JP7249657B2 - 船舶の制御法 - Google Patents

Description

本発明は船舶の制御法に関し、船舶の誘導および離着桟、定点保持等の操船を支援する技術に係るものである。

従来の操船システムには、たとえば、１基１軸の推進器（プロペラ）の後方に１対２枚の高揚力舵を配したものがあり、ここではベクツイン舵と称する。

ベクツイン舵は、各舵がそれぞれ、アウトボード（外舷側）へ１０５°、インボード（内舷側）へ２５°乃至３５゜転舵可能に構成されており、１基１軸の推進器（プロペラ）をプロペラ前進回転のままで、１対２枚の高揚力舵をそれぞれ独立して種々の角度に作動させ、プロペラ後流を制御して船尾回りの推力を３６０゜全方向にわたって制御し、船の前後進、停止、前進旋回、後進旋回等の操船を行わせるものである。

図７に、ベクツイン舵の基本的な舵角の組合せ、およびジョイスティックの状態と、その呼称及びプロペラ後流線と運動方向の例を示す。図７中で、舵は水平断面で示してあり、その横あるいは下方に各々の舵の舵角を示している。舵角は右に取るのが正（＋）、左に取るのが負（－）として表示し、これらの舵角の組み合わせに対する呼称を掲げている。プロペラ後流は、細い矢印線で、又、それによる船の推進方向を太い中抜き矢印線で画いている。

ちなみに、「ＴＵＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ」（前進左旋回）は左舷舵－３５°、右舷舵－３５°であり、「ＲＯＴＡＴＥ ＴＯ ＰＯＲＴ」（船首左回頭）は左舷舵－７０°、右舷舵－３５°であり、「ＳＴＥＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ」（船尾左旋回）は左舷舵－１０５°、右舷舵＋４５から＋７５°であり、「ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ」（後進左旋回）は左舷舵－１０５°、右舷舵＋７５から＋１０５°であり、「ＡＨＥＡＤ」（前進）は左舷舵０°、右舷舵０°であり、「ＨＯＶＥＲＩＮＧ」（その場停止）は左舷舵－７５°、右舷舵＋７５°であり、「ＡＳＴＥＲＮ」（後進）は左舷舵－１０５°、右舷舵＋１０５°であり、「ＴＵＲＮ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（前進右旋回）は左舷舵＋３５°、右舷舵＋３５°であり、「ＲＯＴＡＴＥ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（船首右回頭）は左舷舵＋３５°、右舷舵＋７０°であり、「ＳＴＥＲＮ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（船尾右旋回）は左舷舵－４５°から－７５°、右舷舵＋１０５°であり、「ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＳＴＡＲＤ」（後進右旋回）は左舷舵－７５°から－１０５°、右舷舵＋１０５°である。

このように、両舷の舵の舵角の組合せを変えることによって、プロペラ後流を目的とする望ましい方向に向けてその方向に推力を変えることができる。ここに挙げた舵角の組み合わせは一例であり、目的とする推進方向及び推力を得るように、舵角の組み合わせを任意に変えることができる。

このようにして船尾に３６０°にわたるあらゆる方向に向けた任意の大きさの推力を発生させることができ、船の運動を自由に制御することができる。

また、特許文献１に記載する船舶操縦装置は、制御力推定部が、船体流体力と、船首尾方向速度の偏差と、船体横方向速度の偏差と、指令運動方向の船首方位の偏角とを求め、船体流体力と前記偏差と前記偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するための船体制御力を求め、推力分配部が、船体制御力を、目標推進器推力と目標スラスター推力とに分配し、目標推進器推力における船首尾方向速度と船尾横移動速度を求めるとともに、目標スラスター推力における船首横移動速度を求め、操作量変換部が、船首尾方向速度と船尾横移動速度を実現するための２枚の高揚力舵の舵角操作量を求めて舵取機に指示し、さらに船首横移動速度を実現するための船首スラスターのピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置に指示するものである。

特開２０１７－５２２９７

ところで、ベクツイン舵システムにおいて操船の自動化を行うに当たっては、制御量として、右舷舵、左舷舵の両舵角の組合せによって発生する船尾部に働く推力の大きさと方向を知ることが重要になる。

しかし、この右舷舵、左舷舵両舵角の組合せによって発生する船尾部に働く推力の大きさと方向は非線形的でかなり複雑な様相を呈する。

すなわち、両舵の組合せ舵角とそれによる推力の大きさと方向は、舵角の組み合わせが決まれば決定するのであるが、それを数式として表示することは、はなはだ困難である。

そこで、両舵の組合せ角とそれによる推力の大きさと方向をテーブル化しておき、操船システムがその都度要求する推力の大きさと方向に対応する両舵の組合せ舵角を取るように制御するものとする。
テーブルは、
１．左右舵の組合せ舵角に対する推力の船首尾（縦）方向の力の大きさ、横方向の力の大きさを表示する
２．左右舵の組合せ舵角に対して、推力の方向を、船首方向を基準にして表す角度、その方向における推力の大きさを示す
もちろん、操船制御システムが、必要な推力の大きさと方向に対してある組合せ舵角を操舵装置に要求して、それに対して取られた組合せ舵角による船尾の動きを学習させ、だんだん習熟させていって操船を上達させることもできる。しかし、これには大変多くのケースについての学習が必要となる。

