JP2023133882A - 着桟システム - Google Patents

Abstract

【課題】処理負荷を軽減可能な着桟システムを提供すること。【解決手段】着桟システムは、船舶１が着桟するための航路であるウェイラインＷに沿って、船舶１を着桟させる着桟システムであって、ユーザによって入力されたウェイラインＷに関する情報を取得する取得部と、ウェイラインＷに沿うように、ウェイラインＷの始点Ｐｓから終点Ｐｅに向かって船舶１を航行させるライントレース制御を行うライントレース制御部と、を備える。【選択図】図７

Description

本開示は、着桟システムに関する。

着桟操船においては、操船者は船舶を桟橋に安全かつ速やかに接岸させる必要がある。しかし、着桟操船を行うときには、停泊している他の船舶、障害物、及び桟橋等に船舶を接触させてしまうおそれがあるため、着桟操船には、高度な技術が要求される。

特許文献１には、船舶の着桟支援システムが記載されている。この着桟支援システムにおいては、船舶状態と、制約条件と、外乱条件と、に基づいて着桟位置までの計画航路が策定され、計画航路を航走するに当たっての操船情報が提供される。

特開２０２１－７６５３７号公報

特許文献１の着桟支援システムにおいては、計画航路を策定するために、コンピュータが、船舶状態、及び制約条件に基づいて着桟位置までの複数の通過点を設定し、船舶状態、制約条件、及び外乱条件に基づいて操船運動シミュレーションを行うことによって計画航路を策定する。そのため、コンピュータの処理負荷が高くなるおそれがある。

本開示は、処理負荷を軽減可能な着桟システムを説明する。

本開示の一側面に係る着桟システムは、船舶が着桟するための航路であるウェイラインに沿って、船舶を着桟させるシステムである。この着桟システムは、ユーザによって入力されたウェイラインに関する情報を取得する取得部と、ウェイラインに沿うように、ウェイラインの始点から終点に向かって船舶を航行させるライントレース制御を行うライントレース制御部と、を備える。

本開示によれば、処理負荷を軽減することができる。

図１は、着桟システムの機能ブロック図である。 図２は、着桟システムを構成するコンピュータのハードウェア構成の一例を示す図である。 図３は、着桟システムが行う着桟方法の一連の処理を示すフローチャートである。 図４は、ウェイラインの設定を説明するための図である。 図５は、初期位置とウェイラインの始点とを結ぶ線分に沿ったライントレース制御を説明するための図である。 図６は、ウェイラインの始点付近における船舶の航行を示す図である。 図７は、ウェイラインに沿ったライントレース制御を説明するための図である。 図８は、ウェイラインの終点付近における船舶の航行を示す図である。 図９は、方位制御を説明するための図である。 図１０は、ＭＰＣ（Model Predictive Control）を用いたライントレース制御を説明するための図である。

［１］実施形態の概要
本開示の一側面に係る着桟システムは、船舶が着桟するための航路であるウェイラインに沿って、船舶を着桟させるシステムである。この着桟システムは、ユーザによって入力されたウェイラインに関する情報を取得する取得部と、ウェイラインに沿うように、ウェイラインの始点から終点に向かって船舶を航行させるライントレース制御を行うライントレース制御部と、を備える。

この着桟システムでは、ユーザによって入力されたウェイラインに沿うように、ウェイラインの始点から終点に向かって船舶が航行される。ウェイラインはユーザによって入力されるので、ウェイラインを策定するために、着桟システムは複雑な処理を行う必要が無い。したがって、着桟システムの処理負荷を軽減することが可能となる。

上記着桟システムは、ライントレース制御により船舶の位置から終点までの距離が第１閾値以下になったことに応じて、船舶の前進速度を低下させる減速制御を行う減速制御部をさらに備えてもよい。この場合、ウェイラインの終点に船舶が近づくと、船舶の前進速度が低下される。したがって、船舶をウェイラインの終点において停止させることができる。

第１閾値は、ウェイライン上における船舶の前進速度に基づいて決定されてもよい。船舶の前進速度が大きい場合には、前進速度が小さい場合と比較して、船舶を停止させるまでに要する航行距離が長くなる。上記構成においては、前進速度が考慮されて第１閾値が決定されるので、減速制御を開始するタイミングが前進速度に応じて決定される。したがって、より確実に船舶をウェイラインの終点で停止させることが可能となる。

