JP5479788B2 - 自動操舵システム及び自動操舵装置 - Google Patents

Description

本発明は、船舶の自動操舵システムに関する。

従来から、船舶において、設定された目的地まで自動で舵取りを行う自動操舵システムを備える構成が知られている。この自動操舵システムとしては、例えば、目的地の方位に対する船首方位のズレ量を検出し、これを補正しながら目的地へ直進するように自動操舵するものがある。また、上記のほかにも、自動操舵システムとしては、予め自船が航行するルートを設定しておき、そのルートからのズレ量を検出し、そのズレ量を補正しながら自船をルートに沿って目的地へ自動操舵する構成が知られている。特許文献１は、後者の自動操舵システムを開示する。

通常、船舶を操船者が操舵する場合においては、海が荒れているときは、検出されたズレ量を早目に修正するために、ズレ量に対して敏感に舵を切ることが望まれる。一方、海が穏やかであれば、船体をいたずらに揺らすことを避けるために、検出されたズレ量を少しずつ修正するように舵を切ることが好ましい。自動操舵システムにおいても、このような現在の海の状況に応じて制御感度を設定し、ズレ量を修正する制御が行われている。

これに対して、将来の海の状況を予見して、船舶に搭載される表示機等に警告や舵角等の表示を行うための構成として、特許文献２は個別波予測・警告システムを開示する。特許文献２は、レーダから得られた画像を解析することで所定時間後の波浪情報を取得し、その波浪情報、特に大きな個別波に応じた操船指針等を表示する構成になっている。

特開平５−２５６６５４号公報 特許第３９９２１０１号公報

しかし、特許文献１に示すような自動操舵システムの構成では、進行する予定のルート上に海が荒れている海域があったとしても、その海域に入って初めて、荒れている海に対する制御感度を求め始めるようになっている。そのため、海の荒れ始めに対する対応が遅くなり、予定ルートから大きく外れたり、船体が不安定になったりするおそれがあった。同様に、このような自動操舵システムの構成では、海が荒れている海域を通過して初めて、穏やかな海に対する制御感度を求め始めるようになっている。そのため、海が穏やかになり始めたことに対する対応も遅く、予定ルートから大きく外れたり、船体が不安定になったりするおそれがあった。

また、特許文献２の構成では、将来の海の状況を予見しているが、操船指針等を表示するだけにとどまり、操舵手がこの操船指針に手動で対応する必要があった。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、海の状況に素早く対応して、船舶を適切な制御感度で制御する自動操舵システムを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成の自動操舵システムが提供される。即ち、この自動操舵システムは、方位検出器と、航法装置と、外乱検出装置と、レーダ装置と、舵角変更装置と、自動操舵制御装置と、を備える。前記方位検出器は、自船の船首方位を検出する。前記航法装置は、前記自船の現在地を取得可能であり、目的地が入力されることで進行予定ルートの設定を行う。前記外乱検出装置は、前記現在地の自然環境による外乱要素を検出して現在外乱情報として取得する。前記レーダ装置は、信号を発信し、その反射波を検出することにより、前記現在地の周囲の外乱要素に関する情報を取得する。前記舵角変更装置は、前記自船の進行方向を変化させる。前記自動操舵制御装置は、前記現在地及び現在の前記船首方位と、前記目的地又は前記進行予定ルートと、に基づいて、前記進行方向について修正すべき修正量を求める。そして、前記自動操舵制御装置は、前記修正量に適用する補正係数を、少なくとも、前記現在外乱情報と、前記レーダ装置が取得した前記周囲の外乱要素に関する情報であって前記進行予定ルート上の情報である将来外乱情報と、に基づいて求める。前記自動操舵制御装置は、前記現在外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である現在補正係数を前記現在外乱情報から求め、前記将来外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である将来補正係数を前記将来外乱情報から求め、前記現在補正係数と前記将来補正係数との差と、前記現在地から前記将来外乱情報を取得した位置までの距離と、に基づいて前記補正係数を変化させる。自動操舵制御装置は、変化させた前記補正係数を前記修正量に適用して前記舵角変更装置を制御することで前記進行方向を変化させる。

これにより、自船の進行方向を修正するときに現在外乱情報を用いることで、現在地の海の状況に合わせた適切な補正係数で舵角変更装置の制御を行うことができ、船体が不安定になることを防止できる。また、将来外乱情報を用いることで、進行予定ルートの海の状況の変化に素早く対応して舵角変更装置の制御を行うことができる。また、将来外乱情報を取得した位置に自船が到達したときに自船に適用する補正係数が将来補正係数に近い値になるように補正係数を変化させることができる。

前記の自動操舵システムにおいては、前記自動操舵制御装置は、前記将来外乱情報を取得した位置に前記自船が達する前に、当該将来外乱情報を加味して前記舵角変更装置を制御することが好ましい。

