JP5616120B2 - 操舵制御装置、船舶、操舵制御方法、および操舵制御プログラム - Google Patents

Description

この発明は、船舶において、目標とする方位に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（Proportional-Integral-Derivative Control）等により舵角を制御するものである。例えば、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、偏角は、波等の外乱の影響や、制御に起因する発振により発生する。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を区別することが望ましい。

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。そうすると偏角が大きくなったときに、それが外乱により発生した周期的なヨーイングに起因するものなのか、制御に起因する発振状態によるものなのか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、自船の状態を判定す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、船の船首方位と目標方位の設定を受け付ける方位受付部と、前記船首方位と前記目標方位とのずれ角である偏角を所定のタイミングごとに検出する偏角検出部と、前記船の舵角を決定する制御信号を出力する制御部と、を備えた操舵制御装置であって、前記偏角の変動が所定の周期を有し、かつ前記船首方位が所定の期間内に前記目標方位を跨ぐように変動しているとの、発振状態であると判断するための条件を満たしていることを検知した場合に、周期性識別信号を出力する周期性識別部を備え、前記周期性識別部は、前記偏角に基づいて前記船の目標舵角の算出に用いる制御パラメータを設定する制御パラメータ設定部を含み、前記制御部は、前記偏角と前記制御パラメータに基づいて前記制御信号を出力するもので、前記制御パラメータ設定部は、前記制御部に前記周期性識別信号を出力し、前記制御パラメータの設定を行うことを特徴とする。

偏角が所定の周期を有するか否かを判別する手法として、例えば、偏角が極大値（または極小値）をとるタイミングから次に極大値（または極小値）をとるタイミングまでの時間差を１周期として標準偏差をそれぞれ求め、標準偏差が所定値未満であれば周期性を有すると判断する手法が挙げられる。また、船首方位が所定の期間内に目標方位を跨ぐように変動している（偏角の変動が０付近を中心とする）か否かを判別する手法として、例えば、１周期内の偏角の最大値と最小値の平均値である偏角中心値が所定のしきい値（例えば±２°）未満であれば偏角が０付近を中心として変動していると判断する手法が挙げられる。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、複雑な処理が少なくてすむ。

偏角の変動は、横波等の外乱を受けた状態、発振状態ともに、いずれも所定の周期を有するものであるが、発振状態の場合は、目標方位を中心に偏角が変動するため、首方位が所定の期間内に目標方位を跨ぐように変動している（偏角中心値が０に近くなる）。一方で、横波等の外乱を受けた場合は、一旦偏角中心値が０から大きくずれ、ヨーイングをしながら、時間経過とともに徐々に０に近くなる。そのため、偏角が０付近を中心として所定の周期を有する場合に、発振状態であると判断する。発振状態であると判断された場合、前記制御部に前記周期性識別信号が出力され、前記制御パラメータの設定が行われる。

また、制御パラメータ設定部は、偏角の最大値と最小値が異符号である場合に制御パラメータの設定を変更する態様であってもよい。

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、自船の状態を判定することができる。

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。 偏角の時間変化を示した図である。 従来の判断手法と、本実施形態で説明した制御状態監視部の発振状態判定を行った場合と、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、制御部１５、舵機１６、および舵角センサ１７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、本発明の偏角検出部に相当し、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１５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１５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１５は、舵角センサ１７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１６に新たな舵角を出力する。舵機１６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、自船の状態を判断して上記制御パラメータを修正するものである。制御状態監視部１４は、自船の状態に応じて制御部１５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）を設定する制御パラメータ設定部として機能する。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、上記ゲインの１または複数の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、周期性識別信号を出力し、制御部の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）。制御状態監視部１４は、自船の状態が発振状態であると判断した場合、制御部に周期性識別信号を出力し、ゲインを下げる設定を行う（ｓ１２）。一方で、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（ｓ１３）。制御状態監視部１４は、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、ゲインを上げる設定を行う（ｓ１４）。

