JP6605677B1 - 船舶用自動操舵装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より対象船の特性に準じた船体パラメータの更新値を算出する。【解決手段】船体パラメータの同定値を算出する同定演算部と、同定値に基づく更新値を算出する更新演算部１３とを備える。同定演算部は、船体パラメータを調節した同定値を算出するパラメータ調節部と、同定値演算期間における船体のｓｕｒｇｅ速度の平均値を同一の同定値演算期間において算出された同定値に対応する平均船速として算出する平均船速算出部とを備える。更新演算部１３は、同定値と同定値に対応する平均船速とを取得する取得部１３１と、取得された同定値を時系列に蓄積する同定値記憶部１３３と、船速に関する１次関数である更新関数の係数を蓄積された同定値に基づく最小二乗法により算出し、算出した係数と前記取得された平均船速とを用いた更新関数により船体パラメータの更新値を算出する演算処理部１３４とを備えた。【選択図】図４

Description

本発明は、同定モデルにおける船体パラメータを同定する船舶用自動操舵装置に関する。

船舶用自動操舵装置は、設定針路にジャイロコンパスからの方位を追従させるために舵を制御する装置であり、その制御系は、設定針路と船首方位との入力から偏差と旋回角速度とを求め、制御ゲインを乗じて制御量である命令舵角を操舵機に出力する。操舵機は舵を動かして、船体に旋回角速度を誘起させて方位を変化させる。ここで命令舵角は、より具体的には、偏差に制御ゲインを乗じるフィードバック制御器の出力と、フィードフォワード制御器の出力とが加算されることにより算出される。設定針路から軌道計画に基づいた参照方位を演算する軌道演算部、フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器には同定された船体パラメータが入力され、この船体パラメータは軌道演算部、フィードバック制御器及びフィードフォワード制御器において各演算及び制御に用いられる。

船体パラメータは、船舶用自動操舵装置が制御対象とする船体運動モデルを構成するパラメータである。この船体パラメータは殆どの場合で未知であるため、パラメータ同定によって取得される。例えば、貨物船やタンカーなどの船舶は荷物の積み下ろしにより船体の喫水が変化して船体特性が変化する。そのため、荷物を積んだ船体に荷物を積み下ろした状態の船体パラメータに基づく制御ゲインを用いた場合、操舵系の閉ループ安定性が低下してヨーイング現象が生じてしまう状況を招きかねない。このような状況を回避するため、船舶用自動操舵装置は船体パラメータを同定する。つまり、船舶用自動操舵装置は、この船体パラメータを適切に同定することによって船体の制御性を向上させる。

このようなパラメータ同定に関連する技術として、船体パラメータを用いた参照方位と船首方位に基づく命令舵角の出力において、入力データ（命令舵角）及び出力データ（船首方位）を蓄積し、蓄積された入力データからモデル出力データを出力し、このモデル出力データと出力データとの比較結果から船体パラメータを調節する船舶用自動操舵装置が知られている（特許文献１参照）。

また、各変針モードの度に船体パラメータを同定する同定演算部と、同定演算部で同定された船体パラメータに対して制限をかけた更新値を使用するべき船体パラメータとして出力する更新判断部とを備え、この更新判断部が、各変針モードの度に更新される複数の更新値の平均値を求め、同定演算部により同定された船体パラメータの同定値のうち少なくとも１つの船体パラメータの同定値が平均値から規定尺度以上離れた場合に複数の同定値の平均値を新たな更新値とする船舶用自動操舵装置が知られている（特許文献２参照）。

