JP4302435B2 - 航走体の操縦方法及び操縦装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、目標位置及び目標方位角へ船舶及び飛行船等の航走体を到達させるべく、当該目標位置及び目標方位角並びに航走体の現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の位置制御を行う航走体の操縦方法及びその実施に使用する操縦装置に関し、特に当該位置制御中のオペレータによる手動操縦の介入を許容する航走体の操縦方法及びその実施に使用する操縦装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーフェリー及び潜水艇等の船舶並びに飛行船等の航走体には、当該航走体を予め設定された目標位置及び目標方位角へ到達させるべく、当該目標位置及び目標方位角と、航走体の現在位置及び現在方位角とに基づいて、航走体の位置及び方位角の自動制御（以下、位置制御という）を行うように構成されているものがある。
【０００３】
この種の航走体の操縦装置の一つとして、前記位置制御を実行中にオペレータによる手動操縦の介入を許容するものが提案されている（特許文献１参照）。図６は、従来の航走体の操縦装置の処理の概要を示すブロック線図である。図６に示す如く、かかる従来の航走体の操縦装置は、オペレータによる切替入力が可能なスイッチ１０１と、航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する目標推力演算部１０２とを備えている。前記スイッチ１０１は、航走体の位置制御のオン／オフ切り替え用であり、位置制御オンの場合には、目標推力演算部１０２から出力された目標推力及び目標推力モーメントを、プロペラ用のエンジン又は舵用のモータ等のアクチュエータを駆動するためのアクチュエータ駆動装置側へ出力するようになっている。当該アクチュエータ駆動装置は、与えられた目標推力及び／又は目標推力モーメントを発生させるべく、プロペラ及び／又は舵を駆動するようになっている。また、複数のスラスタを備える航走体にあっては、与えられた目標推力及び目標推力モーメントを航走体全体で発生させるために各スラスタの発生推力を配分する推力配分装置がアクチュエータ駆動装置の前段に設けられている場合もある。かかる場合には、目標推力及び目標推力モーメントは推力配分装置へ与えられることになる。
【０００４】
また、航走体には、オペレータからの手動入力を受け付けるジョイスティック及びダイアルが設けられており、位置制御オフの場合には、このジョイスティックの傾倒方向及び傾倒角度に応じて前後方向及び左右方向の推力の指令値が決定され、ダイアルの回転角度に応じて旋回方向の推力モーメントの指令値が決定されて、かかる推力及び推力モーメントの指令値が、目標推力及び目標推力モーメントとして外部へ出力されるようになっている。これにより、位置制御オフの場合には、オペレータが入力した推力及び推力モーメントの指令値に追従するように航走体が動作し、オペレータによる航走体の手動操縦が行われることとなる。
【０００５】
位置制御オンの場合に、ジョイスティック又はダイアルに手動入力があると、ジョイスティックの傾倒方向及び傾倒角度に応じて前後方向及び左右方向の航走体の速度指令値が決定され、またダイアルの回転角度に応じて旋回方向の航走体の角速度指令値が決定されて、かかる速度及び角速度の指令値が積分器１０３に与えられる。積分器１０３は、与えられた速度及び角速度の指令値を積分して位置及び角度の指令値へ変換し、この位置及び角度の指令値を前記目標推力演算部１０２へ出力する。目標推力演算部１０２は、予め設定された目標位置及び目標方位角の夫々に前記位置及び角度の指令値を付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得し、かかる新たな目標位置及び目標方位角に航走体を近付けるような目標推力及び目標推力モーメントを演算する。そして、このようにして演算した目標推力及び目標推力モーメントが外部へ出力されることとなる。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３３１０８３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した如き従来の航走体の操縦装置にあっては、位置制御オフのときには、ジョイスティックの傾倒及びダイアルの回転によってオペレータが航走体の推力及び推力モーメントの指令値を手動入力し、位置制御オンのときには、同様の操作で航走体の速度及び角速度の指令値を手動入力するように構成されており、位置制御オンのときと位置制御オフのときとではオペレータの操縦感覚が異なるものとなっていた。
【０００８】
また、オペレータが所望する位置又は方位角に航走体が到達した場合には、オペレータがジョイスティック又はダイアルを中立位置に戻すこととなるが、このとき積分器１０３の出力値は一定値となり、またこのときには航走体が依然として移動しているため航走体が目標位置又は目標方位角を一旦行き過ぎてしまい、その後目標位置又は目標方位角へと再び近づくべく戻ることとなるので、例えばケーブルで曳航体を曳航しながら作業する海洋調査船又はケーブル敷設船等にあっては、再び目標位置又は目標方位角へ近づく際にケーブルがプロペラ等に絡まることがあった。
【０００９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、位置制御オン及び位置制御オフの両方においてオペレータに同様の操縦感覚を与え、従来に比して操縦性を向上させることができる航走体の操縦方法及びその実施に使用する操縦装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る航走体の操縦方法は、オペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値の手動入力を受け付ける手動入力受付手段にて、前記指令値の手動入力を受け付ける第１ステップと、手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値から、当該推力及び推力モーメントが発生した場合の航走体の位置及び方位角の変化量を予測する第２ステップと、航走体の現在位置及び現在方位角を検出する第３ステップと、予め設定された航走体の目標位置及び目標方位角に予測した前記位置及び方位角の変化量を夫々付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得する第４ステップと、獲得した新たな目標位置及び目標方位角並びに検出した前記現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する第５ステップと、手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値並びに目標推力及び目標推力モーメントの何れか一方を出力すべく、オペレータによる切替入力が可能な切替手段に対するオペレータの切替入力に従って出力を切り替える第６ステップとを有する。
【００１１】
また、本発明に係る本発明に係る航走体の操縦装置は、オペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値の手動入力を受け付ける手動入力受付手段と、該手動入力受付手段が受け付けた推力及び推力モーメントの指令値から、当該推力及び推力モーメントが発生した場合の航走体の位置及び方位角の変化量を予測する予測手段と、航走体の現在位置及び現在方位角を検出する検出手段と、予め設定された航走体の目標位置及び目標方位角に前記予測手段から与えられた位置及び方位角の変化量を夫々付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得し、当該新たな目標位置及び目標方位角並びに前記検出手段から与えられた現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する目標推力演算手段と、オペレータによる切替入力が可能であるように構成されており、前記手動入力受付手段が手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値並びに前記目標推力演算手段が演算した目標推力及び目標推力モーメントの何れか一方を外部へ出力すべく、オペレータの切替入力に従って出力を切り替える切替手段とを備える。
【００１２】
これにより、切替手段によってオペレータが、手動入力受付手段が手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値の出力を選択した場合（即ち位置制御オフの場合）と、演算によって得られた目標推力及び目標推力モーメントの出力を選択した場合（即ち位置制御オンの場合）との何れにおいても、手動入力受付手段がオペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値を受け付けるので、両者においてオペレータに同様の操縦感覚を与え、従来に比して操縦性を向上させることができる。
【００１３】
上記発明においては、予め設定された航走体の運動モデルに基づいて、前記推力及び推力モーメントの指令値から前記航走体の位置及び方位角の変化量を予測することが好ましい。