上記着桟システムは、減速制御により船舶の前進速度が第２閾値以下になったことに応じて、船舶の向きが所定の方位角になるように、船舶を回頭させる方位制御部をさらに備えてもよい。この場合、ウェイラインの終点において、船舶の向きを所定の方位角に合わせることが可能となる。

上記着桟システムは、ウェイラインをユーザに入力させる画面を表示装置に表示させる表示制御部をさらに備えてもよい。取得部は、上記画面に入力されたウェイラインに関する情報を取得してもよい。この場合、ユーザは、着桟システムにウェイラインを直接入力することができる。

ライントレース制御部は、船舶がウェイラインとは異なる位置に存在する場合には、位置から始点に向かって船舶を航行させてもよい。この場合、船舶の現在位置からウェイラインを設定する必要が無い。したがって、ウェイラインを設定するための制約条件が緩和されるので、着桟に適したウェイラインをユーザに設定させることができる。

［２］実施形態の例示
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１及び図２を参照して、一実施形態に係る着桟システムを説明する。図１は、着桟システムの機能ブロック図である。図２は、着桟システムを構成するコンピュータのハードウェア構成の一例を示す図である。図１に示される着桟システム１０は、ウェイラインに沿って船舶を着桟させるシステムである。ウェイラインは、船舶が着桟するための航路である。船舶の例としては、自動運航船が挙げられる。着桟システム１０は、１台のコンピュータ１００（図２参照）によって構成されてもよい。着桟システム１０は、複数台のコンピュータ１００によって構成されてもよい。

図２に示されるように、着桟システム１０を構成するコンピュータ１００は、プロセッサ１０１、主記憶装置１０２、補助記憶装置１０３、入力装置１０４、表示装置１０５、及び通信装置１０６を含む。

プロセッサ１０１の例としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）が挙げられる。主記憶装置１０２は、補助記憶装置１０３から読み込んだプログラム、及びプロセッサ１０１による演算結果を一時的に記憶する。主記憶装置１０２は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）で構成される。補助記憶装置１０３は、着桟システム１０の各機能的構成要素を構成するためのプログラムを記憶する。補助記憶装置１０３は、例えば、ハードディスク装置又はフラッシュメモリで構成され、一般に主記憶装置１０２よりも大量のデータを記憶可能な容量を有する。

入力装置１０４は、コンピュータ１００に含まれるハードウェアに情報を入力する。入力装置１０４は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、及び操作ボタンで構成される。表示装置１０５は、コンピュータ１００に含まれるハードウェアから出力される情報を表示する。表示装置１０５は、例えば、ディスプレイで構成される。入力装置１０４と表示装置１０５とは、タッチパネルのように一体化されていてもよい。通信装置１０６は、プロセッサ１０１からの指令に従って、通信ネットワークを介して他の装置との間でデータ通信を行う。通信装置１０６は、例えば、ネットワークインタフェースカード（ＮＩＣ）又は無線通信モジュールで構成される。

図１に示される着桟システム１０の各機能的構成要素は、主記憶装置１０２等のハードウェアに所定のコンピュータプログラムを読み込ませることにより、プロセッサ１０１の制御のもとで各ハードウェアを動作させるとともに、主記憶装置１０２及び補助記憶装置１０３におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

着桟システム１０は、機能的構成要素として、表示制御部１１と、取得部１２と、取得部１３と、切替部１４と、ライントレース制御部１５と、減速制御部１６と、方位制御部１７と、を備えている。

表示制御部１１は、各種情報を表示装置１０５に表示させる機能的構成要素である。表示制御部１１は、所定の表示画面を表示させるための表示情報を表示装置１０５に出力し、表示装置１０５は表示情報に基づいて所定の表示画面を表示する。表示制御部１１は、例えば、ユーザに設定情報を入力させるための画面を表示装置１０５に表示させる。設定情報は、着桟に関する情報であり、ウェイラインに関する情報及び方位角を含む。ウェイラインに関する情報は、ウェイラインの始点の位置座標及びウェイラインの終点の位置座標を含む。方位角は、船舶の着桟が完了した時の船舶の向き（船首の向き）を表す。方位角は、例えば、北向きと船舶の向きとがなす角度である。方位角は、北を０度として時計回りに正の値を有する。設定情報は、目標速度をさらに含んでもよい。

取得部１２は、ユーザによって入力された各種情報を取得する機能的構成要素である。取得部１２は、例えば、設定情報を取得する。取得部１２は、着桟開始指示を取得してもよい。