即ち、短時間の間に補正係数を大きく変化させると船体が不安定になり易い。この点、上記の構成においては、前方の海の状況に合わせて早目に補正係数を変化させるため、補正係数を緩やかに変化させながら適切な値に到達させることができる。そのため、船体が不安定になることを防止することができる。

前記の自動操舵システムにおいては、前記レーダ装置は、前記進行予定ルート上にある海面反射波の情報を前記自動操舵制御装置に送信することが好ましい。

即ち、海が荒れていると波の動きが激しくなり、海面反射波が強くなる。従って、この反射波の情報をレーダ装置から自動操舵制御装置に送ることで前方の海の荒れ具合を検出できるので、それに対応して舵角変更装置を制御することができる。また、海面反射波の検出は、一般的なレーダ装置が有する海面反射波除去機能を利用又は転用して容易に実現できるので、コストを低減することができる。

前記の自動操舵システムにおいては、前記将来外乱情報は、前記進行予定ルート上の波の高さ及び波の向きのうち少なくとも何れか一方であることが好ましい。

これにより、自船の挙動に影響を与え易い外乱要素を用いることで、舵角変更装置を良好に制御することができる。具体的には、波の高さは風力と相関性が高く、この風力及び波から自船が受ける影響を予測することができる。そして、波の向きを知ることで、この風力及び波によって船体が影響を受ける向きや程度を見積もることができる。

前記の自動操舵システムにおいては、前記補正係数は、前記現在外乱情報と、前記将来外乱情報からテーブルによって求められた値と、に基づいて求められることが好ましい。

これにより、補正係数を求める処理を簡単にすることができるので、演算量を低減することができる。

前記の自動操舵システムにおいては、前記自動操舵制御装置は、過去の制御の結果に基づいて前記テーブルを修正することが好ましい。

これにより、様々な制御特性（例えば、船に特有の制御特性）を加味した精度の良好なテーブルを得ることができる。

前記の自動操舵システムにおいては、前記将来外乱情報には、潮汐情報が含まれることが好ましい。

これにより、潮流が自船に及ぼす影響を考慮することができるので、舵角変更装置を良好に制御することができる。

本発明の第２の観点によれば、以下の構成の自動操舵装置が提供される。即ち、この自動操舵装置は、方位検出器と、外乱検出装置と、舵角変更装置と、自動操舵制御装置と、を備える。前記方位検出器は、自船の船首方位を検出する。前記外乱検出装置は、現在地の自然環境による外乱要素を検出して現在外乱情報として取得する。前記舵角変更装置は、前記自船の進行方向を変化させる。前記自動操舵制御装置は、目的方位を設定可能であり、前記目的方位と前記船首方位とに基づいて、前記進行方向について修正すべき修正量を求める。また、前記自動操舵制御装置は、前記修正量に適用する補正係数を、少なくとも、前記現在外乱情報と、外部から受信した外乱要素に関する情報であって前記目的方位上の情報である将来外乱情報と、に基づいて求める。前記自動操舵制御装置は、前記現在外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である現在補正係数を前記現在外乱情報から求め、前記将来外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である将来補正係数を前記将来外乱情報から求め、前記現在補正係数と前記将来補正係数との差と、前記現在地から前記将来外乱情報を取得した位置までの距離と、に基づいて前記補正係数を変化させる。前記自動操舵制御装置は、変化させた前記補正係数を前記修正量に適用して前記舵角変更装置を制御することで前記進行方向を変化させる。

これにより、現在外乱情報及び将来外乱情報を用いることで、現在地及び進行予定ルートの海の状況に合わせた適切な補正係数で舵角変更装置の制御を行うことができ、船体が不安定になること及び進行予定ルートから大きく外れることを防止できる。また、将来外乱情報を取得した位置に自船が到達したときに自船に適用する補正係数が将来補正係数に近い値になるように補正係数を変化させることができる。

本発明の一実施形態に係る自動操舵システムの全体的な構成を示すブロック図。 船舶の進行予定ルートを説明する平面図。 海の荒さ及び補正係数と進行予定ルート上での位置との関係を概念的に説明するグラフ。 自動操舵制御における偏角を説明する平面図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る自動操舵システム１０の全体的な構成を示すブロック図である。

本実施形態の自動操舵システム１０は、波及び風等の外乱の影響下にあっても、設定された目的地に向かって船舶１の進行方向を維持したり、予め設定されたルートを自動的に航行したりするためのものである。以下、この自動操舵システム１０について説明する。

この自動操舵システム１０は、ＧＰＳコンパス（方位検出器）１１と、ＧＰＳプロッタ（航法装置）１２と、風向風速計（外乱検出装置）１３と、レーダ装置１４と、舵角制御バルブ（舵角変更装置）１５と、舵機１６と、自動操舵制御装置１７と、を備える。