特開２００６−３２１４５５号公報 特開２０１２−７１６２１号公報

しかしながら、実船においては、外乱などの要因によって同定値はバラツキをもち、特許文献２に記載されるように複数の同定値を平均化して更新値を求めた場合、この更新値は対象船の特性に準じない要因の影響を含んでしまう、という問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、より対象船の特性に準じた船体パラメータの更新値を算出することができる船舶用自動操舵装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本実施形態に係る船舶用自動操舵装置は、参照方位と船首方位とに基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、前記船体パラメータの同定値を算出する同定演算部と、前記同定値に基づく更新値を算出する更新演算部とを備え、前記同定演算部は、前記船舶用自動操舵装置で得られる所定の入力データからモデル出力データを出力し、船体の船体運動に関する船体モデルを含む同定モデルと、船体の変針開始時点を少なくとも含む同定値演算期間における前記モデル出力データと前記船体に係る実測値である出力データとの比較結果から前記船体パラメータを調節した同定値を算出するパラメータ調節部と、前記同定値演算期間における前記船体のｓｕｒｇｅ速度の平均値を同一の同定値演算期間において算出された前記同定値に対応する平均船速として算出する平均船速算出部とを備え、前記更新演算部は、前記同定値と該同定値に対応する前記平均船速とを取得する取得部と、前記取得された同定値を時系列に蓄積する同定値記憶部と、前記船速に関する１次関数である更新関数の係数を前記蓄積された同定値に基づく最小二乗法により算出し、算出した係数と前記取得された平均船速とを用いた前記更新関数により前記船体パラメータの更新値を算出する演算処理部とを備える。

本発明によれば、より対象船の特性に準じた船体パラメータの更新値を算出することができる。

実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。 同定演算部の構成を示すブロック図である。 データ採用期間を示す図である。 更新演算部の構成を示すブロック図である。 船体運動で用いる座標系を示す説明図である。 更新演算部の全体動作を示すフローチャートである。 船速に基づく停泊監視を示す図である。 船体位置に基づく停泊監視を示す図である。 更新関数を示す図である。 更新値算出処理の動作を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

１．１ 船舶用自動操舵装置の構成
まず、本発明に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムについて説明する。図１は、実施形態に係る船舶用自動操舵装置を含むシステムを示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態におけるシステムは、船舶用自動操舵装置１とその制御対象である船体プラント２とを含む。ここで船体プラント２は、操舵機２１、船体２２及びセンサ類２３を合わせたものである。船舶用自動操舵装置１は、軌道演算部１１、同定演算部１２、更新演算部１３、減算器１４、フィードバック制御器１５、フィードフォワード制御器１６、加算器１７を備える。

軌道演算部１１は、設定針路ψ_Ｓを入力し、設定針路ψ_Ｓから軌道計画に基づいた参照方位ψ_Ｒを演算するものである。同定演算部１２は、後述する船体モデルを構成するパラメータである船体パラメータを同定し、船体パラメータの同定値として出力する。更新演算部１３は、同定演算部１２により同定された複数の同定値に基づいて船体パラメータの更新値を算出し、この更新値を軌道演算部１１、フィードバック制御器１５及びフィードフォワード制御器１６へ出力する。軌道演算部１１、フィードバック制御器１５及びフィードフォワード制御器１６は、更新値を用いて各演算及び制御を行う。

減算器１４は、軌道演算部１１から出力された参照方位ψ_Ｒと船体２２の船首方位ψとの偏差ｅを出力する。フィードバック制御器１５は、減算器１４より出力された偏差ｅに制御ゲインを乗じてフィードバック舵角δ_ＦＢを出力する。フィードフォワード制御器１６は、軌道演算部１１により出力された参照方位ψ_Ｒに基づいてフィードフォワード舵角δ_ＦＦを出力する。加算器１７は、フィードバック制御器１５により出力されたフィードバック舵角δ_ＦＢと、フィードフォワード制御器１６により出力されたフィードフォワード舵角δ_ＦＦとを加算して、操舵機２１に対して命令舵角δ_Ｃを出力する。

また、船体プラント２のセンサ類２３は、船体２２のｓｕｒｇｅ速度（以下、船速）ｕを検出するスピードログ、船体２２の船首方位ψを検出するジャイロコンパス、ＧＰＳ等の衛星測位システム（ＧＮＳＳ）からの船体位置（ｘ，ｙ）を検出するＧＮＳＳセンサを含む。同定演算部１２には、センサ類２３によって検出された船速ｕ、船首方位ψ、船体位置（ｘ，ｙ）が入力され、更新演算部１３には、センサ類によって検出された船速ｕ、船体位置（ｘ，ｙ）が入力されるものとする。なお、ここで船体位置（ｘ，ｙ）は、後述する局地水平座標系における船体位置である。