【００１４】
この場合においては、前記航走体は船舶であり、前記航走体の運動モデルは、（１）〜（３）式で与えられることが更に好ましい。
【００１５】
【数７】
但し、ＪＸ：航走体の前後方向の推力の指令値
ＪＹ：航走体の左右方向の推力の指令値
ＤＮ：航走体の旋回方向の推力モーメントの指令値
ｕ：航走体の前後方向の速度
ｖ：航走体の左右方向の速度
ｒ：航走体の旋回方向の角速度
ＸH：航走体に作用する前後方向の流体力
ＹH：航走体に作用する左右方向の流体力
ＮH：航走体に作用する旋回方向の流体力モーメント
Ｍ1：航走体の前後方向の見かけの質量
Ｍ2：航走体の左右方向の見かけの質量
Ｉ：航走体の旋回方向の見かけの慣性モーメント
【００１６】
この場合においては、前記航走体の運動モデルから算出した前後方向の速度ｕ，左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒから、（４）〜（６）式に従って航走体の前後方向の位置の変化量ＸＧr，左右方向の位置の変化量ＹＧr及び方位角の変化量Ψrを演算することが更に好ましい。
【００１７】
【数８】
【００１８】
上記発明においては、航走体に作用する前後方向の流体力ＸH，左右方向の流体力ＹH及び旋回方向の流体力モーメントＮHが（７）〜（９）式で与えられることが更に好ましい。
【００１９】
【数９】
但し、ｋ1〜ｋ3：正の定数
【００２０】
上記発明においては、手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値に所定の重み付けをし、重み付けをした推力及び推力モーメントの指令値を目標推力及び目標推力モーメントに付加して、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行うことが更に好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る航走体の操縦装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る船舶（航走体）の構成の一部を示すブロック図である。図１に示す如く、本実施の形態に係る船舶１は、入力装置（手動入力受付手段）２，検出装置（検出手段）３，目標推力演算装置（予測手段，目標推力演算手段）４及びスイッチ（切替手段）５によって主として構成された操縦装置６と、推力配分装置７と、制御装置８とを備えている。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態に係る操縦装置６の一部の外観を示す斜視図である。図２に示す如く、操縦装置６の一部は、船員たるオペレータが船舶１を操縦したり、船舶１の運行状態を確認することができるように、コンソール１０として船舶１の内部に設けられている。コンソール１０は、その前面に入力装置２及び表示パネル９を有しており、オペレータがかかる表示パネル９に表示されている情報を確認しながら入力装置２を操作することによって、船舶１の手動操縦が可能となっている。
【００２４】
入力装置２は、コンソール１０の前側に夫々配設されたキーパッド２１，ジョイスティック２２，ダイアル２３を有しており、キーパッド２１，ジョイスティック２２及びダイアル２３が夫々入力を受け付けた各種データを目標推力演算装置４へ送信することが可能であるように当該目標推力演算装置４に接続されている（図１参照）。キーパッド２１は複数の操作キーから構成されており、後述するように、かかるキーパッド２１を操作することによって、オペレータが船舶１の位置、船首の方位角及び船速を設定するようになっている。
【００２５】
ジョイスティック２２は、コンソール１０の前側であって前記表示パネル９の下方にに設けられた操作面１０ａから突設されており、前後左右方向だけでなく、前後左右面内の如何なる方向へも傾倒させることが可能となっている。オペレータがジョイスティック２２を傾倒させたときには、その傾倒方向及び傾倒角度に応じた推力の指令値を示す信号が入力装置２から出力されるようになっている。
【００２６】
ダイアル２３は、図２に矢符にて示すように、前記操作面１０ａに設けられており、時計方向及び反時計方向の何れの方向へも回転させることが可能に構成されている。オペレータがかかるダイアル２３を回転させたときには、予め設定された中立点からの回転方向及び回転角度に応じた推力モーメントの指令値を示す信号が入力装置２から出力されるようになっている。
【００２７】
表示パネル９は、目標推力演算装置４にデータの受信が可能であるように接続されており（図１参照）、目標推力演算装置４から受信した目標位置、目標方位角、目標速度、現在位置、現在方位角、現在速度、位置制御のオン／オフ等の情報を表示するようになっている。
【００２８】
また図１に示す如く、検出装置３は、船舶１の現在位置を検出するＧＰＳ等の位置センサ３１と、船舶１の船首の方位角を検出するジャイロコンパス等の方位角センサ３２と、船舶１の船速（対地速度）を検出する速度センサ３３とを備えている。また、検出装置３は、目標推力演算装置４に接続されており、検出した船舶１の現在位置、方位角及び速度の各情報を目標推力演算装置４に出力するようになっている。
【００２９】
目標推力演算装置４は、ＣＰＵ４１，ＲＯＭ４２，ＲＡＭ４３及び入出力インタフェース４４から主として構成されている。ＲＯＭ４２には、コンピュータプログラム及びこのコンピュータプログラムで使用するデータ等が格納されている。ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４２に格納されたコンピュータプログラム又はＲＡＭ４３にロードされたコンピュータプログラムを実行することができる。また、ＲＡＭ４３は、ＣＰＵ４１がコンピュータプログラムを実行するときの作業領域として使用される。
【００３０】
また、入出力インタフェース４４は、検出装置３から船舶１の現在位置、方位角及び船速の各情報を受信し、入力装置２から目標位置及び目標方位角並びに推力及び推力モーメントの指令値の各情報を受信するように構成されている。更に、この入出力インタフェース４４は、ＣＰＵ４１が演算した目標推力及び目標推力モーメントの各情報をスイッチ５へ出力し、また船舶１の現在位置、方位角及び船速並びに目標位置、目標方位角及び目標速度の各情報を表示パネル９に表示すべく、かかる情報の表示用データを表示パネル９へ出力するようになっている。
【００３１】
このようなＣＰＵ４１，ＲＯＭ４２，ＲＡＭ４３及び入出力インタフェース４４は、バスによって接続されており、相互にデータの転送が可能である。
【００３２】
スイッチ５は、ｃ接点であり、図２に示す如く操作面１０ａに設けられている。図１に示すように、スイッチ５には、前記入出力インタフェース４４に繋がる端子５１と、前記入力装置２に繋がる端子５２と、推力配分装置７に繋がる端子５３とを有している。端子５１は、入出力インタフェース４４から与えられた目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１を出力するようになっている。また、入力装置２と入出力インタフェース４４とを繋ぐ信号線は、その途中において分岐しており、この分岐先が端子５２へと延びており、これによって端子５２は、入力装置２から与えられた推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２を出力するようになっている。このようなスイッチ５は、オペレータの操作によって、端子５１及び５３を接続する状態（以下、制御オン状態という）と、端子５２及び５３を接続する状態（以下、制御オフ状態という）との間で、接続を切り替えることができるようになっている。
【００３３】
従って、オペレータがスイッチ５を操作することによって制御オン状態が選択されたときには、端子５１及び５３が接続されて、推力配分装置７には目標推力演算装置４から目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１が出力されることとなり、制御オフ状態が選択されたときには、端子５２及び５３が接続されて、推力配分装置７には入力装置２から推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２が出力されることとなる。これにより、オペレータがスイッチ５を操作することによって、船舶１の位置制御のオン／オフを切り替えることができるようになっている。
【００３４】
なお、ここでは便宜的に、目標推力演算装置４から出力される信号１１が目標推力及び目標推力モーメントを示し、入力装置２から出力される信号１２が推力及び推力モーメントの指令値を示すものとしているが、両信号１１，１２は同じ形式の信号とされており、実質的には目標推力演算装置４の出力信号１１及び入力装置２からの出力信号１２の何れも船舶１の目標推力及び目標推力モーメントを示すものとして推力配分装置７に与えられる。
【００３５】