操船装置に学習機能を持たせるとしても、上述した右舷、左舷の舵の組合せ角と、それによる推力の大きさと、方向のテーブルを基礎データとして持っておき、それと実船の動きとを照合しながら学習するのが、より早くより高い精度の操船制御システムとして進化させることができるようになり、より合理的である。

本発明は上記した課題を解決するものであり、ベクツイン舵システムにおいて操船の自動化を行い、操船者に課せられている多くの負担を軽減し、安全性の向上をはかって運航の効率化に寄与する船舶の制御法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明の船舶の制御法は、推力システムと推力システムを制御する操船システムを備え、推力システムは、１基１軸のプロペラからなるプロペラ推進器と、プロペラの後方に配置した２枚の高揚力舵と、高揚力舵を駆動する舵取機と、バウスラスターと、バウスラスターを制御するスラスター制御装置のアクチュエータを有し、操船システムは、指令部と船体運動制御部とセンサー部を有する船舶において、操船システムにより、着桟時もしくは離桟時に、船体の回頭や船尾部の縦移動及び横移動や船首部の縦移動及び横移動を制御して船の姿勢を保ちながら目標位置まで誘導し、着桟中において岸壁に対する船体位置での設定船速と実船速とを比較し、設定船速に適合するようにそれぞれアクチュエータを作動させ、アクチュエータの制御量は、船体の縦移動および横移動に係る速度を基準とし、その位置における速度が設定速度とずれている場合に、速度成分とともにその加速度成分を求め、それらをアクチュエータの制御量に転換してアクチュエータを作動させ、目標位置に近づけばそれぞれの方向の動きに反力を与えて制動を掛け目標位置に正しく止めるように操船することを特徴とする。

本発明の船舶の制御法において、予め２枚の高揚力舵の取り方に起因して動く船の運動特性を求めておき、目標経路に対する船尾部、船首部のずれを計測しながらそのずれを修正するように、２枚の高揚力舵の取り方およびバウスラスターの出力を加減することを特徴とする。

本発明の実施の形態における船舶操縦装置の構成を示す模式図 同実施の形態における船舶操縦装置の構成をブロック図 同実施の形態における船舶を示す模式図 同実施の形態における推進器および高揚力舵を示す平面図 同実施の形態におけるジョイスティックを示す斜視図 同ジョイスティックを示す正面図 舵の組み合せ舵角と旋回方向を示す模式図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（船舶の制御法の概要）
着桟時等においては、船体の回頭や船尾部の縦移動及び横移動や船首部の縦移動及び横移動を制御して船の姿勢を保ちながら目標位置まで誘導し、目標位置に近づけばそれぞれの方向の動きに反力を与えて制動を掛け目標位置に正しく止めるように操船する。

その際、岸壁近くでは船体のいずれの部分もオーバシュートすることがあってはならず、また各アクチュエータの方向の切替は、できるだけ少なくなるようにして目標の位置に着実に停止させることが必要である。

この操船において船体に働く力は、プロペラ後流を右舷、左舷の２枚の舵で転流させて船尾部に作用する推力成分と、バウスラスターによって船首部に作用する横推力成分がある。これらの成分は、下記に挙げる外力がなければ、船体が有する質量（ただし質量は船体全体に分布している）に対してそれを加速する成分と、船体の水面下部に作用する水による抵抗成分、および船体の水面上部に作用する空気による抵抗成分の和に等しくなる（これらも船外面全体に分布する）。

また、外力としては、潮流、風、波があり、潮流は船体の水面下部に作用する抵抗力となり、風および波は船体の水面上部に作用する抵抗力となる。

船体は、これらの力の合力によって定まる運動を行うことになる
これらの力の関係を分析することにより、あるいは過去の操船によって得られた学習・蓄積データから力の成分を分析することにより、現在の船体運動を推定し、目標とする船体運動と比較照合する。

そして、目標の船体運動を起こさせるに必要な推力成分を推力分配部に与え、船尾部に必要な推力成分と船首部に必要な推力成分とに演算する。求めた推力成分を操作量変換部に与え、左右両舵の舵角及びバウスラスターのピッチ角を決定し、その信号をそれぞれのアクチュエータ操作部に与えて各アクチュエー夕を駆動するものとする。

必要によってさらに、プロペラ回転数の制御を加えてもよい。

これらの働きによって引き起こされた船体運動（縦方向及び横方向の運動速度）と船位並びに船首方位をそれぞれ各センサーによって求め、船体を誘導すべき位置として設定した船体の目標位置と姿勢とを比較照合する。