取得部１３は、船舶の状態量を取得する機能的構成要素である。船舶の状態量は、船舶の航行状態を示す状態量である。状態量の例としては、船舶の位置情報、進行方向（向き）、前進速度、横速度、及び角速度が挙げられる。取得部１３は、外乱情報をさらに取得してもよい。外乱情報は、船舶の航行に影響を及ぼす環境情報である。外乱情報の例としては、風及び潮流に関する情報が挙げられる。

切替部１４は、船舶の航走モードを切り替える機能的構成要素である。切替部１４は、ライントレース制御部１５、減速制御部１６、及び方位制御部１７のそれぞれを所定の条件の下で起動又は停止させることによって、航走モードを切り替える。切替部１４は、所定の条件の下で船舶１が着桟完了したことを出力する。

ライントレース制御部１５は、所定のラインに沿うように船舶を航行させるライントレース制御を行う機能的構成要素である。所定のラインは、ウェイラインを含む。ライントレース制御部１５は、例えば、ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔを用いてライントレース制御を行う。

減速制御部１６は、船舶の前進速度を低下させる減速制御を行う機能的構成要素である。減速制御部１６は、船舶の前進速度をゼロに近づける。減速制御部１６は、例えば、プロペラ軸を逆回転させることによって減速制御を行う。逆回転の回転数は、一定値でよい。船舶に応じて適切な回転数が設定される。減速制御部１６は、バケットを用いて船舶を後進（アスターン）させることによって減速制御を行ってもよい。なお、減速制御部１６は、前進速度だけでなく、横速度及び方位角速度をゼロに近づけてもよい。

方位制御部１７は、船舶を回頭させる方位制御を行う機能的構成要素である。方位制御部１７は、船舶の向きが設定情報に含まれる方位角になるように、船舶を回頭させる。船舶を回頭させるとは、その場で船首の向きを変えることを意味する。方位制御部１７は、例えば、水面に直交する回転軸の回りに船舶を回転させることによって、船舶を回頭させる。

次に、図３～図９を参照して、着桟システム１０が行う船舶の着桟方法について説明する。図３は、着桟システムが行う着桟方法の一連の処理を示すフローチャートである。図４は、ウェイラインの設定を説明するための図である。図５は、初期位置とウェイラインの始点とを結ぶ線分に沿ったライントレース制御を説明するための図である。図６は、ウェイラインの始点付近における船舶の航行を示す図である。図７は、ウェイラインに沿ったライントレース制御を説明するための図である。図８は、ウェイラインの終点付近における船舶の航行を示す図である。図９は、方位制御を説明するための図である。

図３に示される着桟方法の一連の処理は、例えば、ユーザが船舶１の着桟を行うための操作を行ったことによって開始される。まず、表示制御部１１が表示装置１０５に設定画面を表示させる（ステップＳ１）。設定画面は、設定情報を設定（入力）するための画面である。例えば、図４に示されるように、設定画面は、着桟を開始する時点における船舶１の位置（初期位置Ｐｏ）と、桟橋等の着桟場所と、を含む地図を表示する。表示制御部１１は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）等によって取得された船舶１の位置情報に基づき、設定画面に含める地図を決定してもよい。船舶１の位置情報として、取得部１３によって取得された状態量に含まれる船舶１の位置情報が用いられてもよい。設定画面においては、上記地図に進入禁止区域及び障害物が重ね合わせられて表示されてもよい。

続いて、取得部１２は、設定情報を取得する（ステップＳ２）。取得部１２は、設定画面においてユーザが設定したウェイラインＷに関する情報及び方位角θを設定情報として取得する。例えば、ユーザは、ウェイラインＷの始点Ｐｓと終点Ｐｅとを設定画面上で指定することによってウェイラインＷを設定する。ユーザは、設定画面上でウェイラインＷを描画することにより、ウェイラインＷを設定してもよい。ユーザは、例えば、設定画面上で船舶のアイコンを用いて着桟時の船舶１の姿勢を指定することによって、方位角θを設定する。ユーザは、方位角θを直接設定してもよい。ユーザは、設定画面において目標速度をさらに設定してもよく、取得部１２は、設定情報として目標速度をさらに取得してもよい。そして、取得部１２は、設定情報を切替部１４、ライントレース制御部１５、及び方位制御部１７に出力する。

