JP6450595B2 - 移動体制御装置、移動体制御方法、および移動体制御プログラム - Google Patents

Description

本発明は、船舶等の移動体を定常的に同じ位置に留めるための移動体制御装置に関する。

一本釣り漁船等では、魚礁や瀬のような目的魚が多く生息する特定の位置に留まって漁を行う必要がある。すなわち、船舶を定点保持した状態で漁を行う必要がある。しかしながら、海上では、船体が風や潮流等からなる外乱を受けて、目的とする特定の位置から流されてしまうことがある。

このため、従来、風や潮流を受けても船舶を定点に留める船体制御方法が各種考案されている。例えば、特許文献１に示す船舶では、サイドスラスターを備えている。サイドスラスターとは、船体を横方向、すなわち右舷左舷方向へ移動させるための機構である。また、従来の船舶には、このような横方向の移動を実現するために、水平方向に回動可能なプロペラを備えるものもある。

特開２００２−８７３８９号公報

しかしながら、従来の船体制御方法は、サイドスラスターが存在しない１軸１舵方式の船舶に用いることはできなかった。１軸１舵船において定点保持を行うためには、外乱に対して船尾または船首を向ける必要がある。

外乱のうち、風については風向センサや風速センサを用いて直接測定することができるが、潮流の方向を直接測定することは困難であるため、結果として、外乱の方向を推定することは困難であった。

この発明は、外乱の方向を推定し、定点保持を行う移動体制御装置を提供することを目的とする。

この発明は、移動体の位置を検出する移動体位置検出部と、特定の一方向に前記移動体を推進させる推進力発生部と、該推進力により移動する方向を調整する移動方向調整部と、前記移動体を定点に留める制御を行う制御部と、を備えた移動体制御装置である。

移動体制御装置は、前記移動体を移動させる外乱の方向を推定する外乱方向推定部を備え、前記外乱方向推定部は、前記定点と、前記移動体の位置と、のずれ量を求め、当該ずれ量の変化を累積した値である累積変化量に基づいて前記外乱方向を推定することを特徴とする。

この発明では、進行方向またはその反対方向（後退方向）にのみ推進力を発生させる１軸１舵方式の移動体（例えば船舶）を想定している。１軸１舵方式では、自船の進行方向が外乱方向と反対の向きになるように、推進力発生部および移動方向調整部を制御して、船舶の姿勢を制御する必要がある。

ずれ量は、定点と移動体の位置（自船の位置）との相対距離であってもよいが、定点を通る直線のうち外乱方向に平行する直線と、自船の位置と、の距離（以下、ＸＴＥ：Ｃｒｏｓｓ Ｔｒａｃｋ Ｅｒｒｏｒと言う。）とすることが好ましい。ＸＴＥが０となる場合、自船の進行方向が外乱方向と反対向きになって、定点に向かっている状態となる。

そして、この発明の外乱方向推定部は、このＸＴＥが０となるように、推定した外乱方向を補正する。特に、この発明の外乱方向推定部は、ＸＴＥの変化の累積値である累積変化量（すなわち、ＸＴＥの微分値をさらに積分したもの）に基づいて外乱方向を推定するため、例えば当該累積変化量が大きくなるほど、補正量を大きくする。すなわち、ＸＴＥが０（目標値）から遠ざかっている場合には、当該ＸＴＥの変化（微分値）は、正の値を示すため、その積分値が大きくなり、補正量が大きくなる。一方で、ＸＴＥが０（目標値）に近づいている場合には、ＸＴＥの変化（微分値）は負の値を示すため、補正量が小さくなる。したがって、この発明の外乱方向推定手法によれば、目標値への収束を速めながらも滑らかに近づけることができる。

なお、外乱方向推定部は、さらに、ずれ量の累積値（積分値）に基づいて外乱方向を推定することも可能であるし、さらに、比例値に基づいて外乱方向を推定することも可能である。

