JP3459984B2 - 舶用自動操舵システム - Google Patents
舶用自動操舵システムInfo
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、船舶の操舵装置に
指令舵角を与えて自動操舵を行うためのシステムに関す
る。 【０００２】 【従来の技術】船舶の自動操舵に用いる指令舵角δ
＊（ｔ）のうち最も一般的なものは［数５］，［数６］
式で表される。 【数５】 【数６】 【０００３】実際の運用では不感帯や舵角制限、天候調
整あるいは時間遅れに対応する機能を設けたりして自動
操舵が行われているが、これらの場合においても基本と
なる指令舵角を表す式は［数５］式であると考えてよ
い。 【０００４】さて、波浪による外乱が船体に与える力を
考えると、一般に定常外乱力成分と見なせる極低周波数
成分と波周波数に対応する変動外乱力成分とがある。す
なわち、外乱力をＦ（ｔ）とすると、これは［数７］式
のような成分から構成される。 【数７】 【０００５】このような外乱下で［数５］式のような自
動操舵を行うことを考える。外乱に定常外乱力成分と見
なせる極低周波数成分があるから本来舵はこれに対抗す
るだけのある定常舵角が必要となる。すなわち、指令舵
角は［数８］式のようなものとなってはじめて目標船首
方位を平均的に保持できる。 【数８】 【０００６】しかし、自動操舵の基本部分に［数５］式
を用いる限り、船首方位と目標船首方位とが一致してい
る状態では［数８］式中の定常成分δｓ ＊（ｔ）を発生
することはできない。なぜなら、［数５］式のΨ
ｄ（ｔ）またはその時間に関する１階微分が零でない値
を持たない限り指令舵角の定常成分δｓ ＊（ｔ）は発生
しないからである。なお、［数５］式の制御係数を非常
に大きくすれば平均的な船首方位偏差を小さくすること
は出来るが零とすることは出来ず、かつ、変動外乱力成
分に対応する平均船首方位と目標船首方位とを一致させ
るために必要な操舵以外の操舵が大きく行われ、操舵装
置を駆動するためのエネルギーの増加および操舵による
抵抗増加となり、船舶全体としてエネルギー消費が増加
してしまう。 【０００７】一方、船体に作用する外乱力のうち変動外
乱力成分に対応する操舵を行わないようにする手段とし
て、［数５］式に［数９］式のような積分項を含める制
御もある。 【数９】 【０００８】このような積分制御の項を設け、大きな制
御係数Ｋｘを与えることによって定常外乱力成分と見な
せる極低周波数成分に対する除去特性を良くし、［数
５］式の係数を小さく押さえることで、変動外乱成分に
対応する操舵を小さくするものも提案されている。しか
し、［数９］式に示す項を導入しても、平均船首方位偏
差が存在しない限り定常外乱力成分に対応するだけの舵
角は発生しないことから、やはり平均船首方位偏差を零
とすることはこのような積分項を設けるだけでは原理的
に不可能と考えられる。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、定常
外乱力成分と見なせる極低周波数成分の外乱力に対して
も平均船首方位と目標船首方位とを一致させ、かつ、外
乱力のうち変動外乱力成分に対しては、これに対応する
操舵を行わないようにする設定から時々刻々の船首方位
偏差を小さく押さえる設定までの範囲で選択することを
可能とした、舶用自動操舵システムを提供することを課
題とする。 【００１０】 【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明の舶用自動操舵システムは、船舶の操舵装置
に指令舵角を与えて自動制御を行う舶用自動操舵システ
ムにおいて、船体に装着された船首方位計と同船首方位
計で計測された船首方位から船首揺れ周期を求める船首
揺れ周期検出手段と目標船首方位入力手段とを備え、上
記船首方位計で計測された船首方位と上記目標船首方位
入力手段により入力された目標船首方位との差としての
時々刻々の船首方位偏差を演算するための第１演算部
と、上記船首揺れ周期検出手段により求められた船首揺
れ周期と上記第１演算部で求められた船首方位偏差とに
基づき船体に作用する外乱力のうちの定常外乱力成分と
見なせる極低周波数成分に対応した第１指令舵角成分を
算出する第２演算部と、上記船首揺れ周期と船首方位偏
差とに基づき上記外乱力のうちの変動外乱力成分に対応
した第２指令舵角成分を算出する第３演算部と、上記の
第２演算部と第３演算部とでそれぞれ求められた第１指
令舵角成分と第２指令舵角成分とを合算して指令舵角を
演算する第４演算部とが設けられており、上記第１演算
部における船首方位偏差Ψｄ（ｔ）の演算が［数１］式
