JP2021098391A - 船体制御装置、船体制御方法、および、船体制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】モデル予測制御を行いながら、制御精度、ロバスト性を向上し、且つ、より短い時間で制御を行う。【解決手段】状態判定部２１は、目標の定点保持位置Ｐｔを原点として地球座標系を基準とする制御用座標系における船体の位置Ｐｓ、船体の位置Ｐｓと目標の定点保持位置Ｐｔとの距離、および、船首方位ψｓを用いて、船体の状態を判定する。探索ルール設定部２２は、船体の状態の判定結果を用いて、探索ルールを設定する。行動探索部２３は、船体を目標の定点保持位置に移動させる行動を、探索ルールを参照して、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって探索する。行動探索部２３は、探索の結果から、指令スロットル開度および指令舵角を設定する。【選択図】 図１

Description

本発明は、船体を定点保持する技術に関する。

特許文献１には、船体を一定の方向に向けて保持する船体用制御装置が記載されている。

特開２０１３−１５１２４１号公報

特許文献１と同様に、船体を目標の定点保持位置に保持する制御も各種あり、その一つとして、モデル予測制御を用いるものがある。

しかしながら、従来のモデル予測制御では、モデル予測に時間が係り、制御精度が十分でなく、制御のロバスト性も高くないという問題があった。

したがって、本発明の目的は、モデル予測制御を行いながら、制御精度、ロバスト性を向上し、且つ、より短い時間で制御を行うことができる船体制御技術を提供することにある。

この発明の船体制御装置は、状態取得部、状態判定部、探索ルール設定部、および、行動探索部を備える。状態取得部は、船体の位置、船体の船首方位を取得する。状態判定部は、目標の定点保持位置を原点として地球座標系を基準とする制御用座標系における船体の位置、船体の位置と目標の定点保持位置との距離、および、船首方位を用いて、船体の状態を判定する。探索ルール設定部は、船体の状態の判定結果を用いて、探索ルールを設定する。行動探索部は、船体を目標の定点保持位置に移動させる行動を、探索ルールを参照して、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって探索し、該探索の結果から、指令スロットル開度および指令舵角を設定する。

この構成では、船体の状態に応じて設定された探索ルールを用いて、行動が探索される。これにより、モデル予測制御における探索範囲が狭くなり、より確からしい行動が探索される。

この発明によれば、モデル予測制御を用いて、制御精度、ロバスト性を向上し、且つ、より短い時間で定点制御を行うことができる。

図１は、本発明の実施形態に係るオートパイロット制御部（ＡＰ制御部）の構成を示す機能ブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に係る船体制御装置を含む船体制御システムの構成を示す機能ブロック図である。 図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、状態判定の概念を説明するための図である。 図４は、本発明の実施形態に係る船体制御方法のメイン処理を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施形態に係る船体制御方法の状態判定を示すフローチャートである。

本発明の第１の実施形態に係る船体制御装置、船体制御方法、および、船体制御プログラムについて、図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係るオートパイロット制御部（ＡＰ制御部）の構成を示す機能ブロック図である。図２は、本発明の実施形態に係る船体制御装置を含む船体制御システムの構成を示す機能ブロック図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、状態判定の概念を説明するための図である。

（船体制御装置１０の構成）
まず、図２を用いて、船体制御装置１０の構成について説明する。図２に示すように、船体制御装置１０は、ＡＰ制御部２０、ＡＰ操作部３０、状態取得部４０、および、表示部５０を備える。船体制御装置１０は、オートパイロット制御（自動航行制御）を行う船舶の船体９０に装備される。

船体制御装置１０は、推進力発生部９１、および、舵機９２に接続する。なお、推進力発生部９１および舵機９２は、例えば、船外機、船内機、船内外機他、各種の推進器等に備えられている。また、推進力発生部９１および舵機９２は、船体に１つずつ備えられている。すなわち、本実施形態の船体制御装置１０が装備される船舶は、所謂、１軸１舵の船舶である。

ＡＰ制御部２０、ＡＰ操作部３０、状態取得部４０、および、表示部５０は、例えば、船舶用のデータ通信ネットワーク１００によって互いに接続する。ＡＰ制御部２０と推進力発生部９１とは、例えば、推進力用通信網（ＣＡＮ等）を介して接続する。ＡＰ制御部２０と舵機９２とは、例えば、アナログ電圧またはデータ通信を介して接続する。