この発明によれば、外乱の方向を推定することができるため、１軸１舵方式であっても、定点保持を行うことができる。

本発明の実施形態に係る船舶の主要構成を示すブロック図である。 外乱方向の概念を説明するための図である。 外乱方向の推定動作を示すフローチャートである。

図１は本発明の実施形態に係る船舶１０の主要構成を示すブロック図である。船舶１０は、船体制御装置２０、動力源３０、プロペラ３１、および舵４０を備える。

船体制御装置２０は、アンテナ２１、測位部２２Ａ、センサ２２Ｂ、制御部２３、動力制御部２４、舵制御部２５、および操作部２６を備えている。

測位部２２Ａは、ＧＰＳ等の位置検出部であり、本発明の「移動体位置検出部」に相当する。アンテナ２１は、ＧＰＳ測位信号を受信し、測位部２２Ａへ出力する。測位部２２Ａは、ＧＰＳ測位信号を用いて測位演算を実行し、船舶１０の位置を算出する。この測位演算は、予め設定した測位タイミング毎に実行される。測位部２２Ａは、算出した船舶１０の位置を、制御部２３へ出力する。

センサ２２Ｂは、風向を検知する風向センサである。センサ２２Ｂは、検出した風向の情報を制御部２３へ出力する。また、例えば、船首方向を検出するヘディングセンサ、風速センサ、潮流計等、さらに他のセンサ機構を備えていてもよい。

制御部２３は、機能的に（すなわち、ソフトウェア動作として）外乱方向推定部２３１を備えている。無論、外乱方向推定部２３１は、ソフトウェアではなく、別個独立したハードウェアにより構成されていてもよい。

制御部２３は、予め操作部２６を介してユーザから受け付けた定点位置を記憶している。制御部２３は、測位部２２Ａから出力された船舶１０の位置と、受け付けた定点位置と、に基づいて、船舶１０を定点位置に留まらせるように制御する制御情報を設定する。制御情報は、例えば、動力量の情報と推進方向の情報とからなる。動力量の情報は、動力制御部２４へ出力される。推進方向の情報は、舵制御部２５へ出力される。

動力制御部２４は、制御部２３から入力された動力量の情報に基づいて、動力源３０の駆動制御を行う。動力源３０は、ディーゼルエンジンやモータからなる。また、動力源３０は、これらディーゼルエンジンとモータの両方を備え、状況に応じて使い分けるハイブリッド動力機構であってもよい。動力源３０は、発生した動力をプロペラ３１に与える。これら動力源３０およびプロペラ３１は、本発明の「推進力発生部」に相当する。

船舶１０は、プロペラ３１の推進力と、舵４０の舵角によって、定点位置に留まるように、進行もしくは後退する。船舶１０は、進行方向または後退方向にのみ推進力を発生させる１軸１舵方式の船舶である。１軸１舵方式では、自船の進行方向が外乱方向と反対の向きになるように、推進力発生部および移動方向調整部を制御して、船舶の姿勢を制御する必要がある。したがって、定点位置に留まるためには、外乱方向を推定することが重要である。本実施形態の船舶１０は、外乱方向推定部２３１が当該外乱方向を推定する。

図２は、外乱方向の概念を説明するための図であり、図３は、外乱方向の推定動作を示すフローチャートである。まず、図２を参照して、外乱方向の概念について説明する。ただし、図２においては、紙面上側を真北方向、紙面右側を真東方向として説明する。

図２に示すように、外乱は、風による速度ベクトルと潮流による速度ベクトルの合成ベクトルからなる。この合成ベクトルの方向を外乱方向と称する。本実施形態の外乱方向推定部２３１は、定点位置Ｐｐと、自船の位置Ｐ０のずれ量を求め、このずれ量の変化に基づいて、外乱方向を推定する。すなわち、外乱方向推定部２３１は、最初に推定した外乱方向（初期推定外乱方向）に対し、その時点のずれ量に基づいて、当該ずれ量が０になるように、当該推定した初期推定外乱方向を補正する処理を繰り返し行う。

ずれ量は、定点位置Ｐｐと自船の位置Ｐ０との相対距離であってもよいが、図２の例では、定点位置Ｐｐを通る直線のうち外乱方向に平行する直線（以下、外乱対向ラインと称する。）と、自船の位置Ｐ０と、の距離であるＸＴＥとする。ＸＴＥが０となる場合、自船の進行方向が外乱方向に対向した状態となり、定点位置Ｐｐに向かっている状態となる。なお、図２の例では、外乱方向に対向した状態において右側を正とし、左側を負とする。