ＧＰＳコンパス１１は、船舶１に固定された複数のＧＰＳアンテナを備えており、ＧＰＳアンテナの相対的な位置関係から船首方位を得ることができる。ＧＰＳコンパス１１で検出された船首方位は、自動操舵制御装置１７に随時送られる。

ＧＰＳプロッタ１２は、主要には、ＧＰＳ受信機３１と、操作部３２と、演算部３３と、表示部３４と、を備えている。

ＧＰＳ受信機３１は、図略のＧＰＳアンテナから測位信号を受信して船舶１の現在の位置情報を取得する。操作部３２は、ＧＰＳプロッタ１２の各種設定の入力に用いられ、自動操舵を行うときの目的地、及び、目的地に向かう途中に通過する中継点（中間的な目的地）等を入力可能に構成されている。

演算部３３は、船舶１が今後進むべき進行予定ルートを、設定された目的地に基づいて決定する。この進行予定ルートは、現在地と目的地を直線で結ぶように決定されるほか、途中に島等の進行することができない地点があれば、それを迂回するようにして決定される。決定された進行ルートは、表示部３４に表示される。また、ＧＰＳプロッタ１２は、各地点における潮汐情報をグラフ化等して表示可能に構成されている。この潮汐情報と前記目的地及び進行予定ルートは、自動操舵制御装置１７に随時送られる。

風向風速計１３は、回転可能な本体に垂直尾翼とプロペラとが取り付けられた構成である。この構成で、垂直尾翼は風を受けることにより、プロペラが風上を向くように本体を回転させる。従って、このときの本体の向きから風向きを検出することができるとともに、プロペラの回転数から風速を検出することができる。なお、風向風速計１３は、図略の船速計と接続されており、船速の影響を除去して風速及び風向を検出している。この風速及び風向は、自動操舵制御装置１７に随時送られる。

レーダ装置１４は、図略のレーダアンテナを備えている。このレーダアンテナはマイクロ波を周囲に送信し、この信号が物標等で反射した反射波（エコー）は受信部４２に入力される。受信部４２は、レーダアンテナが受信した微弱な高周波信号を、処理に適した強度及び周波数に変換して信号処理部４３へ出力する。信号処理部４３は、レーダアンテナがマイクロ波を送信したタイミングと、反射波を受信したタイミングとの時間差から、物標までの距離を取得する。

信号処理部４３は、上記のようにして得られた距離と、マイクロ波発射時のレーダアンテナの向きと、に基づいてエコー画像を生成する。このエコー画像は内部メモリに記憶されるとともに、このエコー画像に対して適宜の画像処理が施されてレーダ画像が生成され、レーダ装置１４が備える図略の表示部に表示される。

受信部４２が信号処理部４３へ出力するデータには、船舶１の周囲の海面からの反射波に基づくエコーが含まれる。この海面反射波は、適宜の方法で、物標からの反射波と分離して除去することができる。例えば、海面反射波はスキャン毎に同じ位置に出現しないで規則性無く検出されることを利用して、ある位置において反射波が時間的な連続性が無く不規則に検出される場合は、当該反射波は海面反射波であると判断する方法が考えられる。

内部メモリのエコー画像において、海面反射波は縞模様のように現れ、その縞模様の向きは風向きによって変化する。また、海面反射波のエコーの強さは、その部分での風速にほぼ比例する。信号処理部４３は、内部メモリのエコー画像から上記の処理によって海面反射波に相当するエコーを除去し、レーダ画像として出力する一方で、上記の縞模様のパターンを画像解析することで波浪情報を求めている。なお、縞模様の画像解析により波浪情報を求める方法は公知であるため、詳細は省略する。

このようにして得られた波浪情報には、波の高さ、波の向き、波の速度等が含まれ得るが、本実施形態のレーダ装置１４では、波の高さ及び波の向きが求められている。この波の高さ及び波の向きは、自動操舵制御装置１７に随時送られる。

また、波浪情報を求める方法としては、上記のほか、海面反射波のベクトルを公知の方法で解析することで求める方法がある。この海面反射波のベクトルの大きさから波の高さを得ることができ、海面反射波のベクトルの向きから、波の向きを得ることができる。

船舶１は、図略のエンジンと、油圧ポンプと、を備える。油圧ポンプにはエンジンの動力が伝達されており、作動油を吐出することができる。また、舵機１６は、推進器より後方に取り付けられた旋回可能な舵板と、この舵板に連結された油圧シリンダと、を備えている。また、舵機１６は、油圧シリンダに対する作動油の供給を切り替えるための舵角制御バルブ１５を備えている。

