JP2023120789A

JP2023120789A - 操船制御装置および操船制御方法

Info

Publication number: JP2023120789A
Application number: JP2022023848A
Authority: JP
Inventors: 仁前野; Hitoshi Maeno; 尚志今坂; Hisashi Imasaka; 浩行畠中; Hiroyuki Hatanaka; 一典宮原; Kazunori Miyahara; 文孝前田; Fumitaka Maeda
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2023-08-30

Abstract

【課題】小さい回転半径で旋回することが可能であり、船速の低下も防止することができる操船制御装置および操船制御方法を提供する。【解決手段】操船制御装置は、第１の推進器を駆動する第１動力部と、第２の推進器を駆動する第２動力部と、船首方位を検出する方位センサと、前記方位センサで取得した前記船首方位と、目標方位と、の方位偏差を求めて、最適制御モデルにより前記方位偏差を抑制するための前記第１の推進器および前記第２の推進器の推力を求め、前記第１動力部および前記第２動力部を制御する制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

この発明の一実施形態は、船舶を目標方位に向けて航行させる操船制御装置および操船制御方法に関する。

特許文献１には、目標方位角の偏差及び横揺れを０とするように、舵を最適制御により制御する自動操舵装置が開示されている。

特開２００３－１０４２９１号公報

特許文献１の自動操舵装置は、舵による制御のため、小さい回転半径で旋回することが難しく、旋回により船速が低下するおそれもある。

そこで、この発明の一実施形態は、小さい回転半径で旋回することが可能であり、船速の低下も防止することができる操船制御装置および操船制御方法を提供することを目的とする。

この発明の一実施形態に係る操船制御装置は、第１の推進器と、第２の推進器と、船首方位を検出する方位センサと、船速を検出する船速センサと、前記方位センサで取得した前記船首方位と、目標方位と、の方位偏差、および前記船速センサで取得した前記船速と、目標船速と、の船速偏差を求めて、最適制御モデルにより前記方位偏差および前記船速偏差を最小化するように前記第１の推進器および前記第２を制御する制御部と、を備える。

この様に、本実施形態の操船制御装置は、第１の推進器および第２の推進器を有する２軸推進方式である。２軸推進方式では、第１の推進器および第２の推進器の推力差により旋回力を発生させる。本実施形態の操船制御装置は、最適制御モデルにより方位偏差および船速偏差を０とする様に、第１の推進器および前記第２の推進器を制御する。これにより、自動操船制御であっても、小さい回転半径で船を旋回させることができ、船首方向をいち早く目標方位に向けることができる。また、本実施形態の操船制御装置は、舵の抵抗による旋回力ではなく、第１の推進器および第２の推進器の推力差により旋回力を発生させるため、船速の低下を抑えることもできる。

また、本実施形態の別の態様によれば、操船制御装置は、第１の推進器と、第２の推進器と、船首方位を検出する方位センサと、船体の位置を取得する測位部と、前記方位センサで取得した前記船首方位と、目標方位と、の方位偏差、および前記測位部で取得した前記位置と、目標航路と、の航路偏差を求めて、最適制御モデルにより前記方位偏差および前記航路偏差を最小化するように前記第１の推進器および前記第２の推進器を制御する制御部と、を備える。

この場合、操船制御装置は、最適制御モデルにより方位偏差および航路偏差を０とする様に、第１の推進器および前記第２の推進器を制御する。これにより、操船制御装置は、船の位置を目標の航路へいち早く戻すことができる。

前記制御部は、さらに、積分制御により前記航路偏差を抑制するように前記第１の推進器および前記第２の推進器の推力を制御してもよい。

この場合、操船制御装置は、風または潮流等の外乱の影響を抑えることができる。

また、前記制御は、前記第１の推進器および前記第２の推進器の推力の方向が逆になる制御を含んでもよい。

これにより、操船制御装置は、さらに小さい回転半径で船を旋回させることができる。

また、前記制御は、前記船体の位置を変化させずに回頭する制御を含んでもよい。

これにより、操船制御装置は、船をその場での回頭させることができ、非常に小さい回転半径で船を旋回させることができる。

また、前記制御は、前記進行方向と逆の後退方向に前記船体を移動させる制御を含んでもよい。これにより、操船制御装置は、船の位置を目標の航路へいち早く戻すことができる。

船舶１０の平面図である。操船制御装置２０の主要構成を示すブロック図である。船体の運動モデルを示す図である。各種記号の意味を示す表である。

図１は、本実施形態の船舶１０の平面図である。船舶１０は、前後方向に長く、左右方向に短い構造を有する。船舶１０は、船舶１０の前後方向に推力を有する第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂを有する。