そして時々刻々の船体の目標位置と姿勢に対する偏差量と船体運動量を照合しながら上述のループを繰り返しながら、船体を目標位置と姿勢となるように誘導する。
（自動操船演算制御装置）
船舶の運動に関しては、一般的には、例えば次の運動方程式が与えられている。
（ｍ＋ｍ_ｘ）・∂ｕ／∂ｔ＝（ｍ＋ｍ_ｙ）ｒｖ－（ｍ＋ｍ_ｚ）ｑｗ＋Ｘ
（ｍ＋ｍ_ｙ）・∂ｖ／∂ｔ＝（ｍ＋ｍ_ｚ）ｐｗ－（ｍ＋ｍ_ｘ）ｒｕ＋Ｙ
（ｍ＋ｍ_ｚ）・∂ｗ／∂ｔ＝（ｍ＋ｍ_ｘ）ｑｕ－（ｍ＋ｍ_ｙ）ｐｖ＋Ｚ
（Ｉ_ｘ＋Ｊ_ｘ）・∂ｐ／∂ｔ＝（ｍ_ｙ－ｍ_ｚ）ｗｖ＋（Ｉ_ｙ－Ｉ_ｚ＋Ｊ_ｙ－Ｊ_ｚ）ｑｒ＋Ｌ
（Ｉ_ｙ＋Ｊ_ｙ）・∂ｑ／∂ｔ＝（ｍ_ｚ－ｍ_ｘ）ｕｗ＋（Ｉ_ｚ－Ｉ_ｘ＋Ｊ_ｚ－Ｊ_ｘ）ｒｐ＋Ｍ
（Ｉ_ｚ＋Ｊ_ｚ）・∂ｒ／∂ｔ＝（ｍ_ｘ－ｍ_ｙ）ｖｕ＋（Ｉ_ｘ－Ｉ_ｙ＋Ｊ_ｘ－Ｊ_ｙ）ｐｑ＋Ｎ
式中、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれｘ、ｙ、ｚ方向の外力成分、Ｌ、Ｍ、Ｎはそれぞれｘ、ｙ、ｚ軸廻りの外力のモーメントである。

ここで、船の重心Ｇを通り慣性主軸の方向にｘ、ｙ、ｚ軸を取り、それぞれの軸方向およびその周りの速度、角速度をそれぞれｕ、ｖ、ｗ、ｐ、ｑ、ｗとする。また、船の質量をｍとし、ｘ、ｙ、ｚ軸廻りの慣性モーメントをＩ_ｘ、Ｉ_ｙ、Ｉ_ｚとする。

また、伴流等に伴う付加質量をそれぞれｍ_ｘ、ｍ_ｙ、ｍ_ｚとし、各軸廻りの付加慣性モーメントをＪ_ｘ、Ｊ_ｙ、Ｊ_ｚとする。

しかしながら、この運動方程式をべースにして船の洋上航行や離着桟における自動制御ロジックを求めることは実際的でなく得策とは言えない。

なぜなら、船体質量は積荷によって変化するし、船体の動きによって現れる付加質量が合わさって船体自身の慣性モーメントも付加慣性モーメントも変化する。また、外力の主な要素をなす風や潮流は時々刻々変化するものであり前後進、横移動や回頭動作をしている複雑な船体構造に対するこれら外力を正しく検出することは容易ではない。特に離着桟においては、岸壁即ち大地を基準にして操船することになるが本船からは潮流の大きさなど方向を直接計測することは難しい。
（着桟例）
通常航行中などある程度船速が大きい場合においては船が斜行前進していれば、船体に揚力が発生し旋回力が発生することになるが、離着桟時等は、前進速力は極めて小さいので前進斜行による回頭の影響は制御要素としては考慮しない。

大洋航行をする船の自動操船は比較的容易に行えるが、船の港内自動航行や離着桟は、他船との衝突の回避や正確な着桟操船を行うことが必須となりクリヤしなければならない課題として次のことが挙げられる。
・航行水面が狭い
・航行水面が浅い
・船速が遅いため、すなわちプロペラ推力が相対的に小さいため外力としての風、潮流の影響が大きくなる
・停泊している船や航行している他船が多い
・着桟位置、船の姿勢が制約される等
着桟の操縦においては、舵、必要によってはプロペラ（回転）など各アクチュエータの操作を最少にし、最短時間で停止位置までの移動経路を設定することが理想である。

しかし、この最適経路を求めることは、風、潮などの外乱の状況によっても変わるので、概略の経路と船首尾方向、すなわち、通過する船首部と船尾部の位置を指定してそれに沿うように上述のアクチュエータを作動させ、制御するようにする。この間、他船や岸壁に接触することがあってはならない。

船の着桟操船においても、基本的にはベクツィン舵の操作によって誘導するものとし経路に対する船の基準位置は船尾とする。バウスラスターはそのときどきにおける設定経路における船首部の位置ずれを補正するために用いる。

