JP4897450B2 - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、船体モデルにおける船体パラメータを同定する同定機能を有し、同定した船体パラメータを用いて船体の変針制御を行なう船舶用自動操舵装置に関する。

船舶用自動操舵装置は、設定針路にジャイロコンパスからの方位を追従させるために舵を制御する装置であり、その制御系は、設定針路と船首方位との入力から偏差と旋回角速度とを求め制御ゲインを乗じて制御量である命令舵角を操舵機に出力する。操舵機は舵を動かして、船体に旋回角速度を誘起させて方位を変化させる。

図１を参照して自動操舵装置を含む全体のシステムを説明すると、１２は自動操舵装置、１４は操舵機、１６は船体であり、自動操舵装置１２は、さらに、軌道演算部２２、減算器２４、フィードフォワード制御器２６、フィードバック制御器２８、加算器３０、同定演算部３２を備えている。

軌道演算部２２は設定針路ψ_Ｓを入力し、設定針路ψ_Ｓから軌道計画に基づいた参照針路ψ_Ｒを演算するものである。減算器２４にて参照針路ψ_Ｒと船体１６の船首方位ψとの偏差ｅがとられ、フィードバック制御器２８に入力され制御ゲインが乗じられる。フィードフォワード制御器２６及びフィードバック制御器２８の出力が加算器３０で加算されて、命令舵角δ_Cとなる。

同定演算部３２は、船体パラメータを同定するもので、同定された船体パラメータは、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６及びフィードバック制御部２８へと入力されて、各演算及び制御に用いられる。

例えば、貨物船やタンカーなどの船舶は荷物の積み下ろしにより喫水が変化する。そのため、船体特性が変化し積み下ろし前の制御ゲインを用いると、操舵系の閉ループ安定性が低下しヨーイングを生じる場合がある。この状況を回避するために船体パラメータを同定し、制御ゲインを設定する方法が非特許文献１で提案されている。

本出願人による特許文献１では、バッチ処理による同定算法を行なう船舶用自動操舵装置を提案する。図１０は、その同定演算部３２のブロック図であり、自動操舵装置１２と同じ、減算器２４−１、フィードフォワード制御部２６−１、フィードバック制御部２８−１及び加算器３０−１を備えると共に、制御対象モデル３４、減算器３６及びパラメータ調節部３８を備える。この同定演算部３２へ供給される入力データとしては、軌道演算部２２からの参照針路ψ_Ｒ、また、同様に供給される出力データとしては、減算器２４からの偏差ｅとなっており、これらは、一旦メモリに記憶され、同定演算部３２でバッチ処理で行なわれる。

同定演算部３２では、減算器３６において、減算器２４−１にて得られるモデル偏差ｅ_ｍと、偏差ｅとの差である同定誤差が得られる。パラメータ調節部３８では、基本的に、同定誤差が最小となるような船体パラメータ同定値を求め、それを、制御対象モデル３４の他、軌道演算部２２、フィードフォワード制御器２６及びフィードバック制御部２８へと供給する。

以上の制御対象モデル３４は、船体をラプラス演算子ｓを用いた伝達関数Ｋ／（Ｔｓ＋１）によって表される１次モデルによって近似されており、同定する船体パラメータは、旋回力指数Ｋ、及び時定数である追従安定性指数Ｔとなっている。パラメータ調節部３８では、パラメータ毎に、同定誤差の平均と分散を求め、分散の最小値を見つけ、また平均が０となる場合を見つけることにより、船体パラメータＫ、Ｔを同定している。

本出願人は、この特許文献１をさらに改良したものとして、特願２００５−１４８６００にて、同定する船体パラメータをさらに増加させて変針時のオーバシュートを抑えることができる船舶用自動操舵装置を提案している。

これらの特許文献１または特願２００５−１４８６００記載による船体パラメータの同定は、それまでの船体パラメータの同定のように（例えば、非特許文献２、非特許文献３）舵を交番に何回か繰り返す必要のあるものと異なり、１回の変針で船体パラメータを決定することができる、という利点を有している。従って、通常の運行時の操舵でも船体パラメータを同定でき、操船者が特別に意識することなく船体パラメータを同定して自動設定することも可能になる、という利点を有している。
大津、長谷川、IX. オートパイロットの評価と展望、第3回操縦性シンホジウムテキスト、日本造船学会試験水槽委員会、p.243/279（1981） 第２回操縦性シンポジウム、日本造船学会試験水槽委員会、p.14/16（1970年11月） 第３回操縦性シンポジウム、日本造船学会試験水槽委員会、p.266/269（1981年12月） 特開２００１−１８８９３号公報

