JP5193129B2 - 操舵制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、船舶において、目標とする方位に自動操舵を行う操舵制御装置に関するものである。

従来、船舶において、目標とする方位に自動操舵を行う装置（オートパイロット）が使用されている（例えば、特許文献１を参照）。

オートパイロットは、方位センサで自船の舳先が現在向いている方位を取得し、目標とする方位とのずれ角（偏角）を０とするように、ＰＩＤ制御等により舵角を制御するものである。ＰＩＤ制御の各種パラメータ（ゲイン）は、ユーザが手動で入力する手法や、偏角の変化に基づいて自動設定する手法がある（例えば、特許文献２，３を参照）。一般に、波等の外乱の影響により偏角が大きくなった場合には、ゲインを上げる必要がある。しかし、制御に起因する発振状態が発生して偏角が大きくなった場合、逆にゲインを下げる必要がある。そのため、偏角が外乱の影響により発生しているか、制御に起因する発振により発生しているかの区別が重要となる。

特開平７−１１２６９９号公報 特許第３６７７２７４号公報 特許第３６８３８９０号公報

船舶は、外乱によって周期的なヨーイングが発生する場合がある。この場合、制御に起因する発振状態との区別が困難となる。特許文献２に示される手法は、外乱による周期的なヨーイングと制御に起因する発振状態との周波数特性の違いに基づいてこれらを区別している。また、特許文献３に示される手法は、パターンマッチングにより外乱による周期的なヨーイングと制御に起因する発振状態とを区別している。しかし、いずれも、外乱によるヨーイングの周期と、制御に起因する発振の周期とがほぼ同じであった場合、これらを正確に区別することができない。また、周波数特性の解析（フーリエ変換）やパターンマッチング等、複雑な処理が必要であるという課題もある。

そこで、この発明は、周波数特性の解析等の複雑な処理を用いなくとも、制御に起因する発振状態と周期的なヨーイングとを正確に区別することができる操舵制御装置を提供することを目的とする。

本発明の操舵制御装置は、船首方位を検出する方位センサと、ロール角を検出するロール角センサと、目標方位の設定を受け付ける方位設定部と、船首方位と前記目標方位とのずれ角である偏角を検出する偏角検出部と、偏角の変動の周期性と前記ロール角の変動の周期性とに基づいて、自船の状態を判定する制御状態監視部と、を備えている。

ここで、制御状態監視部は、例えば、偏角の変動が周期性を有し、かつロール角の変動が周期性を有しない場合、自船の状態が制御に起因する発振状態であると判断する。また、制御状態監視部は、例えば、偏角の変動が周期性を有し、かつロール角の変動が周期性を有する場合、制御に起因する発振状態ではないと判断する。

具体的には、偏角およびロール角が極大値をとるタイミングから次に極大値をとるタイミングまでの時間差の標準偏差をそれぞれ求め、各標準偏差がいずれも所定値未満であれば制御に起因する発振状態ではないと判断する。このような処理は、周波数特性の解析（フーリエ変換）やパターンマッチング等に比較し、非常に計算量が少ないものである。

船舶は、移動中、舳先の喫水が浅くなり、横波等の外乱により周期的なローリングが発生すると、周期的なヨーイングも発生する。特に、プレジャーボート等の舳先が大きく浮き上がる船は顕著である。この場合、偏角の標準偏差とロール角の標準偏差ともに小さくなる。本発明の操舵制御装置は、偏角およびロール角の時間的変動を監視し、偏角が周期性を有し、ロール角が周期性を有しない場合、発振状態と判断し、偏角が周期性を有し、かつロール角が周期性を有する場合、発振状態ではない（外乱の影響により周期的なヨーイングが発生している）と判断する。これにより、制御に起因する発振状態と周期的なヨーイングとを正確に区別する。

なお、本発明の操舵制御装置は、偏角と自船の状態とに基づいて、舵角の変更量を決定する制御部を備えていてもよい。例えば、自船の状態が発振状態であると判断した場合は、制御パラメータ（例えばＰＩＤ制御の比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲイン）を抑制する処理を行い、発振状態ではないと判断した場合は、制御パラメータを上昇する処理を行い、舵角の変更量を決定する。

この発明によれば、周波数特性の解析等の複雑な処理を用いなくとも、制御に起因する発振状態と周期的なヨーイングとを正確に区別することができる。

操舵制御装置の構成を示すブロック図である。 制御状態監視部の動作を示すフローチャートである。 目標方位θ_ｒ、船首方位θ_Ｈ、偏角θ、および自船の挙動の関係を示した図、ならびに自船の挙動を位相面に表した図である。 偏角θの標準偏差σ_θとロール角φの標準偏差σ_φの関係を示した図である。 ロール角φによる判断を行う場合と、行わない場合との比較図である。