なお、比例ゲイン、積分ゲイン、および微分ゲインは、全ての設定を変更してもよいし、一部（例えば比例ゲインだけ）の設定を変更してもよい。例えば比例ゲインを下げると目標方位に対する船首方位の過大変化（オーバーシュート）を抑えることができ、オーバーシュートの繰り返しによる発振を抑えることができる。

発振状態であるか否か（ｓ１２）、安定状態であるか否か（ｓ１３）の判断は、以下のようにして行う。まず、発振状態であるか否かの判断について説明する。

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角θの変動の周期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。なお、１周期を算出するための手法はこの例に限らず、偏角θが極小値をとるタイミングから次に極小値をとるタイミングまでの時間差でもよく、後述の偏角θの一階微分ωが０となるタイミングから次に０となるタイミングまでの時間差等、種々の手法が挙げられる。

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が所定の周期を有する場合、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。

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。制御状態監視部１４は、自船の挙動を示す挙動特徴量として、例えば、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を求める。

さらに、制御状態監視部１４は、発振状態であると判断するための条件として、各周期における基準となる値が所定値未満であるかを判断する。例えば、偏角中心値θｃが所定のしきい値θｔｈ（例えば±２°）未満であるかを判断する。船首方位が目標方位を跨ぐように変動している場合、偏角中心値θｃが小さくなる（０付近を中心として変動する）。つまり、制御状態監視部１４は、標準偏差σ_θが所定値未満であり（偏角の変動が所定の周期を有し）、かつ偏角中心値θｃが所定のしきい値θｔｈ未満である（船首方位が所定の期間内に前記目標方位を跨ぐように変動している）場合に、発振状態であると判断する。また、挙動面積Ｓの平均値（例えば５周期分とする。）が所定値以上である（偏角がある程度の大きさの振幅で連続して変動している）ことを条件に追加してもよい。

なお、しきい値θｔｈは、船の形状（長さ、幅）やタイプ（プレジャーボートであるか、漁船であるか、等）により、実験結果に基づいて決定すればよい。また、各周期における基準となる値は、偏角中心値θｃに限らず、例えば一階微分ωが最大（または最小）となるときの偏角θの値とする、一階微分ωが最大、最小となるときのそれぞれの偏角θの値の平均値とする等、他の値であってもよい。

図４は、偏角の時間軸上の変化を示した図である。同図（Ａ）は、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。同図の例では、いずれも、ヨーイングの周期がほぼ同じ例を示している。

同図（Ａ）および同図（Ｂ）に示すように、横波等の外乱を受けた状態、発振状態ともに、偏角θの変動は、いずれも所定の周期を有する（標準偏差σ_θが所定値未満となる）。しかし、発振状態の場合は、偏角θを０とするような制御の影響が強く現れるため、同図（Ｂ）に示すように、偏角中心値θｃが０に近くなる。一方で、横波等の外乱を受けた場合は、同図（Ａ）に示すように、一旦偏角中心値θｃが０から大きくずれ、周期的なヨーイングを起こしながら、時間経過とともに徐々に０に近くなる。

したがって、制御状態監視部１４は、一旦偏角中心値θｃが０から大きくずれている場合、ゲインを下げず（またはゲインを上げて）、偏角中心値θｃを０に近づけるために発振状態ではないと判断する。

なお、制御状態監視部１４は、１周期内で偏角中心値θｃがしきい値θｔｈ未満となった場合、発振状態であると判断してもよいし、複数周期（例えば５周期分）の偏角中心値θｃの平均値がしきい値θｔｈ未満となった場合のみ発振状態であると判断してもよい。

また、制御状態監視部１４は、さらに、偏角θの最大値、最小値が異符号である場合に発振状態であるとする条件を追加してもよい。例えば、同図（Ｃ）に示すように、偏角中心値がある程度は０に近づくが、定常的に目標方位と設定方位がずれ、偏角θの最大値、最小値が同符号の状態となる場合がある。この場合も、外乱による影響が依然として強く、やはりゲインを上げて偏角θを０に近づける必要がある。仮に、同図（Ｃ）の状態において、発振状態であると判定すると、ゲインが下げられ、偏角中心値が０から遠ざかるおそれもある。そのため、偏角θの最大値、最小値が異符号であるか否かの条件をさらに追加し、異符号である場合に限り、発振状態であると判断する態様も可能である。