特願２００５−１４８６００記載の同定演算部を用いて変針毎に同定した船体パラメータを用いて、フィードフォワード制御器２６、フィードバック制御器２８により出力された命令舵角δ_Cにより変針制御をさせた場合の実船試験結果の一例を図１１に示す。同定演算部は、図１１中の変針Ｃ１〜Ｃ４において、それぞれその船首方位ψと命令舵角δ_Cを用いて船体パラメータを同定して、各変針で同定された船体パラメータを演算された毎に更新しており、更新された船体パラメータは次の変針制御に利用されている。

同図によれば、変針Ｃ１における同定演算結果を用いた次の変針Ｃ２の船首方位ψは、設定針路ψ_Ｓよりもオーバシュートを生じ、変針Ｃ２における同定演算結果を用いた次の変針Ｃ３の船首方位ψは、設定針路ψ_Ｓよりもアンダーダンプを生じていることが分かる。

このように従来の同定演算では、変針毎に同定される船体パラメータを更新していくことができる反面、変針方向が前回と異なる場合に、逆にパラメータ不確かさを制御系に与えてしまうという問題があることが判明した。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたもので、その目的は、パラメータ不確かさを制御系に与えることなく、船体パラメータの同定の精度をより向上させることができる船舶用自動操舵装置を提供することである。

かかる目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の発明は、設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、
船体パラメータを同定して出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
船舶用自動操舵装置で得られる所定の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
船体パラメータで表される船体モデルを含み、蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
前記パラメータ調節部で調節された船体パラメータを記憶するパラメータ記憶部と、を備えており、
前記パラメータ調節部は、各変針に対して、その変針時における複数の前記入力データと複数の前記出力データに基づき船体パラメータの調節を行っており、前記パラメータ記憶部は、前記各変針の変針方向に応じて前記調節された船体パラメータを分別して記憶すると共に、前記設定針路が変化したときに、その変針方向に対応して記憶している船体パラメータを同定した船体パラメータとして出力することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の前記船体モデルの伝達関数が、

で表されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の前記入力データとして命令舵角、前記出力データとして船首方位とすることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の前記パラメータ記憶部が、右舷変針に対して調節された船体パラメータを記憶するＣＷ方向パラメータ記憶部と、左舷変針に対して調節された船体パラメータを記憶するＣＣＷ方向パラメータ記憶部と、変針方向に応じて前記パラメータ調節部で調節された船体パラメータを前記ＣＷ方向パラメータ記憶部と前記ＣＣＷ方向パラメータ記憶部のいずれかに選択して格納する第１切替部と、前記設定針路が変化したときの変針方向に応じて前記ＣＷ方向パラメータ記憶部に記憶された船体パラメータと前記ＣＣＷ方向パラメータ記憶部に記憶された船体パラメータのいずれかを選択して同定した船体パラメータとして出力する第２切替部と、を備えることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の前記パラメータ調節部が、
モデル出力データと出力データの差の関数となるスカラ値である評価関数を最小化する同定パラメータ値を同定パラメータに決定する第１判別部と、
前記第１判別部で決定した同定パラメータ値のうちの船体パラメータに対応する同定パラメータ値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同様に、前記第１切替部で選択される前記ＣＷ方向パラメータ記憶部と前記ＣＣＷ方向パラメータ記憶部のいずれかに記憶された船体パラメータであるノミナル値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同定パラメータ値を用いたモデル出力データから求めた評価関数と、ノミナル値を用いたモデル出力データから求めた評価関数とをそれぞれ求めて、どちらの評価関数が小さいかまたは大きくないかを判定し、評価関数が小さいまたは大きくない方に用いた同定パラメータ値またはノミナル値に船体パラメータを調節する第２判別部と、を備えることを特徴とする。

前記パラメータ調節部は、モデル出力データと出力データとの差の関数となるスカラ値である評価関数を最小化する同定パラメータ値を同定パラメータに決定し、その中で対応する同定パラメータに船体パラメータを調節することとすることができ、また、同定パラメータを多変数とする評価関数の極小解を求め、該極小解となる同定パラメータ値を同定パラメータとするものとすることができ、ＳＱＰのアルゴリズムにより評価関数を最小化する同定パラメータを求めることとすることができる。