前記油圧ポンプは、適宜の配管及び舵角制御バルブ１５を介して、舵板を駆動するための油圧シリンダに接続されている。舵角制御バルブ１５は例えば電磁弁として構成されており、舵角制御バルブ１５が切り替えられると油圧シリンダの駆動によって舵板が旋回し、船舶１の推進器が発生させた水流の向きを変えることで、船舶１の進行方向を変化させることができる。

自動操舵制御装置１７は、マイクロコンピュータとして構成されており、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えている。上述したように、自動操舵制御装置１７には舶用機器から各種の情報が入力されており、この情報に基づいて舵機１６をどの方向にどれくらい動かすかを示す指示舵角を決定している。この指示舵角に応じて舵角制御バルブ１５が制御され、これによって舵機１６が動作する。

次に、図２を参照して自動操舵システム１０を用いて船舶１を自動操舵する構成について具体的に説明する。図２は、船舶１の進行予定ルートを説明する平面図である。

初めに、操舵手はＧＰＳプロッタ１２の操作部３２を操作して目的地の設定を行う。また、この説明においては中継点の設定は行っておらず、出発点と目的地との間に島等の航行できない海域はないものとする。そのため、進行予定ルートは、図２に示すように出発点と目的地とを直線で結んで表される。

また、目的地の設定を行うことに代えて、自動操舵制御装置１７に設定方位（目的方位）を設定して自動操舵を行うことができる。この場合の進行予定ルートは、設定方位の前方の領域である。この場合、ＧＰＳプロッタ１２を用いることなく、本発明の効果が実現できる。

また、進行予定ルート上の位置と海の荒れ具合との関係を図３に示す。図３は、海の荒さ及び補正係数と、進行予定ルート上での位置と、の関係を概念的に説明するグラフである。図３において、海の荒さが大きい場合、風が強く及び波が高いことを表している。今回の説明では、図３の上側のグラフに示すように、出発点から地点Ａまでは海は穏やかであるが、地点Ａより向こう側では、目的地に近づくに従って徐々に海が荒れ、一定の荒さとなっている。そして、地点Ｂの向こう側では、目的地に近づくに従って徐々に海が穏やかになり、元の穏やかさとほぼ同等になっている。

操舵手は、目的地を設定した後に、図略の切替器を用いて手動操舵から自動操舵に切り替える。自動操舵に切り替わると、自動操舵制御装置１７は、上述の現在地及び目的地と、ＧＰＳコンパス１１から入力された船首方位と、に基づいて偏角（修正量）を求める。偏角とは、図４に示すように、現在地から見た目的地の方位と、船首方位と、がなす角度である。この偏角が０でない場合は、船舶１が目的地に向かっていないことになるので、自動操舵制御装置１７はこの偏角に対して補正係数（感度、ゲイン）を適用して指示舵角を算出し、舵機１６に出力する。舵機１６は、指示舵角を実現するように舵角制御バルブ１５を制御し、船舶１の進行方向を変化させる。

以下、補正係数について詳細に説明する。補正係数とは、偏角に対する自動操舵制御の感度のようなものであり、補正係数が大きいと偏角に対する指示舵角は大きくなり、補正係数が小さいと偏角に対する指示舵角は小さくなる。

この補正係数は、一般に、海が荒れている場合は大きくし、海が穏やかな場合は小さくする必要がある。つまり、海の状況に応じて適切な補正係数を用いる必要があり、そうしなければ船舶１を安定に保つことが困難になる。また、補正係数は、風向等に応じて、左に舵を切る場合と右に舵を切る場合とで異なった値とすることが望ましい。例えば、進行方向の左側から風が吹いているときは、船舶１は右に流され易くなるので、これを修正する方向（船舶１を左に向ける方向）の補正係数は、逆の方向（船舶１を右に向ける方向）の補正係数よりも大きくすることが好ましい。

なお、この補正係数は、舵の感度以外にも例えば当て舵にも用いられる。当て舵とは、目標よりも余計に旋回しそうなときに反対側に舵を取ることで進行方向を調整することである。この当て舵を始める早さ及び当て舵において舵を切る量等を補正係数により決定することができる。

次に補正係数の求め方について説明する。補正係数は、現在補正係数と、将来補正係数と、に基づいて求められる。

まず、現在補正係数を求める方法について説明する。現在補正係数とは、現在外乱情報（現在地における自然環境によって生じる外乱の情報）から判断される海の状況に対応するための補正係数を意味する。本実施形態においては、現在外乱情報として、風向風速計１３が検出した風速及び風向が用いられている。この風速が高いほど現在補正係数を大きくする必要があり、この風速から求められた現在補正係数を、舵を切る向きに対してどう適用するかの判断に風向が用いられている。なお、突発的な外乱の影響で現在補正係数が急に変化するのを防ぐために、現在補正係数は例えば所定の時間（例えば、直近の数十秒）の風向及び風速を平均する等して求められている。