（ＡＰ制御部２０以外の構成および処理）
ＡＰ操作部３０は、例えば、タッチパネル、物理的なボタンやスイッチ等によって実現される。ＡＰ操作部３０は、定点保持を含むオートパイロット制御に関連する設定の操作を受け付ける。ＡＰ操作部３０は、目標の定点保持位置Ｐｔを含む設定内容をＡＰ制御部２０に出力する。

状態取得部４０は、船体制御装置１０が備えられた船舶（船体）の船体の位置Ｐｓ、および、船首方位ψｓ等の船体の状態を取得する。例えば、状態取得部４０は、ＧＮＳＳ（例えば、ＧＰＳ）の測位信号を利用した測位センサ、慣性センサ（加速度センサや角速度センサ等）、磁気センサ等によって実現される。状態取得部４０は、取得した船体の状態、すなわち、船体の位置Ｐｓ、および、船首方位ψｓを、ＡＰ制御部２０に出力する。

表示部５０は、例えば、液晶パネル等によって実現される。表示部５０は、ＡＰ制御部２０から、定点保持の情報、オートパイロット制御に関連する情報等が入力されると、これらを表示する。なお、表示部５０は、省略することも可能であるが、あることが好ましく、表示部５０があることによって、ユーザは、定点保持状態、オートパイロット制御状態等を容易に把握できる。

（ＡＰ制御部２０の構成および制御処理）
ＡＰ制御部２０は、例えば、ＣＰＵ等の演算処理装置と、半導体メモリ等の記憶部とによって構成される。記憶部は、ＡＰ制御部２０で実行するプログラムを記憶する。また、記憶部は、ＣＰＵの演算時に利用される。

図１に示すように、機能的には、ＡＰ制御部２０は、状態判定部２１、探索ルール設定部２２、および、行動探索部２３を備える。

状態判定部２１は、制御用座標系における船体の位置Ｐｓから、目標の定点保持位置Ｐｔに対する船体９０の状態を判定する。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）に示すように、制御用座標系は、目標の定点保持位置Ｐｔを原点する地球座標系を基準にして設定される。この地球座標系では、東西を結ぶ方向をｘ軸方向として、東向きがｘ軸の＋方向であり、西向きがｘ軸の−方向である。また、この地球座標系では、南北を結ぶ方向をｙ軸方向とし、北向きがｙ軸の＋方向であり、南向きがｙ軸の−方向である。

状態判定部２１は、船体の位置Ｐｓと目標の定点保持位置Ｐｔとの距離から、目標の定点保持位置Ｐｔに対する船体９０の状態を判定する。

状態判定部２１は、船首方位ψｓから、目標の定点保持位置Ｐｔに対する船体の状態を判定する。

より具体的には、状態判定部２１は、次に示すように、船体の状態を判定する。図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）に示すように、状態判定部２１は、制御用座標系における原点（目標の定点保持位置Ｐｔ）を中心として、境界円Ｃｔｈを設定する。境界円Ｃｔｈの半径ｒｔｈは、船体９０の約１艇身（船長と略同じ長さ）に設定されている。

状態判定部２１は、船体の位置Ｐｓと目標の定点保持位置Ｐｔとの距離を算出する。状態判定部２１は、この距離が、境界円Ｃｔｈの半径ｒｔｈ以下であるか否かで、船体の状態を判定する。言い換えれば、状態判定部２１は、船体の位置Ｐｓが、境界円Ｃｔｈの内側にあるか外側にあるかで、船体の状態を判定する。

さらに、状態判定部２１は、船体の位置Ｐｓが制御座標系におけるいずれの象限にあるかによって、船体の状態を判定する。ここで、制御座標系における第１象限ＱＤ１は、目標の定点保持位置Ｐｔに対して北東の領域であり、第２象限ＱＤ２は、目標の定点保持位置Ｐｔに対して北西の領域である。また、制御座標系における第３象限ＱＤ３は、目標の定点保持位置Ｐｔに対して南西の領域であり、第４象限ＱＤ４は、目標の定点保持位置Ｐｔに対して南東の領域である。

また、さらに、状態判定部２１は、船体９０の位置Ｐｓから目標の定点保持位置Ｐｔを向く方向と、船首方位ψｓとの関係から、船体の状態を判定する。例えば、状態判定部２１は、図３（Ａ）に示すように、船首方位ψｓが船体９０から目標の定点保持位置Ｐｔを向く方向に対して反対方向（船尾９０２が目標の定点保持位置Ｐｔの方向を向いている状態）であるか、図３（Ｃ）に示すように、船首方位ψｓが船体９０から目標の定点保持位置Ｐｔを向く方向（船首９０１が目標の定点保持位置Ｐｔの方向を向いている状態）であるかによって、船体の状態を判定する。また、状態判定部２１は、図３（Ｂ）、および、図３（Ｄ）に示すように、船首方位ψｓが船体９０から目標の定点保持位置Ｐｔを向く方向に対して平行で無いことによって、この状態において、船首方位ψｓが何れの方向を向いているかによって、船体の状態を判定する。