たとえば、岸壁に近づいたときには、船尾の動きはベクツィン舵を真横推力が出るように調節し、船首部は岸壁に対して船体が平行になるようにバウスラスターを調節する。

船の運動方程式は前述したとおりであるが、実際の操船においは船の質量や慣性質量はまだしも予め求められるとしても、付加質量や外力はその時々において変化する。したがってこの様な状況においてこの運動方程式そのものによって舵やバウスラスターの推力の大きや方向を決めることは極めて困難であり実際的ではない。

たとえば、質量や慣性質量など一定とし、また、風や潮の影響が無いとしたある特定条件において制御系を最適に設定していたとしても、実際の運行においては、これらは不定であり、その設定条件下では最適性を失って行き過ぎや不足を起こして船は目標とした経路と姿勢を適正に制御できなくなる。特に岸壁近くでの行き過ぎは極めて危険で岸壁に接触するおそれがある。

このように、最適な制御を行うことは困難であるが、基本的には予め概略的に船の運動特性すなわちベクツイン舵の取り方によってどのように船が動くかを求めておき、目標経路に対する船尾部、船首部のずれを計測しながらそのずれを修正するように、ベクツイン舵の取り方およびバウスラスターの出力を加減する。

新しく自動着船システムを装備した船において、自動操船システムを使用する初期段階においては、ずれ修正を行うに当たってアクチュエータ（ベクツイン舵、バウスラスター）を作動させるタイミングがずれたり、制御量が適正でないために、目標経路や船首方位にうまく乗らないため、さらにその修正のためにアクチュエータをバタバタと頻繁に作動させることになるかも知れない。

しかし、操船経験を深めるごとに、舵やバウスラスターをどのように操作すれば船がどのように動くか、また、外乱がある場合にもこれらの外乱に拮抗するようにするための操作量を逐次習得して行くようにすることによって、だんだんと状況に合ったスムーズな制御を行わせることができるようにシステムを構築する。

また、船速については、船と岸壁との距離によって、船速をたとえば、次式に示すように岸壁に近づくにしたがってだんだんと遅くしていき、岸壁から一定の距離になると停止させるようにする。

ｖ_ｘ＝ｖ_ｘ０［１－exp｛－（ｘ－ｄ_ｘ０）｝］
ｖ_ｙｓ＝ｖ_ｙｓ０［１－exp｛－（ｙ_ｓ－ｄ_ｙｓ０）｝］
ｖ_ｙｈ＝ｖ_ｙｈ０［１－exp｛－（ｙ_ｈ－ｄ_ｙｈ０）｝］
ここで、
ｘ ：船首部または船尾部と岸壁までの船首尾方向の距離
ｙ_ｓ ：船尾部と岸壁までの横方向の距離
ｙ_ｈ ：船首部と岸壁までの横方向の距離
ｄ_ｘ０ ：着桟位置における船首部または船尾部の船首尾方向と岸壁までの距離
ｄ_ｙｓ０ ：着桟位置における船尾部（横方向）と岸壁までの距離
ｄ_ｙｈ０ ：着桟位置における船首尾（横方向）と岸壁までの距離
ｖ_ｘ ：船首尾方向の設定船速
ｖ_ｙｓ ：船尾部横方向の設定船速
ｖ_ｙｈ ：船首部横方向の設定船速
とする。

なお、船体が岸壁方向へ近づきすぎるようなことがあれば、直ちに、船尾、船首の動きを確認しながら岸壁より離れるように舵、バウスラスターを操作して、船体が岸壁に接触することがないようにする。

先述したように、質量（負荷質量を含む）や慣性モーメントや抵抗など船体の運動に関わる諸要素の大きさがその都度変わることになるので、しかも、その値が必ずしもその都度測定できるものでないので、その時々に求める船体運動となる適正な制御量を前もって知ることはほとんど不可能であり、そのため各アクチュエータのその都度つどの適正な制御量を求めることは甚だ困難である。

ここでは、運動方程式から各アクチュエータの制御量を定めることはとりあえず置いておいて、着桟中において岸壁に対する船体位置（上記ｘ、ｙ_ｓ、ｙ_ｈ）に対する設定船速と実船速とを比較し、上記式に適合するようにそれぞれアクチュエータを作動させる。

アクチュエータの制御量は、基本的には速度を基準とし、その位置における速度が式の与えている速度とずれている場合、速度成分とともにその加速度成分を合わせて求め、それらをアクチュエータの制御量に転換してアクチュエータを作動させる。

ここで加速度成分を加味するのは、よりスムーズな制御を実現するためである。この加速度成分は、船体の質量（負荷質量を含む）や慣性モーメントをそのまま織り込むことは困難なので、それらを船尾部、船首部に集中した縦方向および横方向の仮想船体質量とみなして、その想定した仮想質量による慣性力に対応すべく取り込む。

加速度によって速度が変化し、加速度は力に対応するものなので、風や潮流によって引き起こされる船体の速度変化から各アクチュエータがその時どきに出力すべき船首尾方向の力および横力を求め制御量を演算してそれに対応させて各アクチュエータを作動させる。