また、現在外乱情報としては、上記に代えて、現状の船舶１の揺れを用いても良い。この船舶１の揺れから現在補正係数を求めるときには、この揺れの大きさは風速と同様に、現在補正係数の大きさを求めるために用いられる。そして、この揺れの向きは、風向と同様に、舵を切る向きに対してどう現在補正係数を適用するかの判断に用いられる。

この船舶１の揺れは、例えば、ＧＰＳを用いた姿勢角検出センサで検出することが考えられる。この姿勢角検出センサは、例えば３つのＧＰＳアンテナを備え、１つのアンテナを基準とした２つのベクトルに基づいて自船の揺れを計算するように構成されている。また、姿勢角検出センサは、２つのＧＰＳアンテナと１つの加速度センサを備え、上記の２つのベクトルのうち１つを加速度センサが検出した重力ベクトルに代えて計算することで、船舶１の揺れを検出する構成にすることもできる。本実施形態において方位検出器として用いたＧＰＳコンパス１１は、この姿勢角検出センサと同等の構成のため、ＧＰＳコンパス１１を用いて船舶１の揺れを検出し、現在外乱情報として用いることができる。

更には、近年のレーダは自船の動揺を補正するべくこのような姿勢角センサを装備しているものもあり、その姿勢角の所定時間あたりの変位を現在外乱情報として用いることができる。

次に、将来補正係数を求める方法について説明する。将来補正係数とは、将来外乱情報（進行予定ルート上における自然環境によって生じる外乱の情報）から判断される海の状況に対応するための補正係数を意味する。本実施形態においては、将来外乱情報として、進行予定ルート上における、レーダ装置１４が検出した波の高さ及び波の向きが用いられている。波の高さは風速と同様に、波が高くなるほど将来補正係数を大きくする必要がある。また、波の向きによって波が船舶１に及ぼす影響が異なるため、波の高さから判断された将来補正係数が船舶１に与える影響を見積もることができる。

また、将来外乱情報としては、上記で例示した以外にも、陸地の送信機及び衛星等から得られる気象情報（例えば、波浪情報及び風速情報）を用いても良い。この気象情報は、船舶１に設けた無線機等で受信する。そして、自動操舵制御装置１７は、進行予定ルート上の気象情報から海の状況を判断し、その海の状況に基づいて将来補正係数を求める。この場合、レーダ装置１４を用いずに将来補正係数を求めることができる。

波の高さ及び波の向きが及ぼす影響は予め計算されており、自動操舵制御装置１７には、波の高さ及び波の向きと、将来補正係数と、が対応付けられたテーブルが記憶されている。そして、自動操舵制御装置１７は、入力された波の高さ及び波の向きから、このテーブルを参照することで将来補正係数を求める。なお、突発的な外乱の影響で将来補正係数が急に変化するのを防ぐために、将来補正係数は、所定の距離（例えば、進行予定ルート上の数十メートル）において検出された波の高さ及び波の向きを平均する等して求められている。或いは、将来補正係数は、当該位置における所定の時間（例えば数十秒）の波の高さ及び波の向きを平均すること等により求めても良い。

以上のようにして求められた現在補正係数と将来補正係数とに基づいて、補正係数が求められる。また、補正係数は、入力される外乱情報が更新されることで変化していくが、当該変化の勾配が急であると船体が不安定になることがある。そのため、補正係数は緩やかな勾配で変化させることが望まれる。

上記のように、自動操舵制御装置１７は、現在の外乱を考慮するとともに、将来の外乱も先読み的に加味して補正係数を求めている。以下、具体的な補正係数の制御について、図２を参照しながら説明する。

図２において、船舶１が出発点から出発し、進行予定ルートに沿って目的地まで航行する場合を考える。自動操舵制御装置１７には、船舶１の現在位置における海の荒さの情報が風向風速計１３から入力される。また、自動操舵制御装置１７には、船舶１の現在位置から進行予定ルート上で所定距離だけ先行した位置（以下、先読み位置と称する）における海の荒さの情報がレーダ装置１４から入力される。船舶１の出発直後の時点においては、海が荒れ始める領域（地点Ａ）まで十分な距離があるので、現在位置においても先読み位置においても海は穏やかである。従って、現在補正係数及び将来補正係数は何れも小さい値とされ、補正係数も小さくなる。

なお、補正係数は前述のとおり舵を左に切るときと右に切るときとで異なった値をとるが、図３では説明を簡単にするために、風向及び波の向きが一定とであると仮定して、ある一定の方向に偏角が生じたときの補正係数を示している。