１．２ 同定演算部の構成
同定演算部の構成について説明する。図２は、同定演算部の構成を示すブロック図である。図３は、データ採用期間を示す図である。

図２に示すように、同定演算部１２は、出力データ記憶部１２１、入力データ記憶部１２２、同定モデル１２３、減算器１２４、パラメータ調節部１２５、平均船速算出部１２６を備える。

出力データ記憶部１２１は、船体２２の船首方位ψ、船体位置（ｘ，ｙ）を出力データとして時系列に蓄積する。入力データ記憶部１２２は、加算器１７により出力された命令舵角δ_Ｃと、センサ類２３によって検出された船速ｕ及び船首方位ψとを入力データとして時系列に蓄積する。なお、出力データ記憶部１２１、入力データ記憶部１２２は、いずれもリングバッファ型メモリとすることができる。同定モデル１２３は、船体モデル、初期値及びオフセット成分から構成され、入力データ記憶部１２２に蓄積された入力データとしての命令舵角δ_Ｃ，船首方位ψと、平均船速算出部１２６により算出された船速ｕを入力し、モデル出力データとしてモデル船首方位、モデル船体位置を出力する。減算器１２４は、同定モデル１２３により出力されたモデル出力データと、出力データ記憶部１２１に記憶された出力データとの差異である同定誤差を算出する。

パラメータ調節部１２５は、船体プラント２においてなされた各変針に対して、減算器１２４により算出された同定誤差に基づいて船体パラメータを調節してその同定値を算出して更新演算部１３へ出力する。この船体パラメータの調節については、特開２０１５−１６０６０６号公報、特開２０１６−１６７１２号公報を参照されたい。パラメータ調節部１２５は、図３に示す同定値演算期間における同定誤差に基づいて船体パラメータの同定値の算出を行うものとし、この同定値演算期間は、参照方位が変動している期間である変針期間と、この変針期間の直前にある事前期間とを含む。ここで事前期間は予め設定された時間であり、本実施形態において、６０秒に設定される。なお、同定値演算期間は、変針開始時点を含む所定期間であれば良い。

なお、パラメータ調節部１２５は、各変針に応じて調節された船体パラメータを記憶し、設定針路が変化した際に船体パラメータの同定値として出力する。

平均船速算出部１２６は、入力データとして入力データ記憶部１２２に時系列に蓄積された入力データのうち、同定値演算期間における全ての船速ｕに基づいて、パラメータ調節部１２５により算出される同定値に対応する平均船速を算出して更新演算部１３へ出力する。

１．３ 更新演算部の構成
更新演算部の構成について説明する。図４は、更新演算部の構成を示すブロック図である。

図４に示すように、更新演算部１３は、取得部１３１、判定部１３２、同定値記憶部１３３、演算処理部１３４、係数記憶部１３５、停泊監視部１３６を備える。

取得部１３１は、同定演算部１２により出力された船体パラメータの同定値と、平均船速とを取得する。判定部１３２は、取得部１３１により取得された同定値が正常であるか否かを判定する。同定値記憶部１３３は、取得部１３１に取得された同定値のうち、判定部１３２により正常と判定された同定値を時系列に蓄積する。演算処理部１３４は、同定値記憶部１３３に蓄積された同定値に基づいて、船体パラメータの更新値を算出して出力する。係数記憶部１３５は、演算処理部１３４が更新値の算出に用いる更新関数（後述）の係数を記憶する。停泊監視部１３６は、船速ｕまたは船体位置（ｘ，ｙ）に基づいて、船体プラント２が停泊しているか否かを監視する。なお、一部の対象船においては、変針方向によって船体パラメータを分別することが有効であるが、更新演算部１３による更新値の算出が複数の同定値を要するのに対して、同定値が得られる機会は少ないため、上述したように、本実施形態においては、同定値は変針方向毎に分別されないものとする。