続いて、取得部１２は、着桟開始指示を取得したか否かを判定する（ステップＳ３）。例えば、ユーザが上記設定画面において着桟を開始するための操作を行ったことにより、取得部１２は着桟開始指示を取得する。取得部１２は、着桟開始指示を取得していないと判定した場合には（ステップＳ３；ＮＯ）、着桟開始指示を取得するまでステップＳ３を繰り返す。一方、取得部１２は、着桟開始指示を取得したと判定した場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）、切替部１４に着桟開始指示を出力する。

続いて、取得部１３は、船舶１の状態量及び外乱情報を取得する（ステップＳ４）。なお、図３に示される着桟方法の一連の処理が行われている間、取得部１３は、船舶１の状態量及び外乱情報を定期的に取得するが、図３では図示を省略している。状態量の取得周期と外乱情報の取得周期とは、同じでもよく、異なっていてもよい。あるいは、取得部１３は、各種情報が必要となったタイミングでその情報を取得してもよい。そして、取得部１３は、船舶１の状態量及び外乱情報を切替部１４、ライントレース制御部１５、減速制御部１６、及び方位制御部１７に出力する。

続いて、切替部１４は、着桟開始指示及び状態量を受け取ると、船舶１の初期位置ＰｏがウェイラインＷ上にあるか否かを判定する（ステップＳ５）。切替部１４は、例えば、初期位置ＰｏとウェイラインＷとの距離が初期位置Ｐｏと始点Ｐｓとの距離よりも小さい場合に、初期位置ＰｏがウェイラインＷ上にあると判定する。

ステップＳ５において、切替部１４は、初期位置ＰｏがウェイラインＷ上にないと判定した場合（ステップＳ５；ＮＯ）、線分Ｒに沿ったライントレース制御を実施するための指示（実施指示）をライントレース制御部１５に出力する。線分Ｒは、初期位置Ｐｏと始点Ｐｓとを結ぶ線分である。そして、ライントレース制御部１５は、上記実施指示を受け取ると、線分Ｒに沿ったライントレース制御を行う（ステップＳ６）。具体的には、図５に示されるように、ライントレース制御部１５は、線分Ｒに沿って、初期位置Ｐｏから始点Ｐｓに向かって船舶１を航行させる。本実施形態では、前進速度の目標速度が前進速度ｖ１に設定されている。言い換えると、ライントレース制御部１５は、前進速度ｖ１を維持させながら、初期位置Ｐｏから始点Ｐｓに向かって船舶１を航行させている。ライントレース制御部１５は、例えば、ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔを用いて、ライントレース制御を実行する。

ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔを用いた場合、以下のように、ライントレース制御部１５によって、船舶１の操船は行われる。時刻ｔにおいて船舶１が位置ｘ_ｔに存在する場合、ライントレース制御部１５は、時刻ｔ＋１において、位置ｘ_ｔよりも線分Ｒ上の僅かに前進した位置ｘ_ｔ＋１に向けて船舶１を航行させる。ライントレース制御部１５は、同様の操船を繰り返すことによって、船舶１が線分Ｒに沿うように、初期位置Ｐｏから始点Ｐｓに向かって船舶１を航行させる。ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔでは、船舶１が線分Ｒ上から外れても線分Ｒ上に戻るように制御されるので、ライントレース制御部１５は、外乱情報を用いることなく、船舶１を航行させてもよい。

そして、線分Ｒに沿ったライントレース制御が行われている間、切替部１４は、船舶１と始点Ｐｓとの間の距離を閾値Ｄｔｈ１と比較し、当該距離が閾値Ｄｔｈ１以下になったか否かを判定する。切替部１４は、船舶１の状態量に含まれる船舶１の位置情報及び設定情報に含まれる始点Ｐｓの位置情報に基づいて、船舶１と始点Ｐｓとの間の距離を算出する。閾値Ｄｔｈ１は、ライントレース制御に用いられるラインを線分ＲからウェイラインＷに切り替えるタイミング（位置）を決定するために用いられる閾値である。閾値Ｄｔｈ１は、前進速度ｖ１に基づいて決定される。

例えば、船舶１の旋回半径は前進速度ｖ１及び船舶１の大きさ等に応じて変化し得る。したがって、船舶１の前進速度ｖ１と旋回半径との関係式が予め求められ、関係式が不図示のメモリに記憶されていてもよい。この場合、切替部１４は、関係式を用いて前進速度ｖ１から船舶１の旋回半径を算出し、旋回半径に所定の値を加えることによって閾値Ｄｔｈ１を動的に決定する。前進速度ｖ１として、予め定められた固定の前進速度が用いられてもよい。固定の前進速度は、人が着桟操作する際に用いられる前進速度であってもよい。この場合、その前進速度ｖ１に応じて予め定められた閾値Ｄｔｈ１が不図示のメモリに記憶されており、切替部１４は、メモリに記憶されている閾値Ｄｔｈ１を用いる。