状態判定部２１は、船体の状態の判定結果を、探索ルール設定部２２に出力する。

探索ルール設定部２２は、船体の状態の判定結果から、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御の演算に用いる探索ルールを設定する。すなわち、探索ルール設定部２２は、船体９０を目標の定点保持位置Ｐｔに移動させるための行動の探索範囲を制限する条件を設定する。探索ルール設定部２２は、探索ルールを、行動探索部２３に出力する。

行動探索部２３は、探索ルールを参照して、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって、船体９０の今後の行動を探索する。この際、行動探索部２３は、例えば、船体９０をできる限り最短のルートで目標の定点保持位置Ｐｔに到達させるように、船体９０の今後の行動を探索する。行動探索部２３は、探索結果に基づいて、指令スロットル開度および指令舵角を設定する。

具体的な一例として、図３（Ａ）に示す場合では、行動探索部２３は、船体の位置Ｐｓが境界円Ｃｔｈの外側にあり、船首方位ψｓが目標の定点保持位置Ｐｔ側を向いておらず、船体の位置Ｐｓが第１象限ＱＤ１にあることを、探索範囲を制限する条件として、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって、船体９０の今後の行動（図３（Ａ）における太い黒矢印の行動）を探索する。図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）に示す場合も、図３（Ａ）と同様の概念によって、行動探索部２３は、探索範囲を制限する条件下で、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって、船体９０の今後の行動（各図における太い黒矢印の行動）を探索する。

行動探索部２３は、指令スロットル開度を、推進力発生部９１に出力する。行動探索部２３は、指令舵角を、舵機９２に出力する。推進力発生部９１は、指令スロットル開度に応じて、推進力を発生する。舵機９２は、指令舵角に応じて、舵の角度（舵角）を調整する。

このような構成および制御処理を行うことによって、船体制御装置１０は、モデル予測制御を用いて、制御精度、ロバスト性を向上し、且つ、より短い時間で、目標の定点保持位置Ｐｔへの移動、保持（すなわち定点制御）を行うことができる。

（船体制御方法）
なお、上述の説明では、船体制御（ＡＰ制御）の各処理を、複数の機能部に分けて実行する態様を示した。しかしながら、これらの処理をプログラムとして記憶部等に記憶しておき、演算処理装置で実行することで、上述の船体制御を実現することも可能である。この場合、演算処理装置は、次に示す船体制御方法を実行すればよい。図４は、本発明の実施形態に係る船体制御方法のメイン処理を示すフローチャートである。図５は、本発明の実施形態に係る船体制御方法の状態判定を示すフローチャートである。なお、図４、図５に示す各処理の具体的な内容は、上述しており、以下では、具体的な説明は省略する。

図４に示すように、演算処理装置は、船体９０の位置Ｐｓ、船首方位ψｓを含む船体の状態を取得する（Ｓ１１）。

演算処理装置は、船体９０の状態を判定する（Ｓ１２）。具体的には、図５に示すように、演算処理装置は、船体の位置Ｐｓと目標の定点保持位置Ｐｔとの距離による判定を行う（Ｓ２１１）。演算処理装置は、制御用座標系における船体の位置Ｐｓが属する象限による判定を行う（Ｓ２１２）。演算処理装置は、船首方位ψｓによる判定を行う（Ｓ２１３）。なお、これらの各判定は、この順である必要は無く、同時並行に行ってもよい。

演算処理装置は、判定結果を用いて、探索ルールを設定する（Ｓ１３）。演算処理装置は、探索ルールを参照して、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御の演算を行うことで、船体９０の行動を探索する。演算処理装置は、探索結果から、指令舵角および指令スロットル開度を設定する（Ｓ１４）。

演算処理装置は、指令舵角および指令スロットル開度を出力する（Ｓ１５）。

演算処理装置は、制御用閾値を予め設定しており、この一連の制御ステップを制御用閾値を超えるまで行うと（Ｓ１６：ＹＥＳ）、制御を終了する。一方、演算処理装置は、この一連の制御ステップを制御用閾値の回数行うまでは（Ｓ１６：ＮＯ）、この一連の制御ステップを繰り返す。

