JP2948237B2 - 船舶の航路保持制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は船首方位を所定の航路に向け、一定船速で航
路を保持し航行する船舶の制御装置に関する。

［従来の技術］ 従来は、船首方位を所定の進路に向ける制御のみで、
船速、航路保持の制御はなされていなかった。

［発明が解決しようとする課題］ 公海上を航行する従来の船舶においては、船首方位を
決められた航路に向けるのみで、航路の保持および船速
の制御をする必要がなかったが、特殊な用途に用いられ
る船舶、例えば海洋調査船などでは、船速、航路、船首
方位の保持が必要とされる。

しかし従来の技術では、このような制御を行うことが
できないという問題があつた。

本発明は、これらの問題を解決する制御装置を提供す
ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係る船舶の航路保持制御装置は、舵と複数の
推進機を備えた船舶を所定の航路に保持する制御装置に
おいて、 設定航路上に制御周期Δｔと設定船速で定まる設定点
を設け、 船首の方位Ψの制御系統と船舶の位置（ｘ、ｙ）の制
御系統を具備し、 前記各制御系統には、偏差演算器と増幅器とリミッタ
を設け、 前記位置ｘの制御系統と位置ｙの制御系統の偏差演算
器は、前記設定点と船舶の位置との偏差（ΔｘまたはΔ
ｙ）と、設定船速と船速との偏差（u_xまたはu_y）を演算
し、 前記方位Ψの制御系統の偏差演算器は、設定方位と船
首方位の偏差ΔΨと、回頭角速度γを演算し、 前記位置ｘの制御系統および位置ｙの制御系統は、そ
れぞれ位置の偏差（ΔｘまたはΔｙ）の増幅器と船速の
偏差（u_xまたはu_y）の増幅値の差をリミッタ（11又は1
2）に入力し、前記リミッタの出力を推力分配器３を介
して推進機４に入力し、 前記方位Ψの制御系統は、船首の方位の偏差ΔΨの増幅
値と回頭角速度γの増幅値の差をリミッタ13に入力する
とともに、船舶の位置の偏差Δｙが制限値をこえる場合
には、位置の偏差Δｙの増幅値をリミッタ13に入力し、
リミッタ13の出力を舵５に入力することを特徴とする。

［作用］ 設定点と船舶の位置との偏差、設定船速と船速との偏
差を偏差演算器で演算し、この演算で得られた情報によ
って、上記船舶の位置、船速、航路を保持するために必
要な推力を推力分配器で主軸プロペラ、サイドスラス
タ、アジマスラスタ等の推進器及び舵に配分することに
より、最小のパワーで船舶の位置、船速、航路を保持す
る。

［実施例］ 本発明の実施例を第１図〜第３図に示す。

本発明は、第１図に示すように設定航路上に、制御周
期Δｔと設定船速できまる設定点を設けておき、その設
定点に船舶が移動するように、各推進器および舵を操作
するものである。

この制御ブロック線図を第２図に示す。

第１図に示す設定点（x_ST、y_ST）と船舶の位置（ｘ、
ｙ）の偏差を船体座標系に変換したものをΔｘ、Δｙと
すると、 Δｘ＝ （x_ST−ｘ）cosΨ＋（y_ST−ｙ）sinΨ（１） Δｙ＝−（x_ST−ｘ）sinΨ＋（y_ST−ｙ）cosΨ（２） ここで、 x_ST、y_ST、ｘ、ｙは、固定座標系、 Δｘ、Δｙは、 船体座標系とする。

この偏差をなくすように、船体座標系のｘ軸、ｙ軸方
向に必要な力を次のように求める。

F_xc＝K_x・Δｘ−K_ux・u_x （３） F_yc＝K_y・Δｙ−K_uy・u_y （４） ここで、 u_xは船体座標系におけるｘ軸方向速度、 u_yは船体座標系におけるｙ軸方向速度 K_x、K_y、K_ux、K_uyは増幅器の制御ゲインである。

このF_xc、F_ycは、船舶のｘ軸、ｙ軸方向に発生しうる
最大推力F_mx、F_myにより制限される（第２図のリミッ
タ）。

次に、装備された推進器によりｘ軸、ｙ軸方向に必要
な推力F_xc、F_ycを発生させるために、推力分配器３によ
り推力の配分を行う。

いま、船体座標系の ｘ軸方向に推力を発生できる推進器の数をｎ、その推
力をF_pxiとし、 ｙ軸方向に推力を発生できる推進器の数をｍ、その推
力をF_pyiとすると、F_xc、F_yc、F_pxi、F_pyiの間には次の
関係が成り立つ。