図１１のようなオーバシュートやアンダーダンプを引き起こす要因は、船体特性の変針方向依存性にあると考えられる。船体の胴体は、船首方向の軸に関して対称であるが、船の推進装置、船尾形状、舵のオフセット、潮流、載荷状態によって、非対称な要因が発生し、変針方向によって異なる特性を生じさせることになると考えられる。

本発明によれば、各変針の変針方向に応じて調節された船体パラメータを分別して記憶すると共に、設定針路が変化したときに、その変針方向に対応して記憶した船体パラメータを同定した船体パラメータとして出力することにより、変針方向に応じて別々の船体パラメータを用いて変針制御を行うことができるようになり、これによって、変針方向依存性に起因するオーバシュート、アンダーダンプを解消することができ、良好な応答を実現することができる。

また、変針方向に応じて船体パラメータを分別しているため、これらを比較することによって、船体状態の診断に利用することも可能になる。例えば、その変針方向に応じた船体パラメータの差異が所定値よりも大きい場合に、船が非対称であることを示す警報表示を行うようにすることも可能である。

請求項２記載の発明によれば、船体モデルとして１次モデルではなく、分子に時定数Ｔ₃を加えたモデルとすることにより、変針時におけるオーバシュート、アンダーダンプの発生をより確実に防ぐことができるようになる。

請求項３記載の発明によれば、入力データとして命令舵角、出力データとして船首方位とすることにより、同定するべきパラメータ数が多くなったとしても、開ループであるので同定のための演算を簡素化することができる。また、手動操船においても適用できるので、手動操船及び自動操船のいずれの操舵モードにおいても同一の構成で同定処理を行なうことができるようになる。

請求項４記載の発明によれば、ＣＷ方向パラメータ記憶部、ＣＣＷ方向パラメータ記憶部を備え、さらに、これらを切り替えて格納する第１切替部、及びこれらを切り替えて出力する第２切替部を備えることにより、船体パラメータを変針方向に応じて分別することができる。

請求項５記載の発明によれば、ある同定で得られた同定パラメータ値と、現在の船体パラメータ値であるＣＷ方向パラメータ記憶部とＣＣＷ方向パラメータ記憶部のいずれかに記憶された船体パラメータのノミナル値のいずれがより適した値であるかを第２判別部が判別することができる。即ち、第２判別部が、それぞれの値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出して、それぞれのモデル出力データから評価関数を作成し、これらの２つの評価関数のうちでより評価関数を小さくさせる同定パラメータ値またはノミナル値を船体パラメータに採用するようにしているので、仮に、良好な同定が行なえなかった場合には、その同定パラメータ値を採用しないようにして、船体パラメータを常に良好な値に維持することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。図において、１２は自動操舵装置、１４は操舵機、１６は船体である。操舵機１４及び船体１６を合わせたものが制御対象となる船体プラント１８である。自動操舵装置１２は、さらに、軌道演算部２２、減算器２４、フィードフォワード制御器２６、フィードバック制御器２８、加算器３０、同定演算部３２を備えている。背景技術にて既に説明した部分については、説明を省略する。

フィードフォワード制御器２６は、参照針路からフィードフォワード舵角を演算するものであり、自動操舵系において開ループ系を構成しており、この開ループ系は、変針時、船首方位を直ちに参照針路に一致させるように作動する。具体的には、フィードフォワード制御器２６の伝達関数は、制御対象である後述の船体モデルの伝達関数Ｐ（ｓ）（後述（２）式参照）の逆特性を有するように設定することができる。

また、フィードバック制御器２８は、自動操舵系において閉ループ系を構成しており、船首方位ψと参照針路ψ_Ｒとの偏差ｅに対してフィードバック舵角を演算するものである。変針系は、基本的には軌道演算部２２からの参照針路ψ_Ｒと、フィードフォワード制御器２６によるフィードフォワード制御の作動により、船首方位を参照針路に遅れなく追従させるものであり、このときに、参照針路と船首方位との間に偏差誤差ｅが生じた場合に、閉ループ系が偏差誤差ｅを減らすように動作する。フィードバック制御器２８は参照針路ψ_Ｒ、船体１６の船首方位ψ及びフィードバック制御器２８の出力から推定方位、推定角速度を求める推定器を含むことができる。

