JP6191984B2

JP6191984B2 - 船舶の操舵方法及び船舶の自動操舵装置

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Publication number: JP6191984B2
Application number: JP2013123006A
Authority: JP
Inventors: 道雄上野; 吉昭塚田
Original assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Current assignee: National Institute of Maritime Port and Aviation Technology
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: JP2014240225A

Description

本発明は、プロペラで推進される船舶の操舵方法及び船舶の自動操舵装置に関する。

海の状況に応じて、船舶の舵を制御する自動操舵システムが開示されている（特許文献１）。本自動操舵システムでは、目的地の方位とＧＰＳコンパスが検出した船首方向との偏差に対して、風向風速計で検出された現在値の風向及び風速と、レーダ装置で取得された進行予定ルート上の波の高さ及び波の向きとに基づいて補正を行う。

また、制御型自己回帰モデルを用いて、針路偏差を抑制するように制御する自動操舵装置が開示されている（特許文献２）。本自動操舵装置では、方位角検出手段から得られるターンレートを針路偏差補正に加味して最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。また、設定針路から所定角度ずらした仮想設定針路を設定し、その仮想設定針路に対する実際の航跡の差である針路偏差を計測し、その針路偏差オフセット値に基づいて最適操舵量を算出し、その最適操舵量に基づいて舵角を制御する。

また、自動変針時における船舶と自動操舵装置のパラメータとのずれによる性能低下を防止し、最適な変針軌道計画を可能にする船舶用自動操舵装置が開示されている（特許文献３）。本船舶用自動操舵装置は、軌道計画に基づいた最適参照針路を演算する軌道演算部と、制御ループを安定化させるために閉ループ制御を提供するフィードバック制御器と、制御ループの変針特性を高めるために開ループ制御を提供するフィードフォワード制御器と、実際の船舶のパラメータを推定演算する同定演算部を有する。

特開２０１１−５８８８号公報特開２００８−２３０４８４号公報特開平９−２０７８８９号公報

ところで、船舶の舵の効果は舵に流入する水流の性質に影響される。舵へ流入する水流の性質は、舵の前に置かれたプロペラの作動状況によって大きく影響を受ける。例えば、プロペラ荷重度が大きいときには舵に流入する水流が速くなるため、同じ舵角でも舵の発生する力が大きくなって舵効きが良くなり、プロペラ荷重度が小さいときは舵効きが悪くなる。

しかしながら、舵に流入する水流の性質の舵効きへの影響を考慮した船舶の操舵方法及び船舶の自動操舵装置はこれまでなかった。

本発明は、プロペラで推進される船舶において、舵に流入する水流の性質の舵効きへの影響を考慮した船舶の操舵方法及び船舶の自動操舵装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る船舶の操舵方法は、プロペラで推進され、舵で船首方位を変更する船舶を目標船首方位と現船首方位との偏差に基づいて指令舵角を算出して操舵する船舶の操舵方法において、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れによる舵直圧力に応じて補正して補正指令舵角を求める補正ステップを備え、前記補正指令舵角を前記指令舵角として用いて操舵することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る船舶の操舵方法は、プロペラで推進され、舵で船首方位を変更する船舶を目標船首方位と現船首方位との偏差に基づいて指令舵角を算出して操舵する船舶の操舵方法において、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れの舵有効流入速度に応じて補正して補正指令舵角を求める補正ステップを備え、前記補正指令舵角を前記指令舵角として用いて操舵することを特徴とする。ここで、前記補正ステップは、前記舵直圧力の代わりに、舵有効流入速度に応じて前記標準舵角を補正して前記補正指令舵角を求めることが好ましい。例えば、前記補正ステップは、

により前記補正指令舵角を求めることが好適である。ここで、δ^*：補正指令舵角（外乱のある場合）、δ₀ ^*：標準舵角（外乱の無い場合）、ｕ_Ｒ0：標準舵有効流入速度（外乱の無い場合）、ｕ_Ｒ：舵有効流入速度の前後方向成分（外乱のある場合）である。

前記補正ステップは、前記舵有効流入速度の前後方向成分ｕ_Rと船速の前後方向成分ｕとの前後方向成分比ｕ_R／ｕに応じて前記補正指令舵角を求めることが好適である。

例えば、前記前後方向成分比ｕ_R／ｕを、プロペラ荷重度τに基づいて求めることが好適である。このとき、前記前後方向成分比ｕ_R／ｕを、

により求めることができる。ここで、ｕ_R: 舵有効流入速度の前後方向成分、ｕ：船速の前後方向成分、１−ｗ：伴流係数、ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比、η : プロペラ直径と舵高さの比、κ：プロペラ後流の増速率に関する係数、Ｋ_T: 推力係数、Ｊ：プロペラ前進率、τ：プロペラ荷重度である。