そして、図６に示されるように、船舶１と始点Ｐｓとの距離が閾値Ｄｔｈ１以下になったことに応じて、切替部１４は、ライントレース制御に用いられるラインを線分ＲからウェイラインＷに切り替えるための指示（切替指示）をライントレース制御部１５に出力する。そして、ライントレース制御部１５は、上記切替指示を受け取ると、ウェイラインＷに沿ったライントレース制御を行う（ステップＳ７）。これにより、船舶１が線分Ｒ上からウェイラインＷ上に向けて旋回する。その後、船舶１がウェイラインＷ上に位置すると、図７に示されるように、船舶１は、ウェイラインＷに沿って、始点Ｐｓから終点Ｐｅに向かって航行する。

本実施形態では、ウェイラインＷに沿ったライントレース制御における前進速度の目標速度は、前進速度ｖ２に設定されている。言い換えると、ライントレース制御部１５は、前進速度ｖ２を維持させながら、始点Ｐｓから終点Ｐｅに向かって船舶１を航行させる。前進速度ｖ２は、前進速度ｖ１よりも小さくてもよく、大きくてもよい。前進速度ｖ２は、前進速度ｖ１と同じでもよい。

なお、初期位置ＰｏがウェイラインＷの延長線上にある場合、すなわち、ウェイラインＷに沿って、初期位置Ｐｏ、始点Ｐｓ、及び終点Ｐｅがその順に並んでいる場合、船舶１は、旋回することなく、線分Ｒ及びウェイラインＷの順に各ラインに沿って航行する。

ステップＳ５において、切替部１４は、初期位置ＰｏがウェイラインＷ上にあると判定した場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）、ウェイラインＷに沿ったライントレース制御を実施するための指示（実施指示）をライントレース制御部１５に出力する。そして、ライントレース制御部１５は、上記実施指示を受け取ると、ウェイラインＷに沿ったライントレース制御を行う（ステップＳ７）。つまり、ライントレース制御部１５は、ウェイラインＷに沿って、初期位置Ｐｏから終点Ｐｅに向かって船舶１を航行させる。

ウェイラインＷに沿ったライントレース制御が行われている間、切替部１４は、船舶１と終点Ｐｅとの間の距離を閾値Ｄｔｈ２（第１閾値）と比較し、当該距離が閾値Ｄｔｈ２以下になったか否かを判定する。切替部１４は、船舶１の状態量に含まれる船舶１の位置情報及び設定情報に含まれる終点Ｐｅの位置情報に基づいて、船舶１と終点Ｐｅとの間の距離を算出する。閾値Ｄｔｈ２は、減速制御を開始するタイミング（位置）を決定するために用いられる閾値である。閾値Ｄｔｈ２は、前進速度ｖ２に基づいて決定される。一例として、閾値Ｄｔｈ２は、後述のステップＳ８における減速制御において船舶１が前進する距離（制動距離）と、後述のステップＳ９における方位制御において船舶１が前進する距離と、船舶１の回頭に用いられる回転軸から船首までの長さとを加えた値以上に設定される。

前進速度ｖ２及び船舶１の重量等に応じて、ステップＳ８，Ｓ９における前進距離は変化し得る。したがって、船舶１の前進速度ｖ２とステップＳ８，Ｓ９における前進距離の合算値との関係式が予め求められ、この関係式が不図示のメモリに記憶されていてもよい。この場合、切替部１４は、上記関係式を用いて前進速度ｖ２から上記合算値を算出し、合算値に回転軸から船首までの長さと所定の値とを加えることによって閾値Ｄｔｈ２を動的に決定する。前進速度ｖ２として、予め定められた固定の前進速度が用いられてもよい。固定の前進速度は、人が着桟操作する際に用いられる前進速度であってもよい。この場合、その前進速度ｖ２に応じて予め定められた閾値Ｄｔｈ２が不図示のメモリに記憶されており、切替部１４は、メモリに記憶されている閾値Ｄｔｈ２を用いる。