図２は、同定演算部３２の構成を表すブロック図である。同定演算部３２には、実プロセスから制御対象の入出力データが時系列データとして供給され、これらの入力データ及び出力データを蓄積する入力データ記憶部４０、出力データ記憶部４２を備える。入力データ記憶部４０及び出力データ記憶部４２は、リングバッファ型メモリとすることができる。さらに、同定演算部３２は、同定開始決定部３９、データ抽出部４３、同定モデル４４、減算器４６、パラメータ調節部４８及びパラメータ記憶部５８を備える。また、パラメータ記憶部５８は、第１切替部６０、ＣＷ方向パラメータ記憶部６２、ＣＣＷ方向パラメータ記憶部６４及び第２切替部６６を備える。同定演算の原理について以下説明する。

１．同定モデル
同定モデル４４は、船体モデル、外乱モデル及び船体運動の初期値とから構成され、命令舵角δ_Cを入力しモデル出力データであるモデル船首方位ψ_ｍを出力する。以下、船体モデル、外乱モデル及び船体運動についてそれぞれ説明する。

１．１ 船体モデル
この実施形態において、船体モデルは、操舵機と船体とを一体化したものとし、操舵機の時定数（船体の時定数に比較して十分に小さい）やオンオフ制御の非線形性などの不確定特性を時定数の大きい船体特性に吸収させて、舵速度や許容舵角などの確定要素を残存させる。そして、船体モデルとしては、以下の式を採用することとする（図３参照）。

ここで、Ｐは船体モデルの伝達関数、ψ（ｓ）は船首方位、Ｋ_ｓ、Ｔ_ｓ、Ｔ_３ｓは、同定するべき船体パラメータで、それぞれ旋回力ゲイン［１/ｓ/ｄｅｇ］、二つの時定数［ｓ］をそれぞれ示し、Ｔ_ｓ＞Ｔ_３ｓである。また、（・）_ｓは船体値を意味する。
任意には、（２）式の代わりに、

の１次モデルとして簡易にすることも可能である。但し、変針時のオーバシュートをより確実に防ぐ観点からすると（２）式とすることが好ましい。
さらに任意には、次の伝達関数を採用することも可能である。

しかしながら、Ｔ_ｓ》Ｔ_２ｓとすることができるので、（２）式とすることで十分である。

１．２ 外乱モデル
外乱モデルは、船体、風との相対速度ベクトルＶ_Ｒによって発生する船体の方位軸まわりのモーメントを舵角オフセットに換算した関数δ_offset＝ｆ（ベクトルＶ_Ｒ）で定める。相対速度ベクトルの絶対値の時間変化が微小とすれば、相対速度ベクトルは方位の関数ベクトルＶ_Ｒ＝ｇ（ψ）として扱える。このことから舵角オフセットを、

と近似する。ここで、δ_offsetは外乱モデルの舵角成分を、

は変針前または保針時の舵角オフセットを、ｃ_δは変針後の舵角オフセット係数を示す。（３）式の関係を図４に示す。ψは方位変化なので変針前は零であるので、（３）式の第１項のδ_０は、変針前の舵角オフセットとして設定する。（３）式の第２項のｃ_δψは変針後の方位変化に関係する舵角オフセット変化に対応する項となる。この第２項をψに比例する項とすることによって、手動操船及び自動操船のいずれの場合においても、同様のモデルを用いることができる、という利点を持つ。

１．３ 船体運動
船体運動の初期値は（２）式より直接取得できる方位と取得できない旋回角速度とがある。角速度の初期値応答は、

になり、方位変化は、

になり、方位定常値は（１−Ｔ_3S／Ｔ_S）ｒ_０Ｔ_ｓである。角速度初期値を考慮しないと、方位変化が同定誤差の原因になるが、角速度初期値は直接取得することはできないから、角速度初期値を同定パラメータとして同定モデルに含ませることにより、同定誤差を防止するとよい。

任意で船体モデルとして（２”）式を採用する場合には、角加速度の初期値を同定パラメータとして同定モデルに含ませることもでき、より正確に船体運動の初期値を組み込むことができるようになる。但し、実用的には、角速度初期値のみとすることで十分である。

１．４ 同定モデル
以上の（２）式の船体モデル、舵角オフセット及び角速度初期値から図５に示す同定モデルを構成する。舵角オフセットに関しては、命令舵角に追加される。尚、δ_０／ｓとするのは、一定値の入力とするためである。
同定モデルの伝達関数は、

になる。ここで、添字（・）_ｍは、モデル値を意味する。よって、同定モデルは３次系となり、同定パラメータはｘ_１ｍ、ｘ_２ｍ、ｘ_３ｍ、δ_０ｍ、ｃ_δｍ、ｒ_０ｍの６個となる。