推力配分装置７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成されており、入力装置２又は目標推力演算装置４から入力した目標推力及び目標推力モーメントに基づいて、船舶１が備えるプロペラ及び舵等のプロペラ推力及び舵角を演算する。船舶１には、複数のプロペラ（バウスラスタを含む）及び舵が設けられており、前記目標推力及び目標推力モーメントを達成する夫々のプロペラ推力及び舵角を演算するようになっている。このような推力配分装置７は、制御装置８に接続されており、演算結果の各プロペラ推力及び各舵角を制御装置８に出力するようになっている。なお、本実施の形態においては、船舶１にプロペラ及び舵を複数設けられており、推力配分装置７が与えられた目標推力及び目標推力モーメントを達成するこれらのプロペラ推力及び舵角を演算する構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶１に複数の旋回式スラスタが設けられており、推力配分装置７が与えられた目標推力及び目標推力モーメントを達成する各旋回式スラスタのプロペラ推力及び旋回角度を演算する構成としてもよい。
【００３６】
制御装置８は、図示しない駆動装置に接続されている。また、船舶１には、各プロペラの回転数を夫々検出する回転数センサと、各舵の舵角を夫々検出する舵角センサとが設けられている。これらの回転数センサ及び舵角センサは、制御装置８に接続されており、検出結果の回転数及び舵角の情報を、夫々制御装置８へ出力するようになっている。
【００３７】
制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成されており、推力配分装置７から入力した各プロペラ推力及び各舵角と、各種センサから入力した現在の各プロペラの回転数及び各舵角とに基づいて、各プロペラのプロペラ推力及び各舵の舵角が、推力配分装置７から出力された各プロペラ推力及び各舵角に夫々追従するように、例えばＰＩＤ制御等を用いて、各プロペラのプロペラ推力及び各舵の舵角を制御する。駆動装置は、与えられた制御信号に従ってプロペラ用のエンジン又は舵用のモータ等のアクチュエータを駆動することが可能であるように構成されており、制御装置８から駆動装置に対して制御信号が出力され、各プロペラ及び各舵が夫々駆動される。
【００３８】
このような目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８は、前述したコンソール１０の内部に設けられている。なお、目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８は、各々別個に設けられていてもよく、この場合には推力配分装置７及び制御装置８の何れか一方又は両方がコンソール１０の外部に設けられていてもよい。また、目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８として夫々コンピュータを機能させることができるコンピュータプログラムを１つのコンピュータにインストールして、目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８を、コンソール１０に内蔵されている１つのコンピュータによって構成してもよい。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態に係る操縦装置６の処理の概要を示すブロック線図である。図３に示す如く、スイッチ５が位置制御オフ状態とされている場合には、オペレータがジョイスティック２２及びダイアル２３を操作したときの各々の操作量に応じた推力及び推力モーメントの指令値が、推力配分装置７に出力され、これによって船舶１の全体が前記推力及び推力モーメントの指令値に追従すべく各プロペラ及び舵の動作が制御される。
【００４０】
スイッチ５が位置制御オン状態とされており、しかもジョイスティック２２及びダイアル２３がオペレータによって操作されている場合には、ジョイスティック２２及びダイアル２３の各操作量に応じた推力及び推力モーメントの指令値が、船舶１の位置及び方位角の変化量予測部４５に与えられる。
【００４１】
目標推力演算装置４のＲＯＭ４２又はＲＡＭ４３には、船舶１の位置及び方位角の変化量を予測するための変化量演算プログラム４５ａ及び船舶１の目標推力及び目標推力モーメントを演算するための目標推力演算プログラム４６ａの２つのコンピュータプログラムが格納されている（図１参照）。変化量予測プログラム４５ａに従ってＣＰＵ４１が演算処理を行った場合には、目標推力演算装置４が船舶１の位置及び方位角の変化量を予測する変化量予測部４５として機能し、目標推力演算プログラム４６ａに従ってＣＰＵ４１が演算処理を行った場合には、船舶１の目標推力及び目標推力モーメントを演算する目標推力演算部４６として機能するようになっている。
【００４２】
次に、変化量予測部４５の処理について説明する。図４は、本実施の形態に係る変化量予測部４５において使用する船舶１の前後左右方向の推力の指令値ＪＸ，ＪＹ及び旋回方向の推力モーメントの指令値ＤＮ並びに船舶１の前後左右方向の速度ｕ，ｖ及び旋回方向の角速度ｒの定義を示す模式図であり、図５は、本実施の形態に係る変化量予測部４５において使用する船舶１の前後方向の位置の変化量（原点に対する前後方向相対位置）ＸＧr，左右方向の位置の変化量（原点に対する左右方向相対位置）ＹＧr及び旋回方向の方位角の変化量（ＸＧ方向に対する相対角度）Ψrを規定するＸＧ−ＹＧ座標系の定義を示す模式図である。図４に示す如く、船舶１の前後方向の推力の指令値ＪＸ，左右方向の推力の指令値ＪＹ及び旋回方向の推力モーメントの指令値ＤＮ並びに船舶１の前後方向の速度ｕ，左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒを定義する。なお、推力の指令値ＪＸ及び速度ｕは前方向を正とし、推力の指令値ＪＹ及び速度ｖは右方向を正とし、推力モーメントの指令値ＤＮ及び角速度ｒは時計回りを正として夫々定義する。そして、ジョイスティック２２及びダイアル２３から夫々与えられた推力の指令値ＪＸ，ＪＹ及び推力モーメントの指令値ＤＮから、（１）〜（３）式に従って、かかる指令値ＪＸ，ＪＹ，ＤＮによって夫々指令された推力及び推力モーメントが発生した場合の船舶１の速度ｕ，ｖ及び角速度ｒを演算する。
【００４３】
【数１０】
但し、ＸH：船舶１に作用する前後方向の流体力
ＹH：船舶１に作用する左右方向の流体力
ＮH：船舶１に作用する旋回方向の流体力モーメント
Ｍ1：船舶１の前後方向の見かけの質量
Ｍ2：船舶１の左右方向の見かけの質量
Ｉ：船舶１の旋回方向の見かけの慣性モーメント
【００４４】
ここで、前後方向の見かけの質量Ｍ1は、船体質量に船体前後付加質量を加えたものであり、左右方向の見かけの質量Ｍ2は、船体質量に船体左右付加質量を加えたものであり、見かけの慣性モーメントＩは、船体慣性モーメントに付加慣性モーメントを加えたものである。
【００４５】
（１）式の括弧内第１項（ｖｒＭ2）は、前後方向の速度ｕに対する左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒの干渉を示す要素であり、同様に（２）式の括弧内第１項（−ｕｒＭ1）は、左右方向の速度ｖに対する前後方向の速度ｕ及び旋回方向の角速度ｒの干渉を示す要素である。これにより、速度ｕ，ｖ及び角速度ｒが相互に与える干渉を加味したより正確な速度ｕ，ｖを求めることができる。
【００４６】
図５に示すようなＸＧ−ＹＧ座標系にて船舶１の位置（及び姿勢）制御が行われている場合、指令値ＪＸ，ＪＹ，ＤＮによって夫々指令された推力及び推力モーメントが発生した場合の船舶１の前後方向の位置の変化量ＸＧr，左右方向の位置の変化量ＹＧr及び方位角の変化量Ψrは、前述のようにして求めた速度ｕ，ｖ及び角速度ｒから、（４）〜（６）式に従って、夫々演算することができる。
【００４７】
【数１１】
【００４８】
なお、（１）〜（３）式にて用いた流体力ＸH，ＹH及び流体力モーメントＮHは、例えば（７）〜（９）式で与えることができる。
【００４９】
【数１２】
但し、ｋ1〜ｋ3：正の定数
【００５０】
しかしながら、（７）〜（９）式は流体力ＸH，ＹH及び流体力モーメントＮHの定義の一例であり、他の数式によって流体力ＸH，ＹH及び流体力モーメントＮHを定義してもよい。
【００５１】
次に、目標推力演算部４６の処理について説明する。以上のようにして得られた船舶１の位置及び方位角の変化量は目標推力演算部４６に与えられる。本実施の形態に係る操縦装置６においては、オペレータがキーパッド２１を操作することによって、目標推力演算装置４に予め目標位置及び目標方位角を設定することが可能となっている。キーパッド２１から入力される目標位置及び目標方位角は、例えば緯度及び経度並びに方位によって表される絶対位置及び絶対方位角であり、これらは目標推力演算装置４のＲＡＭ４３に格納される。目標推力演算部４６は、変化量予測部４５から船舶１の位置及び方位角の変化量が与えられたときには、かかる位置の変化量を前記目標位置に付加して新たな目標位置を算出し、またかかる方位角の変化量を前記目標方位角に付加して新たな目標方位角を算出して、これらをＲＡＭ４３に格納していた目標位置及び目標方位角に代えてＲＡＭ４３に格納する。
【００５２】
また、目標推力演算部４６は、検出装置３から船舶１の現在位置及び現在方位角を取り込み、これらと（新たな）目標位置及び目標方位角とに基づいて、例えばＰＩＤ制御によって船舶１が目標位置及び目標方位角へ近づくような目標推力及び目標推力モーメントを演算し、これらを出力する。
【００５３】