図２は船舶１０に設けられた操船制御装置２０の主要構成を示すブロック図である。

操船制御装置２０は、アンテナ２１、測位部２２、方位センサ２３、制御部２４、船速センサ２５、第１推進器２６Ａ、および第２推進器２６Ｂを備えている。

第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂは、それぞれ回転プロペラからなる。制御部２４は、第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂの回転数を制御することで、第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂの推力を制御する。

測位部２２は、ＧＰＳ等の位置検出部である。アンテナ２１は、ＧＰＳ測位信号を受信し、測位部２２へ出力する。測位部２２は、ＧＰＳ測位信号を用いて測位演算を実行し、船舶１０の位置を算出する。測位演算は、予め設定した測位タイミング毎に実行される。測位部２２は、算出した船舶１０の位置を、制御部２４へ出力する。

方位センサ２３は、船首方位を検出する。方位センサ２３は、船首方位に係る情報を制御部２４に出力する。

船速センサ２５は、船速を検出するドップラセンサまたはジャイロセンサ等を含む。船速センサ２５は、船速に係る情報を制御部２４に出力する。船速は、前進速度、横方向速度、および回頭角速度を含む。

なお、操船制御装置２０は、風速センサ、風向センサ、あるいは潮流センサ等の他のセンサを備えていてもよい。

制御部２４は、利用者から目標航路、目標船速（前進速度）、または目標方位の設定を受け付ける。制御部２４は、測位部２２から出力された船舶１０の位置、方位センサ２３から出力された船首方位、および船速センサ２５から出力された船速に基づいて、第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂを制御する。

制御部２４は、測位部２２で取得した船舶１０の位置と、利用者から受け付けた目標航路と、の航路偏差を求める。また、制御部２４は、方位センサ２３で取得した船首方位と、目標航路に基づく目標方位と、の方位偏差を求める。また、制御部２４は、船速センサで取得した船速（前進速度）と、目標船速（前進速度）と、の船速偏差を求める。そして、制御部２４は、最適制御モデルにより方位偏差、船速偏差、および航路偏差を最小化するように第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂを制御する。

最適制御モデルは、線形の状態方程式として、以下の数式１で表される。

Ｘは制御対象の状態変数であり、本実施形態では船速の成分、船首方位の成分、および航路偏差の成分を含む。船速の成分は、前進速度、横方向速度、および回頭角速度を含む。すなわち、Ｘは船速偏差、横方向速度、回頭角速度、方位偏差、および航路偏差を示す５次の行列式である。

ｕは、第１推進器２６Ａのプロペラ回転数ｎ_Ｌおよび第２推進器２６Ｂのプロペラ回転数ｎ_Ｒを示す出力変数であり、２次の行列式である。

Ａは、船体の運動特性を示す係数であり、Ｂは２軸のプロペラの推力係数である。船体の運動特性は、数式２に示す前後方向、左右方向、および回頭方向に対して、数式３に示す、船体に働く力を示す所定のモデル（例えばＭＭＧモデル）を代入した数式４により表される。

なお、各種の記号の意味は、図３のモデル図および図４の表に示す。図３は船体の運動モデルを示す図であり、図４は各種の記号の意味を示す表である。

上記数式１は、以下の数式５の様に表される（ただし、ａは任意の定数である）。

上記数式５は、離散化して以下の数式６で表される。

上記状態方程式に対する評価関数は以下の数式７で示される。

Ｑは状態変数の重み係数であり、Ｒは出力変数の重み係数である。重み係数Ｑは、５次の行列式であるが、本実施形態では速度偏差、方位偏差、および航路偏差の行にのみ値を定める。出力変数の重み係数Ｒは、任意の固定値（Ｒ＞０）であり、左右のプロペラの重みは同一である。重み係数Ｒが小さいほど出力が大きくなり、制御部２４は、いち早く船体の挙動を変化させることができる。重み係数Ｒが大きいほど出力が小さくなり、制御部２４は、船体の安定性を高くすることができる。

本実施形態の船体の運動特性は、上述の様に線形で表されると仮定する。数式７の評価関数Ｊ_Ｎを最小にするように状態変数を０にしようとする制御フィードバックＬ（ｕ＝Ｌ・Ｘ）は、Ｓ（Ｎ）＝Ｑを初期値とする、以下のリッカチ方程式（数式８）をｋ＝ＮからＮ＝０まで解くことで求められる。

制御部２４は、求めた制御ゲインから第１推進器２６Ａのプロペラ回転数ｎ_Ｌおよび第２推進器２６Ｂのプロペラ回転数ｎ_Ｒを示す出力変数ｕを求めて、船速偏差、方位偏差、および航路偏差を最小にするように第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂを制御する。

