追従させるものである。
Figure 2021064248
Is. Therefore, the characteristic of velocity control is to make the velocity including the tidal current component follow the reference velocity.

(2.2.4 旋回運動)
旋回運動について説明する。
(2.2.4 turning motion)
The turning motion will be described.

旋回運動は図3、図7に示すように,点C周りで実施し,参照方位に船首方位を方位制御によって追従させるものである。参照方位は As shown in FIGS. 3 and 7, the turning motion is carried out around the point C, and the bow direction is made to follow the reference direction by the directional control. The reference direction is

Figure 2021064248
になる。ここで,ψR0は初期方位、rは参照角速度,kは基点でk=1,2,…,hである。旋回角はΔψ=rΔt・hになる。ψR0,rとΔψは軌道計画で設定する。方位制御については、(34)式から移動モードと保持モードとで共通なので、次節において後述する。
Figure 2021064248
become. Here, ψ R0 is the initial direction, r R is the reference angular velocity, and k is the base point where k = 1, 2, ..., H. The turning angle is Δψ R = r R Δt · h. ψ R0 , r R and Δψ R are set in the orbital plan. Since the directional control is common to the movement mode and the holding mode from the equation (34), it will be described later in the next section.

(2.2.5 モード切り替え)
移動モードから保持モードに切り替わる条件を説明する。
(2.2.5 mode switching)
The conditions for switching from the move mode to the hold mode will be described.

計画航路は図3に示すように、点Bの手前の位置から保持モードになる。その位置から点Bまでの距離を緩衝距離distbfと呼ぶ。distbfは切り換え時に残った船速をゼロに収斂させるためのものである。移動モードの推定速度u^は図10に示す参照速度uに追従して減速時間Tdecにおいて減速し、 As shown in FIG. 3, the planned route enters the holding mode from the position before the point B. The distance from that position to the point B is called the buffer distance dist bf. The dist bf is for converging the ship speed remaining at the time of switching to zero. The estimated speed u ^ of the movement mode decelerates in the deceleration time T dec following the reference speed u R shown in FIG.

Figure 2021064248
という条件が満たされた場合にモード切替部15は移動モードを保持モードに切り替える。ここで、ubfは設定値である。また、モード切替部15は、船体位置と点Bとの距離が緩衝距離distbf以下となった場合に移動モードを保持モードに切り替えても良い。
Figure 2021064248
When the condition is satisfied, the mode switching unit 15 switches the movement mode to the holding mode. Here, u bf is a set value. Further, the mode switching unit 15 may switch the movement mode to the holding mode when the distance between the hull position and the point B is equal to or less than the buffer distance dust bf.

参照速度uにおける減速時間Tdecは移動モードの時系列における最後の区間であるため、推定速度u^に基づくモード切り替えについても、間接的に、船体位置と点Bとの距離に基づくものといえる。 Since the deceleration time T dec at the reference speed u R is the last section in the time series of the movement mode, the mode switching based on the estimated speed u ^ is also indirectly based on the distance between the hull position and the point B. I can say.

(2.3 保持モード)
(2.3.1 位置フィードバック制御)
位置フィードバック制御について説明する。
(2.3 retention mode)
(2.3.1 Position feedback control)
Position feedback control will be described.

位置フィードバック制御C(s)はsurge(添字),sway(添字)とyaw(添字ψ)の3つからなり、すべて同形とする。その制御は、PID制御にローパスフィルタLPFを追加したものとする。PID制御の伝達関数K(s)は The position feedback control C (s) consists of three (subscript x ), sway (subscript y ), and yaw (subscript ψ ), all of which have the same shape. The control is assumed that a low-pass filter LPF is added to the PID control. The transfer function K (s) of PID control is

Figure 2021064248
とする。ここで、sはラプラス演算子、Kは比例ゲイン、Tは微分時定数、Tは積分時定数である。ローパスフィルタの伝達関数F(s)は
Figure 2021064248
And. Here, s is the Laplace operator, K p is the proportional gain, T d is the differential time constant, and Ti is the integral time constant. The transfer function F (s) of the low-pass filter is

Figure 2021064248
とする。ここで、添字はフィルタを意味し、ζは減衰係数、ωは固有角周波数である。よって、位置フィードバック制御器C(s)は次式になる。
Figure 2021064248
And. Here, the subscript f means a filter, ζ f is an attenuation coefficient, and ω f is an intrinsic angular frequency. Therefore, the position feedback controller C (s) has the following equation.