２． 入力データと出力データ
同定演算を手動操船と自動操船の両方において、それぞれの変針応答から行う。

２．１ 手動操船
手動操船においては、図６に示すように、操船者による命令舵角δ_cを同定演算部３２の入力データとし、船首方位ψを同定演算部３２の出力データとする。

簡単のため船体モデルのみを考慮すると、同定誤差γ_ｈは、制御対象の船首方位とモデル船首方位との差となり、（１）式及び（２）式を用いて

になる。

上式よりＰ−Ｐ_ｍ＝０、即ちγ_ｈ＝０となるパラメータ条件を求めると、ｘ_１ｍ＝ｘ_１、ｘ_２ｍ＝ｘ_２、ｘ_３ｍ＝ｘ_３、Ｔ_３ｍ＝Ｔ_３Sを得る。

２．２ 自動操船
自動操船では、同定演算部３２に供給する入力データ及び出力データの収集方式として、図１０で示した特許文献１における同定演算部のように、参照針路ψ_Ｒを入力データとし、偏差ｅを出力データとする閉ループで同定する間接方式と、命令舵角δ_ｃを入力データとし、船首方位ψを出力データとする開ループで同定する直接方式とが考えられる。間接方式では、ψ_Ｒからｅまでの伝達関数の次数＋同定モデルの次数になり、加えて、フィードバック制御器に含まれる推定器の初期値も考慮すると、次数が高次になり計算量も増加し、処理も煩雑になるのに対して、直接方式では同定系の次数が同定モデルの次数であり、且つ手動操船の場合と構成が同じになるために、構成が共通化・簡素化できる、という利点がある。よって、以下説明では、直接方式で行い、命令舵角δ_ｃを入力データとし、船首方位ψを出力データとする。

３． 評価関数及び同定範囲
３．１ 評価関数
パラメータ調節部４８には、上述のごとく図２に示すように、命令舵角δ_ｃを入力データとし、船首方位ψを出力データとして蓄積されたデータに対して、同定モデル４４のモデル出力データと、実プロセスの出力データとの差異となる、減算器４６による同定誤差γが順次入力される。パラメータ調節部４８では、同定誤差γをスカラー量に変換した評価関数Ｊを求め、該評価関数Ｊを最小にするパラメータを調節する。評価関数Ｊとして、同定誤差γの二乗和とし、

と定義することができる。ここでｎは同定の時間範囲内にある同定データ数を表す。勿論、二乗和とする他に、同定誤差の絶対値の和とすることもでき、または適宜重み付け係数をかけることもでき、任意の評価関数を採用することができる。

モデルの出力はパラメータに依存するので、評価関数Ｊは非線形関数となる。よって、パラメータ調節部４８では、多変数関数である評価関数Ｊを最小化するモデルのパラメータを求める。かかる演算は、公知の任意の手段、例えば、ＳＱＰ（逐次型二次計画法sequential quadratic programming algorithm）のアルゴリズムを用いて行うことができ、評価関数の極小解を求め、該極小解となる同定パラメータ値を同定パラメータとする。

３．２ 同定の時間範囲
１回の同定演算に用いるデータ抽出の時間範囲は、図７に示すように、変針前静定時間と変針中と変針後静定時間とからなる。

同定開始決定部３９で開始を決定する、同定を開始するための条件として、次の条件を設定することができる。

（１） 船速が設定上限値と設定下限値の範囲内にあること
（２） 方位変化が設定最大値と設定最小値の範囲内にあること
（３） 舵角が、変針前にその振幅が設定振幅最大値（例えば３度）を超えず、変針時の舵角が設定振幅最小値（例えば４度）を超えていること。
（４） 変針前後の静定時間がそれぞれの設定値を満足していること（例えば、変針前６０秒、変針後１８０秒）
変針前静定時間は、δ_０ｍとｒ_０ｍとの捕捉のために設定するものであり、これらを適正に同定するのに必要な適当な時間とすることができる。

一方、変針後静定時間は船体パラメータ誤差に影響するので、手動操船時において、同定データ数が一定で船体パラメータ誤差が小さくなるような静定時間を設定する必要があり、３Ｔ_ｓ程度を選ぶとよい。実際には、手動操船の場合、変針中の時間範囲が不確定であることが多いので、変針開始前の所定時間と変針開始後の所定時間（上記３Ｔ_ｓを目安に設定される）の合計を同定の時間範囲とするとよい。