なお、上述と同様に、制御状態監視部１４は、１周期内で偏角θの最大値、最小値が異符号となった場合、発振状態であると判断してもよいし、複数周期（例えば５周期分）で偏角θの最大値、最小値が異符号となった場合のみ発振状態であると判断してもよい。

次に、安定状態であるか否かの判断手法について説明する。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。図２のフローチャートで示したように、安定状態であると判断した場合は、各種ゲインが最適な状態であると判断するものであり、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）態様とする。

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。

次に、図５は、横波を受けた状態において、周期的なヨーイングが発生していれば発振状態であると判断する場合（従来の判断手法）と、本実施形態で説明した制御状態監視部の発振状態判定を行った場合と、の比較図である。同図（Ａ）および同図（Ｂ）が従来の判断手法の図であり、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。

従来の手法では、同図（Ａ）のハッチング部分に示すように、周期的なヨーイングが発生していれば発振状態であると判断し、ゲインを下げる処理を行う（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）のハッチング部分に示すように、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、本実施形態で説明した制御状態監視部の発振状態判定を行う場合、偏角の変動が周期的であり、偏角がある程度の大きさの振幅で連続して変動しており、かつ偏角の変動の中心となる角度が０に近い場合にのみ発振状態と判断するため、同図（Ｃ）のハッチング部分に示すように、ゲインを現状のまま、あるいは上げる処理を行う（３００ｓｅｃ．以降）。この場合、舵を操作する量はそのまま、あるいは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）のハッチング部分に示すように偏角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、偏角が０付近を中心として周期的に変動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、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、航行中の安全性を向上することが出来る。

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、比例制御、積分制御、微分制御の少なくとも一つを用いて舵角を制御してもよい。無論、他の制御方式を用いて舵角を制御してもよい。

なお、本実施形態では、発振状態であると判定した場合に周期性識別信号を制御部に出力し、制御パラメータを変更する例を示したが、ＬＥＤやスピーカの制御部に出力し、警告灯やブザー警報により操舵手に通知を行う態様も可能である。

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…制御部
１６…舵機
１７…舵角センサ

Claims (11)

