JP4736158B2

JP4736158B2 - 船舶の航路保持制御装置

Info

Publication number: JP4736158B2
Application number: JP2000106981A
Authority: JP
Inventors: 雲聰林; 敏朗佐伯; 浩之円丁
Original assignee: Universal Shipbuilding Corp
Current assignee: Universal Shipbuilding Corp
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2020-04-07
Also published as: JP2001287697A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、作業上の要請から操船において所定の船速で所定の航路を保持する必要があるケーブル敷設船、海洋調査船、オイルリグ等の船舶・海洋構造物（以下、船舶と呼ぶ）に用いられる、自動的に航路・船速保持を行う航路保持制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の航路保持制御装置及び方法においては、海図上において時系列的・離散的に経由点WPk(k=1,2,…)を設定し、これら経由点に基づく船舶位置偏差と方位偏差を算出し、これら算出された偏差を無くすように船舶の推力を調整することにより航路保持制御を行っていた。
【０００３】
図１２は従来の制御手法を示したものである。船舶Ｑが、最後に通過した経由点（前回経由点）WPnと今度通過する経由点（今回経由点）WPn+1間に存在する場合は、今回経由点WPn+1を制御上の目標点とする。すなわち、前回経由点WPnと今回経由点WPn+1とを結ぶ直線に対して船舶現在位置(Xs,Ys)から垂直線を下ろし、双方の交点を最近点(Xm,Ym)とし、船舶位置偏差ΔX、ΔYは、最近点(Xm,Ym)から目標点たる今回経由点WPn+1までの距離をΔXと、最近点(Xm,Ym)から船舶現在位置(Xs,Ys)までの距離をΔYとすることで与えられる。また、船長方向と、船舶現在位置(Xs,Ys)と今回経由点WPn+1とを結ぶ直線とがなす角度が方位偏差Δpとして与えられる。これらの偏差ΔX、ΔY、Δpを無くすように推進器推力の制御を行うことにより、船舶の航路保持がなされていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の方法では、目標点たる経由点は船舶がこれを通過した際に次の経由点に移行する。したがって、変向点である経由点を通過した場合には、この移行の際に上記偏差は不連続に変化することとなる。推進器駆動部に与えられる推力指令値は偏差の値に依存するから、このような偏差の不連続は、実際の推力のばたつきをもたらすこととなる。
【０００５】
また、上述の経由点偏差に基づく従来の制御手法では、図１３に示すような実際の航路Ｊの行き過ぎ現象Oが生じてしまう。つまり、経由点WPn+1が転向点である場合に、制御の結果として目標点たる経由点にWPn+1に船舶Ｑが到達しても、次なる目標点たる経由点WPn+2の位置と経由点WPn+1への船舶Ｑの進入角度との関係次第では、線分WPn+1WPn+2から現実の船舶航路は大きく逸脱することがある。また、通常、行き過ぎ現象Oを積極的に減らすような制御は行わない。
【０００６】
さらに、上述の経由点偏差に基づく従来の制御手法では、位置偏差ΔX、ΔY、方位偏差Δｐを計算して操船する場合は、３自由度の制御であるため、一軸のプロペラ及び舵からなる推進器１個のみでは、発生した船幅方向推力と発生モーメントが依存するので航路保持に必要な推力を出すことが原理的に不可能である。従って、従来の制御手法は２つ以上の独立した推進器を有し、船長方向推力と船幅方向推力及びモーメントを自由に提供できる（すなわち３自由度を有する）船舶においてのみ適用されていた。
