JP2977436B2 - 自動航行制御方法 - Google Patents

自動航行制御方法

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JP2977436B2 JP6028069A JP2806994A JP2977436B2 JP 2977436 B2 JP2977436 B2 JP 2977436B2 JP 6028069 A JP6028069 A JP 6028069A JP 2806994 A JP2806994 A JP 2806994A JP 2977436 B2 JP2977436 B2 JP 2977436B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シミュレーション等に
おいて、運動特性の異なる複数の船舶を自動航行制御す
る方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来から用いられている船舶の自動航行
制御は、変針点から予定航路を決定し、この予定航路か
ら自船がはずれないように針路を決定し、この指定され
た針路を自船が常に向くように舵角を制御するものであ
った。
【0003】図6に従来の自動航行制御の概念図を示
す。図6において、予定航路作成部10は、自船の速力
性能、旋回性能に応じて設定された変針点に基づいて予
定航路を決定する。自動針路設定部11は、自船の位
置、速力に基づいて予定航路から自船がはずれないよう
に針路を決定する。自動操舵部12は、自船の現在の針
路を監視しつつ、指定された針路を自船が常に向くよう
に舵角を制御する。運動モデル13は、ここでは自船で
あり、自動操舵部12によって舵角が制御される。出力
設定部14は、自船の位置、針路及び速力を運動モデル
13の出力値として設定する。
【0004】ここで、変針点は、自船の速力に応じた旋
回性能を十分考慮した上で無理のない位置を選ぶ。予定
航路は、まず、変針点を直線で結んで折れ線航路を作成
し、自船の速力に応じた旋回性能を十分考慮した上で変
針点付近の角にアールをつけて作成する。変針点が近接
した場合には、それぞれのアールに接する線分で、航路
を連続的に結んで作成する。指令針路は、予定航路から
の自船位置の偏差を補正するような針路を選ぶことで決
定する。指令舵角は、指令針路により指定された針路に
自船が向くように舵のPID(proportional integral
and differential:比例積分及び微分) 制御を行なうこ
とで算出する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の自動航行制御
は、十分な制御精度が得られるものの、変針点の設定・
予定航路の作成に対する自船の速力に応じた旋回性能の
十分な考慮、精度の高い自船位置の決定或いは推定、及
び船体・舵の特性に応じたPID制御のパラメータの調
整が必要であった。
【0006】特に、一度に複数の船舶の航行を制御する
シミュレータの場合、予定航路を厳密に定め、この上を
高い精度で航行させることよりも、制御の調整が容易な
ことが重要である。
【0007】この場合、変針点の設定に関しては、変針
点設定時にあまり自船の旋回性能の考慮せずにすむよう
な自動航行システムを作る配慮が必要である。予定航路
の作成に関しては、自船の旋回性能の考慮が必ず必要で
あるため、この負荷を軽減する必要がある。自船位置の
決定に関しては、これは計算器により厳密に定まるので
問題がない。船体・舵の特性に応じたPID制御に関し
ては、シミュレーションのため、船体・舵の特性を考慮
した船舶の運動モデルを構築する際に、PID制御を用
いた自動操舵のモデルも同時に構築されるので、これは
このまま用いるのがよい。
【0008】本発明は上記のような点に鑑みなされたも
ので、運動特性の異なった複数の船舶に対する調整が容
易で、かつ変針点の設定の際に制限が少ない自動針路設
定部により、PID制御の自動操舵部と合わせて自動航
行制御が可能な船舶の自動航行制御方法を提供すること
を目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、調整の容易さ
が求められる自動針路設定部に、ファジィ制御を用いる
ことを特徴とする。ファジィ制御は、入力値をメンバー
シップ関数で定義した曖昧な量に変換し、これを人の言
語に似たファジィルールに適用することにより制御量を
決定する制御である。従って、このファジィ制御を自動
針路設定部に用いれば、その調整はメンバーシップ関数
の定義に手を加えるだけの容易なものとなる。
【0010】この場合、ファジィ制御を用いた自動針路
設定部は、変針点位置、自船位置及び自船速力を入力と
し、ファジィ制御規則によって得られる次々変針点参照
度に基づいて指令針路を計算し、これをPID制御を用
いた自動操舵部に出力する。
【0011】
【作用】変針点は、船舶の旋回性能を考慮することなく
設定できる。自動針路設定部は、船舶の速力性能によっ
て最接近時間のメンバーシップ関数の定義を調整し、船
舶の旋回性能によって最接近距離×自船速力のメンバー