により行われ、上記第２演算部における第１指令舵角成
分δｓ ＊（ｔ）の演算が［数２］式により行われ、上記
第３演算部における第２指令舵角成分δｖ ＊（ｔ）の演
算が［数３］式により行われ、上記第４演算部における
指令舵角δ＊（ｔ）演算が，［数４］式により行われる
ことを特徴とする。 【数１】 【数２】 【数３】 【数４】【００１１】上述の本発明の舶用自動操舵システムで
は、外乱力に定常外乱力成分と見なせる極低周波数成分
が存在しても、これに応じた定常舵角を指令舵角に含め
ることが可能となるため、平均船首方位と目標船首方位
とを一致させることが可能となる。さらに、周期的に近
い変動外乱力成分に対しては、制御係数Ｋ４，Ｋ５に零
あるいは小さな値を用いることによって、平均船首方位
と目標船首方位とを一致させるために必要な操舵以外を
行わないことが可能となる。このことは操舵装置の省エ
ネルギー化、および操舵による抵抗の低減化、船舶全体
としての省エネルギー化が可能となる。また逆に、制御
係数Ｋ４，Ｋ５に大きな値を用いることによって変動外
乱力成分に対して時々刻々の船首方位偏差を小さく押さ
える制御が行える。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の一実施
形態としての舶用自動操舵システムについて説明する。
図１はその構成を概略的に示すブロック図である。 【００１３】図１に示すように、外乱を受ける船舶の自
動操舵のため、船体１に設けられた操舵装置２には第４
演算部９から指令舵角δ＊（ｔ）が与えられるようにな
っている。また、船体１には船首方位計３が装着されて
おり、船首方位計３で検出された船首方位Ψ（ｔ）は船
首揺れ周期検出手段４に入力され、これにより船首揺れ
周期Ｔが算出される。さらに、目標船首方位入力手段５
が設けられており、同手段５に目標船首方位Ψｒが入力
されるようになっている。 【００１４】上記船首方位Ψ（ｔ）と目標船首方位Ψｒ
とに基づき、第１演算部６で時間をｔとすると時々刻々
の船首方位偏差Ψｄ（ｔ）が［数１］式により算出され
る。 【数１】 この船首方位偏差Ψ（ｔ）と上記船首揺れ周期Ｔとに基
づき、第２演算部７で［数２］式により船体に作用する
外乱力のうちの定常外乱力成分と見なせる極低周波数成
分に対応した第１指令舵角成分δｓ ＊（ｔ）が算出され
る。 【数２】 また同じく船首方位偏差Ψｄ（ｔ）と船首揺れ周期Ｔと
に基づき、第３演算部８で［数３］式により上記外乱力
のうちの変動外乱力成分に対応した第２指令舵角成分δ
ｖ（ｔ）が算出される。 【数３】 最終的に上記第１指令舵角成分δｓ ＊（ｔ）と第２指令
舵角成分δｖ ＊（ｔ）とを第４演算部９で［数４］式に
より合算して指令舵角δ＊（ｔ）が算出され、この指令
舵角δ＊（ｔ）が船舶の自動操舵のため操舵装置２に入
力される。 【数４】 【００１５】このようにして、本発明の舶用自動操舵シ
ステムでは、定常外乱力成分と見なせる極低周波数成分
の外乱力に対しても平均船首方位と目標船首方位とを一
致させることが可能となる。さらに、制御係数Ｋ４，Ｋ
５に零あるいは小さな値を用いることによって変動外乱
力成分に対応する操舵、すなわち平均船首方位と目標船
首方位とを一致させるために必要な操舵以外を行わない
ことが可能となる。このことは操舵装置の省エネルギー
化、および操舵による抵抗の低減化、船舶全体としての
省エネルギー化が可能となる。また逆に、制御係数
Ｋ４，Ｋ５に大きな値を用いることによって、変動外乱
力成分に対して時々刻々の船首方位偏差を上述の制御に
比べ小さく押さえる制御が行える。なお、制御係数
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３の値については、それぞれの船舶の特
性に応じて適正な値を設定する必要がある。また、本発
明の実施の形態では舶用自動操舵システムを幾つかのブ
ロックに分解して説明しているが、船体１に設けられた
操舵装置２や船首方位計３以外については一台のパソコ
ンにより実施することが可能である。 【００１６】 【発明の効果】以上詳述したように、本発明の舶用自動
操舵システムによれば次のような効果が得られる。 （１）外乱に定常外乱力成分と見なせる極低周波数成分
が存在しても、これに応じた定常舵角を指令舵角に含め
ることが可能となるため、平均船首方位と目標船首方位
とを一致させることが可能となる。 （２）制御係数Ｋ４，Ｋ５に零あるいは小さな値を用い
ることによって、変動外乱力成分に対応する操舵を行わ
ないことが可能となる。このことは操舵装置の省エネル
ギー化、および操舵による抵抗の低減化、船体全体とし
ての省エネルギー化が可能となる。 （３）また逆に、制御係数Ｋ４，Ｋ５に大きな値を用い