本実施形態に示す２軸推進方式では、第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂの推力差により旋回力を発生させる。したがって、本実施形態の操船制御装置２０は、小さい回転半径で船を旋回させることができ、船首方向をいち早く目標方位に向け、船の位置を目標の航路へいち早く戻すことができ、かつ、船速の低下を抑えることもできる。

なお、制御部２４は、さらに、積分制御により航路偏差を抑制するように第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂを制御してもよい。

この場合、操船制御装置２０は、風または潮流等の外乱の影響による航路偏差の増大を抑えることができる。

また、２軸推進方式では、第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂの推力の方向を逆にすることもできる。これにより、本実施形態の操船制御装置２０は、さらに小さい回転半径で船を旋回させることができる。

また、２軸推進方式では、船体の位置を変化させずにその場で回頭させることも可能である。これにより、操船制御装置２０は、船をその場での回頭させることができ、非常に小さい回転半径で船を旋回させることができる。

また、制御部２４は、船の進行方向と逆の後退方向に船体を移動させることもできる。これにより、操船制御装置２０は、船の位置を目標の航路へいち早く戻すことができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、実施形態に開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、制御部２４は、船速偏差および方位偏差を最小にするように第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂを制御してもよい。この場合、重み係数Ｑは、速度偏差および方位偏差の行にのみ値を定め、航路偏差の行を０にする。また、制御部２４は、方位偏差および航路偏差を最小にするように第１推進器２６Ａおよび第２推進器２６Ｂを制御してもよい。この場合、重み係数Ｑは、方位偏差および航路偏差の行にのみ値を定め、速度偏差の行を０にする。

１０：船舶
２０：操船制御装置
２１：アンテナ
２２：測位部
２３：方位センサ
２４：制御部
２５：船速センサ
２６Ａ：第１推進器
２６Ｂ：第２推進器

Claims

第１の推進器と、
第２の推進器と、
船首方位を検出する方位センサと、
船速を検出する船速センサと、
前記方位センサで取得した前記船首方位と、目標方位と、の方位偏差、および前記船速センサで取得した前記船速と、目標船速と、の船速偏差を求めて、最適制御モデルにより前記方位偏差および前記船速偏差を最小化するように前記第１の推進器および前記第２を制御する制御部と、
を備えた操船制御装置。
第１の推進器と、
第２の推進器と、
船首方位を検出する方位センサと、
船体の位置を取得する測位部と、
前記方位センサで取得した前記船首方位と、目標方位と、の方位偏差、および前記測位部で取得した前記位置と、目標航路と、の航路偏差を求めて、最適制御モデルにより前記方位偏差および前記航路偏差を最小化するように前記第１の推進器および前記第２の推進器を制御する制御部と、
を備えた操船制御装置。
請求項１に操船制御装置であって、
前記船体の位置を取得する測位部を備え、
前記制御部は、さらに、前記測位部で取得した前記位置と、目標航路と、の航路偏差を求めて、前記最適制御モデルにより前記方位偏差、前記航路偏差、および前記船速偏差を最小化するように前記第１の推進器および前記第２の推進器を制御する、
操船制御装置。
請求項１または請求項３に記載の操船制御装置であって、
前記制御部は、さらに、積分制御により前記航路偏差を最小化する前記第１の推進器および前記第２の推進器の推力を求める、
操船制御装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の操船制御装置であって、
前記制御は、前記第１の推進器および前記第２の推進器の推力の方向が逆になる制御を含む、
操船制御装置。
請求項５に記載の操船制御装置であって、
前記制御は、前記船体の位置を変化させずに回頭する制御を含む、
操船制御装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の操船制御装置であって、
前記制御は、前記進行方向と逆の後退方向に前記船体を移動させる制御を含む、
操船制御装置。
船首方位を検出する方位センサで船首方位を取得し、
船速を検出する船速センサで船速を取得し、
前記方位センサで取得した前記船首方位と、目標方位と、の方位偏差、および前記船速センサで取得した前記船速と、目標船速と、の船速偏差を求めて、最適制御モデルにより前記方位偏差および前記船速偏差を最小化するように前記第１の推進器および前記第２の推進器を制御する、
操船制御方法。
船首方位を検出する方位センサで船首方位を取得し、
船体の位置を取得する測位で船体の位置を取得し、
前記方位センサで取得した前記船首方位と、目標方位と、の方位偏差、および前記測位部で取得した前記位置と、目標航路と、の航路偏差を求めて、最適制御モデルにより前記方位偏差および前記航路偏差を最小化するように前記第１の推進器および前記第２の推進器を制御する、
操船制御方法。