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するための手段を提供するものである。すなわち、推力のばたつきがなく、航路保持制御の行き過ぎ現象が軽減された、一軸の推進器を１個のみ有する船舶にも適用可能な、船舶の航路保持制御装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による船舶の航路保持制御装置は、船舶が保持すべき計画航路Aを決定する計画航路決定手段と、船舶が計画航路Aを保持するように船舶を制御する制御手段とを備えており、
計画航路決定手段は、前回経由点WPnおよび今回経由点WPn+1を設定し、計画航路を、前回経由点WPnおよび今回経由点WPn+1を経由して連続的にのびた連続航路とし、
制御手段は、計画航路A上において、船舶現在位置(Xs、Ys)から計画航路A上までの最も近い最近点(Xm、Ym)を設定するとともに、最近点(Xm、Ym)から今回経由点WPn+1の方向に航路保持制御距離dを隔てて目標点(Xt、Yt)を設定し、船舶現在位置(Xs、Ys)から最近点(Xm、Ym)までの距離を航路偏差ΔＹとするとともに、船舶軸Xと、船舶現在位置(Xs、Ys)と目標点(Xt、Yt)を結ぶ直線Mとがなす角度を方位偏差Δｐとし、航路偏差ΔＹおよび方位偏差Δｐが零となるように船舶を航行させるものである。
本発明による他の船舶の航路保持制御装置は、船舶が保持すべき計画航路Aを決定する計画航路決定手段と、船舶が計画航路Aを保持するように船舶を制御する制御手段とを備えており、
計画航路決定手段は、複数の経由点WPを時系列的に設定するとともに、船舶の最小旋回半径等の運動特性を考慮して航路回転半径rを設定し、計画航路を、複数の経由点WPを順次経由するかその近傍を迂回して連続的にのびかつ航路回転半径rに等しい半径をもつ円弧状航路およびこれの接線としてのびた直線状航路のみにより構成し、
船舶の航路保持制御装置制御手段は、計画航路A上において、船舶現在位置(Xs、Ys)から計画航路A上までの最も近い最近点(Xm、Ym)を設定するとともに、最近点(Xm、Ym)から今回経由点WPn+1の方向に航路保持制御距離dを隔てて目標点(Xt、Yt)を設定し、船舶現在位置(Xs、Ys)から最近点(Xm、Ym)までの距離を航路偏差ΔＹとするとともに、船舶軸Xと、船舶現在位置。(Xs、Ys)と目標点(Xt、Yt)を結ぶ直線Mとがなす角度を方位偏差Δｐとし、航路偏差ΔＹおよび方位偏差Δｐが零となるように船舶を航行させるものである。
さらに、経由点が、前回経由点WP1、今回経由点WP2および次回経点WP3よりなり、
今回経由点WF2を迂回する円弧Rによって円弧状航路が形成され、前回経由点WP1から円弧状航路の始端までのびた第１直線L12および円弧状航路の終端から次回経由点WP3までのびた第２直線L23によって直線状航路が形成されていることが好ましい。
また、経由点が、前回経由点WP1、今回経由点WP2、次回経由点WP3および次々回経由点WP4よりなり、
今回経由点WP2を迂回する第１円弧R1およびこれの終端に連なって次回経由点WP3を迂回する第２円弧R2によって円弧状航路が形成され、前回経由点WP1から円弧状航路の始端までのびた第１直線L12および円弧状航路の終端から次々回経由点WP4までのびた第２直線L34によって直線状航路が形成されていても良い。
また、経由点が、前回経由点WP1、今回経由点WP2、次回経由点WP3および次々回経由点WP4よりなり、
また、今回経由点WP2および次回経由点WP3の一方を迂回するとともに、その他方を経由する円弧R23によって円弧状航路が形成され、前回経由点WP1から円弧状航路の始端までのびた第１直線L12および円弧状航路の終端から次々回経由点WP4までのびた第２直線L34によって直線状航路が形成されていても良い。
さらに、航路保持制御距離dは、計画航路の形状、航路偏差ΔＹおよび風波等の船舶制御上考慮した外乱の少なくともいずれかに依存して変化することが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１〜図１１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航路保持制御装置の構成を示すものである。
【００１０】