1. 船の船首方位と目標方位の設定を受け付ける方位受付部と、
   前記船首方位と前記目標方位とのずれ角である偏角を所定のタイミングごとに検出する偏角検出部と、
   前記船の舵角を決定する制御信号を出力する制御部と、
   を備えた操舵制御装置であって、
   前記偏角の変動が所定の周期を有し、かつ前記船首方位が所定の期間内に前記目標方位を跨ぐように変動しているとの、発振状態であると判断するための条件を満たしていることを検知した場合に、周期性識別信号を出力する周期性識別部を備え、
   前記周期性識別部は、前記偏角に基づいて前記船の目標舵角の算出に用いる制御パラメータを設定する制御パラメータ設定部を含み、
   前記制御部は、前記偏角と前記制御パラメータに基づいて前記制御信号を出力するもので、
   前記制御パラメータ設定部は、前記制御部に前記周期性識別信号を出力し、前記制御パラメータの設定を行うことを特徴とする操舵制御装置。
2. 請求項１に記載の操舵制御装置であって、
   前記制御パラメータ設定部は、前記発振状態であると判断するための条件としての、前記偏角の変動が所定の周期を有し、かつ所定の期間内における前記偏角の最大値と最小値が前記目標方位を基準として互いに異符合になることを検知した場合に、前記制御パラメータの設定を変更することを特徴とする操舵制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の操舵制御装置であって、
   前記制御部は、前記偏角に対して比例成分、積分成分または微分成分の少なくとも一つの成分に基づき前記舵角を決定することを特徴とする操舵制御装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の操舵制御装置であって、
   前記制御部は、前記偏角に対して比例成分、積分成分および微分成分に基づき前記舵角を決定し、
   前記制御パラメータ設定部は、前記制御パラメータを各成分に応じて設定することを特徴とする操舵制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の操舵制御装置と、
   船首方位を検出し、前記方位受付部に出力する方位センサと、
   前記船の船体の方位を変更する舵と、
   を備え、
   前記舵は、前記制御信号に基づいて制御されることを特徴とする船舶。
6. 船の船首方位と目標方位の設定を受け付ける方位受付ステップと、
   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ステップと、
   前記船の舵角を決定する制御信号を出力する制御ステップと、
   を備えた操舵制御方法であって、
   前記偏角の変動を検出する偏角変動検出ステップと、
   前記偏角の変動が所定の周期を有し、かつ前記船首方位が所定の期間内に前記目標方位を跨ぐように変動しているとの、発振状態であると判断するための条件を満たしていることを検知した場合に、周期性識別信号を出力する周期性識別ステップと、を備え、
   前記周期性識別ステップは、前記偏角に基づいて前記船の目標舵角の算出に用いる制御パラメータを設定する制御パラメータ設定ステップを含み、
   前記制御パラメータ設定ステップは、前記周期性識別信号を出力し、前記制御パラメータの設定を変更し、
   前記制御ステップは、前記偏角と前記制御パラメータに基づいて前記制御信号を出力することを特徴とする操舵制御方法。
7. 請求項６に記載の操舵制御方法であって、
   前記制御パラメータ設定ステップは、前記発振状態であると判断するための条件としての、前記偏角の変動が所定の周期性を有し、かつ所定の期間内における前記偏角の最大値と最小値が前記目標方位を基準として互いに異符合になる場合に、前記制御パラメータの設定を変更するステップを含むことを特徴とする操舵制御方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の操舵制御方法であって、
   前記制御ステップは、前記偏角の比例成分、積分成分および微分成分に基づき、前記舵角を決定するステップを含み、
   前記制御パラメータ設定ステップは、前記制御パラメータを各成分に応じて設定するステップを含むことを特徴とする操舵制御方法。
9. 船の船首方位と目標方位の設定を受け付ける方位受付ステップと、
   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ステップと、
   前記船の舵角を決定する制御信号を出力する制御ステップと、
   を操舵制御装置に実行させる操舵制御プログラムであって、
   前記操舵制御装置に、前記偏角の変動を検出する偏角変動検出ステップと、
   前記偏角の変動が所定の周期を有し、かつ前記船首方位が所定の期間内に前記目標方位を跨ぐように変動しているとの、発振状態であると判断するための条件を満たしていることを検知した場合に、周期性識別信号を出力する周期性識別ステップと、を実行させ、
   前記周期性識別ステップは、前記偏角に基づいて前記船の目標舵角の算出に用いる制御パラメータを設定する制御パラメータ設定ステップを含み、
   前記制御パラメータ設定ステップは、前記周期性識別信号を出力し、前記制御パラメータの設定を変更し、
   前記制御ステップは、前記偏角と前記制御パラメータに基づいて前記制御信号を出力することを特徴とする操舵制御プログラム。
10. 請求項９に記載の操舵制御プログラムであって、
    前記制御パラメータ設定ステップは、前記発振状態であると判断するための条件としての、前記偏角の変動が所定の周期性を有し、かつ所定の期間内における前記偏角の最大値と最小値が前記目標方位を基準として互いに異符合になる場合に、制御パラメータの設定を変更するステップを含むことを特徴とする操舵制御プログラム。
11. 請求項９または請求項１０に記載の操舵制御プログラムであって、
    前記制御ステップは、前記偏角の比例成分、積分成分および微分成分に基づき、前記舵角を決定するステップを含み、
    前記制御パラメータ設定ステップは、前記制御パラメータを各成分に応じて設定するステップを含むことを特徴とする操舵制御プログラム。

Images