また、例えば、前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを、プロペラスリップ比ｓに基づいて求めることが好適である。このとき、前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを、

により求めることができる。ここで、ｕ_Ｒ: 舵有効流入速度の前後方向成分、ｕ：船速の前後方向成分、１−ｗ：伴流係数、ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比、η : プロペラ直径と舵高さの比、κ：プロペラ後流の増速率に関する係数、ｓ: プロペラスリップ比である。

本発明の請求項９に記載の船舶の自動操舵装置は、船体を推進するプロペラと、船首方位を変更する舵と、目標船首方位と現船首方位との偏差に応じて指令舵角を算出して前記舵を操舵する操舵制御手段を備える船舶の自動操舵装置であって、前記操舵制御手段は、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れによる舵直圧力に応じて補正して補正指令舵角を求める補正部を備えることを特徴とする。

また、請求項１０に係る船舶の自動操舵装置は、船体を推進するプロペラと、船首方位を変更する舵と、目標船首方位と現船首方位との偏差に応じて指令舵角を算出して前記舵を操舵する操舵制御手段を備える船舶の自動操舵装置であって、前記操舵制御手段は、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れの舵有効流入速度に応じて補正して補正指令舵角を求める補正部を備えることを特徴とする。ここで、前記補正部は、前記舵直圧力の代わりに、前記標準舵角を舵有効流入速度に応じて補正して前記補正指令舵角を求めることが好ましい。例えば、前記補正部は、

により前記標準舵角を補正することが好適である。ここで、δ^*：補正指令舵角（外乱のある場合）、δ₀ ^*：標準舵角（外乱の無い場合）、ｕ_Ｒ0：標準舵有効流入速度（外乱の無い場合）、ｕ_Ｒ：舵有効流入速度の前後方向成分（外乱のある場合）である。

前記補正部は、前記標準舵角を前記プロペラのプロペラ荷重度τに応じて補正することが好適である。なお、前記プロペラ荷重度τは、プロペラ推力Ｔ、船速の前後方向成分ｕ及びプロペラ回転数ｎを用いて算出することができる。

また、前記船速の前後方向成分ｕは、船速Ｖと前記船体の斜航角βを用いて算出することができる。なお、前記船速の前後方向成分ｕは、船速Ｖで代用してもよい。

また、前記プロペラ推力Ｔは、実測して得られた値を用いてもよい。なお、前記プロペラ推力Ｔは、実測して得られたプロペラトルクと前記プロペラの単独性能に基づいて算出された値を用いてもよい。

また、前記プロペラ荷重度τは、伴流係数１−ｗの推定値、船速の前後方向成分ｕ又は船速Ｖ、及びプロペラ回転数ｎを用いてプロペラ単独性能から推定してもよい。

このとき、前記補正部は、

により、前記プロペラ荷重度τから前記舵有効流入速度の前後方向成分ｕ_Ｒと船速の前後方向成分ｕとの前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを求め、前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕに基づいて前記標準舵角を補正することが好適である。ここで、ｕ_Ｒ: 舵有効流入速度の前後方向成分、ｕ：船速の前後方向成分、１−ｗ：伴流係数、ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比、η : プロペラ直径と舵高さの比、κ：プロペラ後流の増速率に関する係数、τ：プロペラ荷重度である。

また、前記補正部は、前記標準舵角を前記プロペラのプロペラスリップ比ｓに基づいて補正してもよい。

このとき、前記補正部は、

により、前記プロペラスリップ比ｓから前記舵有効流入速度の前後方向成分ｕ_Ｒと船速の前後方向成分ｕとの前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを求め、前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕに基づいて前記標準舵角を補正することが好適である。ここで、ｕ_Ｒ: 舵有効流入速度の前後方向成分、ｕ：船速の前後方向成分、１−ｗ：伴流係数、ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比、η : プロペラ直径と舵高さの比、κ：プロペラ後流の増速率に関する係数、ｓ: プロペラスリップ比である。

本発明に係る船舶の操舵方法は、プロペラで推進され、舵で船首方位を変更する船舶を目標船首方位と現船首方位との偏差に基づいて指令舵角を算出して操舵する船舶の操舵方法において、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れによる舵直圧力に応じて補正して補正指令舵角を求める補正ステップを備え、前記補正指令舵角を前記指令舵角として用いて操舵することによって、舵に流入する水流の性質に応じて効果的に舵を制御し、安定した自動操舵航行をすることができる。