各推進器のパワーが最小となるように、次の評価関数
Ｊを最小にし、かつ前記（５）、（６）式が成り立つF
_pxi、F_pyiを求める。

ここで、F_pmiはその推進器で発生し得る最大推力であ
る。

求められた各推進器の推力F_pxi、F_pyiは、実際に推力
を発生させるために操作する変数θ_xi、θ_yiの関数とな
っている。

F_pxi＝f_x（θ_xi） （８） F_pyi＝f_y（θ_yi） （９） この（８）、（９）式を解いて操作端入力を決定す
る。

また、船首の方位制御は、予め定められた船首方位の
目標である設定方位Ψ_SETと実際の船首方位Ψの偏差
（ΔΨ）をとり、この偏差（ΔΨ）がなくなるように舵
を操作する。

舵角は、次のようにして決定する。

δ＝ Ｋ_δ（Ψ_STΨ）−Ｋ_δ′・γ ＋Ｋ_δｙ（Δｙ−sgn（Δy_lim、Δｙ） （10） ここで、 Ｋ_δ、Ｋ_δ′、Ｋ_δｙは制御ゲイン、 γは回頭角速度である。

（10）式の最後の項は、各推進器により航路を保持し
ようとしても、外力（風、波など）が大きい場合、航路
からずれてしまうことがあるので、それを舵力により航
路に復帰できるようにするためのものである。

偏差Δｙが許容偏差Δy_limを越えた場合のみ、第２図
に示すスイッチ２がONとなり、（10）式の最後の項が働
いて、舵操作により航路にもどす。（10）式の最後の項
のsgnは、絶対値がΔy_limで、符号がΔｙと同じである
ことを意味する。

このような制御装置により、船舶の航路を保持しつ
つ、一定船速で船首方位を航路に向けて航行させること
ができる。

風、波などの外乱下で、本発明の制御装置を用いてシ
ミュレーション計算した結果を第３図に示す。

第３図においてLPPは船体の長さを示し、船舶の各位
置における３本の線は、それぞれ船首方位、速度ベクト
ル、および舵の方向を示す。

本発明によれば第３図に示すような方向から風、波、
潮流を受けても、ほぼ航路に沿って航行できることがわ
かる。

［発明の効果］ 本発明は前述のように構成されているので、最小のパ
ワーで航路を保持しつつ、一定船速で、船首方位を航路
に向けて航行させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、航路と船舶の位置関係および制御偏差をあら
わす図、 第２図は、本発明の制御ブロック線図、 第３図は、本発明の一実施例のシミーレーション計算結
果を示す図である。 （符号の説明） １……船体、 ２……スイッチ、 ３……推力分配器、 ４……推進機（プロペラ、サイドスラスタ、等）、 ５……舵、 11、12、13……リミッタ、 21〜27……増幅器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】舵と複数の推進機を備えた船舶を所定の航
   路に保持する制御装置において、 設定航路上に制御周期（Δｔ）と設定船速で定まる設定
   点を設け、船首の方位（Ψ）の制御系統と船舶の位置
   （ｘ、ｙ）の制御系統を具備し、 前記各制御系統には、偏差演算器と増幅器とリミッタを
   設け、 前記位置ｘの制御系統と位置ｙの制御系統の偏差演算器
   は、前記設定点と船舶の位置との偏差（ΔｘまたはΔ
   ｙ）と、設定船速と船速との偏差（u_xまたはu_y）を演算
   し、 前記方位（Ψ）の制御系統の偏差演算器は、設定方位と
   船首方位の偏差（ΔΨ）と、回頭角速度（γ）を演算
   し、 前記位置ｘの制御系統および位置ｙの制御系統は、それ
   ぞれ位置の偏差（ΔｘまたはΔｙ）の増幅値と船速の偏
   差（u_xまたはu_y）の増幅値の差をリミッタ（11又は12）
   に入力し、前記リミッタの出力を推力分配器（３）を介
   して推進機（４）に入力し、 前記方位（Ψ）の制御系統は、船首の方位の偏差（Δ
   Ψ）の増幅値と回頭角速度（γ）の増幅値の差をリミッ
   タ（13）に入力するとともに、船舶の位置の偏差（Δ
   ｙ）が制限値をこえる場合には位置の偏差（Δｙ）の増
   幅値をもリミッタ（13）に入力し、リミッタ（13）の出
   力を舵（５）に入力することを特徴とする船舶の航路保
   持制御装置。