２ 座標系
船体運動で用いる座標系について説明する。図５は、船体運動で用いる座標系を示す説明図である。

図５に示すように、船体運動で用いる座標系は、局地水平座標系Ｏ−ＸＹとボディ座標系Ｇ−Ｘ_ＢＹ_Ｂからなり、いずれも右手系３軸直交座標系である。座標系においてＺ軸は重力方向を正とし、回転極性は右ねじ方向を正とする。なお、座標系はＸ軸、Ｙ軸の２次元を用いるため、図５においてＺ軸は省略される。また、局地水平座標系はＸ軸を北向き、Ｙ軸を東向きにとり、ボディ座標系はＸ_Ｂ軸をｓｕｒｇｅ方向、Ｙ_Ｂ軸をｓｗａｙ方向にとる。また、図５において、ｕはｓｕｒｇｅ速度、ｖはｓｗａｙ速度、ｒは旋回角速度、ψは船首方位を示す。

３ 船体モデル
船体モデルについて説明する。

船体運動方程式において、船速ｕを一定として、方位まわりと横方向の連成運動を応答モデルで表すと

になる。ここで、ｓはラプラス演算子、Ｒ（ｓ）は旋回角速度（ｙａｗ角速度）、Ｖ（ｓ）は横流れ速度（ｓｗａｙ速度）、Δ_ｃ（ｓ）は命令舵角を示す。また、Ｐ_ｖ ^〜（ｓ）はｓｗａｙ運動の伝達関数（ｓｗａｙ船体モデル）、Ｐ_ｒ ^〜（ｓ）はｙａｗ運動の伝達関数（ｙａｗ船体モデル）であり、

である。ここで、Ｋ_ｖ ^〜は横流れゲイン、Ｋ_ｒ ^〜は旋回力ゲイン、Ｔ_１ ^〜、Ｔ_２ ^〜、Ｔ_ｖ３ ^〜、Ｔ_ｒ３ ^〜はそれぞれ時定数である。これらのパラメータは、次式の関係をもつとする。

パラメータは、（２）式において、船長Ｌ、船速ｕによって無次元化される。１つの対象船を扱うならば、パラメータの速度変化は、

になり、船速ｕに比例する。ここで、添字_０は初期値を示す。

（２）式を近似した船体モデルを、ｙａｗ同定モデル、ｓｗａｙ同定モデルとして、

と定める。ここで、Ｐ（ｓ）は伝達関数であり、添字_ｒ，_ｖはそれぞれｙａｗ，ｓｗａｙの運動を意味する。また、Ｋ_ｒは旋回力ゲイン、Ｋ_ｖは横流れゲイン、Ｔ_ｒ，Ｔ_ｒ３はいずれも時定数を示す。これらのパラメータは次式の関係をもつとする。

近似式である（６）式、（７）式において、モデル化誤差のため（５）式は適用できないが、

になる傾向をもつ。

上述したように、船体モデルは２次式を近似した１次式として表される。２次式は運動方程式から導出され、そのパラメータが船速と船長により無次元化されるために船速に比例する。１次式としての船体モデルのパラメータは、モデル化誤差のために船速との比例関係が２次式と比較すると弱くなるものの、船速に依存する関係をもつ。

３ 更新演算部の全体動作
更新演算部の全体動作について説明する。図６は、更新演算部の全体動作を示すフローチャートである。図７は、船速に基づく停泊監視を示す図である。図８は、船体位置に基づく停泊監視を示す図である。なお、図６に示すフローチャートにおいては、同定演算部により同定値及び平均船速が出力されているものとし、この全体動作は、同定演算部により同定値が算出される度に、即ち、変針毎に実行されるものとする。

図６に示すように、まず、取得部１３１は、同定値データＳｅｔを取得する（Ｓ１０１）。この同定値データＳｅｔは次式により示される。

ここで、ｕは平均船速算出部１２６により算出された同定値算出時の平均船速、Ｐａｒはパラメータ調節部１２５により算出された同定値としての船体モデルのパラメータの要素である。この同定値データＳｅｔは、同定値Ｐａｒと平均船速ｕとが対応付けられたものである。