さらに、加加速度すなわち加速度の時間変化分を求めることとし、加速度がどのように変化するかを見込んで加速度に対する制御量に加えた制御量によってアクチュエータを作動させることにする。このようにすることによって、操縦制御の安定性を増すようにする。

また、それぞれの位置において今回適用した制御量によって船体がどのように運動したかを保存・蓄積し、目標値とのずれを算出しておいて次回以降の着桟制御により適正な操縦ができるように逐次制御量の補正を行うように演算制御系を構成する。

なお、速度センサーや距離センサー等は、ＧＰＳや準天頂衛星みちびき等の支援システムに依ることもできる。

これら要素システムを組み合わせ統合されたシステムを構成することにより、ここに述べた自動離着桟のための、岸壁および船体の位置と岸壁に対する船体の姿勢を求め、目標経路に沿って船体を岸壁の目的位置に着桟させる。

以上は、主として着桟操縦を例にとって説明したものであるが、離岸操船も同様にして行う。また、定点保持システムは、船体を特定位置近傍に保持するシステムであり、ここに述べた自動離着桟システムの一応用例として適用できるものである。

本実施の形態の船舶の制御法を適用する船舶操縦装置は、図１から図４に示すように、推力システム１００と推力システム１００を制御する操船システム２００からなる。

推力システム１００は、船体１１０の船尾に配置した１基１軸のプロペラからなるプロペラ推進器１０１と、プロペラの後方に配置した２枚の高揚力舵１０２、１０３と、高揚力舵１０２、１０３を駆動する舵取機１０４、１０５と、舵取機１０４、１０５を制御する舵制御装置（サーボアンプ）１０６、１０７と、船体１１０の船首側に配置したバウスラスター１０８およびバウスラスター１０８を制御するスラスター制御装置１０９を有している。また、舵取機１０４、１０５にはポンプユニット１５１、１５２と舵角発信器１５３、１５４とフィードバックユニット１５５、１５６が接続しており、フィードバックユニット１５５、１５６が舵制御装置１０６、１０７に接続している。

操船システム２００は、操船制御ユニット２５０に格納されており、指令部２０１と船体運動制御部２０２とセンサー部２０３を備えている。センサー部２０３は、船体１１０の船首方位と、回頭運動時の回頭角速度と、船首尾方向速度と、船体横方向速度と、船首部横方向速度と、船首部と岸壁までの距離と、船尾部横方向速度と、船尾部と岸壁までの距離と、現在船位を操船制御ユニット２５０に接続したＧＰＳコンパス２５１および電子海図システムを用いて検出する。

指令部２０１は、船体の指令運動方向と、船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を指令するものであり、ジョイスティック２０４と自動誘導操船部（オートパイロット）２０５を備えている。

ジョイスティック２０４は、図５および図６に示すような、ジョイスティックレバー（操作レバー）２０６を備えており、ジョイスティックレバー２０６はＸ－Ｙ方向の何れの方向へも操作可能に構成されており、ジョイスティックレバー２０６の傾倒方向で船体の指令運動方向を指令し、傾倒方向における傾倒角度で船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を指令するものである。

ジョイスティックレバー２０６は頂部に指令回頭角速度を指示するための回頭スイッチ２０７を有しており、図６に示すものは回頭スイッチ２０７として回転方式の回頭ボリュームを採用した例示であり、回頭ボリュームの回転を操作して回頭ボリュームの回転角度を調整することにより指令回頭角速度を制御する。

回頭スイッチ２０７は、回転方式に代えて、押しボタン方式とすることも可能であり、回頭スイッチ２０７を押す時間の長さを調整することにより指令回頭角速度を制御する。

操船制御ユニット２５０には、指令部２０１により操船する操船支援モードと、自動誘導操船部２０５により操船する自動誘導モードと、マニュアル操船するマニュアルモードとを切り替える右舷切換スイッチ２５２、左舷切換スイッチ２５３を設けている。

その他に、操船制御ユニット２５０には、モニター２５４と、右舷舵取機操作レバー２５５、左舷舵取機操作レバー２５６と、右舷舵取機用各種設定スイッチ類２５７、左舷舵取機用各種設定スイッチ類２５８と、自動誘導操船部（オートパイロット）２０５のコース設定ユニット２５９を設けている。

モニター２５４の表示画面は、電子海図および自船の船位と姿勢を表示する第１画像域２５４ａ、と各種設定モードを表示する第２画像域２５４ｂ、指令運動方向をベクトル表示する第３画像域２５４ｃに区分した例を示しており、各画像域を単独で全画面化して表示することも可能である。

自動誘導操船部２０５は、電子海図システム上に入力した自船の現在位置情報、誘導経路情報、停船保持位置情報に基づいて船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を指令し、自船を誘導制御するものである。