目標推力演算部４６から出力された目標推力及び目標推力モーメントには、入力装置２から入力された推力及び推力モーメントの指令値が重み付け部１３によって所定の重み付けがされたものが付加され、これによってフィードフォワード補償がされる。そして、かかるフィードフォワード補償がされた目標推力及び目標推力モーメントがスイッチ５へ出力されることとなる。
【００５４】
フィードバック制御のみの場合にはオペレータの操縦に対して船舶１の動作が緩慢となるが、このようにフィードフォワード補償を行うことにより、オペレータの操縦に対する船舶１の追従性を向上させることができる。
【００５５】
また、このようなフィードフォワード補償による船舶１の操縦に対する追従性の向上は、例えば船舶１がケーブルで曳航体等を曳航しながら作業する海洋調査船又はケーブル敷設船である場合に、船舶１のオペレータが所望する位置又は方位角からの行き過ぎの防止に寄与し、従ってケーブルが船舶１のプロペラに絡まるといったことを防止することができる。
【００５６】
なお、上記フィードフォワード補償は、目標推力演算装置４においてソフトウェアで実現することもできるし、操縦装置６の内部にゲイン調整回路を設けてこれにて推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２のゲインを増減（前記指令値の重み付け）し、これを目標推力演算装置４の出力信号に付加することによってハードウェアで実現することもできる。
【００５７】
また、本実施の形態においては、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行う構成としたが、これに限定されるものではなく、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行うことなく、目標推力演算部４６の演算結果の目標推力及び目標推力モーメントを直接スイッチ５へ出力する構成であってもよい。
【００５８】
更に、スイッチ５が位置制御オン状態とされており、しかもジョイスティック２２及びダイアル２３が操作されていない場合には、目標位置及び目標方位角の更新が行われず、予め設定された目標位置及び目標方位角に従って船舶１の位置制御が行われることとなる。
【００５９】
以上の如き構成により、スイッチ５によってオペレータが位置制御オフを選択した場合には、オペレータはジョイスティック２２及びダイアル２３に対する操作によって船舶１の推力及び推力モーメントの指令値を手動入力することができ、またオペレータが位置制御オンを選択した場合にも、オペレータは同様にジョイスティック２２及びダイアル２３を操作して船舶１の推力及び推力モーメントの指令値を手動入力することができる。従って、位置制御オン及び位置制御オフの両者においてオペレータに同様の操縦感覚を与えることができ、従来に比して操縦性を向上させることができる。
【００６０】
なお、本実施の形態においては、船舶１が複数のスラスタ（プロペラ及び舵）を備えており、目標推力演算装置４からの目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１又は入力装置２からの推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２が推力配分装置７に与えられ、当該推力配分装置７によって各スラスタの発生推力を配分する構成について述べたが、これに限定されるものではなく、例えば船舶が１つのスラスタのみ（即ち、例えば１対のプロペラ及び舵のみ）を備える場合にあっては、推力配分装置７を設けず、目標推力演算装置４からの目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１又は入力装置２からの推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２を直接制御装置８へ与え、与えられた目標推力及び目標推力モーメントを発生すべくスラスタの動作制御を行う構成としてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係る航走体の操縦方法及び操縦装置による場合は、切替手段によってオペレータが、手動入力受付手段が手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値の出力を選択した場合（即ち位置制御オフの場合）と、演算によって得られた目標推力及び目標推力モーメントの出力を選択した場合（即ち位置制御オンの場合）との何れにおいても、手動入力受付手段がオペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値を受け付けるので、両者においてオペレータに同様の操縦感覚を与え、従来に比して操縦性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る船舶（航走体）の構成の一部を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る操縦装置の一部の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る操縦装置の処理の概要を示すブロック線図である。
【図４】本実施の形態に係る変化量予測部において使用する船舶の前後左右方向の推力及び旋回方向の推力モーメント並びに船舶の前後左右方向の速度及び旋回方向の角速度の定義を示す模式図である。
【図５】本実施の形態に係る変化量予測部において使用する船舶の前後左右方向の位置の変化量及び旋回方向の方位角の変化量を規定する座標系の定義を示す模式図である。
【図６】従来の航走体の操縦装置の処理の概要を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１ 船舶
２ 入力装置（手動入力受付手段）
２１ キーパッド
２２ ジョイスティック
２３ ダイアル
３ 検出装置（検出手段）
３１ 位置センサ
３２ 方位角センサ
３３ 速度センサ
４ 目標推力演算装置（予測手段、目標推力演算手段）
４１ ＣＰＵ
４２ ＲＯＭ
４３ ＲＡＭ
４４ 入出力インタフェース
４５ 変化量予測部
４５ａ 変化量演算プログラム
４６ 目標推力演算部
４６ａ 目標推力演算プログラム
５ スイッチ（切替手段）
５１〜５３ 端子
６ 操縦装置
７ 推力配分装置
８ 制御装置
９ 表示パネル
１０ コンソール
１０ａ 操作面
１１，１２ 信号
１３ 重み付け部（フィードフォワード補償手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、目標位置及び目標方位角へ船舶及び飛行船等の航走体を到達させるべく、当該目標位置及び目標方位角並びに航走体の現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の位置制御を行う航走体の操縦方法及びその実施に使用する操縦装置に関し、特に当該位置制御中のオペレータによる手動操縦の介入を許容する航走体の操縦方法及びその実施に使用する操縦装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カーフェリー及び潜水艇等の船舶並びに飛行船等の航走体には、当該航走体を予め設定された目標位置及び目標方位角へ到達させるべく、当該目標位置及び目標方位角と、航走体の現在位置及び現在方位角とに基づいて、航走体の位置及び方位角の自動制御（以下、位置制御という）を行うように構成されているものがある。
【０００３】
この種の航走体の操縦装置の一つとして、前記位置制御を実行中にオペレータによる手動操縦の介入を許容するものが提案されている（特許文献１参照）。図６は、従来の航走体の操縦装置の処理の概要を示すブロック線図である。図６に示す如く、かかる従来の航走体の操縦装置は、オペレータによる切替入力が可能なスイッチ１０１と、航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する目標推力演算部１０２とを備えている。前記スイッチ１０１は、航走体の位置制御のオン／オフ切り替え用であり、位置制御オンの場合には、目標推力演算部１０２から出力された目標推力及び目標推力モーメントを、プロペラ用のエンジン又は舵用のモータ等のアクチュエータを駆動するためのアクチュエータ駆動装置側へ出力するようになっている。当該アクチュエータ駆動装置は、与えられた目標推力及び／又は目標推力モーメントを発生させるべく、プロペラ及び／又は舵を駆動するようになっている。また、複数のスラスタを備える航走体にあっては、与えられた目標推力及び目標推力モーメントを航走体全体で発生させるために各スラスタの発生推力を配分する推力配分装置がアクチュエータ駆動装置の前段に設けられている場合もある。かかる場合には、目標推力及び目標推力モーメントは推力配分装置へ与えられることになる。
【０００４】
また、航走体には、オペレータからの手動入力を受け付けるジョイスティック及びダイアルが設けられており、位置制御オフの場合には、このジョイスティックの傾倒方向及び傾倒角度に応じて前後方向及び左右方向の推力の指令値が決定され、ダイアルの回転角度に応じて旋回方向の推力モーメントの指令値が決定されて、かかる推力及び推力モーメントの指令値が、目標推力及び目標推力モーメントとして外部へ出力されるようになっている。これにより、位置制御オフの場合には、オペレータが入力した推力及び推力モーメントの指令値に追従するように航走体が動作し、オペレータによる航走体の手動操縦が行われることとなる。