次に、判定部１３２は、同定値データＳｅｔに含まれるＴ_ｒが正であるか否かを判定することによって、船体プラント２が安定船、不安定船のいずれであるかを判定する（Ｓ１０２）。なお、Ｔ_ｒ＝０となることはない。

Ｔ_ｒが正である場合、即ち、船体プラント２が安定船である場合（Ｓ１０２，ＹＥＳ）、安定船に対する更新値算出処理が実行される（Ｓ１０３）。この更新値算出処理については後に詳述する。

更新値算出処理後、停泊監視部１３６は、船体プラント２が停泊しているか否かを判定する（Ｓ１０４）。ここで、船体プラント２の停泊は、センサ類２３により検出された船速ｕまたは船体位置（ｘ，ｙ）に基づいて判断される。以下、船速、船体位置のそれぞれに基づく停泊監視について説明する。

ステップＳ１０４において、船速ｕを利用する場合、次式によって停泊が監視される。

ここで、ｕ_ｓｅｔは停泊船速で例えば３ｋｎに設定される閾値であり、ｔ_ｓｅｔは停泊時間で例えば１０ｈに設定される閾値である。

（１３）式により停泊が監視される場合、停泊監視部１３６は、図７に示すように、停泊時間ｔ_ｓｅｔ未満の時間ｔ_１だけ船速ｕがｕ_ｓｅｔ以下である場合には船体プラント２が航行していると判定し、停泊時間ｔ_ｓｅｔ以上の時間ｔ_２だけ船速ｕがｕ_ｓｅｔ以下である場合に船体プラント２が停泊したと判定する。

また、ステップＳ１０４において、船体位置（ｘ，ｙ）を利用する場合、次式によって停泊が監視される。

ここで、ｄｉｓｔは所定の時点の船体位置である基点位置から所定の時間ｔ後の船体位置までの距離、ｒａｄｉｕｓ_ｓｅｔは基点位置を中心とする設定半径であり、例えば１．５Ｍ（１Ｍ＝１８５２ｍ）に設定される閾値である。

（１４）式により停泊が監視される場合、停泊監視部１３６は、図８に示すように、停泊時間ｔ_ｓｅｔ後における船体プラント２が基点位置からの距離がｒａｄｉｕｓ_ｓｅｔ以下であるｄｉｓｔ１である船体位置Ａにある場合に船体プラント２が停泊したと判定し、停泊時間ｔ_ｓｅｔ後における船体プラント２が基点位置からの距離がｒａｄｉｕｓ_ｓｅｔより大きいｄｉｓｔ２である船体位置Ｂにある場合には船体プラント２が航行していると判定する。

ステップＳ１０４において、船体プラント２が停泊していると判定された場合（Ｓ１０４，ＹＥＳ）、演算処理部１３４は、同定値記憶部１３３に時系列に蓄積された同定値データＳｅｔを全て消去して初期化し（Ｓ１０５）、再度、取得部１３１が、同定値データＳｅｔを取得する（Ｓ１０１）。

一方、船体プラント２が航行していると判定された場合（Ｓ１０４，ＹＥＳ）、再度、取得部１３１が、同定値データＳｅｔを取得する（Ｓ１０１）。

また、ステップＳ１０２において、Ｔ_ｒが負である場合、即ち、船体プラント２が不安定船である場合（Ｓ１０２，ＮＯ）、不安定船に対する更新値算出処理が実行される（Ｓ１０６）。

４ 更新値の推定方法
更新値算出処理の説明に先立って、更新値の推定方法について説明する。図９は、更新関数を示す図である。

同定値Ｐａｒは、判定部１３２によるＴ_ｒの符号に基づく判定によって、安定船と不安定船のそれぞれの場合に分別されて、同定値記憶部１３３に時系列に蓄積される。更新値Ｐａｒ^〜は同定値記憶部１３３に記憶された同定値Ｐａｒから安定船と不安定船のそれぞれに対して推定される。ただし、更新値Ｐａｒ^〜の推定方法は、同定値Ｐａｒの蓄積個数ｉ、安定船か不安定船かなどの条件によって異なる。