そして、図８に示されるように、船舶１と終点Ｐｅとの間の距離が閾値Ｄｔｈ２以下になったことに応じて、切替部１４は、ライントレース制御を停止するための指示（停止指示）をライントレース制御部１５に出力するとともに、減速制御を実施するための指示（実施指示）を減速制御部１６に出力する。そして、ライントレース制御部１５は、上記停止指示を受け取ると、ライントレース制御を停止する。減速制御部１６は、上記実施指示を受け取ると、減速制御を行う（ステップＳ８）。ステップＳ８では、減速制御部１６は、船舶１の前進速度ｖ２を低下させ、前進速度ｖ２をゼロに近づける。このとき、船舶１は横速度成分及び方位角速度成分を有することがあるので、減速制御部１６は、前進速度ｖ２だけでなく、横速度及び方位角速度も低下させ、これらの速度成分もゼロに近づける。なお、外乱を考慮する場合には、減速制御部１６は、例えば、外乱が船舶１に作用する向きを打ち消すように、エンジンを逆回転させるときの目標回転数を修正する。

減速制御が行われている間、切替部１４は、船舶１の状態量に含まれる船舶１の前進速度ｖ２を閾値ｖｔｈ（第２閾値）と比較し、前進速度ｖ２が閾値ｖｔｈ以下になったか否かを判定する。閾値ｖｔｈは、方位制御を開始するタイミングを決定するために用いられる閾値である。閾値ｖｔｈは、予め定められており、不図示のメモリに記憶されている。一例として、閾値ｖｔｈは、船舶１が着桟時に桟橋又は岸壁等に衝突しても船舶１に影響（損傷）が生じない程度の値に設定される。

そして、船舶１の前進速度ｖ２が閾値ｖｔｈ以下になったことに応じて、切替部１４は、減速制御を停止するための指示（停止指示）を減速制御部１６に出力するとともに、方位制御を実施するための指示（実施指示）を方位制御部１７に出力する。そして、減速制御部１６は、上記停止指示を受け取ると、減速制御を停止する。方位制御部１７は、上記実施指示を受け取ると、方位制御を行う（ステップＳ９）。ステップＳ９では、方位制御部１７は、船舶１の向きが設定情報に含まれる方位角θになるように、船舶１を回頭させる。

方位制御が行われている間、切替部１４は、船舶１の状態量に含まれる船舶１の向き（方位角）と方位角θとの差分を閾値θｔｈと比較し、当該差分が閾値θｔｈ以下になったか否かを判定する。閾値θｔｈは、予め定められており、不図示のメモリに記憶されている。一例として、閾値θｔｈは、船舶１を係留するためのロープを桟橋等に受け渡せる程度の角度である。

そして、図９に示されるように、船舶１の向きと方位角θとの差が閾値θｔｈ以下になったことに応じて、切替部１４は、方位制御を停止するための指示（停止指示）を方位制御部１７に出力するとともに、着桟完了を示す情報を表示制御部１１に出力する。そして、方位制御部１７は、上記停止指示を受け取ると、方位制御を停止する。表示制御部１１は、着桟完了を示す情報を受け取ると、船舶１の着桟が完了したことを表示装置１０５に表示させ、ユーザに着桟完了を通知する（ステップＳ１０）。以上により、着桟方法の一連の処理が終了する。

以上説明したように、着桟システム１０では、ユーザによって入力されたウェイラインＷに沿うように、ウェイラインＷの始点Ｐｓから終点Ｐｅに向かって船舶１が航行される。ウェイラインＷをユーザに入力させる設定画面が表示装置１０５に表示され、設定画面において、ウェイラインＷがユーザによって設定される。例えば、着桟場所の周辺に、進入禁止区域が設定されていたり、障害物が存在したりすることがある。ユーザは、設定画面上で進入禁止区域及び障害物を確認しながら、これらを避けるようにウェイラインＷを設定することができる。このように、ユーザがウェイラインＷを着桟システム１０に直接入力するので、ウェイラインＷを策定するために、着桟システム１０は複雑な処理を行う必要が無い。したがって、着桟システム１０の処理負荷を軽減することが可能となる。

例えば、船舶１の初期位置Ｐｏと着桟場所との間に、進入禁止区域等が存在する場合には、初期位置ＰｏからウェイラインＷを設定することができない。これに対し、着桟システム１０では、ライントレース制御部１５は、初期位置ＰｏがウェイラインＷとは異なる位置に存在する場合には、初期位置ＰｏからウェイラインＷの始点Ｐｓに向かって船舶１を航行させる。このため、船舶１の初期位置ＰｏからウェイラインＷを設定する必要が無い。したがって、ウェイラインＷを設定するための制約条件が緩和されるので、着桟に適したウェイラインＷをユーザに設定させることができる。