経由点設定部１では、操船者による入力により、海図上に、航路を最初から最後まで計画するのに必要とする経由点WPkが設定される。添え字kは通過順序に対応している。経由点WPkは、原則として船舶の旋回能力を考慮して十分な間隔で設定されるものとし、特に短い間隔で連続的に設定されることは禁止される。通常の操船では、この制限が本発明の実施上の障害となることはない。なお、本実施の形態では、始点と終点を除いた経由点WPkは、全て転向点とする。以下の説明から、仮に転向点でない経由点が存在しても、転向点たる経由点のみを取り扱えば本発明の実施に影響はないことは明らかである。
【００１１】
航路計画部２では、経由点設定部１から得られた経由点WPkの一部に関する位置情報を用いて当座の航海に必要な長さの計画航路を作成する。また、現在の計画航路における最後の経由点に船舶が到達する前に新たな経由点位置情報を得て、計画航路を新たに作成し、更新する。
【００１２】
偏差演算部３は、船位測定部８、船首方位測定部９及び船速測定部１０から得られた船舶の現在位置、船首方位及び船速と、外乱測定部１１からの情報、例えば潮流計や風速計からの情報と、航路計画部２から得られた計画航路と、船速度設定手段１２において設定された指定航路船速とに基づいて、航路偏差ΔY、方位偏差Δp、及び速度偏差ΔＶを算出する（図２に詳細に示す）。
【００１３】
制御力演算部４は、航路偏差ΔY、方位偏差Δp及び速度偏差ΔＶを無くすような制御ロジックに基づいて、船長方向、船幅方向の制御力及び制御モーメントを算出する。これらの制御力及び制御モーメントの算出値は船舶の重心における値である。
【００１４】
推進器配分部５は、船舶の有する推進器の数、これらの設置位置や定格推力等の情報を基に、制御力演算部４で算出された制御力及び制御モーメントの値を満たすような各推進器が出力すべき推力を算出する。推進器駆動部６は、推進器配分部５から出力された推力の算出値を受けて、船体７に設置された各推進器に航路保持に必要な推力を発生させるために動作する。
【００１５】
以下、本発明の実施例の主要構成部につき、具体的に説明する。経由点設定部１は、船位測定部８から得られた船舶の現在位置が所定の更新領域に達したときに、図３に示すような、船舶の通過順序が前回、今回、次回、次々回である４つの経由点からなる指定経由点群（説明上、WP1〜WP4とする）に関する位置情報を航路計画部２に渡す。
【００１６】
航路計画部２では、経由点設定部１からの指定経由点群WP1〜WP4の位置情報に基づいて計画航路の更新を行う。計画航路は２つの計画航路セグメント（以下、セグメントと略す）から構成されており、計画航路の更新は、新たにセグメントを作成し、航路保持制御に不要となったセグメントを削除し、この新たに作成したセグメントを残ったセグメントに接続することにより行われる。
【００１７】
航路計画部２におけるセグメントの作成について説明する。図３に示すように、まず経由点間を直線で結び、その後、これらの直線が変針点における接線となるような円弧（円形航路）を設けることによりセグメントは作成される。なお、全ての円弧の半径は、最小旋回半径等の船の運動特性を考慮して設定された一定の半径ｒ（以後、航路回転半径と呼ぶ）を有する。セグメントは、指定経由点群の位置関係に対応して、以下に示すタイプ１、タイプ２及びタイプ３に区別される。
【００１８】
図４に、タイプ１のセグメントの一例を示す。タイプ１は、前回経由点WP1と今回経由点WP2を結ぶ直線Ｌ１２と、今回経由点WP2と次回経由点WP3を結ぶ直線Ｌ２３とを、航路回転半径ｒを有する円弧で連続に接続できる場合に適用される。すなわち、今回経由点WP2および次回経由点WP3間の距離が、今回経由点WP2に関する変針点・経由点間距離ｓ２と、次回経由点WP3に関する変針点・経由点間距離ｓ３との和ｓ２＋ｓ３以上である場合に適用される。次回経由点WP3に関する変針点・経由点間距離ｓ３を考慮するのは、次回のセグメント作成が適切に行われることを保証するためである。今回経由点WP2から変針点Ｃ１（又はＣ２）までの距離である変針点・経由点間距離ｓ２は、直線Ｌ１２と直線Ｌ２３との角度である旋回角度γ２と航路回転半径ｒから、式
ｓ２＝ｒ・ｔａｎ（γ２／２）
で決定される。このように変針点・経由点間距離ｓ２を決定することにより、変針点Ｃ１、Ｃ２において円弧Ｒ１に直線Ｌ１２、Ｌ２３が接することとなる。なお、次回経由点WP3と変針点Ｃ３（又はＣ４）までの距離である変針点・経由点間距離ｓ３は、直線Ｌ２３と直線Ｌ２４との角度である旋回角度γ３と航路回転半径ｒから同様に決定される。