船舶１は航行を続け、やがて、地点Ａより所定距離だけ手前の位置（地点ａ）を通過する。すると、先読み位置が地点Ａより向こう側となり、レーダ装置１４が当該位置における海の荒さを自動操舵制御装置１７に出力するようになるので、船舶１は地点Ａより手前側にあって当該船舶１の周囲では海が穏やかであるにもかかわらず、自動操舵制御装置１７において将来補正係数が増大し、その影響で補正係数が大きくなる。従って、船舶１が地点Ａを実際に通過して海が荒い領域に突入する際には、補正係数は既に一定程度大きくなっているので、船舶の針路を容易に安定させることができる。なお、この補正係数が増大する傾きは、現在補正係数と将来補正係数との差と、波の高さ及び波の向きを検出した地点までの距離と、に基づいて決定される。

より具体的には、現在補正係数に対して将来補正係数が大きいほど、補正係数が増大する傾きを大きくする。また、現在補正係数と将来補正係数との差が同じ場合であっても、波の高さ及び波の向きを検出した地点までの距離が近いほど、補正係数が増大する傾きを大きくする。このように、補正係数が増大する傾きを状況に応じて変化させることで、進行予定ルート先の海の状況に素早く対応することができる。

しかし、前述のとおり、補正係数が増減する傾きは一定量以下にすることが望まれており、特に船速が速いほどこの傾きを小さくすることが望まれる。そのため、所定の範囲の船速（例えば、５ノット毎）に対して、補正係数が増減する傾きの許容される上限値を定めておく。つまり、船速に対する上限値は、階段状に変化するように定めている。そして、上記の方法で求めた補正係数が増減する傾きがこの上限値を超えた場合は、当該上限値を補正係数とする。このようにして、補正係数が増減する傾きを抑えている。

船舶１は更に航行を継続し、やがて、地点Ｂより所定距離だけ手前の位置（地点ｂ）を通過する。すると、先読み位置が地点Ｂより向こう側となり、レーダ装置１４が当該位置における海の荒さを自動操舵制御装置１７に出力するようになるので、船舶１は地点Ｂより手前側にあって当該船舶１の周囲では海が荒れているにもかかわらず、自動操舵制御装置１７において将来補正係数が減少し、その影響で補正係数が小さくなる。従って、船舶１が地点Ｂを実際に通過して海が穏やかな領域に突入する際には、補正係数は既に一定程度小さくなっているので、船舶の進路を容易に安定させることができる。船舶１が目的地近辺に到着する頃には、補正係数は、実際の海の穏やかさに対応して低くなっている。

このように、本発明の自動操舵システム１０を用いることで、海の荒れ具合に追従して補正係数を変化させて、海の状況に応じた適切な補正係数で自動操舵を行うことができる。

なお、従来の自動操舵システムにおける補正係数の推移が、参考のために図３のグラフに鎖線で示されている。このグラフで示すように、従来例の自動操舵システムは、地点Ａや地点Ｂに船舶が実際に到達して初めて海の荒れ具合が変化したことを検出して対応するため、海の荒れ具合の変化に素早く対応することができない。また、急激に補正係数を変化させると却って船体が不安定になるおそれがあるので、補正係数の変化はある程度緩やかなものにせざるを得ず、この点でも海の荒れ具合への追従が困難である。一方、本実施形態の自動操舵システム１０は、先読み的な判断を行うことができるので、補正係数の変化は緩やかなものとしつつ、海の荒れ具合の変化に柔軟に追従して自動操舵を的確に行うことができる。

なお、本実施形態の自動操舵制御装置１７は、補正係数と、それを適用して得られた制御の結果と、を監視する構成になっている。そして、適用した補正係数によって良好な結果が得られた場合は、この補正係数を記憶して前述のテーブルを更新する構成になっている。自動操舵制御装置１７が監視する対象としては、例えば偏角の推移があり、偏角が素早く減少した場合は良好な補正係数であったと判断することができる。

また、自動操舵制御装置１７には、ＧＰＳプロッタ１２から潮汐情報が入力されている。この潮汐情報から潮の満ち引きが分かり、その満ち引きによって生じる潮流により船舶１も影響を受ける。そのため、この潮汐情報を、波の高さ及び波の向きに代えて、又は波の高さ及び波の向きに加えて将来外乱情報として用いることができる。