減速制御部１６は、ライントレース制御により船舶１の位置から終点Ｐｅまでの距離が閾値Ｄｔｈ２以下になったことに応じて、減速制御を行う。このため、ウェイラインＷの終点Ｐｅに船舶１が近づくと、船舶１が減速される。したがって、船舶１をウェイラインＷの終点Ｐｅにおいて停止させることができる。

船舶１の前進速度ｖ２が大きい場合には、前進速度ｖ２が小さい場合と比較して、船舶１を停止させるまでに要する航行距離が長くなる。上記実施形態においては、前進速度ｖ２が考慮されて閾値Ｄｔｈ２が決定されるので、減速制御を開始するタイミングが前進速度ｖ２に応じて決定される。したがって、より確実に船舶１を終点で停止させることが可能となる。

方位制御部１７は、減速制御により前進速度ｖ２が閾値ｖｔｈ以下になったことに応じて、船舶１の向きが方位角θになるように、船舶１を回頭させる。したがって、ウェイラインＷの終点Ｐｅにおいて、船舶１の向きを方位角θに合わせることが可能となる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。

上記実施形態では、前進速度ｖ１及び前進速度ｖ２のそれぞれは、一定速度であるが、船舶１が航行するにつれて変更されてもよい。例えば、前進速度ｖ１は、線分Ｒに沿ったライントレース制御の開始時には高い速度に設定され、船舶１が前進する（始点Ｐｓに近づく）につれて低下されてもよい。同様に、前進速度ｖ２は、ウェイラインＷに沿ったライントレース制御の開始時には高い速度に設定され、船舶１が前進する（終点Ｐｅに近づく）につれて低下されてもよい。この構成によれば、着桟に要する時間を短縮することが可能となる。

着桟システム１０は、減速制御部１６を備えていなくてもよい。ユーザは、ウェイラインＷの終点Ｐｅから船舶１が惰性で着桟するように、ウェイラインＷ及び目標速度を設定してもよい。この構成では、着桟システム１０は、減速制御を行う必要が無いので、処理負荷をさらに軽減することが可能となる。

着桟システム１０は、方位制御部１７を備えていなくてもよい。この場合、ユーザは、設定画面において、方位角θを入力しなくてもよい。この構成では、着桟システム１０は、方位制御を行う必要がないので、処理負荷をさらに軽減することが可能となる。

ライントレース制御部１５は、外乱が船舶１に作用する向きを打ち消すように目標速度及び目標角度を修正してもよい。目標角度の修正方法の一例を以下に説明する。

ライントレース制御部１５は、船舶１の位置が目標位置（ここでは、線分Ｒ）に対して予め定められた所定範囲内であるか範囲外であるかに応じて、目標角度を修正する。具体的に説明すると、ライントレース制御部１５は、船舶１の位置が上記範囲外である場合には、船舶１の現在位置が横方向（線分Ｒと直交する方向）において線分Ｒからずれているずれ量ΔＰと、船舶１の横速度ｖと、を算出する。そして、ライントレース制御部１５は、式（１）を用いて、修正角度Δφを算出する。なお、定数Ａ，Ｂは予め定められている。目標角度の急変を避けるために、修正角度Δφの上限値は５度に設定されており、下限値は－５度に設定されている。

そして、ライントレース制御部１５は、所定の実行条件を満たす場合に、時刻ｔにおける目標角度φ（ｔ）に修正角度Δφを加算することによって、時刻ｔ＋１における目標角度φ（ｔ＋１）を算出する。

一方、ライントレース制御部１５は、船舶１の位置が上記範囲内である場合には、船舶１が風及び潮流から受ける横力及びモーメントをそれぞれ算出する。例えば、ライントレース制御部１５は、風速、風向、及び船舶１の船首の方位から、船舶１が受ける横力及びモーメントを算出する。同様に、ライントレース制御部１５は、潮流速、潮流向、及び船舶１の船首の方位から、船舶１が受ける横力及びモーメントを算出する。そして、ライントレース制御部１５は、風のモーメントと潮流のモーメントとの加算値を船舶１の重心から舵軸までの距離で除算して、風及び潮流のもとで方位を制御するときに発生する横力を算出する。そして、ライントレース制御部１５は、風の横力、潮流の横力、及びモーメントから求められた横力の総和がゼロになる（相殺される）方位を目標方位として算出する。