【００１９】
以上により、前回経由点WP1から変針点Ｃ１まで延びた直線L12と、変針点Ｃ１から変針点Ｃ２まで、旋回半径ｒで今回経由点WP2を迂回する円弧Ｒ１と、変針点Ｃ２と次回経由点WP3まで延びた直線L23とからなるタイプ１のセグメントが形成される。なお、後述する計画航路の更新方法との関係から、タイプ１のセグメントは、前回経由点WP1から次回経由点WP3までの航路を与えれば十分である。
【００２０】
図５に、タイプ２のセグメントの一例を示す。タイプ２のセグメントは、前回経由点WP1を始点、今回経由点WP2を終点としたベクトルWP1WP2と、次回経由点WP3を始点、次々回経由点WP4を終点としたベクトルWP3WP4とが平行であり、かつ、今回経由点WP2および次回経由点WP3間の距離が、タイプ１において既述した和ｓ２＋ｓ３未満であるために、直線L12および直線L23を接続する円弧R1 'と、直線L23および直線L24を接続する円弧R2 'とを連続させることができず、タイプ１を適用できない場合に適用される。図５において、参考のため、図４のR1、R2、r、s2、s3に相当するR1'、R2'、r'、s2'、s3'が示されている。
【００２１】
タイプ２のセグメントは、直線Ｌ１２上の変針点Ｃ１と直線Ｌ３４上の変針点Ｃ２を２つの円弧Ｒ１、Ｒ２で結ぶことにより作成される。変針点Ｃ１は、今回経由点WP2から距離ｓだけ離れた直線Ｌ１２上に与えられる。この距離ｓの値は、セグメント作成の際に、ゼロ以上変針点・経由点WP1、WP2間距離未満の適当な値が設定される。円弧Ｒ１は、その半径が航路回転半径ｒであり、変針点Ｃ１において直線Ｌ１２が接するものとして与える。また、円弧Ｒ１は、直線Ｌ３４に向かって角度ηまで旋回する航路を与えるものとし、その終点を変針点Ｃ３とする。旋回角度ηは、直線Ｌ１２とＬ３４間の距離Ｄと航路回転半径ｒから、式
η＝ｃｏｓ^−１（１−Ｄ／２ｒ）
で決定される。円弧Ｒ２は、その半径が航路回転半径ｒであり、変針点Ｃ３から円弧Ｒ１とは逆方向に同じく角度ηで旋回するものとして与える。このように円弧Ｒ１、Ｒ２を与えれば、必然的に、変針点Ｃ３で航路は連続となり、円弧Ｒ２の終点たる変針点Ｃ２は直線Ｌ３４上に置かれることとなり、かつ、変針点Ｃ２で航路は連続となる。
【００２２】
以上により、前回経由点WP1から変針点Ｃ１まで延びた直線L12と、変針点Ｃ１から変針点Ｃ３までを繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ１と、変針点Ｃ３から変針点Ｃ２までを繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ２と、変針点Ｃ２から次々回経由点WP4まで延びた直線L34とからなるタイプ２のセグメントが形成される。
【００２３】
図６に、タイプ３のセグメントの一例を示す。タイプ３のセグメントは、ベクトルWP1WP2と、ベクトルWP3WP4とが平行でなく（従ってこれら直線が反平行の場合はタイプ２ではなく、タイプ３が適用される）、かつ、今回経由点WP2および次回経由点WP3間の距離が既述した和s2＋s3未満であるためにタイプ１を適用できない場合において適用される。
【００２４】
タイプ３のセグメントは、直線Ｌ１２上の変針点Ｃ１と直線Ｌ３４上の変針点Ｃ２を２つの円弧Ｒ１、Ｒ２で結ぶことにより作成される。変針点Ｃ１は、経由点WP2と同じ位置に与えられる。円弧Ｒ１は、その半径が航路回転半径ｒであり、変針点Ｃ１における接線が直線Ｌ１２となるものとして与える。また、円弧Ｒ１は、直線Ｌ３４に向かって角度μ１＋μ２まで旋回する航路を与えるものとし、その終点を変針点Ｃ４とする。旋回角度μ１は、当該角度まで旋回したときの円弧Ｒ１上の点Ｃ３において、円弧Ｒ１の接線Ｌが直線Ｌ３４に対して平行となる条件により決定される。点Ｃ３からは、直線Ｌと直線Ｌ３４に対して、既述したタイプ２のセグメントを適用することによりタイプ３のセグメントが決定される。ここで、点Ｃ３から変針点Ｃ４までの旋回角度μ２は、直線Ｌと直線Ｌ３４間の距離Ｄ、航路回転半径ｒから、式
μ２＝ｃｏｓ^−１（１−Ｄ／２ｒ）