以下、本発明の実施形態に係る操舵制御装置について説明する。図１は、操舵制御装置の構成を示すブロック図である。操舵制御装置は、方位設定部１１、方位センサ１２、加算器１３、制御状態監視部１４、ロール角センサ１５、制御部１６、舵機１７、および舵角センサ１８を備えている。

方位設定部１１は、ユーザから目標方位θ_ｒの設定を受け付け、加算器１３に出力する。目標方位θ_ｒは、真北を基準とし、真北からのずれ角を時計回り（東回り）に０〜３６０°の範囲で表したものである（図３（Ａ）を参照）。なお、目標方位θ_ｒは、ユーザにより手動で設定入力されるものであるが、予め設定された航路、および自船の位置に応じて都度、自動入力されるものであってもよい。

方位センサ１２は、磁気コンパスやサテライトコンパス等からなり、自船の舳先が現在向いている方位（以下、船首方位と言う。）θ_Ｈを検出し、加算器１３に出力する。船首方位θ_Ｈも真北を基準とし、真北からのずれ角を０〜３６０°の範囲で表したものである（図３（Ａ）を参照）。

加算器１３は、目標方位θ_ｒと船首方位θ_Ｈとの差分を算出して偏角θ＝θ_ｒ−θ_Ｈを求め、制御状態監視部１４および制御部１６に出力する。なお、偏角θは、±１８０°の範囲となるように正規化される。

制御部１６は、入力された偏角θを０とするようにＰＩＤ制御（比例制御＋積分制御＋微分制御）により舵角の変更量を決定する。制御部１６は、舵角センサ１８から入力される現時点の舵角（実舵角）と決定した舵角の変更量との差分を求め、舵機１７に新たな舵角を出力する。舵機１７は、入力された新たな舵角に実舵角を一致させるように舵を操作する。

これにより操舵制御装置は、オートパイロットを実現する。ここで、本実施形態の操舵制御装置は、制御状態監視部１４が偏角θの時間的変動を監視し、自船の状態を判断するものである。制御状態監視部１４は、自船の状態に応じて制御部１６の制御パラメータ（比例ゲイン、積分ゲイン、または微分ゲイン）を設定する。制御状態監視部１４は、基本動作として、波等の外乱によって偏角θの変動が発生している場合、各種ゲインを上げる設定を行う。一方で、制御に起因する発振状態により偏角θの変動が発生している場合、ゲインを下げる設定を行う。以下、制御状態監視部１４が行う具体的な動作について説明する。

図２は、制御状態監視部１４の動作を示したフローチャートである。この動作は、定期的に（例えば２、３秒毎に）実行される。まず、制御状態監視部１４は、自船の状態が発振状態であるか否かを判断する（ｓ１１）。発振状態であるか否かは偏角θの周期性や自船の挙動を表す挙動特徴量のばらつき具合に応じて判断する。具体的には以下のようにして行う。

（１）偏角θの周期性に応じた判断
制御状態監視部１４は、加算器１３から偏角θを入力し、内蔵メモリ（不図示）に順次記録する。偏角θの入力および記録間隔は任意であるが、例えば０．１秒とする。制御状態監視部１４は、偏角θが極大値をとるタイミングから次に極大値をとるタイミングまでの時間差から偏差θの周期Ｔ_θを算出する。極大値をとるタイミングは、記録された各偏角θの値について、直前の偏角θとの差分を求め、この差分が正から負に変化するタイミングとする。

そして、制御状態監視部１４は、上記周期Ｔの標準偏差σ_θを求める。なお、標準偏差σ_θを求めるサンプル数は任意である（例えば５周期分とする）。偏差θが周期性を有する場合、標準偏差σ_θは小さくなる。したがって、制御状態監視部１４は、標準偏差σ_θが所定値（例えば０．２）未満であれば周期的なヨーイングが発生していると判断する。

（２）自船の挙動を表す挙動特徴量のばらつき具合に応じた判断
図３（Ａ）は、目標方位θ_ｒ、船首方位θ_Ｈ、偏角θ、および自船の挙動の関係を示した図であり、同図（Ｂ）は自船の挙動を位相面に表した図である。同図（Ｂ）に示すグラフの横軸は偏角θであり、縦軸は偏角θの一階微分ωである。同図（Ｂ）のグラフには、１周期分の挙動（偏角θが極大値をとるタイミングＡから、極小値をとるタイミングＢを経て、次に極大値Ｃをとるタイミングまで）の偏角θと一階微分ωの関係を示している。自船の挙動を表す挙動特徴量は、偏角θと偏角θの一階微分ωとを位相面に表した際に得られる情報であり、例えば、挙動特徴量として、偏角θの最大値と最小値の差分であるΔθ、１階微分ωの最大値と最小値の差分であるΔω、偏角θの最大値と最小値の平均値である偏角中心値θｃ、一階微分ωの最大値と最小値の平均値である一階微分中心値ωｃ、ΔθとΔωの積である挙動面積Ｓがある。