ることによって変動外乱力成分に対して時々刻々の船首
方位偏差を上述の制御に比べ小さく押さえる制御が行え
る。
指令舵角を与えて自動操舵を行うためのシステムに関す
る。 【０００２】 【従来の技術】船舶の自動操舵に用いる指令舵角δ
＊（ｔ）のうち最も一般的なものは［数５］，［数６］
式で表される。 【数５】 【数６】 【０００３】実際の運用では不感帯や舵角制限、天候調
整あるいは時間遅れに対応する機能を設けたりして自動
操舵が行われているが、これらの場合においても基本と
なる指令舵角を表す式は［数５］式であると考えてよ
い。 【０００４】さて、波浪による外乱が船体に与える力を
考えると、一般に定常外乱力成分と見なせる極低周波数
成分と波周波数に対応する変動外乱力成分とがある。す
なわち、外乱力をＦ（ｔ）とすると、これは［数７］式
のような成分から構成される。 【数７】 【０００５】このような外乱下で［数５］式のような自
動操舵を行うことを考える。外乱に定常外乱力成分と見
なせる極低周波数成分があるから本来舵はこれに対抗す
るだけのある定常舵角が必要となる。すなわち、指令舵
角は［数８］式のようなものとなってはじめて目標船首
方位を平均的に保持できる。 【数８】 【０００６】しかし、自動操舵の基本部分に［数５］式
を用いる限り、船首方位と目標船首方位とが一致してい
る状態では［数８］式中の定常成分δｓ ＊（ｔ）を発生
することはできない。なぜなら、［数５］式のΨ
ｄ（ｔ）またはその時間に関する１階微分が零でない値
を持たない限り指令舵角の定常成分δｓ ＊（ｔ）は発生
しないからである。なお、［数５］式の制御係数を非常
に大きくすれば平均的な船首方位偏差を小さくすること
は出来るが零とすることは出来ず、かつ、変動外乱力成
分に対応する平均船首方位と目標船首方位とを一致させ
るために必要な操舵以外の操舵が大きく行われ、操舵装
置を駆動するためのエネルギーの増加および操舵による
抵抗増加となり、船舶全体としてエネルギー消費が増加
してしまう。 【０００７】一方、船体に作用する外乱力のうち変動外
乱力成分に対応する操舵を行わないようにする手段とし
て、［数５］式に［数９］式のような積分項を含める制
御もある。 【数９】 【０００８】このような積分制御の項を設け、大きな制
御係数Ｋｘを与えることによって定常外乱力成分と見な
せる極低周波数成分に対する除去特性を良くし、［数
５］式の係数を小さく押さえることで、変動外乱成分に
対応する操舵を小さくするものも提案されている。しか
し、［数９］式に示す項を導入しても、平均船首方位偏
差が存在しない限り定常外乱力成分に対応するだけの舵
角は発生しないことから、やはり平均船首方位偏差を零
とすることはこのような積分項を設けるだけでは原理的
に不可能と考えられる。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、定常
外乱力成分と見なせる極低周波数成分の外乱力に対して
も平均船首方位と目標船首方位とを一致させ、かつ、外
乱力のうち変動外乱力成分に対しては、これに対応する
操舵を行わないようにする設定から時々刻々の船首方位
偏差を小さく押さえる設定までの範囲で選択することを
可能とした、舶用自動操舵システムを提供することを課
題とする。 【００１０】 【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、本発明の舶用自動操舵システムは、船舶の操舵装置
に指令舵角を与えて自動制御を行う舶用自動操舵システ
ムにおいて、船体に装着された船首方位計と同船首方位
計で計測された船首方位から船首揺れ周期を求める船首
揺れ周期検出手段と目標船首方位入力手段とを備え、上
記船首方位計で計測された船首方位と上記目標船首方位
入力手段により入力された目標船首方位との差としての
時々刻々の船首方位偏差を演算するための第１演算部
と、上記船首揺れ周期検出手段により求められた船首揺
れ周期と上記第１演算部で求められた船首方位偏差とに
基づき船体に作用する外乱力のうちの定常外乱力成分と
見なせる極低周波数成分に対応した第１指令舵角成分を
算出する第２演算部と、上記船首揺れ周期と船首方位偏
差とに基づき上記外乱力のうちの変動外乱力成分に対応
した第２指令舵角成分を算出する第３演算部と、上記の
第２演算部と第３演算部とでそれぞれ求められた第１指
令舵角成分と第２指令舵角成分とを合算して指令舵角を
演算する第４演算部とが設けられており、上記第１演算
部における船首方位偏差Ψｄ（ｔ）の演算が［数１］式
により行われ、上記第２演算部における第１指令舵角成
分δｓ ＊（ｔ）の演算が［数２］式により行われ、上記
第３演算部における第２指令舵角成分δｖ ＊（ｔ）の演