本発明に係る船舶の操舵方法は、プロペラで推進され、舵で船首方位を変更する船舶を目標船首方位と現船首方位との偏差に基づいて指令舵角を算出して操舵する船舶の操舵方法において、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れの舵有効流入速度に応じて補正して補正指令舵角を求める補正ステップを備え、前記補正指令舵角を前記指令舵角として用いて操舵することにより、物理量として把握し易い値を用いて前記補正指令舵角を求めることができる。また、上記数式（１）を用いて前記補正指令舵角を的確に求めることができる。

前記補正ステップは、前記舵有効流入速度の前後方向成分ｕ_Rと船速の前後方向成分ｕとの前後方向成分比ｕ_R／ｕに応じて前記補正指令舵角を的確に求めることができる。また、前後方向成分比ｕ_R／ｕに応じて前記補正指令舵角を求めることにより、プロペラ荷重度やプロペラスリップ比に基づいて前記標準舵角を補正することが可能となる。例えば、前記前後方向成分比ｕ_R／ｕを、プロペラ荷重度τに基づいて、上記数式（２）或いは（３）により求めることができる。また、例えば、前記前後方向成分比ｕ_R／ｕを、プロペラスリップ比ｓに基づいて、上記数式（４）により求めることができる。プロペラ荷重度τ或いはプロペラスリップ比ｓに基づくことにより、船舶として把握が容易なパラメータを用いて前記前後方向成分比ｕ_R／ｕを求めることができる。

本発明に係る船舶の自動操舵装置は、船体を推進するプロペラと、船首方位を変更する舵と、目標船首方位と現船首方位との偏差に応じて指令舵角を算出して前記舵を操舵する操舵制御手段を備える船舶の自動操舵装置であって、前記操舵制御手段は、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れによる舵直圧力に応じて補正して補正指令舵角を求める補正部を備えることによって、舵に流入する水流の性質に応じて効果的に舵を制御し、安定に船舶を自動航行させることができる。

本発明に係る船舶の自動操舵装置は、船体を推進するプロペラと、船首方位を変更する舵と、目標船首方位と現船首方位との偏差に応じて指令舵角を算出して前記舵を操舵する操舵制御手段を備える船舶の自動操舵装置であって、前記操舵制御手段は、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れの舵有効流入速度に応じて補正して補正指令舵角を求める補正部を備えることにより、物理量として把握し易い値を用いて前記補正指令舵角を求めることができる。また、上記数式（５）を用いて前記補正指令舵角を的確に求めることができる。

また、前記補正部は、前記標準舵角を前記プロペラのプロペラ荷重度τに応じて補正することによって、また、プロペラ推力Ｔ、船速の前後方向成分ｕ及びプロペラ回転数ｎを用いることにより、船舶として把握が容易なパラメータを用いて前記指令舵角を補正して前記補正指令舵角を求めることができる。ここで、前記船速の前後方向成分ｕを船速Ｖと前記船体の斜航角βを用いて算出することにより、船舶として通常計測する船速Ｖと前記船体の斜航角βとを実測することで前記補正指令舵角を求めることができる。なお、前記船速の前後方向成分ｕを船速Ｖで代用することにより、斜航角が小さいときには前記船体の斜航角βを実測することなく、船速Ｖのみを用いて前記補正指令舵角を求めることができる。

また、前記プロペラ推力Ｔは、実測して得られた値を用いることにより、舵に流入する水流の性質に正確に応じて舵を制御することができる。一方、前記プロペラ推力Ｔは、実測して得られたプロペラトルクと前記プロペラの単独性能に基づいて算出することによって、プロペラ推力Ｔを直接計測する計測器等を準備する必要がなくなる。また、前記プロペラ荷重度τは、伴流係数１−ｗの推定値、船速の前後方向成分ｕ又は船速Ｖ、及びプロペラ回転数ｎを用いてプロペラ単独性能から推定することにより、プロペラ荷重度τを直接計測する計測器等を準備する必要がなくなり、上記数式（６）にて前記補正指令舵角を求めることができる。

また、前記補正部は、前記標準舵角を前記プロペラのプロペラスリップ比ｓに基づいて補正することにより、船舶として把握が容易な数値を用いて前記前後方向成分比ｕ_R／ｕを求めることができる。また、上記数式（７）にて前記補正指令舵角を的確に求めることができる。