で与えられる。円弧Ｒ２は、その半径が航路回転半径ｒであり、変針点Ｃ４からは円弧Ｒ１と逆方向に角度μ２で旋回するものとして与える。このように円弧Ｒ１、Ｒ２を与えれば、必然的に、変針点Ｃ１、Ｃ４で航路は連続となり、円弧Ｒ２の終点たる変針点Ｃ２は直線Ｌ３４上に置かれることとなり、かつ、変針点Ｃ２で航路は連続となる。
【００２５】
以上により、前回経由点WP1から変針点Ｃ１まで延びた直線L12と、変針点Ｃ１から変針点Ｃ４までを繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ１と、変針点Ｃ４から変針点Ｃ２までを繋ぐ半径ｒの円弧Ｒ２と、変針点Ｃ２から次々回経由点WP4まで延びた直線L34とからなるタイプ３のセグメントが形成される。
【００２６】
航路計画部２において、与えられた指定経由点群についてのセグメントの決定は、図７に示すアルゴリズムに基づいて行われる。航路計画部２に、指定経由点群WP1〜WP4が与えられると（Ｓ４１）、まず、当該指定経由点群WP1〜WP3に対してタイプ１のセグメントを適用できるか否かの判定が行われる（Ｓ４２）。すなわち、この判定では、経由点WP2とWP3との間の距離が、変針点・経由点間距離の和s2＋s3以上か否かが判定される。経由点WP2とWP3との間の距離がs2＋s3以上と判定された場合には、上述した手順により指定経由点群WP1〜WP3に対してタイプ１のセグメントが形成される（Ｓ４３）。経由点WP2とWP3との間の距離がs2＋s3未満と判定された場合には、指定経由点群WP1〜WP4にタイプ２及びタイプ３のセグメントのいずれが適用可能かが判定される（Ｓ４４）。この判定では、ベクトルWP1WP2及びベクトルWP3WP4が平行であるか否かが調べられる。平行の場合には、指定経由点群WP1〜WP4に対してタイプ２のセグメントが形成され（Ｓ４５）、平行でない場合には、タイプ３のセグメントが形成される（Ｓ４６）。
【００２７】
図８に、航路計画部２における計画航路更新処理フローを示す。船舶が現在航路保持制御の対象としている計画航路は、指定経由点群WP1〜WP4の位置情報について作成されたセグメントを、当該位置情報より一つ前に得られた指定経由点群情報について作成されたセグメントに接続したものである。
【００２８】
まず、船位測定手段８から得られた船舶現在位置が今回経由点WP2を中心とする所定の半径の円である更新領域に達したか否かを判定する（Ｓ８１）。到達しない場合は以後の処理を行わない。到達した場合は、現在制御に用いているセグメントがタイプ１か否かを判断する（Ｓ８２）。タイプ１である場合には、指定経由点群を１点（未来へ）ずらす形で更新する（Ｓ８３）。そして、新たな指定経由点群につきセグメントを作成し、不必要となった（古い方の）セグメントを削除し、この新たに作成されたセグメントを残ったセグメントに接続することにより計画航路が更新される（Ｓ８４）。なお、このセグメント同士は、残ったセグメントの最後の変針点以降が新たなセグメントとなるように接続されることにより計画航路を形成する。
【００２９】
Ｓ８２においてタイプ１でない場合は、現在制御に用いているセグメントの最後の変針点を中心とする所定の半径の円たる更新領域に船舶の現在位置が到達したか否かを判断する（Ｓ８５）。到達していない場合は、更新を行わない。到達した場合は、指定経由点群を２点シフトする形で更新する（つまり、WP3〜WP6が新たな指定経由点群となる）（Ｓ８３）。その後、新たな指定経由点群につきセグメントを作成し、不要となったセグメントを削除し、残ったセグメントに前記新たに作成されたセグメントを接続することにより計画航路が更新される（Ｓ８４）。
【００３０】
なお、指定経由点群が５つ以上の場合は、例えば上記３タイプのセグメントを合成したセグメントを作成することにより本実施例は容易に変更かつ対応可能である。指定経由点が３点の場合でも、適当に広い間隔で経由点WPkを与えれば本実施例は容易に変更かつ対応可能である（この場合、セグメントはタイプ１のみ使用する）。
【００３１】
図１１は、計画航路の更新処理の具体例を示すものである。図１１上部は、経由点WP1を中心とする円Ｕ０内に船舶Ｑが到達した際に作成（更新）された計画航路を示すものである。この計画航路は、経由点WP0〜WP2に対するタイプ１のセグメントＧ１（よって、円Ｕ０が更新領域となる）と経由点WP1〜WP4に対するタイプ２のセグメントＧ２とから構成されており、セグメントＧ１の変針点Ｃａ以降がセグメントＧ２となるように両セグメントが接続されたものである。変針点ＣｂはセグメントＧ２における最後の変針点であり、セグメントＧ２はタイプ２であるから、変針点Ｃｂを中心とする円Ｕ１が更新領域である。この更新領域Ｕ１内に船舶Ｑが到達したと判断されると計画航路の更新を行う。