Figure 2021064248
Figure 2021064248

(2.3.2 外乱影響)
外乱影響について説明する。図13は、surge方向の位置制御を示す図である。
(2.3.2 Impact of disturbance)
The effects of disturbance will be explained. FIG. 13 is a diagram showing position control in the serge direction.

外乱成分による誤差を調べる。制御システムはsurge,sway方向とyaw周りから構成する。図11に示されるsurge方向の位置制御において、添字はsurge方向を示し、C(s)はフィードバック制御器であり、P(s)は制御対象であり、X(s)、X(s),X(s)はそれぞれ船体位置、参照位置、誤差であり、U(s)は潮流成分である。誤差の伝達特性を求めると,次式になる。 Investigate the error due to the disturbance component. The control system consists of a serge, a way direction, and a yaw circumference. In surge direction of the position control shown in FIG. 11, the subscript u denotes the surge direction, C u (s) is a feedback controller, P u (s) is a control target, X (s), X R (S) and X e (s) are the hull position, the reference position, and the error, respectively, and U c (s) is the tidal current component. The following equation is obtained when the error transmission characteristics are obtained.

Figure 2021064248
ここで、
Figure 2021064248
here,

Figure 2021064248
Figure 2021064248
である。ここで、簡単化のためフィードバック制御器からLPFを除き、K,Tは船体運動モデルのパラメータである。
Figure 2021064248
Figure 2021064248
Is. Here, except for the LPF from the feedback controller for simplicity, K u, T u is a parameter of the hull motion model.

(51)式で、潮流成分に関する誤差を求めると When the error related to the tidal current component is calculated by Eq. (51),

Figure 2021064248
になる。ここで、u(0),u (0)は一定値である。
Figure 2021064248
become. Here, u c (0), u c · (0) is a constant value.

誤差の定常値を制御器の積分器の有無で求めると When the steady value of the error is obtained with or without the integrator of the controller

Figure 2021064248
になる。ここで、x(t→∞)=lims→0sX(s)を用いる。よって,積分器を用いれば、外乱成分が一定値のときには誤差がゼロに収斂し(1型サーボ特性)、外乱成分がランプ状のときには誤差がバイアスを生じる(0型サーボ特性)こととなる。
Figure 2021064248
become. Here, x e (t → ∞) = lim s → 0 sX e (s) is used. Therefore, if an integrator is used, the error converges to zero when the disturbance component is a constant value (type 1 servo characteristic), and the error is biased when the disturbance component is lamp-shaped (type 0 servo characteristic).

また、外乱成分がランプ状であり、船体3が旋回運動中の船体座標においては、以下のような状況が生じる可能性がある。 In addition, the following situations may occur in the hull coordinates when the hull 3 is in a turning motion because the disturbance component is lamp-shaped.

・一定の外乱成分は方位角によって変動し、制御器は追従できず誤差を生じる。
・旋回中においては、積分器を停止した方が誤差の増加を抑制できる。
・誤差の発生は制御システムと外乱特性の相対関係に依存する。
・ A certain disturbance component fluctuates depending on the azimuth angle, and the controller cannot follow it, causing an error.
-While turning, stopping the integrator can suppress the increase in error.
-The occurrence of error depends on the relative relationship between the control system and the disturbance characteristics.

なお、誤差の抑制には、潮流成分を推定する方法があるが、対水速度を必要とする。 There is a method of estimating the tidal current component to suppress the error, but it requires a water velocity.

(3 検証)
本提案法をシミュレーションによって検証し、その有効性を確認する。
(3 verification)
We will verify the proposed method by simulation and confirm its effectiveness.

(3.1 条件)
シミュレーションの条件について説明する。図14、図15は、それぞれ、シミュレーションにおける速度制御、位置制御に係る制御ゲインを示す図である。
(3.1 conditions)
The simulation conditions will be described. 14 and 15 are diagrams showing control gains related to speed control and position control in simulation, respectively.

シミュレーションにおける船体モデルは、船長L=30m、質量m=300×10kg、 The hull model in the simulation is captain L = 30 m, mass m = 300 × 10 3 kg,

Figure 2021064248
である。ここで、数値は、T.I.Fossen and T.Perez. Marine systems simulator, 2008.を引用する。
Figure 2021064248
Is. Here, the numerical value is T.I. I. Fossen and T. Perez. Marine systems simulator, 2008. To quote.