本発明の実施の形態における自動操舵装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における船舶の構成を示す図である。本発明の実施の形態における操舵方法を示すフローチャートである。

＜自動操舵装置の構成＞
本実施形態の自動操舵装置１００は、図１に示すように、船首方位取得手段１０、目標船首方位設定手段１２、操舵制御手段１４、パラメータ設定手段１６、実測手段１８及び舵機２０を含んで構成される。

自動操舵装置１００は、図２に示すように、船舶２００に搭載され、船舶２００の船体を推進させるプロペラ１０２の作動状況に応じて、船舶２００に設けられた舵１０４の動きを制御する。この舵１０４の制御により、船舶２００の船体の船首方向が変更される。

船首方位取得手段１０は、現在の船舶２００の船首の方位である現船首方位Ψを取得するための手段である。船首方位取得手段１０は、例えば、ＧＰＳコンパスとすることができる。また、船首方位取得手段１０は、ジャイロコンパス等の方位検出器としてもよい。目標船首方位設定手段１２は、船舶２００の進行予定ルートの設定を行う。目標船首方位設定手段１２は、例えば、ＧＰＳプロッタとすることができる。目標船首方位設定手段１２は、船舶２００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。これにより、船舶２００の目標となる船首の方位である目標船首方位Ψ_tが得られる。

操舵制御手段１４は、図１に示すように、偏差算出部１４ａ、標準舵角算出部１４ｂ及び補正部１４ｃを含んで構成される。操舵制御手段１４は、コンピュータにおいて操舵プログラムを実行することによって、偏差算出部１４ａ、標準舵角算出部１４ｂ及び補正部１４ｃとして機能させるようにして実現することができる。

操舵制御手段１４は、船首方位取得手段１０で得られた現船首方位Ψと目標船首方位設定手段１２で得られた目標船首方位Ψ_tとに基づいて偏差算出部１４ａで偏差を算出し、標準状態の指令舵角（以下、標準舵角δ₀ ^*という。）を求める。さらに、パラメータ設定手段１６により設定されたパラメータ及び実測手段１８で計測された各種実測値に基づいて、舵直圧力に応じて標準舵角の補正値である補正指令舵角δ^*を求める。

操舵制御手段１４による標準舵角の算出及び標準舵角の補正の処理については後述する。

舵機２０は、操舵制御手段１４で求められた補正指令舵角δ^*を用いて船舶２００の舵１０４を制御する。舵機２０は、例えば舵角制御バルブを制御することによって舵１０４の舵板を旋回制御し、船舶２００の進行方向を変化させる。また、舵角制御バルブによって舵板を旋回させる代わりに、推進器の向きを変化させて船舶２００の進行方向を変化させる構成としてもよい。この場合、自動操舵装置１００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よい。

＜操舵方法＞
以下、自動操舵装置１００による操舵方法について説明する。自動操舵装置１００は、操舵制御手段１４において補正指令舵角δ^*を求め、舵機２０において補正指令舵角δ^*に基づいて舵１０４を制御することにより操舵を行う。したがって、以下では操舵制御手段１４において補正指令舵角δ^*を求める点について説明する。

本実施の形態における操舵方法は、図３のフローチャートに沿って実行される。図３の各ステップは、操舵制御手段１４となるコンピュータにおいて操舵プログラムを実行することにより実現される。まず、ステップＳ８では、目標船首方位Ψ_tと現船首方位Ψが取得される。

ステップＳ１０では、偏差（Ψ_t−Ψ）が算出される。偏差算出部１４ａでは、船首方位取得手段１０で得られた現船首方位Ψと目標船首方位設定手段１２で得られた目標船首方位Ψ_tを受けて、目標船首方位Ψ_tから現船首方位Ψを減算した偏差（Ψ_t−Ψ）を算出する。このステップＳ１０での処理は、偏差算出部１４ａでの処理に相当する。

ステップＳ１２では、ステップＳ１０で得られた偏差（Ψ_t−Ψ）に基づいて標準舵角δ₀ ^*が算出される。なお、標準舵角δ₀ ^*は、外乱がなく標準状態の船速にあるときの指令舵角である。このステップＳ１２での処理は、標準舵角算出部１４ｂでの処理に相当する。