【０００５】
位置制御オンの場合に、ジョイスティック又はダイアルに手動入力があると、ジョイスティックの傾倒方向及び傾倒角度に応じて前後方向及び左右方向の航走体の速度指令値が決定され、またダイアルの回転角度に応じて旋回方向の航走体の角速度指令値が決定されて、かかる速度及び角速度の指令値が積分器１０３に与えられる。積分器１０３は、与えられた速度及び角速度の指令値を積分して位置及び角度の指令値へ変換し、この位置及び角度の指令値を前記目標推力演算部１０２へ出力する。目標推力演算部１０２は、予め設定された目標位置及び目標方位角の夫々に前記位置及び角度の指令値を付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得し、かかる新たな目標位置及び目標方位角に航走体を近付けるような目標推力及び目標推力モーメントを演算する。そして、このようにして演算した目標推力及び目標推力モーメントが外部へ出力されることとなる。
【０００６】
【特許文献１】
特許第３３１０８３９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した如き従来の航走体の操縦装置にあっては、位置制御オフのときには、ジョイスティックの傾倒及びダイアルの回転によってオペレータが航走体の推力及び推力モーメントの指令値を手動入力し、位置制御オンのときには、同様の操作で航走体の速度及び角速度の指令値を手動入力するように構成されており、位置制御オンのときと位置制御オフのときとではオペレータの操縦感覚が異なるものとなっていた。
【０００８】
また、オペレータが所望する位置又は方位角に航走体が到達した場合には、オペレータがジョイスティック又はダイアルを中立位置に戻すこととなるが、このとき積分器１０３の出力値は一定値となり、またこのときには航走体が依然として移動しているため航走体が目標位置又は目標方位角を一旦行き過ぎてしまい、その後目標位置又は目標方位角へと再び近づくべく戻ることとなるので、例えばケーブルで曳航体を曳航しながら作業する海洋調査船又はケーブル敷設船等にあっては、再び目標位置又は目標方位角へ近づく際にケーブルがプロペラ等に絡まることがあった。
【０００９】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、位置制御オン及び位置制御オフの両方においてオペレータに同様の操縦感覚を与え、従来に比して操縦性を向上させることができる航走体の操縦方法及びその実施に使用する操縦装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る航走体の操縦方法は、オペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値の手動入力を受け付ける手動入力受付手段にて、前記指令値の手動入力を受け付ける第１ステップと、手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値から、当該推力及び推力モーメントが発生した場合の航走体の位置及び方位角の変化量を予測する第２ステップと、航走体の現在位置及び現在方位角を検出する第３ステップと、予め設定された航走体の目標位置及び目標方位角に予測した前記位置及び方位角の変化量を夫々付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得する第４ステップと、獲得した新たな目標位置及び目標方位角並びに検出した前記現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する第５ステップと、手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値並びに目標推力及び目標推力モーメントの何れか一方を出力すべく、オペレータによる切替入力が可能な切替手段に対するオペレータの切替入力に従って出力を切り替える第６ステップとを有する。
【００１１】
また、本発明に係る本発明に係る航走体の操縦装置は、オペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値の手動入力を受け付ける手動入力受付手段と、該手動入力受付手段が受け付けた推力及び推力モーメントの指令値から、当該推力及び推力モーメントが発生した場合の航走体の位置及び方位角の変化量を予測する予測手段と、航走体の現在位置及び現在方位角を検出する検出手段と、予め設定された航走体の目標位置及び目標方位角に前記予測手段から与えられた位置及び方位角の変化量を夫々付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得し、当該新たな目標位置及び目標方位角並びに前記検出手段から与えられた現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する目標推力演算手段と、オペレータによる切替入力が可能であるように構成されており、前記手動入力受付手段が手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値並びに前記目標推力演算手段が演算した目標推力及び目標推力モーメントの何れか一方を外部へ出力すべく、オペレータの切替入力に従って出力を切り替える切替手段とを備える。
【００１２】
これにより、切替手段によってオペレータが、手動入力受付手段が手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値の出力を選択した場合（即ち位置制御オフの場合）と、演算によって得られた目標推力及び目標推力モーメントの出力を選択した場合（即ち位置制御オンの場合）との何れにおいても、手動入力受付手段がオペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値を受け付けるので、両者においてオペレータに同様の操縦感覚を与え、従来に比して操縦性を向上させることができる。
【００１３】
上記発明においては、予め設定された航走体の運動モデルに基づいて、前記推力及び推力モーメントの指令値から前記航走体の位置及び方位角の変化量を予測することが好ましい。
【００１４】
この場合においては、前記航走体は船舶であり、前記航走体の運動モデルは、（１）〜（３）式で与えられることが更に好ましい。
【００１５】
【数７】
ＪＹ：航走体の左右方向の推力の指令値
ＤＮ：航走体の旋回方向の推力モーメントの指令値
ｕ：航走体の前後方向の速度
ｖ：航走体の左右方向の速度
ｒ：航走体の旋回方向の角速度
ＸH：航走体に作用する前後方向の流体力
ＹH：航走体に作用する左右方向の流体力
ＮH：航走体に作用する旋回方向の流体力モーメント
Ｍ1：航走体の前後方向の見かけの質量
Ｍ2：航走体の左右方向の見かけの質量
Ｉ：航走体の旋回方向の見かけの慣性モーメント
【００１６】
この場合においては、前記航走体の運動モデルから算出した前後方向の速度ｕ，左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒから、（４）〜（６）式に従って航走体の前後方向の位置の変化量ＸＧr，左右方向の位置の変化量ＹＧr及び方位角の変化量Ψrを演算することが更に好ましい。
【００１７】
【数８】
上記発明においては、航走体に作用する前後方向の流体力ＸH，左右方向の流体力ＹH及び旋回方向の流体力モーメントＮHが（７）〜（９）式で与えられることが更に好ましい。
【００１９】
【数９】
【００２０】
上記発明においては、手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値に所定の重み付けをし、重み付けをした推力及び推力モーメントの指令値を目標推力及び目標推力モーメントに付加して、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行うことが更に好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係る航走体の操縦装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る船舶（航走体）の構成の一部を示すブロック図である。図１に示す如く、本実施の形態に係る船舶１は、入力装置（手動入力受付手段）２，検出装置（検出手段）３，目標推力演算装置（予測手段，目標推力演算手段）４及びスイッチ（切替手段）５によって主として構成された操縦装置６と、推力配分装置７と、制御装置８とを備えている。
【００２３】
図２は、本発明の実施の形態に係る操縦装置６の一部の外観を示す斜視図である。図２に示す如く、操縦装置６の一部は、船員たるオペレータが船舶１を操縦したり、船舶１の運行状態を確認することができるように、コンソール１０として船舶１の内部に設けられている。コンソール１０は、その前面に入力装置２及び表示パネル９を有しており、オペレータがかかる表示パネル９に表示されている情報を確認しながら入力装置２を操作することによって、船舶１の手動操縦が可能となっている。