推進駆動装置4は、l=L/2=15m,n=200rpm,fn0=700kgf・rpm−1、開度制限値45degとする。 The propulsion drive device 4 has l = L / 2 = 15 m, n 0 = 200 rpm, f n 0 = 700 kgf · rpm -1 , and an opening limit value of 45 deg.

制御ゲインは、図14、図15に示すように設定する。また、計画航路は点A=(0,0)、点B=(0,500),点W=(300,300)とし、ここで単位は[m]である。また、移動モードについては、u=2m/s,Tacc=Tdec=60s,r=2deg/s,radius=57.3m,Δψ=101.3deg,distbf=30m,ubf=0.1m/sとする。また、外乱成分は、潮流成分(U=3m/s,ψ=0deg)、角速度r=1deg/sとする。また、サンプリング時間はΔt=0.1sとする。 The control gain is set as shown in FIGS. 14 and 15. The planned route is point A = (0,0), point B = (0,500), point W = (300,300), where the unit is [m]. Regarding the movement mode, u R = 2 m / s, T acc = T dec = 60 s, r R = 2 deg / s, radius = 57.3 m, Δψ R = 101.3 deg, dist bf = 30 m, u bf = It is set to 0.1 m / s. Further, the disturbance component, tidal components (U c = 3m / s, ψ c = 0deg), the angular velocity r o = 1deg / s. The sampling time is Δt = 0.1s.

(3.2結果)
シミュレーション結果について説明する。図16〜図19は、それぞれ、シミュレーション結果における計画航路及び船体航跡、船体運動量、誤差量、操作量を示す図である。
(3.2 result)
The simulation results will be described. 16 to 19 are diagrams showing the planned route, the hull track, the hull momentum, the error amount, and the operation amount in the simulation results, respectively.

図16に示すように、船体位置が移動モード中に外乱の影響により航路誤差を生じるが、到達位置である点Bに収束している。また、図17に示すように、旋回時において、u^がv,rの影響を受け、vはrとの連成運動の影響を受けることがわかる。また、図18に示すように、誤差はモード切り替え時に過渡応答を生じ、時間とともにゼロに漸近しているので、閉ループ安定性が確保できていることがわかる。また、図15に示すように、操作量θが初期に飽和し、θ,nが一部に急峻的な応答を示していることがわかる。 As shown in FIG. 16, the hull position causes a navigation error due to the influence of disturbance during the movement mode, but it converges to the point B which is the arrival position. Further, as shown in FIG. 17, it can be seen that u ^ is affected by v and r and v is affected by the coupled motion with r during turning. Further, as shown in FIG. 18, since the error causes a transient response when the mode is switched and gradually approaches zero with time, it can be seen that the closed loop stability can be ensured. Further, as shown in FIG. 15, it can be seen that the manipulated variable θ is saturated at the initial stage, and θ and n show a steep response in part.

(4 まとめ)
移動モードと保持モードとを切り替える船舶用自動操船装置について、シミュレーションにより有効性を検証した結果を考慮してまとめると、以下のようになる。
(4 Summary)
The following is a summary of the automatic ship maneuvering device for switching between the movement mode and the holding mode, considering the results of verifying the effectiveness by simulation.

・TCSとBCSとを統合した制御システムの設計を提案した。
・対水速度を用いずに速度制御を含んだ制御システムの設計を提案した。
・制御対象をsurge及びswayとyawに分割し、それぞれの応答モデルを示した。
・外乱成分に対する閉ループ制御系の特性を解析した。
・計画航路の移動モードに速度制御と旋回制御を採用した。
・速度制御は参照速度と推定速度を用いることで、潮流外乱の影響を打ち消すことができた。
・旋回制御により計画航路にウェイポイントを導入することができ、多様な航路計画を可能にした。
・提案法によって、出発点から到達点までの船位を移動できた。
-Proposed the design of a control system that integrates TCS and BCS.
-Proposed a design of a control system that included speed control without using water speed.
-The control target was divided into serge, sway, and yaw, and the response models for each were shown.
・ The characteristics of the closed loop control system for disturbance components were analyzed.
-Adopted speed control and turning control as the movement mode of the planned route.
-By using the reference speed and the estimated speed for speed control, the influence of tidal current disturbance could be canceled out.
・ Waypoints can be introduced into the planned route by turning control, enabling various route plans.
・ By the proposed method, the ship position could be moved from the starting point to the reaching point.