算が［数３］式により行われ、上記第４演算部における
指令舵角δ＊（ｔ）演算が，［数４］式により行われる
ことを特徴とする。 【数１】 【数２】 【数３】 【数４】【００１１】上述の本発明の舶用自動操舵システムで
は、外乱力に定常外乱力成分と見なせる極低周波数成分
が存在しても、これに応じた定常舵角を指令舵角に含め
ることが可能となるため、平均船首方位と目標船首方位
とを一致させることが可能となる。さらに、周期的に近
い変動外乱力成分に対しては、制御係数Ｋ４，Ｋ５に零
あるいは小さな値を用いることによって、平均船首方位
と目標船首方位とを一致させるために必要な操舵以外を
行わないことが可能となる。このことは操舵装置の省エ
ネルギー化、および操舵による抵抗の低減化、船舶全体
としての省エネルギー化が可能となる。また逆に、制御
係数Ｋ４，Ｋ５に大きな値を用いることによって変動外
乱力成分に対して時々刻々の船首方位偏差を小さく押さ
える制御が行える。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下、図面により本発明の一実施
形態としての舶用自動操舵システムについて説明する。
図１はその構成を概略的に示すブロック図である。 【００１３】図１に示すように、外乱を受ける船舶の自
動操舵のため、船体１に設けられた操舵装置２には第４
演算部９から指令舵角δ＊（ｔ）が与えられるようにな
っている。また、船体１には船首方位計３が装着されて
おり、船首方位計３で検出された船首方位Ψ（ｔ）は船
首揺れ周期検出手段４に入力され、これにより船首揺れ
周期Ｔが算出される。さらに、目標船首方位入力手段５
が設けられており、同手段５に目標船首方位Ψｒが入力
されるようになっている。 【００１４】上記船首方位Ψ（ｔ）と目標船首方位Ψｒ
とに基づき、第１演算部６で時間をｔとすると時々刻々
の船首方位偏差Ψｄ（ｔ）が［数１］式により算出され
る。 【数１】 この船首方位偏差Ψ（ｔ）と上記船首揺れ周期Ｔとに基
づき、第２演算部７で［数２］式により船体に作用する
外乱力のうちの定常外乱力成分と見なせる極低周波数成
分に対応した第１指令舵角成分δｓ ＊（ｔ）が算出され
る。 【数２】 また同じく船首方位偏差Ψｄ（ｔ）と船首揺れ周期Ｔと
に基づき、第３演算部８で［数３］式により上記外乱力
のうちの変動外乱力成分に対応した第２指令舵角成分δ
ｖ（ｔ）が算出される。 【数３】 最終的に上記第１指令舵角成分δｓ ＊（ｔ）と第２指令
舵角成分δｖ ＊（ｔ）とを第４演算部９で［数４］式に
より合算して指令舵角δ＊（ｔ）が算出され、この指令
舵角δ＊（ｔ）が船舶の自動操舵のため操舵装置２に入
力される。 【数４】 【００１５】このようにして、本発明の舶用自動操舵シ
ステムでは、定常外乱力成分と見なせる極低周波数成分
の外乱力に対しても平均船首方位と目標船首方位とを一
致させることが可能となる。さらに、制御係数Ｋ４，Ｋ
５に零あるいは小さな値を用いることによって変動外乱
力成分に対応する操舵、すなわち平均船首方位と目標船
首方位とを一致させるために必要な操舵以外を行わない
ことが可能となる。このことは操舵装置の省エネルギー
化、および操舵による抵抗の低減化、船舶全体としての
省エネルギー化が可能となる。また逆に、制御係数
Ｋ４，Ｋ５に大きな値を用いることによって、変動外乱
力成分に対して時々刻々の船首方位偏差を上述の制御に
比べ小さく押さえる制御が行える。なお、制御係数
Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３の値については、それぞれの船舶の特
性に応じて適正な値を設定する必要がある。また、本発
明の実施の形態では舶用自動操舵システムを幾つかのブ
ロックに分解して説明しているが、船体１に設けられた
操舵装置２や船首方位計３以外については一台のパソコ
ンにより実施することが可能である。 【００１６】 【発明の効果】以上詳述したように、本発明の舶用自動
操舵システムによれば次のような効果が得られる。 （１）外乱に定常外乱力成分と見なせる極低周波数成分
が存在しても、これに応じた定常舵角を指令舵角に含め
ることが可能となるため、平均船首方位と目標船首方位
とを一致させることが可能となる。 （２）制御係数Ｋ４，Ｋ５に零あるいは小さな値を用い
ることによって、変動外乱力成分に対応する操舵を行わ
ないことが可能となる。このことは操舵装置の省エネル
ギー化、および操舵による抵抗の低減化、船体全体とし
ての省エネルギー化が可能となる。 （３）また逆に、制御係数Ｋ４，Ｋ５に大きな値を用い
ることによって変動外乱力成分に対して時々刻々の船首
方位偏差を上述の制御に比べ小さく押さえる制御が行え
