JP4017630B2

JP4017630B2 - 船舶の船首方位制御設備

Info

Publication number: JP4017630B2
Application number: JP2004378362A
Authority: JP
Inventors: 浩之円丁; 敏朗佐伯
Original assignee: Universal Shipbuilding Corp
Current assignee: Universal Shipbuilding Corp
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2018-08-27
Also published as: JP2005096771A

Description

本発明は、船舶を外力（風や潮流など）を利用して一定位置に保持させる船舶の船首方位制御設備に関するものである。

従来、船舶位置を保持する場合には、経験・知識を有する人間が、風向、風速、潮流向、潮流速などから船舶の流される量を推測し、舵、プロペラ、バウスラスタを操作して横移動させていた。あるいは位置保持しやすい船首方位を決定していた。

しかし、船舶に上記バウスラスタなど船首を動かす推進装置が装備されていない場合、経験・知識を有する人間でも、横移動、あるいは位置保持を行うことは困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、船首を動かす推進装置が装備されていない船舶であっても、極めて経験や知識のない人間が、位置保持したい座標を入力するだけで、外力を利用して船舶の位置保持を行うことを可能とする船舶の船首方位制御設備を提供することを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明に係る船舶の船首方位制御設備は、船舶の船首の方位を計測する方位計３と、風速と風向を計測する風信儀５と、潮流速と潮流向を計測する潮流計６と、前記風信儀５によって計測される風速および風向、前記潮流計６によって計測される潮流速および潮流向、および前記方位計３によって計測される船舶の船首方位により、船舶が受ける横力とモーメントを求めるとともに、前記モーメントより風と潮流下で方位を制御する時に発生する横力を求め、そしてこれら船舶が受ける横力と、風と潮流下で方位を制御する時に発生する横力とが相殺される船首の目標方位を求める目標方位演算手段１３と、を備えたことを特徴とするもので、目標位置を入力するだけで、外力により抗して船舶を目標位置に保持させる船舶の目標方位が求められる。

上記の構成によれば、バウスラスタなど船首を動かす推進装置が装備されていない船舶であっても、極めて経験や知識のない人間でも目標方位を入力するだけで、外力に則した船舶の位置保持の操船を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の実施の形態における船舶の船首方位制御設備の構成図である。
船舶Ａ（図４参照）の船首方位制御設備の制御装置（以下、コントローラと略す）１は、設定器２より船舶の目標位置からなる設定信号｛目標位置（Ｘt ，Ｙt ）｝、方位計３から船舶の現在方位信号（方位ｐ）、ＧＰＳからなる位置センサ４より船舶の現在位置信号｛現在位置（Ｘs ，Ｙs ）｝、風信儀（風向風速計）５より現在の風速と風向からなる風信号、および潮流計６より現在の潮流速と潮流向からなる潮流信号を入力し、右舷と左舷の舵９，10の舵角を制御することにより、船舶Ａの方位を制御して、船舶の目標位置への移動、あるいは目標位置での位置保持を行うための制御装置であり、マイクロコンピュータから構成されている。図４に示すように、船舶Ａは、風と潮流の外力を受けると、流されることから、船舶の目標位置への移動、あるいは位置保持のために舵９，10を使用している。上記コントローラ１、設定器２、方位計３、位置センサ４、風信儀５、および潮流計６は船舶Ａに装備されている。

コントローラ１は、図１に示すように、船舶Ａの現在位置（Ｘs ，Ｙs ）が目標位置（Ｘt ，Ｙt ）の所定の範囲に入っているかを判断し、範囲外と判断すると移動制御指令信号を出力し、範囲内と判断すると位置保持指令信号を出力する判断部11と、前記移動制御指令信号に応じて移動制御時の目標方位ψを演算する移動制御目標方位演算部12と、前記位置保持指令信号に応じて位置保持時の目標方位ψを演算するための本発明に係る位置保持目標方位演算部13と、上記演算部12，13により求められた目標方位ψとなるように、方位計３により検出される船首方位ｐをフィードバックしながら舵９，10を操作する操作制御部14から構成されている。

操作制御部14は、目標方位ψと測定船首方位ｐの偏差を求める減算器15と、この減算器15により求められた偏差に基づいて舵角を演算するＰＩＤ制御部16から構成されている。
上記移動制御目標方位演算部12を図２のブロック図に基づいて説明する。

この演算部12は、上記のように移動制御指令信号を入力すると、制御周期Ｃyで実行され、目標方位ψ（ｎ）を外力を利用できる方向へ更新する。
図２において、Ｙ偏差Ｙ速度演算部は、船舶Ａの現在位置（Ｘs ，Ｙs ）と目標位置（Ｘt ，Ｙt ）から図４に示す船舶Ａの横流れの情報、すなわちＹ偏差ΔＹとＹ速度Ｖを求める演算部であり、船首を変更する角度Ｙ_ＣＲは、前記Ｙ偏差Ｙ速度演算部により求められたΔＹとＶより式（１）により求められ、さらに角度の急変を避けるために、±５゜のリミッタがかけられて求められている。

Ｙ_ＣＲ＝ΔＹ×Ａ_Ｃ＋Ｖ×Ｂ_Ｃ・・・（１）
（Ａ_Ｃ，Ｂ_Ｃは定数）
またこの求めた船首を変更する角度Ｙ_ＣＲを目標方位ψ（ｎ）に加算して更新するかどうかの実行条件を求めている。これら実行条件を下記に示す。

１．目標方位ψ（ｎ）と計測された船首方位ｐの差（絶対値）が３０゜以上であるかどうか。
２．Ｙ偏差ΔＹが増加しているかどうか（Ｙ偏差ΔＹが前回のＹ偏差ΔＹより大きくなっているかどうか）。