Ｐａｒ_ｉ ^〜，ｉ≧２の場合、つまり、同定値が同定値記憶部１３３に複数個蓄積されている場合、まず、後述する更新関数の係数が求められ、次いで、この係数に定められた更新関数と平均船速ｕとに基づいて更新値が算出される。

更新関数は、図９に示す特性をもち、更新値は平均船速ｕの関数で表され、次式になる。

ここで、Ａ，Ｂは、それぞれ、一次式の傾斜、切片であり、ｕ_Ｈ，ｕ_Ｌは平均船速ｕのそれぞれ最大値、最小値であり、

であり、それぞれの初期値は、

である。

係数Ａ_ｉ，Ｂ_ｉは、同定値データ列Ｓｅｔ_ｉを用いて、最小二乗法による直線近似によって求められる。蓄積個数ｉに比例して係数Ａ_ｉ，Ｂ_ｉの変動は減少する。更新値Ｐａｒ^〜のうち、時定数Ｔｒ^〜を例にとると、Ｔ_ｒ ^〜＝Ａ_Ｔｒｕ＋Ｂ_Ｔｒは、同定値データ列Ｓｅｔ_ｉ＝｛ｕ_ｉ，Ｔ_ｒｉ｝から最小二乗法により求められる。なお、その詳細な算法は、公知な最小二乗法によるものであるため省略する。このように求められた係数Ａ_ｉ，Ｂ_ｉと平均船速の最大値ｕ_Ｈ及び最小値ｕ_Ｌは、係数記憶部１３５により、安定船に対して算出されたものと、不安定船に対して算出されたものとに分別されて、直近の値のみが記憶される。

更新値Ｐａｒ_ｉ ^〜は、平均船速ｕ_ｉとＡ_ｉ，Ｂ_ｉ，ｕ_Ｈｉ，ｕ_Ｌｉ，を用いて（１５）式から求められる。

Ｐａｒ_ｉ ^〜，ｉ＝１の場合、更新値は次式で置き換える。

ここで、Ｐａｒ_０ ^〜は初期値であり、

である。ここで、装備時とは、船体プラント２に船舶用自動操舵装置１を装備してから初回の航海が開始される状況を示し、具体的には、更新関数の係数が未だ算出されていない状態にあることを示す。また、装備時の安定船において初期値Ｐａｒ_０ ^〜に代入される船体パラメータ表は、対象船の船長と船速に基づいて予め設定される船体パラメータである。装備時の不安定船の場合には、初期値Ｐａｒ_０ ^〜として同定値Ｐａｒ_１を用いるため、Ｐａｒ_１ ^〜は結果として平均をとらない。

装備時以外、即ち、停泊監視部１３６により船体プラント２が停泊していると判定される前に、即ち前回の航海において算出された更新関数の係数と平均船速の最大値及び最小値が係数記憶部１３５に記憶されている場合、この係数、最大値及び最小値と、平均船速ｕ_１とに基づく更新関数により初期値Ｐａｒ_０ ^〜が求められる。この初期値Ｐａｒ_０ ^〜とＰａｒ_１は、いずれも同じ平均船速ｕ_１に基づくものであるが、Ｐａｒ_１は同定値データＳｅｔ_１に基づく更新関数の係数と平均船速の最大値及び最小値を用いて算出される点においてＰａｒ_０ ^〜とは異なる。

５ 更新値算出処理
更新値算出処理の動作について説明する。図１０は、更新値算出処理の動作を示すフローチャートである。なお、上述したように、この更新値算出処理は、安定船と不安定船のそれぞれに対して別個になされる処理である。

図１０に示すように、まず、判定部１３２は、同定値の変動の程度を示す変動値Ｒ_Ｋ／Ｔを次式により算出する（Ｓ２０１）。

ここで、（Ｋ_ｒ／Ｔ_ｒ）におけるＫ_ｒ，Ｔ_ｒのそれぞれは、現行の変針に対して算出された同定値であり、また、（Ｋ_ｒ／Ｔ_ｒ）^〜は基準値であり、この基準値におけるＫ_ｒ，Ｔ_ｒのそれぞれは、現行の変針に対して算出された平均船速ｕを用いて上述した更新値の算出方法により算出された値であり、更新関数により算出される場合は係数記憶部１３５に記憶されたＡ_ｉ−１，Ｂ_ｉ−１，ｕ_Ｈｉ−１，ｕ_Ｌｉ−１を用いた更新関数により算出される。つまり、基準値（Ｋ_ｒ／Ｔ_ｒ）^〜は、現行の同定値に基づかない更新値である。