外乱方向推定部２３１は、以下の数式１に示すように、初期推定外乱方向と、ＸＴＥに基づく補正値と、を差分して、新たな推定外乱方向を算出する。

すなわち、外乱方向推定部２３１は、ＸＴＥの比例成分および積分成分に基づいて、初期推定外乱方向Ψ_０を新たな推定外乱方向Ψ_ｄに更新し、目標値（この例では、ＸＴＥ＝０）に収束させる処理を行う。なお、比例補正ゲインｋ_ｐ、第１積分補正ゲインｋ_ｉ１、および第２席分補正ゲインｋ_ｉ２は、各項の重み付けを示す任意の値である。

ここで、本実施形態の外乱方向推定部２３１は、数式１に示すように、ＸＴＥの積分項（Σ）内に、さらにＸＴＥの微分項（ｄ／ｄｔ）を含めることによって、目標値への収束を速く、かつ滑らかに近づけることができるものである。

外乱方向推定部２３１は、ＸＴＥの積分項内に、さらにＸＴＥの微分項を含めることによって、ＸＴＥの変化の累積値である累積変化量に基づいて外乱方向を推定することになる。この場合、当該累積変化量が大きくなるほど、補正量が大きくなり、当該累積変化量が小さくなるほど、補正量が小さくなる。

例えば、ＸＴＥが目標値から遠ざかっていく場合には、当該ＸＴＥの変化（微分値）は、正の値を示す。したがって、当該微分値の積分値は大きくなるため、補正量が大きくなる。一方で、ＸＴＥが目標値に近づいていく場合には、当該微分値は負の値を示すため、その積分値は小さくなる。したがって、補正量は小さくなる。

すなわち、当該外乱方向推定手法によれば、目標値から遠ざかるほど外乱方向が大きく補正され、一方で、目標値に近づくほど外乱方向の補正が小さくなるため、目標値への収束を速めながらも滑らかに近づけることができる。

次に、図３のフローチャートを参照して、当該外乱方向の推定動作を説明する。まず、制御部２３は、操作部２６から、ユーザの定点位置設定の操作入力を受け付ける（Ｓ１０１）。定点位置が設定されると、外乱方向推定部２３１は、初期推定外乱方向Ψ０を設定する（Ｓ１０２）。例えば、真北を初期推定外乱方向として設定する。あるいは、その時点でセンサ２２Ｂから検出した風向を初期推定外乱方向として設定してもよい。

そして、外乱方向推定部２３１は、測位部２２Ａから船舶１０の位置を入力し、Ｓ１０１で設定された定点位置Ｐｐと、測位部２２Ａから入力した船舶１０の位置と、に基づいてＸＴＥを算出する（Ｓ１０３）。すなわち、図２に示したように、定点位置Ｐｐを通る直線のうち初期推定外乱方向に平行する直線（外乱対向ライン）を設定し、当該外乱対向ラインと、自船の位置Ｐ０と、の距離をＸＴＥとして算出する。

その後、外乱方向推定部２３１は、算出したＸＴＥと、上記数式１と、に基づいて、初期推定外乱方向を補正し、新たな推定外乱方向を算出する（Ｓ１０４）。最後に、Ｓ１０５において、処理が終了したと判断した場合（例えば、ユーザが操作部２６を操作して、定点制御の解除を指示した場合）、動作を終える。

外乱方向推定部２３１は、Ｓ１０５において処理が終了したと判断するまでは、ＸＴＥの算出（Ｓ１０３）および外乱方向の補正（Ｓ１０４）を繰り返し行う。

制御部２３は、外乱方向推定部２３１が推定した外乱方向に基づいて、動力制御部２４および舵制御部２５に、それぞれ動力量の情報と推進方向の情報を出力する。例えば、舵制御部２５には、推定した外乱方向に自船の進行方向が対向するように、舵４０の舵角を制御する情報を出力する。また、動力制御部２４には、図２に示した外乱直交ライン（定点位置Ｐｐを通る直線のうち外乱方向に直交する直線）に対し、自船の位置が後方に位置する場合には、推進力を発生させ、自船の位置が前方に位置する場合には推進力を停止させるための情報を出力する。