１０：船体制御装置
２０：ＡＰ制御部
２１：状態判定部
２２：探索ルール設定部
２３：行動探索部
３０：ＡＰ操作部
４０：状態取得部
５０：表示部
９０：船体
９１：推進力発生部
９２：舵機
１００：データ通信ネットワーク
９０１：船首
９０２：船尾

Claims (12)

1. 船体の位置、前記船体の船首方位を取得する状態取得部と、
   目標の定点保持位置を原点として地球座標系を基準とする制御用座標系における前記船体の位置、前記船体の位置と前記目標の定点保持位置との距離、および、前記船首方位を用いて、前記船体の状態を判定する状態判定部と、
   前記船体の状態の判定結果を用いて、探索ルールを設定する探索ルール設定部と、
   前記船体を前記目標の定点保持位置に移動させる行動を、前記探索ルールを参照してガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって探索し、該探索の結果から、指令スロットル開度および指令舵角を設定する行動探索部と、
   を備える、船体制御装置。
2. 請求項１に記載の船体制御装置であって、
   前記状態判定部は、
   前記目標の定点保持位置を原点とし、前記船体の船長によって半径が決まる境界円を設定し、
   前記船体の位置が前記境界円の内側か外側かであるかによって、前記状態を判定する、
   船体制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の船体制御装置であって、
   前記状態判定部は、
   前記船体の位置が前記制御用座標系における象限のいずれに属するかによって、前記状態を判定する、
   船体制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の船体制御装置であって、
   前記状態判定部は、
   前記船体の位置に対する前記目標の定点保持位置の方位と、前記船首方位とを用いて、前記状態を判定する、
   船体制御装置。
5. 船体の位置、前記船体の船首方位を取得し、
   目標の定点保持位置を原点として地球座標系を基準とする制御用座標系を設定し、
   前記制御用座標系における前記船体の位置、前記船体の位置と前記目標の定点保持位置との距離、および、前記船首方位を用いて、前記船体の状態を判定し、
   前記船体の状態の判定結果を用いて、探索ルールを設定し、
   前記船体を前記目標の定点保持位置に移動させる行動を、前記探索ルールを参照して、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって探索し、
   該探索の結果から、指令スロットル開度および指令舵角を設定する、
   船体制御方法。
6. 請求項５に記載の船体制御方法であって、
   前記目標の定点保持位置を原点とし、前記船体の船長によって半径が決まる境界円を設定し、
   前記船体の位置が前記境界円の内側か外側かであるかによって、前記状態を判定する、
   船体制御方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の船体制御方法であって、
   前記船体の位置が前記制御用座標系における象限のいずれに属するかによって、前記状態を判定する、
   船体制御方法。
8. 請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の船体制御方法であって、
   前記船体の位置に対する前記目標の定点保持位置の方位と、前記船首方位とを用いて、前記状態を判定する、
   船体制御方法。
9. 船体の位置、前記船体の船首方位を取得し、
   目標の定点保持位置を原点として地球座標系を基準とする制御用座標系を設定し、
   前記制御用座標系における前記船体の位置、前記船体の位置と前記目標の定点保持位置との距離、および、前記船首方位を用いて、前記船体の状態を判定し、
   前記船体の状態の判定結果を用いて、探索ルールを設定し、
   前記船体を前記目標の定点保持位置に移動させる行動を、前記探索ルールを参照して、ガウス過程回帰を用いたモデル予測制御によって探索し、
   該探索の結果から、指令スロットル開度および指令舵角を設定する、
   処理を演算処理装置に実行させる船体制御プログラム。
10. 請求項９に記載の船体制御プログラムであって、
    前記目標の定点保持位置を原点とし、前記船体の船長によって半径が決まる境界円を設定し、
    前記船体の位置が前記境界円の内側か外側かであるかによって、前記状態を判定する、
    処理を前記演算処理装置に実行させる船体制御プログラム。
11. 請求項９または請求項１０に記載の船体制御プログラムであって、
    前記船体の位置が前記制御用座標系における象限のいずれに属するかによって、前記状態を判定する、
    処理を前記演算処理装置に実行させる船体制御プログラム。
12. 請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の船体制御プログラムであって、
    前記船体の位置に対する前記目標の定点保持位置の方位と、前記船首方位とを用いて、前記状態を判定する、
    処理を前記演算処理装置に実行させる船体制御プログラム。

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