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態としての舶用自動操舵シス
テムの構成を概略的に示すブロック図である。 【符号の説明】 １ 船体 ２ 操舵装置 ３ 船首方位計 ４ 船首揺れ周期検出手段 ５ 目標船首方位入力手段 ６ 第１演算部 ７ 第２演算部 ８ 第３演算部 ９ 第４演算部
テムの構成を概略的に示すブロック図である。 【符号の説明】 １ 船体 ２ 操舵装置 ３ 船首方位計 ４ 船首揺れ周期検出手段 ５ 目標船首方位入力手段 ６ 第１演算部 ７ 第２演算部 ８ 第３演算部 ９ 第４演算部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
B63H 25/04
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 船舶の操舵装置に指令舵角を与えて自動
制御を行う船舶自動操舵システムにおいて、船体に装着
された船首方位計と同船首方位計で計測された船首方位
から船首揺れ周期を求める船首揺れ周期検出手段と目標
船首方位入力手段とを備え、上記船首方位計で計測され
た船首方位と上記目標船首方位入力手段により入力され
た目標船首方位との差としての時々刻々の船首方位偏差
を演算するための第１演算部と、上記船首揺れ周期検出
手段により求められた船首揺れ周期と上記第１演算部で
求められた船首方位偏差とに基づき船体に作用する外乱
力のうちの定常外乱力成分と見なせる極低周波数成分に
対応した第１指令舵角成分を算出する第２演算部と、上
記の船首揺れ周期と船首方位偏差とに基づき上記外乱力
のうちの変動外乱力成分に対応した第２指令舵角成分を
算出する第３演算部と、上記の第２演算部と第３演算部
とでそれぞれ求められた第１指令舵角成分と第２指令舵
角成分とを合算して指令舵角を演算する第４演算部とが
設けられており、上記第１演算部における船首方位偏差
Ψ ｄ （ｔ）の演算が［数１］式により行われ、上記第２
演算部における第１指令舵角成分δ ｓ ＊ （ｔ）の演算が
［数２］式により行われ、上記第３演算部における第２
指令舵角成分δ ｖ ＊ （ｔ）の演算が［数３］式により行
われ、上記第４演算部における指令舵角δ ＊ （ｔ）の演
算が［数４］式により行われることを特徴とする、舶用
自動操舵システム。 【数１】 【数２】【数３】 【数４】
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000389537A JP3459984B2 (ja) | 2000-11-16 | 2000-11-16 | 舶用自動操舵システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000389537A JP3459984B2 (ja) | 2000-11-16 | 2000-11-16 | 舶用自動操舵システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002145194A JP2002145194A (ja) | 2002-05-22 |
| JP3459984B2 true JP3459984B2 (ja) | 2003-10-27 |
Family
ID=18856061
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000389537A Expired - Lifetime JP3459984B2 (ja) | 2000-11-16 | 2000-11-16 | 舶用自動操舵システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3459984B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4603832B2 (ja) * | 2004-08-03 | 2010-12-22 | 東京計器株式会社 | 船舶用自動操舵装置及び船舶用自動操舵装置用推定器の設計方法 |
| JP6278745B2 (ja) * | 2014-02-28 | 2018-02-14 | 東京計器株式会社 | 船舶用自動操舵装置 |
-
2000
- 2000-11-16 JP JP2000389537A patent/JP3459984B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002145194A (ja) | 2002-05-22 |
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