船体運動制御部２０２は、制御力推定部２０８と推力分配部２０９と操作量変換部２１０を備えている。

制御力推定部２０８は、船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度に対して定常運動となる船体流体力を求め、また船首尾方向指令速度と時々刻々に変化する船首尾方向速度との偏差を求め、また船体横方向指令速度と時々刻々に変化する船体横方向速度との偏差を求め、また指令運動方向の指令時における指令時船首方位と時々刻々に変化する船首方位との偏角とを求める。さらに、船体流体力と前記偏差と前記偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するために必要な船体制御力を求める。

推力分配部２０９は、船体制御力を、前進一定回転するプロペラ推進器１０１の推力と２枚の高揚力舵１０２、１０３の舵角の組み合わせとで発生させる目標推進器推力と、バウスラスター１０８で発生させる目標スラスター推力とに分配する。さらに目標推進器推力における船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を求めるとともに、目標スラスター推力における船首横移動静定速度を求める。

また、船体運動制御部２０２の制御力推定部２０８は、ジョイスティックレバー２０６の回頭スイッチ（回転方式の回頭ボリュームもしくは押しボタン方式）２０７で指示する指令回頭角速度に基づいて船尾横移動静定速度および船首横移動静定速度を調整する。

操作量変換部２１０は、船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を実現するために必要な２枚の高揚力舵１０２、１０３のそれぞれの舵角操作量を求めて舵取機１０４、１０５の舵制御装置１０６、１０７に指示し、さらに船首横移動静定速度を実現するためのバウスラスター１０８のピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置１０８に指示する。

操船システム２００は、緊急停止制御ユニット３００および緊急停止押釦３０１を備えており、緊急停止押釦３０１は操船制御ユニット２５０に設けている。

緊急停止制御ユニット３００は、緊急時に緊急停止押釦３０１を押すと、ジョイスティック２０４でいかなる操船状態を指示していようとも、それをキャンセルして、左舷舵１０３を取舵方向（上から見て時計回りの方向）に、右舷舵１０２を面舵方向（上から見て反時計回りの方向）に、それぞれハードオーバー（舵いっぱい）まで転舵させ、船に制動力を与えて停止させる。

以下、上記構成における作用を説明する。
（操船支援モード）
従来、航行中において、減速操船が必要なときや、港湾での入港信号待ちなどの場合に、推進器（固定ピッチプロペラにあっては回転の減速、停止、逆回転、可変ピッチプロペラにあってはビッチ角の減少、ゼロピッチ、逆ピッチ）などを調整して船速を制御し、併せて舵により針路制御、航路制御を行っていた。

特に、港湾での入港信号待ちの時には、潮流や風などの外乱で自船が流されると、位置保持と船首尾方向保持のために、主として目視で自船の方位と位置を確認し、時に推進器を前進、後進に切換え、舵とバウスラスターにより横方向の制御を行っていた。

本発明では、特定水域において、右舷切換スイッチ２５２、左舷切換スイッチ２５３を操船支援モードに切り替えて操船する。

この操船支援モードでは、指令部２０１のジョイスティック２０４によって船体の指令運動方向、船首尾方向指令速度、船体横方向指令速度を指令する。船体運動制御部２０２により高揚力舵１０２、１０３およびバウスラスター１０８にそれぞれ適切な推力を担わせて船体を指令運動方向へ運動させる。

すなわち、ジョイスティックレバー（操作レバー）２０６の傾倒方向で船体の指令運動方向を船体運動制御部２０２に指令し、傾倒方向における傾倒角度で船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を船体運動制御部２０２に指令し、回頭スイッチ２０７の回転量で指令回頭角速度を船体運動制御部２０２に指令する。

制御力推定部２０８は、船体流体力と偏差と偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するために必要な船体制御力を求め、推力分配部２０９は、船体制御力を目標推進器推力と目標スラスター推力とに分配し、目標推進器推力における船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を求め、目標スラスター推力における船首横移動静定速度を求めるとともに、指令回頭角速度に基づいて船尾横移動静定速度および船首横移動静定速度を調整する。

操作量変換部２１０は、船首尾方向静定速度と船尾横移動静定速度を実現するために必要な２枚の高揚力舵１０２、１０３のそれぞれの舵角操作量を求めて舵取機１０４、１０５の舵制御装置１０６、１０７に指示し、さらに船首横移動静定速度を実現するためのバウスラスター１０８のピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置１０８に指示する。

例えば、港での入港信号待ちの時には、潮流や風などの外乱による自船の流れに対して、高揚力舵１０２、１０３の両舵角の組合せ角を制御することにより、前後進、船速ゼロを含めた船速制御を行わせて高揚力舵１０２、１０３の有するホバリング機能を有効に使って船首尾方向の位置保持と船首尾方向保持を行い、自船の横方向保持には高揚力舵１０２、１０３と併せてバウスラスター１０８を制御して行う。