これにより、船舶１０は、外乱から受ける力を利用して定点位置Ｐｐに近づくことになり、ＸＴＥが０に近づくことになる。

なお、上述の説明では、各機能部は、ハードウェアである例を示したが、測位部２２Ａ、制御部２３、動力制御部２４、および舵制御部２５は、ソフトウェアでも実現可能である。すなわち、これら機能部の処理をプログラム化して記憶媒体に記憶しておき、演算器（コンピュータ等）で当該船体制御のプログラムを読み出して実行することで、上述の処理を実現することが可能である。

また、上述の説明では、移動体として船舶を例に示したが、特定方向への推進力のみを備える水上もしくは水中を移動する移動体（例えば、水陸両用車、水上バイク等）にも、上述の構成および処理を適用することができる。

１０…船舶
２０…船体制御装置
２１…アンテナ
２２Ａ…測位部
２２Ｂ…センサ
２３…制御部
２４…動力制御部
２５…舵制御部
２６…操作部
３０…動力源
３１…プロペラ
４０…舵
２３１…外乱方向推定部

Claims (7)

1. 水上または水中を移動する移動体の位置を検出する移動体位置検出部と、
   特定の一方向に前記移動体を推進させる推進力発生部と、
   該推進力により移動する方向を調整する移動方向調整部と、
   前記移動体を定点に留める制御を行う制御部と、
   を備えた移動体制御装置であって、
   前記移動体を移動させる外乱の方向を推定する外乱方向推定部を備え、
   前記外乱方向推定部は、前記定点と、前記移動体の位置と、のずれ量を求め、当該ずれ量の変化を累積した値である累積変化量に基づいて前記外乱方向を推定することを特徴とする移動体制御装置。
2. 請求項１に記載の移動体制御装置であって、
   前記ずれ量は、前記定点を通る直線のうち前記外乱方向に平行する直線と、前記移動体の位置と、の距離であることを特徴とする移動体制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の移動体制御装置であって、
   前記外乱方向推定部は、さらに、前記ずれ量の累積値に基づいて前記外乱方向を推定することを特徴とする移動体制御装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の移動体制御装置であって、
   前記外乱方向推定部は、さらに、前記ずれ量の比例値に基づいて前記外乱方向を推定することを特徴とする移動体制御装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の移動体制御装置であって、
   前記制御部は、前記特定の一方向が前記外乱の方向と反対の向きになるように、前記推進力発生部および前記移動方向調整部を用いて前記移動体の姿勢を制御することを特徴とする移動体制御装置。
6. 水上または水中を移動する移動体の位置を検出する移動体位置検出ステップと、
   特定の一方向に前記移動体を推進させる推進力発生ステップと、
   該推進力により移動する方向を調整する移動方向調整ステップと、
   前記移動体を定点に留める制御を行う制御ステップと、
   を実行する移動体制御方法であって、
   前記移動体を移動させる外乱の方向を推定する外乱方向推定ステップを実行し、
   前記外乱方向推定ステップは、前記定点と、前記移動体の位置と、のずれ量を求め、当該ずれ量の変化を累積した値である累積変化量に基づいて前記外乱方向を推定することを特徴とする移動体制御方法。
7. 水上または水中を移動する移動体の位置を検出する移動体位置検出ステップと、
   特定の一方向に前記移動体を推進させる推進力発生ステップと、
   該推進力により移動する方向を調整する移動方向調整ステップと、
   前記移動体を定点に留める制御を行う制御ステップと、
   をコンピュータに実行させる移動体制御プログラムであって、
   前記移動体を移動させる外乱の方向を推定する外乱方向推定ステップを実行させ、
   前記外乱方向推定ステップは、前記定点と、前記移動体の位置と、のずれ量を求め、当該ずれ量の変化を累積した値である累積変化量に基づいて前記外乱方向を推定することを特徴とする移動体制御プログラム。

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