【００３２】
図１１下部は、更新後の計画航路を示すものである。新たに経由点WP3〜WP6に対するタイプ３のセグメントＧ３が作成され、不必要となったセグメントＧ１は削除され、更新後の計画航路は、セグメントＧ２の最後の変針点Ｃｂ以降がセグメントＧ３となるように両セグメントが接続されたものである。次の計画航路の更新は、セグメントＧ３はタイプ３であるから、セグメントＧ３の最後の変針点Ｃｃを中心とする円Ｕ２内に船舶Ｑが到達すると行われる。
【００３３】
偏差演算部３は、航路計画部２により決定された計画航路からの船舶の位置偏差ΔY、方位偏差Δｐを算出する。図９は、これら偏差の計画航路に対する関係を示すものである。船舶現在位置(Xs,Ys)は船位測定手段８により与えられ、この位置より計画航路Ａに対して下した垂線とこの計画航路Ａとの交点が最近点
(Xm,Ym)である。制御上の目標点(Xt,Yt)は、最近点(Xm,Ym)から航路保持制御前方距離ｄだけ船舶の進行方向に離れた点を設定する。船舶現在位置(Xs,Ys)から最近点(Xm,Ym)までの距離を航路偏差ΔYとし、船長方向と船舶現在位置(Xs,Ys)と目標点(Xt,Yt)を結ぶ直線Ｍがなす角度を方位偏差Δｐとする。航路偏差ΔY、方位偏差Δｐは以下の式で与えられる。
【００３４】
Δｙ＝√（Ｘｓ−Ｘｍ）^２＋（Ｙｓ−Ｙｍ）^２
Δｐ＝π／２−ｃｏｓ^−１〔（ｌts2＋ｌsm^２＋ｌmt^２）／２ｌtsｌsm〕−Δα
ここで
ｌts＝√（Ｘｔ−Ｘｓ）^２＋（Ｙｔ−Ｙｓ）^２
ｌsm＝√（Ｘｓ−Ｘｍ）^２＋（Ｙｓ−Ｙｍ）^２
ｌmt＝√（Ｘｍ−Ｘｔ）^２＋（Ｙｍ−Ｙｔ）^２＝ｄ
Δαは、最近点(Xm,Ym)における計画航路Ａの接線Ｈ方向と船長方向の成す角度である。なお、上記の式は、本実施例における直線と円弧からなる計画航路のみならず連続な計画航路において一般的に成立する。よって、本発明は、本実施例以外の連続な計画航路（例えば、計画航路作成において経由点間をスプライン補間で繋ぐ等）について容易に適用可能である。
【００３５】
また、航路保持制御では、計画航路上において、船速設定部１２で設定される指定航路船速Ｖｐを一定に保つことが要求される。この指定航路船速Ｖｐと、船速測定部１０により測定された船長方向の速度Ｖｓと、航路計画部２からの計画航路を用いて、偏差演算部３では速度偏差ΔＶ＝Ｖｃ―Ｖｓを演算する。ここでＶｃ＝Ｖｐ／ｃｏｓ（Δα）
Δαは、図９に示した、最近点(Xm,Ym)における計画航路の接線と船長方向の成す角度である。このように船舶は指定航路船速を保つように制御されているため、方位偏差Δｐを無くすように制御を行えば船舶は計画航路に保持される。よって、本発明により、一軸（プロペラと舵からなる）推進器を１個のみ有する船舶でも航路保持制御が可能である。
【００３６】
制御力演算部４では、航路偏差ΔY、方位偏差Δｐ及び速度偏差ΔＶを無くすために必要とする船舶の推力及びモーメントを、以下のように求める。
【００３７】
Ｆx＝ｆＸ（ΔＶ）
Ｆｙ＝ｆＹ（ΔY，Δｐ）
Ｎ＝ｆＮ（ΔY，Δｐ）
ここで、Ｆｘは船長方向指令推力、Ｆｙは船幅方向指令推力、Ｎは指令モーメントである。
【００３８】
推力配分部５は、これら指令推力Ｆｘ、Ｆｙ及び指令モーメントＮの値を用いて、各推進器が出力すべき推力を演算する。なお、推力配分部５は、１個の推進器のみしか有さない船舶では不要である。推進器駆動部６は、これら推力の演算値に応した推力を発生するように船舶に配置された各推進器の制御を行い、結果、船舶が計画航路に保持される。
【００３９】
なお、航路保持制御前方距離ｄは、航路制御保持制御のためのパラメータであり、航路保持制御前方距離ｄを小さくするほど、方位偏差Δｐの値が大きくなるために船舶の計画航路への復帰が早くなる。一方で、船首方位の振れも大きくなることから制御推力の急激な変化が生じ、船舶の乗心地に悪影響を及ぼす。そこで、本実施例において、航路保持制御前方距離ｄは、最近点(Xm,Ym)における計画航路の形状、航路偏差ΔY、外乱測定部１１からの風、波等の情報に基づき、偏差演算部３において以下のように調整されてよい。