変動値の算出後、判定部１３２は、変動値Ｒ_Ｋ／Ｔが、所定の閾値範囲内であるか否かを判定する（Ｓ２０２）。この判定は、具体的には次の条件によってなされる。

ここでＲ_ｓｅｔ＝２．５であり、このＲ_ｓｅｔは、（Ｋ_ｒ／Ｔ_ｒ）^〜の周期換算で０．６３倍から１．６倍までの変化に相当する。

この判定によれば、前回の同定値データからの変動が所定の範囲内である同定値データのみに基づいて更新値が算出されることとなり、これによって、更新値に対する異常な同定値データの影響を除去することができる。

変動値Ｒ_Ｋ／Ｔが、閾値範囲内である場合（Ｓ２０２，ＹＥＳ）、演算処理部１３４は、蓄積個数ｉをインクリメントし（Ｓ２０３）、取得部１３１により取得された同定値データＳｅｔに含まれる同定値Ｐａｒを同定値記憶部１３３に時系列に蓄積する（Ｓ２０４）。ここで、蓄積個数ｉは、安定船と不安定船とで別個にカウントされ、同定値記憶部１３３においても分別して時系列に蓄積され、安定船に対する更新値算出処理においては安定船に対応して蓄積された同定値Ｐａｒが用いられ、不安定船に対する更新値算出処理においては不安定船に対応して蓄積された同定値Ｐａｒが用いられる。

同定値Ｐａｒが同定値記憶部１３３に蓄積された後、演算処理部１３４は、同定値記憶部１３３における同定値Ｐａｒの蓄積個数ｉが２以上であるか否かを判定する（Ｓ２０５）。

蓄積個数ｉが２以上である場合（Ｓ２０５，ＹＥＳ）、演算処理部１３４は、同定値記憶部１３３に蓄積された全ての同定値Ｐａｒに基づいて、同定値Ｐａｒに含まれる全ての船体パラメータ要素それぞれについて係数記憶部１３５に記憶されている係数Ａ，Ｂを更新し（Ｓ２０６）、上述した式（１５）により全ての船体パラメータ要素それぞれについて更新値を算出する（Ｓ２０７）。

更新値の算出後、演算処理部１３４は、係数記憶部１３５に記憶されている平均船速ｕの最大値ｕ_Ｈ、最小値ｕ_Ｌのそれぞれと、現行の平均船速ｕとを比較して、必要に応じて最大値ｕ_Ｈ、最小値ｕ_Ｌを更新し（Ｓ２０８）、算出した船体パラメータの更新値を軌道演算部１１、フィードバック制御器１５、フィードフォワード制御器１６のそれぞれに出力し（Ｓ２０９）、更新値算出処理を終了する。

ステップＳ２０５において、蓄積個数ｉが２未満である場合（Ｓ２０５，ＮＯ）、演算処理部１３４は、上述した式（１９）による初期値を用いて式（１８）によって、全ての船体パラメータ要素それぞれについて更新値を算出し（Ｓ２１０）、この更新値の算出が停泊監視部１３６により船体プラント２が停泊していると判定された直後であるか否かを判定する（Ｓ２１１）。

更新値の算出が停泊直後である場合（Ｓ２１１，ＹＥＳ）、演算処理部１３４は、（１７）式により係数Ａ，Ｂ、最大値ｕ_Ｈ、最小値ｕ_Ｌを初期化し（Ｓ２１２）、算出した船体パラメータの更新値を軌道演算部１１、フィードバック制御器１５、フィードフォワード制御器１６のそれぞれに出力し（Ｓ２０９）、更新値算出処理を終了する。