例えば、ＰＩＤ制御を適用した場合、標準舵角δ₀ ^*は、偏差（Ψ_t−Ψ）に基づいて数式（１）のように算出することができる。

ここで、ｔは時間、ｃ_p，ｃ_i，ｃ_dはそれぞれＰＩＤ制御の比例係数、積分係数及び微分係数である。

なお、ＰＩＤ制御は、偏差（Ψ_t−Ψ）に基づいて標準舵角δ₀ ^*を算出する一例に過ぎない。例えば、制御係数をＰＩＤ制御以外の手法で設定してもよい。また、例えば、偏差（Ψ_t−Ψ）が微小な場合には標準舵角δ₀ ^*を０とする不感帯を設けてもよいし、標準舵角δ₀ ^*に最大舵角を設定してもよいし、船首揺れ等の他のパラメータに基づいて標準舵角δ₀ ^*に補正を加えてもよいし、船首方向のみならず目標航路からの偏差を考慮するようにしてもよい。

ステップＳ１４では、ステップＳ１２で得られた標準舵角δ₀ ^*を補正して補正指令舵角δ^*を求める。このステップＳ１４での処理は、補正部１４ｃでの処理に相当する。

船舶２００の舵効きは、舵直圧力Ｆ_Nに応じて変化する。そこで、本実施の形態では、舵直圧力Ｆ_Nに応じて標準舵角δ₀ ^*を補正して補正指令舵角δ^*を求める。舵直圧力Ｆ_Nは、数式（２）で表わされる。

ここで、ρは水の密度、Ａ_Rは舵面積、fαは舵の直圧力係数勾配で縦横比の関数、Ｕ_Rは舵有効流入速度、α_Rは舵有効流入角をそれぞれ表す。

舵有効流入速度Ｕ_Rは、前後方向成分ｕ_Rと左右方向成分ｖ_Rを用いて数式（３）で表わされる。

舵有効流入角α_Rは、数式（４）で表わされる。

ここで、ｖ_RPはプロペラの回転による左右方向流速成分、γ_Rは整流係数、βは船の斜航角、ｌ_R'は舵の流体力学的前後位置、r'は無次元旋回角速度をそれぞれ表す。

数式（３）において主として斜航や旋回の影響を表す左右方向成分ｖ_Rに比べてプロペラ１０２の後流を表す前後方向成分ｕ_Rが支配的である。数式（４）において第２項のプロペラ１０２の回転による左右方向流速成分ｖ_RPは前後方向成分ｕ_Rに比べて小さく一般に無視しうる程度である。第３項は船の斜航と旋回による影響を表すため自動操舵をおこなう直進付近では一般に小さな値をとる。これらを考慮すると数式（３）と数式（４）はそれぞれ以下のように近似できる。

上記の近似と自動操舵では一般に大舵角はとらないことを考えると数式（２）は次式で近似できる。

そこで、数式（７）で表わされる前後方向成分ｕ_Rの２乗に着目して舵効きを考慮すればよい。

ここで、εは舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比、κはプロペラ後流の増速率、ηはプロペラ直径と舵高さの比をそれぞれ表す。数式（７）によってある船の前後方向成分ｕ_Rに対しては航行時のプロペラ荷重度τが支配的影響をおよぼすことがわかる。

なお、数式（７）の平方根を求め、前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを表現すると次式で表される。

プロペラ荷重度とは、数式（９）で表される単位面積あたりの推力τを表す。

ここで、Ｔはプロペラ推力、ρは水の密度、Ｄはプロペラ直径、ｕは船速の前後方向成分、１−ｗは伴流係数、Ｋ_Tは数式（１０）で表される推力係数を表す。

また、推力係数Ｋ_Tは、一般的にプロペラ前進率Ｊの関数である。プロペラ前進率Ｊは、数式（１１）で表わされる。

プロペラ荷重度τが大きい場合は舵効きが良いのでそれに応じて補正指令舵角δ^*を小さくすれば不必要な操舵をすることなく操舵装置の省エネ向上に貢献する。逆にプロペラ荷重度τが小さい場合は舵効きが悪いのでそれに応じて補正指令舵角δ^*を大きくすれば目標船首方位からの偏差を小さくでき過大な船首揺れを防ぎ安全性向上等に寄与する。これらの組み合わせによって安定した自動操舵航行が期待できる。