３．３ 自動操船時の同定の時間範囲
自動操船時についても、同定開始決定部３９で開始を決定する、同定を開始するための条件を手動操船時と同様に設定することができ、また、同定の時間範囲は、変針前静定時間、変針中及び変針後静定時間とからなる。変針前は手動操船と同様に設定することができる。変針中は変針のための命令舵角入力時であり、入力の大きさと時間とにより変針量が決まる。

変針後静定時間は、手動操船時と異なり閉ループ特性をもつので、閉ループの代表根である操舵系の固有周期の１倍程度を確保すれば、その応答特性を把握できると考えられる。

３．４ 船体特性の変針方向依存性
船体の胴体は、船首方向の軸に関して対称である。船の推進装置はプロペラが一般的であるが、一軸のものは扇流により胴体の左右流体に差を生じさせる。胴体まわりの流れの不釣合いは、船尾形状、舵のオフセット、潮流などからも生じる。海上は常に強い一様な風が吹いているため、船の上部構造が受ける風による力が方位軸まわりのモーメントになり、変針方向によって影響度合いが異なる。さらには、載荷状態に対応して船体全体のバランスを適切に調整（トリミング）したかどうかによって、変針方向によって異なる特性を生じさせることになると考えられる。

この変針方向依存性に対しては、変針方向が時計回りＣＷ（即ち、右舷（starboard））であるときと反時計回りＣＣＷ（即ち、左舷（port））であるときとで、行った同定処理を識別し、パラメータ調節部４８で調節された船体パラメータを変針方向に応じて分別して記憶し、且つ変針制御はその変針方向に応じて記憶した船体パラメータを使用して制御を行うことにより、対応する。

３．５ 同定演算部３２での処理
同定演算部３２は以上の原理に従って構成され、まず、入力データである命令舵角δ_ｃ、及び出力データである船首方位ψが時系列的に順次、入力データ記憶部４０及び出力データ記憶部４２に格納される。

同定開始決定部３９には、手動操船か自動操船かを示す操舵モード信号、船速、命令舵角δ_C、軌道演算部２２からの設定針路ψ_Sの変化量である変針量Δψ_S及び設定針路ψ_Sの変針量から求められる変針方向ＣＷ、ＣＣＷが入力されて、前述の同定を開始するための条件に合致するかどうかを判定し、同定開始条件を満足すると判定した場合には、データ抽出部４３を起動する。

データ抽出部４３において操舵モードに応じて、前述のような同定の時間範囲に対応するデータがそれぞれ入力データ記憶部４０及び出力データ記憶部４２から抽出される。

抽出された入力データは、同定モデル４４において演算されて、モデル船首方位ψ_ｍが出力されて、減算器４６で実際の船首方位ψとの差である同定誤差γが求められ、該同定誤差γがパラメータ調節部４８で評価されパラメータの調節がなされる。パラメータ調節部４８は、同定モデル４４で用いる同定パラメータを変化させて同定誤差γから（４）式で表される評価関数を求め、該評価関数を最小とする同定パラメータを決定する。

パラメータ調節部４８の詳細構成ブロック図を図８に示す。パラメータ調節部４８は、安定船領域同定探索部５０、不安定船領域同定探索部５２、第１判別部５４及び第２判別部５６を備える。

安定船とは、ｘ_１＞０、ｘ_２＞０及びｘ_３＞０を満足する船であり、不安定船とは、ｘ_１＜０、ｘ_２＞０及びｘ_３＜０を満足する船であり、いずれかの条件を満足する船しか存在し得ない。評価関数を最小とする同定パラメータが必ず安定船か不安定船のいずれかとなるように、それぞれ安定船領域同定探索部５０、不安定船領域同定探索部５２は、それぞれの満足するべき条件の範囲内で同定パラメータの探索を行なうべく、同定モデル４４の同定パラメータの範囲を変化させる。

安定船領域同定探索部５０及び不安定船領域同定探索部５２のそれぞれで決定された最小の評価関数Ｊ_ｓ、Ｊ_ｕは、第１判別部５４において、いずれの評価関数が小さいかが判定される。

そして、より小さい評価関数を導き出す同定パラメータが決定される。

次に、第２判別部５６では、第１判別部５４で決定された同定パラメータのうちの船体パラメータに対応する同定パラメータ値と、現在のノミナルの船体パラメータでありパラメータ記憶部５８に記憶されているノミナル値との比較を行なう。