【００４０】
円形航路では、船舶は旋回動作を行うことから、航路保持制御前方距離ｄは、最近点(Xm,Ym)における計画航路の形状が円形航路である場合には小さく、当該形状が直線航路で有る場合には大きくする。
【００４１】
航路偏差ΔYが大きい場合には早く計画航路に船舶を復帰させるため、航路保持制御前方距離ｄは、航路偏差ΔYが大きい場合には小さく、航路偏差ΔYが小さい場合には大きくする。
【００４２】
外乱が大きい場合に船舶の乗心地を考慮して、航路保持制御前方距離ｄは、風、波等が大きい場合には大きく、風、波等が小さい場合には小さくする。
【００４３】
さらに、航路保持制御に航路偏差ΔYを考慮しない場合には、航路保持制御前方距離ｄは、図１０に示す演算方法により決定するのも効果的である。
【００４４】
方位制御及び速度制御が完全に行われる理想的な状況を考えれば、簡単な考察
により、
ΔY＝ΔY_０ｅｘｐ（−Ｖｐ・ｔ／ｄ）
なる関係が得られる。ｔは時間、ΔY_０はｔ＝０でのΔYの値、Ｖｐは計画航路上において保持すべき指定航路船速である。つまり、航路保持制御前方距離ｄが極力小さい方が航路偏差ΔYの減少が早いことが理解できる。しかし、船長方向と最近点接線方向の成す角度をΔφとすれば、Δφに対して、
ｄ（ｔａｎΔφ）／ｄｔ＝−Ｖｐ・ΔY／ｄ^２
が成立するから、航路保持制御前方距離ｄは無限に小さくすることは不可能であることがわかる。つまり、左辺の値は船舶の回頭速度とその時刻のΔφにより制限されるからである。従って、可能な最小の航路保持制御前方距離ｄは、ある時刻ｔにおいて、
ｄ＝√−Ｖｐ・ΔＹ／max〔ｄ（ｔａｎΔΦ）／ｄｔ〕
ΔΦ＝ΔΦｔ
ｄΔΦ／ｄｔ＝（ｄθ／ｄｔ）max
となる。ここで、ΔφｔはΔφの時刻ｔでの値であり、（ｄθ／ｄｔ）ｍａｘは船舶の最大回頭角速度である（Ｓ５）。そして、このように求められた航路保持制御前方距離ｄをチェックし、制御の安定性から決定された下限値ｄｍｉｎ未満である場合は、このｄｍｉｎを航路保持制御前方距離ｄとする（Ｓ６）。
【００４５】
なお、上記の航路保持制御前方距離ｄを決定する処理の前に、制御性の向上を図るべく以下の処理を行う。円形航路を走行する場合、船舶の必要な回頭角度はＶｐ/ｒであるから、計画航路の形状を判断し（Ｓ１）、円形航路の場合は、最大回頭速度を（ｄθ／ｄｔ）ｍａｘ−Ｖｐ/ｒとする（s2）。さらに、荒天での航海では、船舶の操船力が落ちることから、外乱測定部１１からの情報から荒天か否かを判断し（s3）、荒天の場合には最大回頭角速度にｍ％のマージン率を掛ける（Ｓ４）。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、推力のばたつきがなく、航路保持制御の行き過ぎ現象が軽減された、一軸の推進器を１個のみ有する船舶にも適用可能な、船舶の航路保持制御装置が提供される。
【００４７】
また本発明によれば、操船が容易であり、船舶を取り巻く種々の状況に対して、乗り心地のよい航路保持制御を行う船舶の航路保持制御装置が提供される。
【００４８】
さらに本発明によれば、将来における不測の航路変更を余儀なくされる場合に、必要最小限の経由点の変更により、不要な演算を行うことなく迅速かつ簡便な対応が可能な船舶の航路保持制御装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による船舶の航路保持制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】同装置の偏差演算部の詳細を示すブロック図である。
【図３】計画航路セグメントを作成するための指定経由点群の説明図である。
【図４】タイプ１の計画航路セグメントの一例を示す説明図である。
【図５】タイプ２の計画航路セグメントの一例を示す説明図である。
【図６】タイプ３の計画航路セグメントの一例を示す説明図である。
【図７】タイプ１〜３を選択するためのアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８】航路偏差、方位偏差の計画航路に対する幾何的関係を示す説明図である。
【図９】航路偏差、方位偏差の計画航路に対する幾何的関係を示す説明図である。