シップ関数の定義を調整する。自動操舵部は調整の必要
がない。この結果、変針点に従った航跡を速力性能、旋
回性能に応じて描きながら、運動特性の異なった船舶が
自動的に航行する。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の自動航行制御
方法を説明する。図1は本発明の自動航行制御方法をデ
ィジタル計算機上の船舶の運動シミュレーションに用い
た場合の概念図である。また、図2乃至図5は本発明の
自動航行制御方法の一実施例を説明するための動作説明
図である。このうち、図2はTCPA×Vに関して作成
された三角形のメンバーシップ関数SA、SM、MM、
ML、LAからなるファジィ集合Aを例示的に示してい
る。図3はDCPAに関して作成された三角形のメンバ
ーシップ関数SA、SM、MM、ML、LAからなるフ
ァジィ集合Bを例示的に示している。図4はCDHに関
して作成された三角形のメンバーシップ関数SM、M
M、ML、LAからなるファジィ集合Cを例示的に示し
ている。図5はTCPA×Vのメンバーシップ関数値と
DCPAのメンバーシップ関数値からCDHのメンバー
シップ関数値を決定するファジィ制御規則を例示的に示
している。
【0013】図1において、自動針路設定部21は、予
定航路から自船がはずれないよう針路を決定するもので
あり、ここでは変針点、自船の位置及び速力を入力と
し、ファジィ制御により指令針路を決定している。自動
操舵部22は、自船の現在の針路を監視しつつ、指定さ
れた針路を自船が常に向くように舵角を制御する。運動
モデル23は、ここでは自船であり、自動操舵部12に
よって舵角が制御される。出力設定部24は、自船の位
置、針路及び速力を運動モデル23の出力値として設定
する。
【0014】このような構成において、自動針路設定部
21は、まず、シミュレーションが開始される前に変針
点位置Xpn、Ypn(n=1,2,3 )を読み込み、自身のメ
モリに保存する。シミュレーションの逐次計算が開始さ
れると、自動針路設定部21は、上記メモリに保存され
ている次変針点位置Xp1、Yp1と次々変針点位置Xp2、
Yp2、前回の計算結果である自船位置X0 、Y0 及び自
船速力V0 を読出して、次のように指令針路ψaを計算
する。
【0015】 ψa=ψ1+CDH・(ψ2−ψ1) …(1) ψ1:次変針点に向かう方位角 ψ1=Arctan((Yp1−Y0 )/(Xp1−X0 )) ψ2:次々変針点に向かう方位角 ψ2=Arctan((Yp2−Y0 )/(Xp2−X0 )) CDH:次々変針点参照度(0≦CDH≦1) ここで、次々変針点参照度(CDH)は、変針点
の最接近時間(TCPA)と速度(V)との積(TCP
A×V)のファジィ集合Aから決定されたメンバーシッ
プ関数値と、変針点までの最接近距離(DCPA)の
ファジィ集合Bから決定されたメンバーシップ関数値か
ら、CDHのメンバーシップ関数値を決定するファジィ
制御規則により決定される。なお、TCPA、DCPA
は次のように定義する。
【0016】TCPA:Time of Closest Point of App
roach (最接近時間) 自船、相手船が共に現在の速力及び針路を維持したとし
て、両船間の距離が最小になるまでの現在からの時間
【0017】
【数1】
【0018】DCPA:Distance of Closest Point of
Approach (最接近距離) 自船、相手船が共に現在の速力及び針路を維持したとし
て、両船間の距離が最小になった時の両船間の距離
【0019】
【数2】
【0020】 自動航行の場合、相手船を物標と見なすと、Vt =0よ
り、上記(2)式、(3)式は次のようになる。
【0021】 TCPA=(L/V0 )cos (B) …(4) DCPA=L・|sin (B)| …(5) V0 :船の速力 B :船から見た次変針点の方位角 L :現時点での次変針点間での距離 自動航行において、予定航路は、自船と変針点との位置
関係のみから決定されなければならない。従って、自動
針路設定部21において指令針路を決定するパラメータ
は、自船と変針点との位置関係の情報のみでなければな
らない。ここで、指令針路を決定するパラメータの一つ
であるTCPAには上記(4)式に示すように、自船と
変針点との位置関係とは無関係な自船速力V0 が含まれ
ている。これが含まれていると、指令針路が自船速力に
依存し、変針の開始点が自船速力により変化してしま
う。つまり、このままでは、予定航路が自船速力により
変化してしまうのである。
【0022】従って、TCPA×V:CPAまでの距離
として、上記(4)式を書き換えると、 TCPA×V=TCPA・V0 =L・cos (B) …(6) となり、TCPAと自船速力との積を取ることで、自船
速力に依存しないパラメータとなる。なお、図7に上述
した自動航行における自船と変針点との位置関係を示
す。自船位置0では、自船が次変針点に向かって速力V
0 で航行中であり、自船位置1では、自船が次々変針点
方向に回頭して速力V1 で航行中である。このような場
合に、上述した各パラメータは図7のように示される。
【0023】以下、具体例を挙げて、次々変針点参照度