３．先の目標方位ψ（ｎ）の更新からの時間Ｔが、式（２）により求める時間ｔcの間、経過しているか、すなわち目標位置（Ｘt ，Ｙt ）に近づくにつれて長くなるように時間ｔcを設定し、この時間ｔcが経過しているかどうか。

ｔc＝Ｋc／絶対値ΔＹ・・・（２）
（Ｋcは定数）
これらの条件は、目標方位ψ（ｎ）の更新が外乱となる可能性を排した条件であり、これら条件が全て揃っているとき（ＡＮＤ）、更新の実行を許可している。

目標方位ψ（ｎ）の更新の式を下記に示す。
ψ（ｎ）＝ψ（ｎ−１）＋Ｙ_ＣＲ
求められた目標方位ψ（ｎ）が操作制御部14へ出力される。

上記位置保持目標方位演算部13を図３のブロック図に基づいて説明する。
この演算部13は、上記のように位置保持指令信号を入力すると、制御周期Ｃyで実行され、目標方位ψを外力を利用できる方向へ更新する。

風力計算部において、風信儀５により計測された風速と風向と、方位計３により計測された船舶Ａの船首方位ｐから、実験して求めた風力係数により船体が受ける横力ＷyとモーメントＷmが計算され、潮流計算部において、潮流計６により計測された潮流速と潮流向と、方位計３により計測された船舶Ａの船首方位ｐから、実験して求めた潮流係数により船体が受ける横力ＳyとモーメントＳmが計算され、上記計算されたこれら風の横力Ｗyと潮流の横力Ｓyが加算されて、図４に示す外力による横力Ｙ_Ｅを求めている。また、上記計算されたこれら風のモーメントＷmと潮流のモーメントＳmが加算され、この加算値を、図４に示す船舶Ａの重心Ｇと舵軸までの距離Ｌ_ＰＲＸで除算して風と潮流下で方位を制御する時に発生する横力Ｙ_ＣＴを求めている。

そして求められた横力Ｙ_Ｅと横力Ｙ_ＣＴが相殺される目標方位ψ、すなわち
Ｙ_Ｅ＋Ｙ_ＣＴ＝０
を満たす方位ψを演算している。

求められた目標方位ψが操作制御部14へ出力される。
以下、上記構成における作用を説明する。
設定器２により目標位置（Ｘt ，Ｙt ）を入力すると、現在位置（Ｘs ，Ｙs ）が目標位置（Ｘt ，Ｙt ）の所定範囲内に入っているかどうかが判断され、範囲外と判断されると、移動制御目標方位演算部12が選択駆動されて、外力により横方向に流されている船舶Ａを目標位置（Ｘt ，Ｙt ）へ移動させる船首方位｛目標方位ψ（ｎ）｝が求められ、また範囲内と判断されると、本発明に係る位置保持目標方位演算部13が選択駆動されて、外力が在る場合にも船舶Ａを現在位置（Ｘs ，Ｙs ）に保持させる船首方位｛目標方位ψ｝が求められ、求められた船首方位により、操作制御部14において舵角が求められ、舵９，10が操作される。

上記作用によるシミュレーション結果を、図５と図６に示す。図５は、潮流速１．０ｋｔ，潮流向（角度）０．０゜、風速１０．０ｍ／ｓ，風向（角度）４５．０゜の条件において、５０ｍ先から中央の目標位置へ移動させたとき、図６は、潮流速１．０ｋｔ，潮流向（角度）１８０．０゜、風速１０．０ｍ／ｓ，風向（角度）１３５．０゜の条件において、目標位置の２０ｍの範囲内で位置保持を行ったときのシミュレーション結果である。これらシミュレーション結果からもわかるように、舵角の操作で外力に対応することができた。

このように、極めて経験や知識のない人間でも目標位置を入力するだけで、従来、常に一人以上の経験や知識の多い操船者が従事した外力に則した船舶の移動あるいは位置保持の操船を行うことができ、またバウスラスタが無い場合にも、目標位置への移動、位置保持を行うことができる。

本発明の実施の形態における船舶の移動制御設備の構成図である。同船舶の移動制御設備の制御装置の移動制御目標方位演算部のブロック図である。同船舶の移動制御設備の制御装置の位置保持目標方位演算部のブロック図である。同船舶の移動制御設備の説明図である。同船舶の移動制御設備によるシミュレーションの結果を示す図である。同船舶の移動制御設備によるシミュレーションの結果を示す図である。

符号の説明

１制御装置
２設定器
３方位計
４位置センサ
５風信儀
６潮流計
９，10 舵
11 判断部
12 移動制御目標方位演算部
13 位置保持目標方位演算部
14 操作制御部
Ａ船舶
（Ｘs ，Ｙs ）船舶現在位置
（Ｘt ，Ｙt ）目標位置
Ｙ_Ｅ風と潮流による横力
Ｙ_ＣＴ風と潮流下で方位を制御する時に発生する横力
ｐ船首方位
ψ 目標方位

Claims

船舶の船首の方位を計測する方位計３と、
風速と風向を計測する風信儀５と、
潮流速と潮流向を計測する潮流計６と、
前記風信儀５によって計測される風速および風向、前記潮流計６によって計測される潮流速および潮流向、および前記方位計３によって計測される船舶の船首方位により、船舶が受ける横力とモーメントを求めるとともに、前記モーメントより風と潮流下で方位を制御する時に発生する横力を求め、そしてこれら船舶が受ける横力と、風と潮流下で方位を制御する時に発生する横力とが相殺される船首の目標方位を求める目標方位演算手段１３と、
を備えたことを特徴とする船舶の船首方位制御設備。