ここで、パラメータ記憶部５８について説明する。

パラメータ記憶部５８の第１切替部６０は、同定開始決定部３９が同定開始を決定したときの同定開始決定部３９からの変針方向ＣＷ，ＣＣＷのデータに応じて、パラメータ調節部４８の第２判別部５６との間でやり取りを行うデータを切り替えるものである。つまり、変針方向がＣＷである場合には、ＣＷ方向パラメータ記憶部６２に記憶されているノミナル値を第２判別部５６における比較処理に供し、また、第２判別部５６での比較結果によっては、第１判別部５４で決定された同定パラメータをＣＷ方向パラメータ記憶部６２に記憶する。変針方向がＣＣＷである場合には、ＣＣＷ方向パラメータ記憶部６４に記憶されているノミナル値を第２判別部５６における比較処理に供し、また、第２判別部５６での比較結果によっては、第１判別部５４で決定された同定パラメータをＣＣＷ方向パラメータ記憶部６４に記憶する。

第２判別部５６では、第１切替部６０によって変針方向に応じて供給された船体パラメータのノミナル値と、第１判別部５４で決定された船体パラメータとの比較を船体モデルを用いて行なう。第１判別部５４で決定された船体パラメータの同定パラメータ値をｘ_１ｍ、ｘ_２ｍ、ｘ_３ｍとし、ノミナル値をｘ_１ｎ、ｘ_２ｎ、ｘ_３ｎとすると、それぞれの値を採用した船体モデルを用いて、それぞれ入力データである命令舵角に対するモデル船首方位を求め、評価関数Ｊ_ｍ、Ｊ_ｎを求める。即ち、

そして、いずれの評価関数Ｊ_ｍ、Ｊ_ｎが小さいかが判定される。

Ｊ_ｍの方が小さい場合には、第１判別部５４で決定された同定パラメータを出力して、第１切替部６０によって変針方向に応じて選択されるＣＷ方向パラメータ記憶部６２またはＣＣＷ方向パラメータ記憶部６４のいずれかに記憶されているノミナル値を更新する。一方、Ｊ_ｎの方が小さい場合には、パラメータ記憶部５８のＣＷ方向パラメータ記憶部６２またはＣＣＷ方向パラメータ記憶部６４の更新は行なわず、現在のノミナル値をそのまま出力する。

こうして、評価関数を用いて得られた同定パラメータ値が現在のノミナル値よりも悪いと考えられる場合には、その同定パラメータ値を採用しないようにして、船体パラメータを常に良好な値に維持することができる。

尚、パラメータ調節部４８の処理は、以上の処理の他に、特許文献１に示される処理を行うことも可能である。

パラメータ記憶部５８の第２切替部６６は、設定針路ψ_Sが入力されたときに軌道演算部２２から得られる設定針路ψ_Sの変針量から求められる変針方向ＣＷ，ＣＣＷのデータに応じて、変針制御部となるフィードフォワード制御部２６とフィードバック制御部２８へと出力する船体パラメータを切り替えるものである。つまり、変針方向がＣＷである場合には、ＣＷ方向パラメータ記憶部６２に記憶されているノミナル値をフィードフォワード制御部２６とフィードバック制御部２８における変針制御に供し、変針方向がＣＣＷである場合には、ＣＣＷ方向パラメータ記憶部６４に記憶されているノミナル値をフィードフォワード制御部２６とフィードバック制御部２８における変針制御に供する。

このように変針方向に応じて切り替えることで、ＣＷ変針時には、前回のＣＷ変針時における同定によって得られた船体特性を用いて変針制御を行い、ＣＣＷ変針時には、前回のＣＣＷ変針時における同定によって得られる船体特性を用いて変針制御を行うことになるので、船体特性の変針方向依存性による問題を回避することができるようになる。

これら変針方向に応じて船体パラメータを分別するために、航行初期には、ＣＷ方向とＣＣＷ方向の変針をそれぞれ行って船体パラメータを同定する必要があるが、このようなＣＷ方向及びＣＣＷ方向の変針を変針量を等しくして行うと初期針路に戻るため、実用上の不便さはない。

４．検証結果
以上の同定モデルによる同定の効果をシミュレーションによって検証すると、図９に示すようになる。同図は、継続して実行される変針と各変針における同定演算に基づく変針制御の一部分を示している。同定演算は、各変針Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３後に実行され、変針方向ごとに格納され更新されて、次の変針には、更新された同じ変針方向の船体パラメータを用いて変針制御されている。この図から、変針方向が交互に変わっても、図１１に示すようなオーバシュートやアンダーダンプが生じずに良好な応答が得られることが分かる。