これらアクチュエータの操作量の決定のために、正確な自船位置及び自船の運動状態（船首尾線方向の速度、船体横方向の速度、旋回角速度）を把握する必要がある。これらの情報収集のために、センサー部２０３は、船首方位、回頭角速度、船首尾方向速度および船体横方向速度、船位、船首尾方位をＧＰＳコンパス２５１および電子海図システムを用いて検出する。これらの情報の内、角速度および船速については、位置情報の時間微分量によって計測する。

操船システム２００は、センサー部２０３のＧＰＳコンパス２５１から船首尾方位信号及び自船位置信号を受けて、船体運動制御部２０２で自船に必要とする船首尾方向の速度及び回頭速度を算出し、各アクチュエータの必要な操作量、すなわち高揚力舵１０２、１０３の組合せ角及びバウスラスター１０８のピッチ角を演算し、アクチュエータを時々刻々適切に制御する。

よって、操船者に課せられている多くの負担を軽減し、安全性の向上をはかって運航の効率化に寄与できる。

上述の操船においては、プロペラ推進器１０１をプロペラ前進回転のままで、それぞれの高揚力舵１０２、１０３をそれぞれ独立に種々の角度に作動させてプロペラ後流を制御し、船尾回りの推力を３６０゜全方向にわたって制御する。

高揚力舵１０２、１０３の基本的な舵角の組合せ、およびジョイスティック２０４の状態と、その呼称及びプロペラ後流線と運動方向は、先に図７において説明した通りである。この制御によって船の前後進、停止、前進旋回、後進旋回等を行わせることにより操船における機動性を向上させることができる。

このように、操船においては推進器推力の反転（プロペラ逆転）が不要であり、主機関は常に前進回転のままであらゆる操船制御が行え、主機関の回転数を加減せずとも、両舵の舵角を加減して、そのときのプロペラ回転数に対応した前進最大速度から後進最大速度まで無段階にきめ細かく船速を制御することができる。
・クラッシュアスターン機能
緊急停船押釦３０１を押すことの一挙動で、ジョイスティック２０４の操舵モードにかかわらず、緊急停止制御ユニット３００によってクラッシュアスターンモード（左舷舵は左般１０５°、右舷舵は右舷１０５゜に舵を取る）に切換えて、両舵により非常に大きな制動力を発生させるので、プロペラ逆転による操船よりもはるかに短い時間、短い距離で船体を停止させることができる。

また、クラッシュアスターンにおいても、主機関を止めて後進再始動をする必要がないため、操船中にいわゆる無制御状態となることがないので、航行における緊急事態にすばやく対応できる。
・避行操船機能
緊急停止制御ユニット３００による操船中に、船の特性、外乱等により旋回を起した場合や、または必要によって船首方位を含めて進行力向を変えたい場合には、そのままジョイスティッククレバー２０６を操作すれば通常のジョイスティック操作と同様に、ジョイスティック２０４によって自在に操船して避行航行することができる。

例えば、ジョイスティックレバー２０６”ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＳＴＢＤ”及び”ＡＳＴＥＲＮ ＴＯ ＰＯＲＴ”等に修正操舵することで、減速航行中にも船首を真っ直ぐに保つことができる。または、同様操作で船首方位を含めて進行方向を変えることによって障害物を避けるようにすることが可能である。

また、「ＡＳＴＥＲＮ」状態で、船体停止後は主機関を逆転させることなく後進航行させることができる。この「ＡＳＴＥＲＮ」位置でジョイスティックレバー２０６を左方に動かせば、船尾が左に、したがって右回頭するように舵が働き、ジョイスティックレバー２０６を右方に動かせば船尾が右に、したがって左回頭するように舵が働く。

また、通常のジョイスティック操作による操船と同様に、”ＡＨＥＡＤ”から”ＡＳＴＥＲＮ”の間でジョイスティック２０４を操作することによって、船速の制御を行うことができる。勿論このときジョイスティックレバー２０６を左右に操作することによって船首方位も自在に制御できる。通常のコース設定ユニット２５９による操船やジョイスティック２０４による操船への復帰は、緊急停船押釦３０１を再度押すことにより行われる。
（自動誘導モード）
通常航行操船では、右舷切換スイッチ２５２、左舷切換スイッチ２５３を自動誘導モードに切り替え、指令部２０１による操船に代えて、操船システム２００の自動誘導操船部２０５で操船する。

自動誘導モードにおいては、コース設定ユニット２５９により自動誘導操船部２０５に自船の位置、進みたい方位、到達したい位置と船首尾線方位を入力し、設定した針路で船を自動誘導操船する。

自動誘導操船部２０５は、自船の現在位置情報、誘導経路情報、停船保持位置情報に基づいて船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を船体運動制御部２０２へ指令して自船を誘導制御する。

自動誘導操船部２０５は、離桟および着桟時には、船体１１０の回頭や船尾部の縦移動及び横移動や船首部の縦移動及び横移動を制御して船の姿勢を保ちながら目標位置まで誘導し、目標位置に近づけばそれぞれの方向の動きに反力を与えて制動を掛け目標位置に正しく止めるように操船する。