【００２４】
入力装置２は、コンソール１０の前側に夫々配設されたキーパッド２１，ジョイスティック２２，ダイアル２３を有しており、キーパッド２１，ジョイスティック２２及びダイアル２３が夫々入力を受け付けた各種データを目標推力演算装置４へ送信することが可能であるように当該目標推力演算装置４に接続されている（図１参照）。キーパッド２１は複数の操作キーから構成されており、後述するように、かかるキーパッド２１を操作することによって、オペレータが船舶１の位置、船首の方位角及び船速を設定するようになっている。
【００２５】
ジョイスティック２２は、コンソール１０の前側であって前記表示パネル９の下方にに設けられた操作面１０ａから突設されており、前後左右方向だけでなく、前後左右面内の如何なる方向へも傾倒させることが可能となっている。オペレータがジョイスティック２２を傾倒させたときには、その傾倒方向及び傾倒角度に応じた推力の指令値を示す信号が入力装置２から出力されるようになっている。
【００２６】
ダイアル２３は、図２に矢符にて示すように、前記操作面１０ａに設けられており、時計方向及び反時計方向の何れの方向へも回転させることが可能に構成されている。オペレータがかかるダイアル２３を回転させたときには、予め設定された中立点からの回転方向及び回転角度に応じた推力モーメントの指令値を示す信号が入力装置２から出力されるようになっている。
【００２７】
表示パネル９は、目標推力演算装置４にデータの受信が可能であるように接続されており（図１参照）、目標推力演算装置４から受信した目標位置、目標方位角、目標速度、現在位置、現在方位角、現在速度、位置制御のオン／オフ等の情報を表示するようになっている。
【００２８】
また図１に示す如く、検出装置３は、船舶１の現在位置を検出するＧＰＳ等の位置センサ３１と、船舶１の船首の方位角を検出するジャイロコンパス等の方位角センサ３２と、船舶１の船速（対地速度）を検出する速度センサ３３とを備えている。また、検出装置３は、目標推力演算装置４に接続されており、検出した船舶１の現在位置、方位角及び速度の各情報を目標推力演算装置４に出力するようになっている。
【００２９】
目標推力演算装置４は、ＣＰＵ４１，ＲＯＭ４２，ＲＡＭ４３及び入出力インタフェース４４から主として構成されている。ＲＯＭ４２には、コンピュータプログラム及びこのコンピュータプログラムで使用するデータ等が格納されている。ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４２に格納されたコンピュータプログラム又はＲＡＭ４３にロードされたコンピュータプログラムを実行することができる。また、ＲＡＭ４３は、ＣＰＵ４１がコンピュータプログラムを実行するときの作業領域として使用される。
【００３０】
また、入出力インタフェース４４は、検出装置３から船舶１の現在位置、方位角及び船速の各情報を受信し、入力装置２から目標位置及び目標方位角並びに推力及び推力モーメントの指令値の各情報を受信するように構成されている。更に、この入出力インタフェース４４は、ＣＰＵ４１が演算した目標推力及び目標推力モーメントの各情報をスイッチ５へ出力し、また船舶１の現在位置、方位角及び船速並びに目標位置、目標方位角及び目標速度の各情報を表示パネル９に表示すべく、かかる情報の表示用データを表示パネル９へ出力するようになっている。
【００３１】
このようなＣＰＵ４１，ＲＯＭ４２，ＲＡＭ４３及び入出力インタフェース４４は、バスによって接続されており、相互にデータの転送が可能である。
【００３２】
スイッチ５は、ｃ接点であり、図２に示す如く操作面１０ａに設けられている。図１に示すように、スイッチ５には、前記入出力インタフェース４４に繋がる端子５１と、前記入力装置２に繋がる端子５２と、推力配分装置７に繋がる端子５３とを有している。端子５１は、入出力インタフェース４４から与えられた目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１を出力するようになっている。また、入力装置２と入出力インタフェース４４とを繋ぐ信号線は、その途中において分岐しており、この分岐先が端子５２へと延びており、これによって端子５２は、入力装置２から与えられた推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２を出力するようになっている。このようなスイッチ５は、オペレータの操作によって、端子５１及び５３を接続する状態（以下、制御オン状態という）と、端子５２及び５３を接続する状態（以下、制御オフ状態という）との間で、接続を切り替えることができるようになっている。
【００３３】
従って、オペレータがスイッチ５を操作することによって制御オン状態が選択されたときには、端子５１及び５３が接続されて、推力配分装置７には目標推力演算装置４から目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１が出力されることとなり、制御オフ状態が選択されたときには、端子５２及び５３が接続されて、推力配分装置７には入力装置２から推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２が出力されることとなる。これにより、オペレータがスイッチ５を操作することによって、船舶１の位置制御のオン／オフを切り替えることができるようになっている。
【００３４】
なお、ここでは便宜的に、目標推力演算装置４から出力される信号１１が目標推力及び目標推力モーメントを示し、入力装置２から出力される信号１２が推力及び推力モーメントの指令値を示すものとしているが、両信号１１，１２は同じ形式の信号とされており、実質的には目標推力演算装置４の出力信号１１及び入力装置２からの出力信号１２の何れも船舶１の目標推力及び目標推力モーメントを示すものとして推力配分装置７に与えられる。
【００３５】
推力配分装置７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成されており、入力装置２又は目標推力演算装置４から入力した目標推力及び目標推力モーメントに基づいて、船舶１が備えるプロペラ及び舵等のプロペラ推力及び舵角を演算する。船舶１には、複数のプロペラ（バウスラスタを含む）及び舵が設けられており、前記目標推力及び目標推力モーメントを達成する夫々のプロペラ推力及び舵角を演算するようになっている。このような推力配分装置７は、制御装置８に接続されており、演算結果の各プロペラ推力及び各舵角を制御装置８に出力するようになっている。なお、本実施の形態においては、船舶１にプロペラ及び舵を複数設けられており、推力配分装置７が与えられた目標推力及び目標推力モーメントを達成するこれらのプロペラ推力及び舵角を演算する構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば、船舶１に複数の旋回式スラスタが設けられており、推力配分装置７が与えられた目標推力及び目標推力モーメントを達成する各旋回式スラスタのプロペラ推力及び旋回角度を演算する構成としてもよい。
【００３６】
制御装置８は、図示しない駆動装置に接続されている。また、船舶１には、各プロペラの回転数を夫々検出する回転数センサと、各舵の舵角を夫々検出する舵角センサとが設けられている。これらの回転数センサ及び舵角センサは、制御装置８に接続されており、検出結果の回転数及び舵角の情報を、夫々制御装置８へ出力するようになっている。
【００３７】
制御装置８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成されており、推力配分装置７から入力した各プロペラ推力及び各舵角と、各種センサから入力した現在の各プロペラの回転数及び各舵角とに基づいて、各プロペラのプロペラ推力及び各舵の舵角が、推力配分装置７から出力された各プロペラ推力及び各舵角に夫々追従するように、例えばＰＩＤ制御等を用いて、各プロペラのプロペラ推力及び各舵の舵角を制御する。駆動装置は、与えられた制御信号に従ってプロペラ用のエンジン又は舵用のモータ等のアクチュエータを駆動することが可能であるように構成されており、制御装置８から駆動装置に対して制御信号が出力され、各プロペラ及び各舵が夫々駆動される。
【００３８】
このような目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８は、前述したコンソール１０の内部に設けられている。なお、目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８は、各々別個に設けられていてもよく、この場合には推力配分装置７及び制御装置８の何れか一方又は両方がコンソール１０の外部に設けられていてもよい。また、目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８として夫々コンピュータを機能させることができるコンピュータプログラムを１つのコンピュータにインストールして、目標推力演算装置４，推力配分装置７及び制御装置８を、コンソール１０に内蔵されている１つのコンピュータによって構成してもよい。
【００３９】