(CDH)を求める。例えばTCPA×V=32.5、
DCPA=37.5の時、CDHのメンバーシップ関数
値とその重みは、図5に示すファジィ制御規則により次
のようになる。
【0024】 TCPA×VがSM(0.75)、DCPAがSM
(0.25)の時、CDHはMM(0.75)。 TCPA×VがSM(0.75)、DCPAがMM
(0.75)の時、CDHはSM(0.75)。
【0025】TCPA×VがMM(0.25)、DCP
AがSM(0.25)の時、CDHはSM(0.2
5)。TCPA×VがMM(0.25)、DCPAがM
M(0.75)の時、CDHはZE(0.75)。
【0026】なお、()内の数値はメンバーシップ関数
値の重みを示す。TCPA×VとDCPAのメンバーシ
ップ関数値の重みは、TCPA×VとDCPAの連続量
とファジィ集合との対応から決定される。CDHのメン
バーシップ関数値の重みは、TCPA×Vのメンバーシ
ップ関数値の重みとDCPAのメンバーシップ関数値の
重みのうちの大きな方が選ばれる。
【0027】これにより求めたCDHのメンバーシップ
関数値とその重みにより、図4に示すようにCDHのフ
ァジィ集合の斜線部分の面積を求め、その重心で割って
(重心法)、次々変針点参照度CDHを求める。
【0028】このような方法で毎回TCPA×VとDC
PAを算出して、CDHの値を更新していく。自動操舵
部22は、自動針路設定部21において算出された指令
針路ψaと制御モデル23から得られる船の現針路ψ0
から、次式により指令舵角βrdを決定する。
【0029】 βrd=Kp (ψa−ψ0 )+Kd ・ψ …(7) ψa:指令針路 ψ0 :現針路 ψ :針路変換速度 βrd:指令舵角 ここで、Kp 、Kd はそれぞれ比例ゲイン、微分ゲイン
で、船の運動特性を考慮して決定される。
【0030】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ファジィ
理論を用いた自動針路設定部の調整は、調整するパラメ
ータの数が2つと少なく、また、それらの値は大雑把な
経験値であるため、その調整は短時間で可能である。従
って、自動航行制御の調整に要する時間を大幅に短縮す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る自動航行制御方法を説
明するための概念図。
【図2】TCPA×V(最接近時間と速度との積)のフ
ァジィ集合を示す図。
【図3】DCPA(最接近距離)のファジィ集合を示す
図。
【図4】CDH(次々変針点参照度)のファジィ集合を
示す図。
【図5】CDH(次々変針点参照度)を算出するための
ファジィ制御規則を示す図。
【図6】従来の自動航行制御方法を説明するための概念
図。
【図7】本発明の自動航行における自船と変針点との位
置関係を示す図。
【符号の説明】 21…自動針路設定部、22…自動操舵部、23…運動
モデル、24…出力設定部。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 変針点位置、自船位置及び自船速力を入
    力とし、 次変針点までの最接近時間と速度との積の集合から決定
    されたメンバーシップ関数値と、次変針点までの最接近
    距離のファジィ集合から決定されたメンバーシップ関数
    値とから、ファジィ制御規則に従って次々変針点参照度
    を求め、 この次々変針点参照度に基づいて指令針路を計算するこ
    とにより、 この指令針路に基づいてPID制御により指令舵角を得
    て船舶の航行制御を行うようにしたことを特徴とする自
    動航行制御方法。
  2. 【請求項2】 変針点位置、自船位置及び自船速力を入
    力とし、 次変針点までの最接近時間と速度との積の集合から決定
    されたメンバーシップ関数値と、次変針点までの最接近
    距離のファジィ集合から決定されたメンバーシップ関数
    値とから、ファジィ制御規則に従って次々変針点参照度
    を求め、 この次々変針点参照度をCDHとし、次変針点位置を
    (Xp1,Yp1)、次々変針点位置を(Xp2,Yp2)、自
    船位置を(X0 ,Y0 )、自船速力をV0 としたとき、
    下記(1)に従って指令針路ψaを計算し、 この指令針路ψaに基づいてPID制御により指令舵角
    を得て船舶の航行制御を行うようにしたことを特徴とす
    る自動航行制御方法。 ψa=ψ1+CDH・(ψ2−ψ1) …(1) ψ1:次変針点に向かう方位角 ψ1=Arctan((Yp1−Y0 )/(Xp1−X0 )) ψ2:次々変針点に向かう方位角 ψ2=Arctan((Yp2−Y0 )/(Xp2−X0 )) CDH:次々変針点参照度(0≦CDH≦1)
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CN101859147A (zh) * 2010-06-11 2010-10-13 哈尔滨工程大学 船舶航向智能协调控制方法
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