本発明の船舶用自動操舵装置を含む全体のシステムを表すブロック図である。 図１の同定演算部の構成を表すブロック図である。 制御対象の構成を表すブロック図である。 外乱モデルの舵角オフセットと船首方位との変針前と変針後の関係を表すグラフである。 同定モデルの構成を表すブロック図である。 手動操船における同定演算部の構成を表すブロック図である。 手動操船における同定の時間範囲と命令舵角、船首方位、速度との関係を表す図である。 パラメータ調節部の詳細構成ブロック図である。 シミュレーションによる検証結果を表す図である。 従来の同定演算部のブロック図である。 従来の同定演算部を用いて変針毎に同定した船体パラメータを用い、変針制御をさせた場合の実船試験結果の一例である。

符号の説明

１２ 自動操舵装置
３２ 同定演算部
４０ 入力データ記憶部
４２ 出力データ記憶部
４４ 同定モデル
４８ パラメータ調節部
５４ 第１判別部
５６ 第２判別部
５８ パラメータ記憶部
６０ 第１切替部
６２ ＣＷ方向パラメータ記憶部
６４ ＣＣＷ方向パラメータ記憶部
６６ 第２切替部

Claims (5)

1. 設定針路と船首方位に基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置において、
   船体パラメータを同定して出力する同定演算部を備え、該同定演算部は、
   船舶用自動操舵装置で得られる所定の入力データと出力データとが供給されてそれぞれのデータを蓄積する記憶部と、
   船体パラメータで表される船体モデルを含み、蓄積された入力データからモデル出力データを出力する同定モデルと、
   該同定モデルからのモデル出力データと前記出力データとの比較結果から船体パラメータを調節するパラメータ調節部と、
   前記パラメータ調節部で調節された船体パラメータを記憶するパラメータ記憶部と、を備えており、
   前記パラメータ調節部は、各変針に対して、その変針時における複数の前記入力データと複数の前記出力データに基づき船体パラメータの調節を行っており、前記パラメータ記憶部は、前記各変針の変針方向に応じて前記調節された船体パラメータを分別して記憶すると共に、前記設定針路が変化したときに、その変針方向に対応して記憶している船体パラメータを同定した船体パラメータとして出力することを特徴とする船舶用自動操舵装置。
2. 前記船体モデルの伝達関数は、
   

   

   で表されることを特徴とする請求項１記載の船舶用自動操舵装置。
3. 前記入力データとして命令舵角、前記出力データとして船首方位とすることを特徴とする請求項１または２記載の船舶用自動操舵装置。
4. 前記パラメータ記憶部は、右舷変針に対して調節された船体パラメータを記憶するＣＷ方向パラメータ記憶部と、左舷変針に対して調節された船体パラメータを記憶するＣＣＷ方向パラメータ記憶部と、変針方向に応じて前記パラメータ調節部で調節された船体パラメータを前記ＣＷ方向パラメータ記憶部と前記ＣＣＷ方向パラメータ記憶部のいずれかに選択して格納する第１切替部と、前記設定針路が変化したときの変針方向に応じて前記ＣＷ方向パラメータ記憶部に記憶された船体パラメータと前記ＣＣＷ方向パラメータ記憶部に記憶された船体パラメータのいずれかを選択して同定した船体パラメータとして出力する第２切替部と、を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の船舶用自動操舵装置。
5. 前記パラメータ調節部は、
   モデル出力データと出力データの差の関数となるスカラ値である評価関数を最小化する同定パラメータ値を同定パラメータに決定する第１判別部と、
   前記第１判別部で決定した同定パラメータ値のうちの船体パラメータに対応する同定パラメータ値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同様に、前記第１切替部で選択される前記ＣＷ方向パラメータ記憶部と前記ＣＣＷ方向パラメータ記憶部のいずれかに記憶された船体パラメータであるノミナル値を用いた船体モデルの入力データに対するモデル出力データを算出し、同定パラメータ値を用いたモデル出力データから求めた評価関数と、ノミナル値を用いたモデル出力データから求めた評価関数とをそれぞれ求めて、どちらの評価関数が小さいかまたは大きくないかを判定し、評価関数が小さいまたは大きくない方に用いた同定パラメータ値またはノミナル値に船体パラメータを調節する第２判別部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の船舶用自動操舵装置。

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