プロペラ荷重度が変化する状況には、例えば次のようなものが考えられる。船舶２００の積荷の量、すなわち喫水によって船舶２００の抵抗が変化するのでプロペラ荷重度τが異なる。また、同じ喫水であっても向波あるいは向風の場合は抵抗が大きくなるためプロペラ荷重度τが大きくなり、逆に追い波あるいは追い風の場合は抵抗が小さくなってプロペラ荷重度τが小さくなる。また、舵１０４の前に置かれたプロペラ１０２以外の推力装置、たとえば帆のような別の推力装置を併用する場合はプロペラ１０２の推力が小さくて済むためプロペラ荷重度τは大幅に小さくなる可能性が有り、舵効きは悪くなる。また、発電用の風車などを甲板上に備えて作動させた場合は発電量に応じて抵抗が大きくなるためその分プロペラ荷重度τは大きくなる。

補正指令舵角δ^*は、標準舵角δ₀ ^*、標準舵有効流入速度ｕ_R0及び舵有効流入速度ｕ_R（ここでは、前後方向成分ｕ_Rを舵有効流入速度としている。）を用いて数式（１２）で表わされる。標準舵有効流入速度ｕ_R0は、外乱がなく標準状態の船速にあるときの舵有効流入速度である。

ここで、数式（１２）の右辺の標準状態の標準舵角δ₀ ^*に乗ずる量は、数式（１３）で表される。

数式（１２）の補正指令舵角δ^*にしたがうとすると、数式（６）は数式（１４）のように表せる。

すなわち、プロペラ前進率Ｊが変化する航行状態であっても数式（１２）の補正指令舵角δ^*を用いればいつも標準状態の舵直圧力Ｆ_Nに近似的に等しい舵直圧力Ｆ_Nが得られることになる。

標準舵角δ₀ ^*はこれまでの自動操舵による舵角の与え方で決定すればよい。ただし、帆装船の定常釣り合い舵角など別途プロペラ荷重度τをあらかじめ考慮して決定されている場合はその成分は数式（１２）から除いて考えればよい。

数式（１３）の値を求めるためにはプロペラ荷重度τと伴流係数１−ｗ、プロペラ位置と舵位置での伴流係数の比ε、プロペラ増速率κ、プロペラ直径と舵高さの比ηが必要となる。プロペラ直径と舵高さの比ηは、船舶２００が決まれば幾何学的に決定される。プロペラ増速率κとプロペラ位置と舵位置での伴流係数の比εは、船舶２００が異なっても大きく異なることはないので、文献等により標準的な値を用いればよい。伴流係数１−ｗは、一般に対象とする船舶２００の設計時に推定値あるいは実験値が求められているのでそれを用いればよい。また、伴流係数１−ｗは、プロペラ荷重度τ又は斜航角や旋回角速度によって変化することが報告されているので、それらに関する情報があれば伴流係数１−ｗをプロペラ荷重度τ等の関数として扱えばより厳密な推定値が求められる。ただし、伴流係数１−ｗは、標準直進状態の値を用いても近似的な値を得ることができると考えられる。また、伴流係数１−ｗは、プロペラ推力かプロペラトルクの計測値がある場合はプロペラ単独性能を介して推定することが可能である。これらの値は、補正部１４ｃに入力される。

また、プロペラ荷重度τは、プロペラ推力Ｔと船速の前後方向成分ｕ、プロペラ回転数ｎを用いて算出することができる。船速の前後方向成分ｕは、船速Ｖと斜航角βがわかればＶcosβで求めることができる。ただし、動操舵中の斜航角βは一般に小さいので、船速の前後方向成分ｕは船速Ｖで置き換えてもよい。プロペラ回転数ｎは、一般に容易に得られる。プロペラ推力Ｔは直接計測値を用いるか、プロペラトルクの計測値からプロペラ単独性能を介して推定することができる。プロペラ単独性能は、一般に船舶２００の設計時に求められている。プロペラ推力Ｔもプロペラトルクも計測されない場合、プロペラ推力Ｔは、伴流係数１−ｗの推定値と船速の前後方向成分ｕ(または近似的に船速Ｖ)、プロペラ回転数ｎを用いてプロペラ単独性能から推定することができる。

本実施の形態における自動操舵装置１００では、プロペラ推力Ｔ、船速Ｖ、斜航角β及びプロペラ回転数ｎを実測手段１８にて実測して補正部１４ｃに入力する構成とする。また、その他のパラメータはパラメータ設定手段１６にて設定するものとする。ただし、これに限定されるものではなく、上記のように、補正部１４ｃにおいて、これらの値を他のパラメータから推定する構成としてもよい。なお、これらのパラメータは船舶として実測や推定を通じ、把握することが容易なパラメータである。