図３は、本発明の実施の形態に係る操縦装置６の処理の概要を示すブロック線図である。図３に示す如く、スイッチ５が位置制御オフ状態とされている場合には、オペレータがジョイスティック２２及びダイアル２３を操作したときの各々の操作量に応じた推力及び推力モーメントの指令値が、推力配分装置７に出力され、これによって船舶１の全体が前記推力及び推力モーメントの指令値に追従すべく各プロペラ及び舵の動作が制御される。
【００４０】
スイッチ５が位置制御オン状態とされており、しかもジョイスティック２２及びダイアル２３がオペレータによって操作されている場合には、ジョイスティック２２及びダイアル２３の各操作量に応じた推力及び推力モーメントの指令値が、船舶１の位置及び方位角の変化量予測部４５に与えられる。
【００４１】
目標推力演算装置４のＲＯＭ４２又はＲＡＭ４３には、船舶１の位置及び方位角の変化量を予測するための変化量演算プログラム４５ａ及び船舶１の目標推力及び目標推力モーメントを演算するための目標推力演算プログラム４６ａの２つのコンピュータプログラムが格納されている（図１参照）。変化量予測プログラム４５ａに従ってＣＰＵ４１が演算処理を行った場合には、目標推力演算装置４が船舶１の位置及び方位角の変化量を予測する変化量予測部４５として機能し、目標推力演算プログラム４６ａに従ってＣＰＵ４１が演算処理を行った場合には、船舶１の目標推力及び目標推力モーメントを演算する目標推力演算部４６として機能するようになっている。
【００４２】
次に、変化量予測部４５の処理について説明する。図４は、本実施の形態に係る変化量予測部４５において使用する船舶１の前後左右方向の推力の指令値ＪＸ，ＪＹ及び旋回方向の推力モーメントの指令値ＤＮ並びに船舶１の前後左右方向の速度ｕ，ｖ及び旋回方向の角速度ｒの定義を示す模式図であり、図５は、本実施の形態に係る変化量予測部４５において使用する船舶１の前後方向の位置の変化量（原点に対する前後方向相対位置）ＸＧr，左右方向の位置の変化量（原点に対する左右方向相対位置）ＹＧr及び旋回方向の方位角の変化量（ＸＧ方向に対する相対角度）Ψrを規定するＸＧ−ＹＧ座標系の定義を示す模式図である。図４に示す如く、船舶１の前後方向の推力の指令値ＪＸ，左右方向の推力の指令値ＪＹ及び旋回方向の推力モーメントの指令値ＤＮ並びに船舶１の前後方向の速度ｕ，左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒを定義する。なお、推力の指令値ＪＸ及び速度ｕは前方向を正とし、推力の指令値ＪＹ及び速度ｖは右方向を正とし、推力モーメントの指令値ＤＮ及び角速度ｒは時計回りを正として夫々定義する。そして、ジョイスティック２２及びダイアル２３から夫々与えられた推力の指令値ＪＸ，ＪＹ及び推力モーメントの指令値ＤＮから、（１）〜（３）式に従って、かかる指令値ＪＸ，ＪＹ，ＤＮによって夫々指令された推力及び推力モーメントが発生した場合の船舶１の速度ｕ，ｖ及び角速度ｒを演算する。
【００４３】
【数１０】
ＹH：船舶１に作用する左右方向の流体力
ＮH：船舶１に作用する旋回方向の流体力モーメント
Ｍ1：船舶１の前後方向の見かけの質量
Ｍ2：船舶１の左右方向の見かけの質量
Ｉ：船舶１の旋回方向の見かけの慣性モーメント
【００４４】
ここで、前後方向の見かけの質量Ｍ1は、船体質量に船体前後付加質量を加えたものであり、左右方向の見かけの質量Ｍ2は、船体質量に船体左右付加質量を加えたものであり、見かけの慣性モーメントＩは、船体慣性モーメントに付加慣性モーメントを加えたものである。
【００４５】
（１）式の括弧内第１項（ｖｒＭ2）は、前後方向の速度ｕに対する左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒの干渉を示す要素であり、同様に（２）式の括弧内第１項（−ｕｒＭ1）は、左右方向の速度ｖに対する前後方向の速度ｕ及び旋回方向の角速度ｒの干渉を示す要素である。これにより、速度ｕ，ｖ及び角速度ｒが相互に与える干渉を加味したより正確な速度ｕ，ｖを求めることができる。
【００４６】
図５に示すようなＸＧ−ＹＧ座標系にて船舶１の位置（及び姿勢）制御が行われている場合、指令値ＪＸ，ＪＹ，ＤＮによって夫々指令された推力及び推力モーメントが発生した場合の船舶１の前後方向の位置の変化量ＸＧr，左右方向の位置の変化量ＹＧr及び方位角の変化量Ψrは、前述のようにして求めた速度ｕ，ｖ及び角速度ｒから、（４）〜（６）式に従って、夫々演算することができる。
【００４７】
【数１１】
なお、（１）〜（３）式にて用いた流体力ＸH，ＹH及び流体力モーメントＮHは、例えば（７）〜（９）式で与えることができる。
【００４９】
【数１２】
【００５０】
しかしながら、（７）〜（９）式は流体力ＸH，ＹH及び流体力モーメントＮHの定義の一例であり、他の数式によって流体力ＸH，ＹH及び流体力モーメントＮHを定義してもよい。
【００５１】
次に、目標推力演算部４６の処理について説明する。以上のようにして得られた船舶１の位置及び方位角の変化量は目標推力演算部４６に与えられる。本実施の形態に係る操縦装置６においては、オペレータがキーパッド２１を操作することによって、目標推力演算装置４に予め目標位置及び目標方位角を設定することが可能となっている。キーパッド２１から入力される目標位置及び目標方位角は、例えば緯度及び経度並びに方位によって表される絶対位置及び絶対方位角であり、これらは目標推力演算装置４のＲＡＭ４３に格納される。目標推力演算部４６は、変化量予測部４５から船舶１の位置及び方位角の変化量が与えられたときには、かかる位置の変化量を前記目標位置に付加して新たな目標位置を算出し、またかかる方位角の変化量を前記目標方位角に付加して新たな目標方位角を算出して、これらをＲＡＭ４３に格納していた目標位置及び目標方位角に代えてＲＡＭ４３に格納する。
【００５２】
また、目標推力演算部４６は、検出装置３から船舶１の現在位置及び現在方位角を取り込み、これらと（新たな）目標位置及び目標方位角とに基づいて、例えばＰＩＤ制御によって船舶１が目標位置及び目標方位角へ近づくような目標推力及び目標推力モーメントを演算し、これらを出力する。
【００５３】
目標推力演算部４６から出力された目標推力及び目標推力モーメントには、入力装置２から入力された推力及び推力モーメントの指令値が重み付け部１３によって所定の重み付けがされたものが付加され、これによってフィードフォワード補償がされる。そして、かかるフィードフォワード補償がされた目標推力及び目標推力モーメントがスイッチ５へ出力されることとなる。
【００５４】
フィードバック制御のみの場合にはオペレータの操縦に対して船舶１の動作が緩慢となるが、このようにフィードフォワード補償を行うことにより、オペレータの操縦に対する船舶１の追従性を向上させることができる。
【００５５】
また、このようなフィードフォワード補償による船舶１の操縦に対する追従性の向上は、例えば船舶１がケーブルで曳航体等を曳航しながら作業する海洋調査船又はケーブル敷設船である場合に、船舶１のオペレータが所望する位置又は方位角からの行き過ぎの防止に寄与し、従ってケーブルが船舶１のプロペラに絡まるといったことを防止することができる。
【００５６】
なお、上記フィードフォワード補償は、目標推力演算装置４においてソフトウェアで実現することもできるし、操縦装置６の内部にゲイン調整回路を設けてこれにて推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２のゲインを増減（前記指令値の重み付け）し、これを目標推力演算装置４の出力信号に付加することによってハードウェアで実現することもできる。
【００５７】
また、本実施の形態においては、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行う構成としたが、これに限定されるものではなく、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行うことなく、目標推力演算部４６の演算結果の目標推力及び目標推力モーメントを直接スイッチ５へ出力する構成であってもよい。
【００５８】
更に、スイッチ５が位置制御オン状態とされており、しかもジョイスティック２２及びダイアル２３が操作されていない場合には、目標位置及び目標方位角の更新が行われず、予め設定された目標位置及び目標方位角に従って船舶１の位置制御が行われることとなる。
【００５９】
以上の如き構成により、スイッチ５によってオペレータが位置制御オフを選択した場合には、オペレータはジョイスティック２２及びダイアル２３に対する操作によって船舶１の推力及び推力モーメントの指令値を手動入力することができ、またオペレータが位置制御オンを選択した場合にも、オペレータは同様にジョイスティック２２及びダイアル２３を操作して船舶１の推力及び推力モーメントの指令値を手動入力することができる。従って、位置制御オン及び位置制御オフの両者においてオペレータに同様の操縦感覚を与えることができ、従来に比して操縦性を向上させることができる。
【００６０】