ここで、制御状態監視部１４は、挙動特徴量のうち、例えば５周期分の挙動面積Ｓの標準偏差σ_Ｓを求める。この標準偏差σ_Ｓが所定値（例えば０．２）未満であれば挙動特徴量のばらつき具合が小さく、周期的なヨーイングが発生していると判断する。

なお、上記判断手法は一例であり、例えば、制御状態監視部１４は、偏角θの標準偏差σ_θが所定値未満、かつ挙動面積Ｓの標準偏差σ_Ｓが所定値未満であれば、自船の状態が発振状態であると判断し、いずれか一方が所定値以上であれば発振状態ではないと判断してもよい。また、例えば、挙動面積Ｓだけで発振状態であるか否かを判断してもよい。

次に、図２において、制御状態監視部１４は、自船の状態が発振状態ではないと判断した場合、安定状態であるか否かを判断する（ｓ１２）。安定状態であると判断した場合、ゲイン設定の変更を行わずに動作を終え（ゲインを現状のままに設定し）、安定状態ではないと判断した場合、ゲインを上昇させる設定を行う（ｓ１３）。制御状態監視部１４は、比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインを全て上昇させるように設定してもよいし、一部（例えば比例ゲインだけ）を上昇させるように設定してもよい。

安定状態であるか否かは、例えば、挙動面積Ｓの大きさや偏角中心値θｃの安定性から判断する。例えば、偏角中心値θｃの標準偏差σ_θｃを求め、標準偏差σ_θｃが所定値（例えば０．２）以上で、かつ挙動面積Ｓの最大値（５周期のうちの最大値）が所定値未満である場合、安定状態であると判断する。安定状態であると判断した場合、各種ゲインが最適な状態であるとして各種ゲイン設定の変更を行わない（現時点のゲインに設定する）。安定状態ではないと判断した場合、外乱等の影響により偏角θの変動が発生していると判断し、ゲインを上昇させる処理を行う。

なお、上記の安定状態であるか否かの判断手法は一例であり、本発明において安定状態であるか否かの判断手法を限定するものではない。

一方、制御状態監視部１４は、ｓ１１において自船の状態が発振状態であると判断した場合、さらに、偏角θの変動が周期性を有し、かつロール角φの変動が周期性を有するか否かを判断する（ｓ１４）。

ロール角φは、ジャイロセンサ等からなるロール角センサ１５から入力する。制御状態監視部１４は、偏角θと同様に、ロール角φも内蔵メモリ（不図示）に順次記録する。上述と同様に、制御状態監視部１４は、ロール角φについても極大値をとるタイミングから次に極大値をとるタイミングまでの時間差を求め、周期Ｔ_φを求め、標準偏差σ_φを求める。

制御状態監視部１４は、偏角θの標準偏差σ_θが所定値（例えば０．２）未満、かつロール角φの標準偏差σ_φが所定値（例えば０．２）未満である場合、自船の状態が発振状態ではないと判断して、ｓ１２の処理に進む。周期的なヨーイングが発生していても、周期的なローリングも同様に発生している場合、横波等の外乱により自船が周期的な変動を起こしていると判断するものである。一方で、いずれかの標準偏差が０．２以上であれば、やはり発振状態であると判断して、ゲインを抑制する設定を行う（ｓ１５）。

図４は、偏角θの標準偏差σ_θとロール角φの標準偏差σ_φの関係を示した図である。同図（Ａ）は、外乱により周期的なヨーイングが発生している場合の例を示した図であり、同図（Ｂ）は、制御に起因する発振状態により周期的なヨーイングが発生している場合の例を示した図である。

同図（Ａ）および同図（Ｂ）の例ともに、偏角θの標準偏差σ_θはいずれも０．２未満であるが、外乱により周期的なヨーイングが発生している場合、ロール角φの標準偏差σ_φも０．２未満となっている。一方で同図（Ｂ）に示すように、制御に起因する発振状態により周期的なヨーイングが発生している場合、ロール角φの標準偏差σ_φは０．２以上となり、ばらつきが大きくなっている。