補正部１４ｃは、入力されたパラメータを用いて数式（１３）の値を求め、数式（１３）で得られた結果を数式（１２）に代入することによって標準舵角δ₀ ^*を補正して補正指令舵角δ^*を算出する。得られた補正指令舵角δ^*は舵機２０へ出力される。

ステップＳ１６では、ステップＳ１４で得られた補正指令舵角δ^*を用いて舵１０４の制御が行われる。舵機２０は、舵角制御バルブを制御することによって舵１０４の舵板を旋回制御し、船舶２００の進行方向を変化させる。

このようにして、船舶２００の舵１０４に流入する水流（流れ）の性質を考慮した補正指令舵角δ^*によって舵１０４を制御することができる。これにより、船舶２００を適正に航行させることができる。

なお、数式（７）は次の数式（１５）で置き換えることが可能である。

なお、数式（１５）の平方根を求め、前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを表現すると次式で表される。

数式（１５）の場合、推力係数Ｋ_Tの代わりに数式（１７）で定義されるプロペラスリップ比ｓがプロペラ推力Ｔを間接的に表現することになる。

ここで、数式（１７）において、Ｐはプロペラピッチを表す。

数式（１５）を用いた場合、数式（１３）に相当する式は数式（１８）のように表わされる。

補正部１４ｃは、ステップＳ１４にて、入力されたパラメータを用いて数式（１８）の値を求め、数式（１８）で得られた結果を数式（１２）に代入することによって標準舵角δ₀ ^*を補正して補正指令舵角δ^*を算出する。このように、プロペラ荷重度τの代わりにプロペラスリップ比ｓを用いても、標準舵角δ₀ ^*を補正して補正指令舵角δ^*を算出することができる。

この場合も、補正指令舵角δ^*によって舵１０４を制御することによって、船舶２００の舵１０４に流入する水流の性質を考慮した舵の制御が可能となる。

また、本実施の形態では、自動操舵装置１００にて自動で舵を制御する構成について説明したが、補正指令舵角δ^*を用いて手動で舵を制御する構成としてもよい。例えば、ステップＳ１４にて算出された補正指令舵角δ^*をディスプレイに表示させ、補正指令舵角δ^*に応じて操舵者が舵を操作するようにしてもよい。

本発明における船舶の操舵方法及び船舶の自動操舵装置は、船舶のみならず、舵に流入する流体の影響を受ける物体の舵の制御に適用することができる。例えば、船舶以外の浮体、水中航行体、航空機等の各種の移動体に適用することができる。これらの場合、船舶に関連した単語は、適用される移動体に関連した単語に読み替えるものとする。

１０船首方位取得手段、１２目標船首方位設定手段、１４操舵制御手段、１４ａ偏差算出部、１４ｂ標準舵角算出部、１４ｃ補正部、１６パラメータ設定手段、１８実測手段、２０舵機、１００自動操舵装置、１０２プロペラ、１０４舵、２００船舶。

Claims

プロペラで推進され、舵で船首方位を変更する船舶を目標船首方位と現船首方位との偏差に基づいて指令舵角を算出して操舵する船舶の操舵方法において、
外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れによる舵直圧力に応じて補正して補正指令舵角を求める補正ステップを備え、
前記補正指令舵角を前記指令舵角として用いて操舵することを特徴とする船舶の操舵方法。
プロペラで推進され、舵で船首方位を変更する船舶を目標船首方位と現船首方位との偏差に基づいて指令舵角を算出して操舵する船舶の操舵方法において、
外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れの舵有効流入速度に応じて補正して補正指令舵角を求める補正ステップを備え、
前記補正指令舵角を前記指令舵角として用いて操舵することを特徴とする船舶の操舵方法。
請求項２に記載の船舶の操舵方法であって、
前記補正ステップは、

δ^*：補正指令舵角（外乱のある場合）
δ₀ ^*：標準舵角（外乱の無い場合）
ｕ_Ｒ0：標準舵有効流入速度（外乱の無い場合）
ｕ_Ｒ：舵有効流入速度の前後方向成分（外乱のある場合）
により前記補正指令舵角を求めることを特徴とする船舶の操舵方法。
請求項２に記載の船舶の操舵方法であって、
前記補正ステップは、前記舵有効流入速度の前後方向成分ｕ_Ｒと船速の前後方向成分ｕとの前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕに応じて前記補正指令舵角を求めることを特徴とする船舶の操舵方法。
請求項４に記載の船舶の操舵方法であって、
前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを、プロペラ荷重度τに基づいて求めることを特徴とする船舶の操舵方法。
請求項５に記載の船舶の操舵方法であって、
前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを、