以上に説明したように、本実施形態の自動操舵システム１０は、ＧＰＳコンパス１１と、ＧＰＳプロッタ１２と、風向風速計１３と、レーダ装置１４と、舵角制御バルブ１５と、自動操舵制御装置１７と、を備える。ＧＰＳコンパス１１は、船舶１の船首方位を検出する。ＧＰＳプロッタ１２は、船舶１の現在地を取得可能であり、目的地が入力されることで進行予定ルートの設定を行う。風向風速計１３は、現在地の風向及び風速を検出して現在外乱情報として取得する。レーダ装置１４は、信号を発信し、その反射波を検出することにより、周囲の外乱要素に関する情報を取得する。舵角制御バルブ１５は、船舶１の進行方向を変化させる。自動操舵制御装置１７は、現在地及び現在の船首方位と、目的地又は進行予定ルートと、に基づいて、船舶１の進行方向について修正すべき修正量を求める。そして、自動操舵制御装置１７は、この修正量に適用する補正係数を、少なくとも、現在外乱情報と、レーダ装置１４が取得した外乱要素に関する情報であって進行予定ルート上の情報である将来外乱情報と、に基づいて求める。その後、自動操舵制御装置１７は、この補正係数を修正量に適用して舵角制御バルブ１５を制御することで船舶１の進行方向を変化させる。

これにより、船舶１の進行方向を修正するときに風向及び風速を用いることで、現在地の海の状況に合わせた適切な補正係数で舵角制御バルブ１５の制御を行うことができ、船体が不安定になることを防止できる。また、将来外乱情報を用いることで、進行予定ルートの海の状況の変化素早く対応して舵角制御バルブ１５の制御を行うことができる。

また、本実施形態の自動操舵システム１０において、自動操舵制御装置１７は、将来外乱情報を取得した位置に船舶１が達する前に、当該将来外乱情報を加味して舵角制御バルブ１５を制御する。

即ち、短時間の間に補正係数を大きく変化させると船体が不安定になり易い。この点、上記の構成においては、前方の海の状況に合わせて早目に補正係数を変化させ始めることができるため、補正係数を緩やかに変化させながら適切な値に到達させることができる。そのため、船体が不安定になることを防止することができる。

また、本実施形態の自動操舵システム１０において、自動操舵制御装置１７は、現在外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である現在補正係数を現在外乱情報から求め、将来外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である将来補正係数を将来外乱情報から求める。そして、現在補正係数と将来補正係数との差と、現在地から将来外乱情報を取得した位置までの距離と、に基づいて補正係数を変化させる。

これにより、将来外乱情報を取得した位置に船舶１が到達したとき、船舶１に適用する補正係数が将来補正係数に近い値になるように、補正係数を変化させることができる。

また、本実施形態の自動操舵システム１０において、レーダ装置１４は、進行予定ルート上にある海面反射波の情報を自動操舵制御装置１７に送信する。

即ち、海が荒れていると波の動きが激しくなり、海面反射波が強くなる。従ってこの反射波の情報をレーダ装置１４から自動操舵制御装置１７に送ることで前方の海の荒れ具合を検出できるので、それに対応して舵角制御バルブ１５を制御することができる。また、海面反射波の検出は、レーダ装置１４において海面反射波を他のエコーと分離して除去する機能を利用して容易に実現できるので、コストを低減することができる。

また、本実施形態の自動操舵システム１０において、将来外乱情報は、進行予定ルート上の波の高さ及び波の向きのうち少なくとも何れか一方である。

これにより、船舶１の挙動に影響を与え易い外乱要素を用いることで、舵角制御バルブ１５を良好に制御することができる。具体的には、波の高さは風力と相関性が高く、この風力及び波から船舶１が受ける影響を予測することができる。そして、波の向きを知ることで、この風力及び波によって船体が影響を受ける向きや程度を見積もることができる。

また、本実施形態の自動操舵システム１０において、補正係数は、現在外乱情報と、将来外乱情報からテーブルによって求められた値と、に基づいて求められる。

これにより、補正係数を求める処理を簡単にすることができるので、演算量を低減することができる。

また、本実施形態の自動操舵システム１０において、自動操舵制御装置１７は、過去の制御の結果に基づいてテーブルを修正する。

これにより、様々な制御特性（例えば、船に特有の制御特性）を加味した精度の良好なテーブルを得ることができる。

また、本実施形態の自動操舵システム１０において、将来外乱情報には、潮汐情報が含まれる。

これにより、潮流が船舶１に及ぼす影響を考慮することができるので、舵角制御バルブ１５を良好に制御することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

本実施形態でのＧＰＳコンパス１１に代えて、ジャイロコンパス等を用いることができる。なお、その他の舶用装置と一体となっている方位検出器を用いる構成にすることができる。

ＧＰＳプロッタ１２とそれぞれの舶用機器（ＧＰＳコンパス１１、風向風速計１３及びレーダ装置１４等）とを接続し、表示部３４に当該情報を表示させる構成にすることができる。特に、ＧＰＳコンパス１１及びレーダ装置１４を接続することで、ＧＰＳプロッタ１２が、進行予定ルート上の波の高さ及び波の向きを抽出して自動操舵制御装置１７へ送ることもできる。

本実施形態では、舵角制御バルブ１５の切替えによって舵板を旋回させることで舵機１６を動作させる構成であるが、推進器の向きを変化させて船舶の進行方向を変化させる構成にも本発明を適用することができる。この場合、自動操舵制御装置が適当な舵角変更装置を制御することで推進器の向きを変化させるようにすれば良い。