すなわち、船舶は、舳先から艫まで同じ喫水を有するのではなく、移動中には舳先側の喫水が浅くなることが多い。完全に同じ喫水を有する場合は、ローリングが発生しても、船舶を平面視して舳先の変動が無い状態となるが、舳先の喫水が浅くなる場合は、船舶を平面視すると舳先の変動が発生する。したがって、舳先の喫水が浅くなる場合、ローリングが発生すると、これに同期したヨーイングも発生する。つまり、横波等の外乱により周期的なローリングが発生した場合、周期的なヨーイングも発生し、偏角θの標準偏差σ_θとロール角φの標準偏差σ_φともに小さくなる。特に、プレジャーボート等の舳先が大きく浮き上がる船は顕著である。

よって、本実施形態の操舵制御装置は、偏角の変動が周期性を有し、かつロール角の変動が周期性を有する場合、制御に起因する発振状態ではなく、横波等の外乱により周期的なヨーイングが発生していると判断し、発振状態ではないと判断した場合のゲイン設定を行う（図２においてｓ１１でＹｅｓとした状態と同じ状態とする）。

図５は、横波を受けた状態において、本実施形態で説明した制御状態監視部の動作を行った場合と、ロール角φによる判断行わない場合（図２のｓ１４の処理を省いた場合）との比較図である。同図（Ａ）および同図（Ｂ）が図２のｓ１４の処理を省いた場合の図であり、同図（Ｃ）および同図（Ｄ）が本実施形態の制御状態監視部の動作を行った場合の図である。同図（Ａ）および同図（Ｃ）は、制御パラメータの例として比例ゲインの時間軸上の変化を示した図であり、同図（Ｂ）および同図（Ｄ）は、偏角θの時間軸上の変化を示した図である。

上述のように、横波を受けると周期的なヨーイングが発生するため、ロール角φによる判断行わない場合、発振状態であると判断して、同図（Ａ）に示すように、ゲインを抑制する処理を行う（３００ｓｅｃ．以降）。この場合、舵を操作する量が少なくなるが、本来は横波を受けた状態であるため、同図（Ｂ）に示すように、偏角θが±５°以上となり、船首方位を目標方位に保持できなくなっている。

一方で、横波を受けると周期的なローリングも発生するため、本実施形態で説明したようにロール角φによる判断を行う場合、発振状態ではないと判断するため、同図（Ｃ）に示すように、ゲインを上昇させる処理を行う（３００ｓｅｃ．以降）。この場合、舵を操作する量が多くなるため、横波による外乱の影響を抑え、同図（Ｂ）に示すように偏角θが±５°未満に収まり、船首方位を目標方位に保持することができる。

以上のように、本実施形態の操舵制御装置によれば、周波数特性の解析（フーリエ変換）やパターンマッチング等、複雑な処理を行わずとも、偏角の変動が周期性を有し、かつロール角の変動が周期性を有するか否かの判断を行うだけで、制御に起因する発振状態と周期的なヨーイングとを正確に区別することができる。また、本実施形態の操舵制御装置によれば、ロール角の変動が周期性を有するか否かの判断を行うものであるため、仮に、外乱によるヨーイングの周期と、制御に起因する発振の周期とがほぼ同じであった場合であっても、制御に起因する発振状態と周期的なヨーイングとを正確に区別することができる。

したがって、実施形態の操舵制御装置は、船舶の種別や自船の状態に合わせた最適な各種ゲインを都度手動で設定しなくとも各種ゲインを自動調整することができ、安定した航行が可能となる。

なお、本実施形態では、ＰＩＤ制御により舵角を制御する例を示したが、他の制御方式を用いて舵角を制御してもよい。

１１…方位設定部
１２…方位センサ
１３…加算器
１４…制御状態監視部
１５…ロール角センサ
１６…制御部
１７…舵機
１８…舵角センサ

Claims (4)

1. 船首方位を検出する方位センサと、
   ロール角を検出するロール角センサと、
   目標方位の設定を受け付ける方位設定部と、
   前記船首方位と前記目標方位とのずれ角である偏角を検出する偏角検出部と、
   前記偏角の変動の周期性と前記ロール角の変動の周期性とに基づいて、自船の状態を判定する制御状態監視部と、
   を備えた操舵制御装置。
2. 前記制御状態監視部は、前記偏角の変動が周期性を有し、かつ前記ロール角の変動が周期性を有しない場合、前記自船の状態が制御に起因する発振状態であると判断する請求項１に記載の操舵制御装置。
3. 前記制御状態監視部は、前記偏角の変動が周期性を有し、かつ前記ロール角の変動が周期性を有する場合、前記自船の状態が制御に起因する発振状態でないと判断する請求項１に記載の操舵制御装置。
4. 前記偏角と前記自船の状態とに基づいて、舵角の変更量を決定する制御部を備えた請求項１〜３のいずれかに記載の操舵制御装置。

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