【図１０】航路保持制御前方距離を求める手順を示すフローチャートである。
【図１１】計画航路更新の具体例を示す説明図である。
【図１２】従来技術による船舶の航路保持制御方法の説明図である。
【図１３】従来技術による船舶の航路保持制御における問題点を示す図である。
【符号の説明】
WPk 経由点
Xs、Ys 船舶現在位置
Xm、Ym 最近点
Xt、Yt 目標点
ｄ航路保持制御前方距離
ΔY 航路偏差
Δｐ方位偏差
ΔＶ速度偏差
Ａ計画航路
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３計画航路セグメント

Claims

船舶が保持すべき計画航路Aを決定する計画航路決定手段と、船舶が計画航路Aを保持するように船舶を制御する制御手段とを備えており、
計画航路決定手段は、前回経由点WPnおよび今回経由点WPn+1を設定し、計画航路を、前回経由点WPnおよび今回経由点WPn+1を経由して連続的にのびた連続航路とし、
制御手段は、計画航路A上において、船舶現在位置(Xs、Ys)から計画航路A上までの最も近い最近点(Xm、Ym)を設定するとともに、最近点(Xm、Ym)から今回経由点WPn+1の方向に航路保持制御距離dを隔てて目標点(Xt、Yt)を設定し、船舶現在位置(Xs、Ys)から最近点(Xm、Ym)までの距離を航路偏差ΔＹとするとともに、船舶軸Xと、船舶現在位置(Xs、Ys)と目標点(Xt、Yt)を結ぶ直線Mとがなす角度を方位偏差Δｐとし、航路偏差ΔＹおよび方位偏差Δｐが零となるように船舶を航行させる、
船舶の航路保持制御装置。
船舶が保持すべき計画航路Aを決定する計画航路決定手段と、船舶が計画航路Aを保持するように船舶を制御する制御手段とを備えており、
計画航路決定手段は、複数の経由点WPを時系列的に設定するとともに、船舶の最小旋回半径等の運動特性を考慮して航路回転半径rを設定し、計画航路を、複数の経由点WPを順次経由するかその近傍を迂回して連続的にのびかつ航路回転半径rに等しい半径をもつ円弧状航路およびこれの接線としてのびた直線状航路のみにより構成し、
制御手段は、計画航路A上において、船舶現在位置(Xs、Ys)から計画航路A上までの最も近い最近点(Xm、Ym)を設定するとともに、最近点(Xm、Ym)から今回経由点WPn+1の方向に航路保持制御距離dを隔てて目標点(Xt、Yt)を設定し、船舶現在位置(Xs、Ys)から最近点(Xm、Ym)までの距離を航路偏差ΔＹとするとともに、船舶軸Xと、船舶現在位置。(Xs、Ys)と目標点(Xt、Yt)を結ぶ直線Mとがなす角度を方位偏差Δｐとし、航路偏差ΔＹおよび方位偏差Δｐが零となるように船舶を航行させる、
船舶の航路保持制御装置。
経由点が、前回経由点WP1、今回経由点WP2および次回経点WP3よりなり、
今回経由点WP2を迂回する円弧Rによって円弧状航路が形成され、前回経由点WP1から円弧状航路の始端までのびた第１直線L12および円弧状航路の終端から次回経由点WP3までのびた第２直線L23によって直線状航路が形成されている、
請求項２の船舶の航路保持制御装置。
経由点が、前回経由点WP1、今回経由点WP2、次回経由点WP3および次々回経由点WP4よりなり、
今回経由点WP2を迂回する第１円弧R1およびこれの終端に連なって次回経由点WP3を迂回する第２円弧R2によって円弧状航路が形成され、前回経由点WP1から円弧状航路の始端までのびた第１直線L12および円弧状航路の終端から次々回経由点WP4までのびた第２直線L34によって直線状航路が形成されている、
請求項２の船舶の航路保持制御装置。
経由点が、前回経由点WP1、今回経由点WP2、次回経由点WP3および次々回経由点WP4よりなり、
今回経由点WP2および次回経由点WP3の一方を迂回するとともに、その他方を経由する円弧R23によって円弧状航路が形成され、前回経由点WP1から円弧状航路の始端までのびた第１直線L12および円弧状航路の終端から次々回経由点WP4までのびた第２直線L34によって直線状航路が形成されている、
請求項２の船舶の航路保持制御装置。
航路保持制御距離dは、計画航路の形状、航路偏差ΔＹおよび風波等の船舶制御上考慮した外乱の少なくともいずれかに依存して変化する、
請求項１〜５のいずれか１つの船舶の航路保持制御装置。