進行予定ルートの作成方法を、目的地のみを入力して直線で結ぶことで進行予定ルートを作成することに代えて、複数のポイントを選んで、中継するポイントを経由して目的地に移動するように進行予定ルートを作成することもできる。

本実施形態では、修正量として偏角を用いたが、これに代えて、作成された進行予定ルートからの船舶１の位置のズレ量を修正量とすることができる。この場合、ズレ量をなくして船舶１を進行予定ルートに沿わせるように自動操舵を行えば良い。

１ 船舶（自船）
１０ 自動操舵システム
１１ ＧＰＳコンパス（方位検出器）
１２ ＧＰＳプロッタ（航法装置）
１３ 風向風速計（外乱検出装置）
１４ レーダ装置
１５ 舵角制御バルブ（舵角変更装置）
１６ 舵機
１７ 自動操舵制御装置

Claims (8)

1. 自船の船首方位を検出する方位検出器と、
   前記自船の現在地を取得可能であり、目的地が入力されることで進行予定ルートの設定を行う航法装置と、
   前記現在地の自然環境による外乱要素を検出して現在外乱情報として取得する外乱検出装置と、
   信号を発信し、その反射波を検出することにより、前記現在地の周囲の外乱要素に関する情報を取得するレーダ装置と、
   前記自船の進行方向を変化させる舵角変更装置と、
   前記現在地及び現在の前記船首方位と、前記目的地又は前記進行予定ルートと、に基づいて、前記進行方向について修正すべき修正量を求め、
   前記修正量に適用する補正係数を、少なくとも、前記現在外乱情報と、前記レーダ装置が取得した前記周囲の外乱要素に関する情報であって前記進行予定ルート上の情報である将来外乱情報と、に基づいて求め、
   前記現在外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である現在補正係数を前記現在外乱情報から求め、前記将来外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である将来補正係数を前記将来外乱情報から求め、
   前記現在補正係数と前記将来補正係数との差と、前記現在地から前記将来外乱情報を取得した位置までの距離と、に基づいて前記補正係数を変化させ、
   変化させた前記補正係数を前記修正量に適用して前記舵角変更装置を制御することで前記進行方向を変化させる自動操舵制御装置と、
   を備えることを特徴とする自動操舵システム。
2. 請求項１に記載の自動操舵システムであって、
   前記自動操舵制御装置は、前記将来外乱情報を取得した位置に前記自船が達する前に、当該将来外乱情報を加味して前記舵角変更装置を制御することを特徴とする自動操舵システム。
3. 請求項１又は２に記載の自動操舵システムであって、
   前記レーダ装置は、前記進行予定ルート上にある海面反射波の情報を前記自動操舵制御装置に送信することを特徴とする自動操舵システム。
4. 請求項１から３までの何れか一項に記載の自動操舵システムであって、
   前記将来外乱情報は、前記進行予定ルート上の波の高さ及び波の向きのうち少なくとも何れか一方であることを特徴とする自動操舵システム。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載の自動操舵システムであって、
   前記補正係数は、前記現在外乱情報と、前記将来外乱情報からテーブルによって求められた値と、に基づいて求められることを特徴とする自動操舵システム。
6. 請求項５に記載の自動操舵システムであって、
   前記自動操舵制御装置は、過去の制御の結果に基づいて前記テーブルを修正することを特徴とする自動操舵システム。
7. 請求項１から６までの何れか一項に記載の自動操舵システムであって、
   前記将来外乱情報には、潮汐情報が含まれることを特徴とする自動操舵システム。
8. 自船の船首方位を検出する方位検出器と、
   現在地の自然環境による外乱要素を検出して現在外乱情報として取得する外乱検出装置と、
   前記自船の進行方向を変化させる舵角変更装置と、
   目的方位を設定可能であり、前記目的方位と前記船首方位とに基づいて、前記進行方向について修正すべき修正量を求め、前記修正量に適用する補正係数を、少なくとも、前記現在外乱情報と、外部から受信した外乱要素に関する情報であって前記目的方位上の情報である将来外乱情報と、に基づいて求め、
   前記現在外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である現在補正係数を前記現在外乱情報から求め、前記将来外乱情報から判断される海の状況に対応するための補正係数である将来補正係数を前記将来外乱情報から求め、
   前記現在補正係数と前記将来補正係数との差と、前記現在地から前記将来外乱情報を取得した位置までの距離と、に基づいて前記補正係数を変化させ、
   変化させた前記補正係数を前記修正量に適用して前記舵角変更装置を制御することで前記進行方向を変化させる自動操舵制御装置と、
   を備えることを特徴とする自動操舵装置。

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