ｕ_Ｒ: 舵有効流入速度の前後方向成分
ｕ：船速の前後方向成分
１−ｗ：伴流係数
ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比
η : プロペラ直径と舵高さの比
κ：プロペラ後流の増速率に関する係数
Ｋ_Ｔ: 推力係数
Ｊ：プロペラ前進率
τ：プロペラ荷重度
により求めることを特徴とする船舶の操舵方法。
請求項４に記載の船舶の操舵方法であって、
前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを、プロペラスリップ比ｓに基づいて求めることを特徴とする船舶の操舵方法。
請求項７に記載の船舶の操舵方法であって、
前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを、

ｕ_Ｒ: 舵有効流入速度の前後方向成分
ｕ：船速の前後方向成分
１−ｗ：伴流係数
ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比
η : プロペラ直径と舵高さの比
κ：プロペラ後流の増速率に関する係数
ｓ: プロペラスリップ比
により求めることを特徴とする船舶の操舵方法。
船体を推進するプロペラと、
船首方位を変更する舵と、
目標船首方位と現船首方位との偏差に応じて指令舵角を算出して前記舵を操舵する操舵制御手段を備える船舶の自動操舵装置であって、
前記操舵制御手段は、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れによる舵直圧力に応じて補正して補正指令舵角を求める補正部を備えることを特徴とする船舶の自動操舵装置。
船体を推進するプロペラと、
船首方位を変更する舵と、
目標船首方位と現船首方位との偏差に応じて指令舵角を算出して前記舵を操舵する操舵制御手段を備える船舶の自動操舵装置であって、
前記操舵制御手段は、外乱のない場合の標準舵角を前記舵に流入する流れの舵有効流入速度に応じて補正して補正指令舵角を求める補正部を備えることを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１０に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記補正部は、

δ^*：補正指令舵角（外乱のある場合）
δ₀ ^*：標準舵角（外乱の無い場合）
ｕ_Ｒ0：標準舵有効流入速度（外乱の無い場合）
ｕ_Ｒ：舵有効流入速度の前後方向成分（外乱のある場合）
により前記標準舵角を補正することを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１０に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記補正部は、前記標準舵角を前記プロペラのプロペラ荷重度τに応じて補正することを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１２に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記プロペラ荷重度τは、プロペラ推力Ｔ、船速の前後方向成分ｕ及びプロペラ回転数ｎを用いて算出されることを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１３に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記船速の前後方向成分ｕは、船速Ｖと前記船体の斜航角βを用いて算出されることを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１３に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記船速の前後方向成分ｕは、船速Ｖで代用されることを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記プロペラ推力Ｔは、実測して得られた値を用いることを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記プロペラ推力Ｔは、実測して得られたプロペラトルクと前記プロペラの単独性能に基づいて算出された値を用いることを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１２に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記プロペラ荷重度τは、伴流係数１−ｗの推定値、船速の前後方向成分ｕ又は船速Ｖ、及びプロペラ回転数ｎを用いてプロペラ単独性能から推定することを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１３〜１８のいずれか１項に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記補正部は、

ｕ_Ｒ: 舵有効流入速度の前後方向成分
ｕ：船速の前後方向成分
１−ｗ：伴流係数
ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比
η : プロペラ直径と舵高さの比
κ：プロペラ後流の増速率に関する係数
τ：プロペラ荷重度
により、前記プロペラ荷重度τから前記舵有効流入速度の前後方向成分ｕ_Ｒと船速の前後方向成分ｕとの前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを求め、前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕに基づいて前記標準舵角を補正することを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項１０に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記補正部は、前記プロペラのプロペラスリップ比ｓに基づいて前記標準舵角を補正することを特徴とする船舶の自動操舵装置。
請求項２０に記載の船舶の自動操舵装置であって、
前記補正部は、

ｕ_Ｒ: 舵有効流入速度の前後方向成分
ｕ：船速の前後方向成分
１−ｗ：伴流係数
ε：舵位置の伴流係数とプロペラ位置の伴流係数の比
η : プロペラ直径と舵高さの比
κ：プロペラ後流の増速率に関する係数
ｓ: プロペラスリップ比
により、前記プロペラスリップ比ｓから前記舵有効流入速度の前後方向成分ｕ_Ｒと船速の前後方向成分ｕとの前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕを求め、前記前後方向成分比ｕ_Ｒ／ｕに基づいて前記標準舵角を補正することを特徴とする船舶の自動操舵装置。