また、予め２枚の高揚力舵１０２、１０３の取り方に起因して動く船の運動特性を求めておき、目標経路に対する船尾部、船首部のずれを計測しながらそのずれを修正するように、２枚の高揚力舵１０２、１０３の取り方およびバウスラスター１０８の出力を加減する。

１００ 推力システム
１１０ 船体
１０１ プロペラ推進器
１０２、１０３ 高揚力舵
１０４、１０５ 舵取機
１０６、１０７ 舵制御装置
１０８ バウスラスター
１０９ スラスター制御装置
１５１、１５２ ポンプユニット
１５３、１５４ 舵角発信器
１５５、１５６ フィードバックユニット
２００ 操船システム
２０１ 指令部
２０２ 船体運動制御部
２０３ センサー部
２０４ ジョイスティック
２０５ 自動誘導操船部
２０６ ジョイスティックレバー（操作レバー）
２０７ 回頭スイッチ（回転方式の回頭ボリュームもしくは押しボタン方式）
２０８ 制御力推定部
２０９ 推力分配部
２１０ 操作量変換部
２５０ 操船制御ユニット
２５１ ＧＰＳコンパス
２５２ 右舷切換スイッチ
２５３ 左舷切換スイッチ
２５４ モニター
２５４ａ 第１画像域
２５４ｂ 第２画像域
２５４ｃ 第３画像域
２５５ 右舷舵取機操作レバー
２５６ 左舷舵取機操作レバー
２５７ 右舷舵取機用各種設定スイッチ類
２５８ 左舷舵取機用各種設定スイッチ類
２５９ コース設定ユニット
３００ 緊急停止制御ユニット
３０１ 緊急停止押釦

Claims (3)

1. 推力システムと推力システムを制御する操船システムを備え、
   推力システムは、１基１軸のプロペラからなるプロペラ推進器と、プロペラの後方に配置した２枚の高揚力舵と、高揚力舵を駆動する舵取機と、バウスラスターと、バウスラスターを制御するスラスター制御装置のアクチュエータを有し、
   操船システムは、指令部と船体運動制御部とセンサー部を有する船舶において、
   操船システムにより、着桟時もしくは離桟時に、船体の回頭や船尾部の縦移動及び横移動や船首部の縦移動及び横移動を制御して船の姿勢を保ちながら目標位置まで誘導し、
   着桟中において岸壁に対する船体位置での設定船速と実船速とを比較し、設定船速に適合するようにそれぞれアクチュエータを作動させ、
   アクチュエータの制御量は、船体の縦移動および横移動に係る速度を基準とし、その位置における速度が設定速度とずれている場合に、速度成分とともにその加速度成分を求め、それらをアクチュエータの制御量に転換してアクチュエータを作動させ、
   目標位置に近づけばそれぞれの方向の動きに反力を与えて制動を掛け目標位置に正しく止めるように操船することを特徴とする船舶の制御法。
2. 予め２枚の高揚力舵の取り方に起因して動く船の運動特性を求めておき、目標経路に対する船尾部、船首部のずれを計測しながらそのずれを修正するように、２枚の高揚力舵の取り方およびバウスラスターの出力を加減することを特徴とする請求項１に記載の船舶の制御法。
3. センサー部は、船体の船首方位と、船首尾方向速度と、船体横方向速度と、回頭運動時の回頭角速度と、現在船位を検出し、
   指令部は、指令運動方向と指令回頭角速度と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を船体運動制御部へ指令し、
   船体運動制御部は、制御力推定部と推力分配部と操作量変換部を備え、
   制御力推定部は、船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度に対して定常運動となる船体流体力と、船首尾方向指令速度と時々刻々に変化する船首尾方向速度との偏差と、船体横方向指令速度と時々刻々に変化する船体横方向速度との偏差と、指令運動方向の指令時における指令時船首方位と時々刻々に変化する船首方位との偏角とを求めるとともに、船体流体力と前記偏差と前記偏角に基づいて指令運動方向と船首尾方向指令速度および船体横方向指令速度を実現するための船体制御力を求め、かつ指令時の運動方向から指令運動方向にまで回頭する間は、指令回頭角速度を実現できる回頭船体制御力を求め、
   推力分配部は、船体制御力および回頭船体制御力を、前進一定回転するプロペラ推進器の推力と２枚の高揚力舵の舵角の組み合わせとで発生させる目標推進器推力と、バウスラスターで発生させる目標スラスター推力とに分配し、さらに目標推進器推力における船首尾方向静定速度と、目標スラスター推力における船尾横移動静定速度を求め、
   操作量変換部は、船尾横移動静定速度を実現するための２枚の高揚力舵のそれぞれの舵角操作量を求めて舵取機に指示するとともに、船首横移動静定速度を実現するためのバウスラスターのピッチ角操作量を求めてスラスター制御装置に指示することを特徴とする請求項１に記載の船舶の制御法。

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