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 The embodiments of the present invention are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. This embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

1 船舶用自動操船装置
4 推進駆動装置
5 センサ類
13 フィードバック制御部
15 モード切替部
132 航路制御部
133 位置制御部
1 Automatic ship maneuvering device 4 Propulsion drive device 5 Sensors 13 Feedback control unit 15 Mode switching unit 132 Route control unit 133 Position control unit

Claims (6)

surge方向及びsway方向の速度とyaw周りの角速度とを制御可能な推進駆動装置と、船首方位及び船体位置を検出するセンサとを備える船舶を制御する船舶用自動操船装置であって、
予め設定された計画航路に追従するように前記船舶のsway方向の船体位置及び船首方位のフィードバック制御を行う航路制御部と、
前記計画航路における目的地である到達位置に前記船体位置を一致させるように前記船舶のsurge方向及びsway方向の船体位置をフィードバック制御する位置制御部と、
前記到達位置と船体位置との離間距離に基づいて、前記航路制御部によりフィードバック制御を行う移動モードと、前記位置制御部によりフィードバック制御を行う保持モードとを切り替えるモード切替部と
を備える船舶用自動操船装置。
An automatic ship maneuvering device for controlling a ship, which includes a propulsion drive device capable of controlling speeds in the serge direction and the way direction and an angular velocity around yaw, and a sensor for detecting the bow direction and the hull position.
A route control unit that performs feedback control of the hull position and bow direction of the ship in the sway direction so as to follow a preset planned route.
A position control unit that feedback-controls the hull position in the serge direction and the way direction of the ship so as to match the hull position with the arrival position that is the destination in the planned route.
Automatic for ships including a mode switching unit that switches between a movement mode in which feedback control is performed by the route control unit and a holding mode in which feedback control is performed by the position control unit based on the distance between the arrival position and the hull position. Ship maneuvering device.
前記航路制御部は、予め設定された参照速度に追従するように前記船舶のsurge速度をフィードバック制御することを特徴とする請求項1に記載の船舶用自動操船装置。 The automatic ship maneuvering device according to claim 1, wherein the route control unit feedback-controls the serge speed of the ship so as to follow a preset reference speed. 前記参照速度は、前記到達位置に向かって漸次減速するように予め設定され、前記モード切替部は、前記参照速度が所定の速度閾値以下である場合に、前記移動モードから前記保持モードに切り替えることを特徴とする請求項2に記載の船舶用自動操船装置。 The reference speed is preset so as to gradually decelerate toward the arrival position, and the mode switching unit switches from the movement mode to the holding mode when the reference speed is equal to or less than a predetermined speed threshold value. The automatic ship maneuvering device for ships according to claim 2. 前記モード切替部は、前記到達位置と船体位置との距離が所定の距離閾値以下である場合に、前記移動モードから前記保持モードに切り替えることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の船舶用自動操船装置。 The mode switching unit according to claim 1 or 2, wherein the mode switching unit switches from the moving mode to the holding mode when the distance between the reaching position and the hull position is equal to or less than a predetermined distance threshold value. Automatic ship maneuvering device for ships. 船体位置に基づいて前記船舶の対地速度を推定する速度推定部を更に備え、
前記航路制御部は、前記参照速度と前記推定された対地速度との誤差に基づいて、前記船舶のsurge速度をフィードバック制御することを特徴とする請求項2または請求項3に記載の船舶用自動操船装置。
Further provided with a speed estimation unit that estimates the ground speed of the ship based on the hull position,
The automatic ship operation according to claim 2 or 3, wherein the route control unit feedback-controls the serge speed of the ship based on an error between the reference speed and the estimated ground speed. Ship maneuvering device.
前記位置制御部は、前記到達位置において、前記船舶の船首方位が予め設定された到達方位を向くように該船首方位をフィードバック制御することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の船舶用自動操船装置。 The position control unit according to any one of claims 1 to 5, wherein the position control unit feedback-controls the bow direction so that the bow direction of the ship faces a preset arrival direction at the arrival position. The described automatic ship maneuvering device for ships.
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