なお、本実施の形態においては、船舶１が複数のスラスタ（プロペラ及び舵）を備えており、目標推力演算装置４からの目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１又は入力装置２からの推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２が推力配分装置７に与えられ、当該推力配分装置７によって各スラスタの発生推力を配分する構成について述べたが、これに限定されるものではなく、例えば船舶が１つのスラスタのみ（即ち、例えば１対のプロペラ及び舵のみ）を備える場合にあっては、推力配分装置７を設けず、目標推力演算装置４からの目標推力及び目標推力モーメントを示す信号１１又は入力装置２からの推力及び推力モーメントの指令値を示す信号１２を直接制御装置８へ与え、与えられた目標推力及び目標推力モーメントを発生すべくスラスタの動作制御を行う構成としてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係る航走体の操縦方法及び操縦装置による場合は、切替手段によってオペレータが、手動入力受付手段が手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値の出力を選択した場合（即ち位置制御オフの場合）と、演算によって得られた目標推力及び目標推力モーメントの出力を選択した場合（即ち位置制御オンの場合）との何れにおいても、手動入力受付手段がオペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値を受け付けるので、両者においてオペレータに同様の操縦感覚を与え、従来に比して操縦性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る船舶（航走体）の構成の一部を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る操縦装置の一部の外観を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る操縦装置の処理の概要を示すブロック線図である。
【図４】本実施の形態に係る変化量予測部において使用する船舶の前後左右方向の推力及び旋回方向の推力モーメント並びに船舶の前後左右方向の速度及び旋回方向の角速度の定義を示す模式図である。
【図５】本実施の形態に係る変化量予測部において使用する船舶の前後左右方向の位置の変化量及び旋回方向の方位角の変化量を規定する座標系の定義を示す模式図である。
【図６】従来の航走体の操縦装置の処理の概要を示すブロック線図である。
【符号の説明】
１ 船舶
２ 入力装置（手動入力受付手段）
２１ キーパッド
２２ ジョイスティック
２３ ダイアル
３ 検出装置（検出手段）
３１ 位置センサ
３２ 方位角センサ
３３ 速度センサ
４ 目標推力演算装置（予測手段、目標推力演算手段）
４１ ＣＰＵ
４２ ＲＯＭ
４３ ＲＡＭ
４４ 入出力インタフェース
４５ 変化量予測部
４５ａ 変化量演算プログラム
４６ 目標推力演算部
４６ａ 目標推力演算プログラム
５ スイッチ（切替手段）
５１〜５３ 端子
６ 操縦装置
７ 推力配分装置
８ 制御装置
９ 表示パネル
１０ コンソール
１０ａ 操作面
１１，１２ 信号
１３ 重み付け部（フィードフォワード補償手段）
Claims (12)
- オペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値の手動入力を受け付ける手動入力受付手段にて、前記指令値の手動入力を受け付ける第１ステップと、
手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値から、当該推力及び推力モーメントが発生した場合の航走体の位置及び方位角の変化量を予測する第２ステップと、
航走体の現在位置及び現在方位角を検出する第３ステップと、
予め設定された航走体の目標位置及び目標方位角に予測した前記位置及び方位角の変化量を夫々付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得する第４ステップと、
獲得した新たな目標位置及び目標方位角並びに検出した前記現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する第５ステップと、
手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値並びに目標推力及び目標推力モーメントの何れか一方を出力すべく、オペレータによる切替入力が可能な切替手段に対するオペレータの切替入力に従って出力を切り替える第６ステップとを有する航走体の操縦方法。 - 前記第２ステップは、予め設定された航走体の運動モデルに基づいて、前記推力及び推力モーメントの指令値から前記航走体の位置及び方位角の変化量を予測する請求項１に記載の航走体の操縦方法。
- 前記航走体は船舶であり、前記航走体の運動モデルは、（１）〜（３）式で与えられる請求項２に記載の航走体の操縦方法。
ＪＹ：航走体の左右方向の推力の指令値
ＤＮ：航走体の旋回方向の推力モーメントの指令値
ｕ：航走体の前後方向の速度
ｖ：航走体の左右方向の速度
ｒ：航走体の旋回方向の角速度
ＸH：航走体に作用する前後方向の流体力
ＹH：航走体に作用する左右方向の流体力
ＮH：航走体に作用する旋回方向の流体力モーメント
Ｍ1：航走体の前後方向の見かけの質量
Ｍ2：航走体の左右方向の見かけの質量
Ｉ：航走体の旋回方向の見かけの慣性モーメント - 前記第２ステップは、前記航走体の運動モデルから算出した前後方向の速度ｕ，左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒから、（４）〜（６）式に従って航走体の前後方向の位置の変化量ＸＧｒ，左右方向の位置の変化量ＹＧｒ及び方位角の変化量Ψｒを演算する請求項３に記載の航走体の操縦方法。
- 航走体に作用する前後方向の流体力ＸH，左右方向の流体力ＹH及び旋回方向の流体力モーメントＮHは、（７）〜（９）式で与えられる請求項３又は４に記載の航走体の操縦方法。
- 手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値に所定の重み付けをする第７ステップと、
重み付けをした推力及び推力モーメントの指令値を第５ステップにて演算した目標推力及び目標推力モーメントに付加して、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行う第８ステップとを更に有する請求項１乃至５の何れかに記載の航走体の操縦方法。 - オペレータから航走体の推力及び推力モーメントの指令値の手動入力を受け付ける手動入力受付手段と、
該手動入力受付手段が受け付けた推力及び推力モーメントの指令値から、当該推力及び推力モーメントが発生した場合の航走体の位置及び方位角の変化量を予測する予測手段と、
航走体の現在位置及び現在方位角を検出する検出手段と、
予め設定された航走体の目標位置及び目標方位角に前記予測手段から与えられた位置及び方位角の変化量を夫々付加して新たな目標位置及び目標方位角を獲得し、当該新たな目標位置及び目標方位角並びに前記検出手段から与えられた現在位置及び現在方位角に基づいて航走体の目標推力及び目標推力モーメントを演算する目標推力演算手段と、
オペレータによる切替入力が可能であるように構成されており、前記手動入力受付手段が手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値並びに前記目標推力演算手段が演算した目標推力及び目標推力モーメントの何れか一方を外部へ出力すべく、オペレータの切替入力に従って出力を切り替える切替手段とを備える航走体の操縦装置。 - 前記予測手段は、予め設定された航走体の運動モデルに基づいて、前記推力及び推力モーメントの指令値から前記航走体の位置及び方位角の変化量を予測すべくなしてある請求項７に記載の航走体の操縦装置。
- 前記航走体は船舶であり、前記航走体の運動モデルは、（１）〜（３）式で与えられる請求項８に記載の航走体の操縦装置。
ＪＹ：航走体の左右方向の推力の指令値
ＤＮ：航走体の旋回方向の推力モーメントの指令値
ｕ：航走体の前後方向の速度
ｖ：航走体の左右方向の速度
ｒ：航走体の旋回方向の角速度
ＸH：航走体に作用する前後方向の流体力
ＹH：航走体に作用する左右方向の流体力
ＮH：航走体に作用する旋回方向の流体力モーメント
Ｍ1：航走体の前後方向の見かけの質量
Ｍ2：航走体の左右方向の見かけの質量
Ｉ：航走体の旋回方向の見かけの慣性モーメント - 前記予測手段は、前記航走体の運動モデルから算出した前後方向の速度ｕ，左右方向の速度ｖ及び旋回方向の角速度ｒから、（４）〜（６）式に従って航走体の前後方向の位置の変化量ＸＧｒ，左右方向の位置の変化量ＹＧｒ及び方位角の変化量Ψｒを演算すべくなしてある請求項９に記載の航走体の操縦装置。
- 航走体に作用する前後方向の流体力ＸH，左右方向の流体力ＹH及び旋回方向の流体力モーメントＮHは、（７）〜（９）式で与えられる請求項９又は１０に記載の航走体の操縦装置。
- 手動入力を受け付けた推力及び推力モーメントの指令値に所定の重み付けをし、当該重み付けをした推力及び推力モーメントの指令値を前記目標推力演算手段にて演算した目標推力及び目標推力モーメントに付加して、目標推力及び目標推力モーメントのフィードフォワード補償を行うフィードフォワード補償手段を更に備える請求項７乃至１１の何れかに記載の航走体の操縦装置。
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