一方、更新値の算出が停泊直後ではない場合（Ｓ２１１，ＮＯ）、演算処理部１３４は、算出した船体パラメータの更新値を軌道演算部１１、フィードバック制御器１５、フィードフォワード制御器１６のそれぞれに出力し（Ｓ２０９）、更新値算出処理を終了する。

上述したように、複数の同定値に基づいて船速に関する更新関数により更新値を算出することにより、より確度の高い船体パラメータを得ることができる。また、船舶の停泊が判定された場合に更新値が基づく同定値をクリアすることによって、例えば、積荷の積載状態が変化するなどの航海毎の船舶の喫水変化による同定値の変動に更新値を追従させることができる。また、安定船、不安定船のそれぞれに対して個別に更新値の算出を行うことにより、更新値をそれぞれの特性に適切に対応させることができる。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 船舶用自動操舵装置
１２ 同定演算部
１３ 更新演算部
１２３ 同定モデル
１２５ パラメータ調節部
１２６ 平均船速算出部
１３１ 取得部
１３３ 同定値記憶部
１３４ 演算処理部

Claims (5)

1. 参照方位と船首方位とに基づいて船体パラメータを用いて命令舵角を出力する船舶用自動操舵装置であって、
   前記船体パラメータの同定値を算出する同定演算部と、前記同定値に基づく更新値を算出する更新演算部とを備え、
   前記同定演算部は、
   前記船舶用自動操舵装置で得られる所定の入力データからモデル出力データを出力し、船体の船体運動に関する船体モデルを含む同定モデルと、
   船体の変針開始時点を少なくとも含む同定値演算期間における前記モデル出力データと前記船体に係る実測値である出力データとの比較結果から前記船体パラメータを調節した同定値を算出するパラメータ調節部と、
   前記同定値演算期間における前記船体のｓｕｒｇｅ速度の平均値を同一の同定値演算期間において算出された前記同定値に対応する平均船速として算出する平均船速算出部とを備え、
   前記更新演算部は、
   前記同定値と該同定値に対応する前記平均船速とを取得する取得部と、
   前記取得された同定値を時系列に蓄積する同定値記憶部と、
   前記船速に関する１次関数である更新関数の係数を前記蓄積された同定値に基づく最小二乗法により算出し、算出した係数と前記取得された平均船速とを用いた前記更新関数により前記船体パラメータの更新値を算出する演算処理部とを備える船舶用自動操舵装置。
2. 前記更新関数は、Ｐａｒ^〜を前記更新値、Ａを一次式の傾斜、Ｂを一次式の切片、ｕを前記平均船速、ｕ_Ｈを前記平均船速の最大値、ｕ_Ｌを前記平均船速ｕの最小値、添字_ｉを前記同定値記憶部における同定値の蓄積個数として、
   

   

   で表されることを特徴とする請求項１に記載の船舶用自動操舵装置。
3. 前記更新演算部は、前記船体のｓｕｒｇｅ速度が予め設定された停泊船速以下である時間が予め設定された停泊時間以上である場合、または、前記停泊時間における前記船体の移動距離が予め設定された停泊距離以下である場合、前記船体が停泊していると判定する停泊監視部を更に備え、
   前記演算処理部は、前記船体が停泊していると判定された場合、前記同定値記憶部に蓄積される同定値を消去することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の船舶用自動操舵装置。
4. 前記更新演算部は、前記取得された同定値の値に基づいて、前記船体が安定船または不安定船のいずれであるかを判定する第１判定部を更に備え、
   前記同定値記憶部は、前記第１判定部による判定に基づいて、前記取得された同定値を前記安定船または前記不安定船のいずれかに分別して時系列に蓄積し、
   前記演算処理部は、前記同定値記憶部において分別して蓄積された同定値に基づいて、前記安定船、前記不安定船それぞれに対する前記更新値を算出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の船舶用自動操舵装置。
5. 前記更新演算部は、前記同定値記憶部に蓄積された同定値に対する前記取得された同定値の変動が所定の閾値範囲内であるか否かを判定する第２判定部を更に備え、
   前記同定値記憶部は、前記変動が前記閾値範囲内であると判定された同定値を時系列に蓄積することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の船舶用自動操舵装置。

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