ライントレース制御部１５は、ｐｕｒｅ ｐｕｒｓｕｉｔに代えて、ＭＰＣ（Model Predictive Control）を用いて、ライントレース制御を実行してもよい。ＭＰＣは、船舶１の運動モデルに基づいて船舶１の軌道を予測しながら、船舶１の航行を制御する手法である。図１０を参照して、ＭＰＣを説明する。図１０は、ＭＰＣを用いたライントレース制御を説明するための図である。図１０に示される例では、船舶１は、時刻ｔにおいて、線分Ｒ上とは異なる位置ｘ_ｔに存在する。

まず、ライントレース制御部１５は、船舶１の運動モデルを用いて、制御入力ｕ_ｔ＋ｋ（ｋは０～４）を入力した場合の船舶１の軌道を予測する。制御入力ｕ_ｔ＋ｋとしては、舵角、及びエンジンの回転数等が用いられる。具体的には、船舶１の運動モデルに、時刻ｔにおける船舶１の位置ｘ_ｔ及び制御入力ｕ_ｔを入力することで、時刻ｔ＋１における船舶１の位置ｘ_ｔ＋１が算出される。同様にして、時刻ｔ＋２～ｔ＋５における船舶１の位置ｘ_ｔ＋２～ｘ_ｔ＋５が算出される。これにより、予測軌道Ｌ１が得られる。

そして、ライントレース制御部１５は、評価関数及び制約関数を用いて、予測軌道Ｌ１が最適な軌道であるかどうかを評価する。制約関数としては、例えば、障害物を回避するための制約関数、及び船舶１のハードウェア（エンジン出力及び舵角等）の使用可能範囲を規定する制約関数が用いられる。ライントレース制御部１５は、予測軌道Ｌ１が最適でなければ、制御入力ｕ_ｔ＋ｋを僅かに変更して、新たな制御入力ｕ_ｔ＋ｋを入力した場合の船舶１の軌道を再度予測する。

以上の処理を繰り返すことによって、最適な予測軌道Ｌ２が得られる。そして、ライントレース制御部１５は、予測軌道Ｌ２を得るために用いられた制御入力ｕ_ｔ＋ｋを、船舶１の実際の制御に用いる制御入力とする。

ＭＰＣを用いることによって、制約条件を満たすように、船舶１を航行させることができる。例えば、障害物を回避するための制約関数が用いられる場合には、障害物を回避しながらライントレース制御を実施することができる。さらに、外乱モデルが用いられることによって、外乱を考慮したライントレース制御を実施することができる。

１ 船舶
１０ 着桟システム
１１ 表示制御部
１２ 取得部
１５ ライントレース制御部
１６ 減速制御部
１７ 方位制御部
１０５ 表示装置
Ｐｅ 終点
Ｐｓ 始点
Ｗ ウェイライン
θ 方位角

Claims (6)

1. 船舶が着桟するための航路であるウェイラインに沿って、船舶を着桟させる着桟システムであって、
   ユーザによって入力された前記ウェイラインに関する情報を取得する取得部と、
   前記ウェイラインに沿うように、前記ウェイラインの始点から終点に向かって前記船舶を航行させるライントレース制御を行うライントレース制御部と、
   を備える、着桟システム。
2. 前記ライントレース制御により前記船舶の位置から前記終点までの距離が第１閾値以下になったことに応じて、前記船舶の前進速度を低下させる減速制御を行う減速制御部をさらに備える、請求項１に記載の着桟システム。
3. 前記第１閾値は、前記ウェイライン上における前記前進速度に基づいて決定される、請求項２に記載の着桟システム。
4. 前記減速制御により前記前進速度が第２閾値以下になったことに応じて、前記船舶の向きが所定の方位角になるように、前記船舶を回頭させる方位制御部をさらに備える、請求項２又は請求項３に記載の着桟システム。
5. 前記ウェイラインを前記ユーザに入力させる画面を表示装置に表示させる表示制御部をさらに備え、
   前記取得部は、前記画面に入力された前記ウェイラインに関する情報を取得する、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の着桟システム。
6. 前記ライントレース制御部は、前記船舶が前記ウェイラインとは異なる位置に存在する場合には、前記位置から前記始点に向かって前記船舶を航行させる、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載の着桟システム。

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