JP7359086B2 - 操船制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、操船制御装置に関する。

従来、ジョイスティックレバーの操作量に基づいて目標座標及び目標方位を算出し、船舶が目標座標に移動し、目標方位に回頭するように推進装置に推力を発生させる操船装置が知られている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２０１６－８３９７２号公報

ジョイスティック操作に基づいて船舶の挙動を制御する場合、操作と制御との相互作用によって船舶の制御が発散することがある。

かかる事情に鑑みてなされた本開示の目的は、船舶の制御が発散しにくいように船舶を制御することにある。

本開示の一実施形態に係る操船制御装置は、推進装置を有する船舶の移動を制御する制御部と、前記船舶の位置情報を取得する位置情報取得部と、前記船舶の方位情報を取得する方位情報取得部と、前記船舶の操作量の入力を受け付ける操作部とを備える。前記制御部は、前記操作部が操作入力モードに移行するときの状態、又は、前記操作部が前記操作入力モードにおいて前記船舶の操作量を受け付ける前の状態のいずれかの状態における前記船舶の位置及び方位に、前記操作部が受け付けた操作量を加えて目標位置及び目標方位を算出し、前記船舶の現在位置と前記目標位置との間の位置偏差、及び、前記船舶の現在方位と前記目標方位との間の方位偏差のうち少なくとも一方の偏差に基づいて、前記推進装置を制御する。

本開示の一実施形態に係る操船制御装置によれば、船舶の制御が発散しにくいように船舶が制御され得る。

本開示の一実施形態に係る操船制御装置の構成例を示すブロック図である。 船舶における推進装置の配置例を示す平面図である。 操船制御方法の手順例を示すフローチャートである。

船舶１０（図１等参照）を操作する場合における問題点及び課題として、以下の点が挙げられる。例えば、操作量が過剰になったり過小になったりしやすい。また、操作部５に入力された船舶１０の移動方向若しくは移動量、又は回転角度と、実際の船舶１０の挙動とが異なり得る。また、操作部５に入力された操作内容に基づく船舶１０の挙動の制御が、操作との相互作用によって発散し得る。

上述の問題点及び課題が生じる理由として、以下の点が挙げられる。例えば、風若しくは潮流等の外的要因、又は、船舶１０の搭載状態又はプロペラの汚れ等による推進装置が出力する推進力の低下等の内的要因による外乱が船舶１０に対して加わる。外乱によって、船舶１０の初期状態（例えば、流され状態等）が定まらない。また、船舶１０の動きの応答の遅延、又は、応答速度の低下が生じる。また、船舶１０の動きの応答の遅延量、又は、応答速度が定まらない。このように、船舶１０の状態が定まらないことによって、船舶１０が目標座標又は目標方位に到達する前に操作者がその意図を超えた操作を入力してしまうことがある。また、船舶１０が操作者の意図を超えて移動したり回転したりした場合に、操作者が行き過ぎを戻すための逆方向への操作を引き起こすことがある。このような操作によって、船舶１０の制御が発散し得る。外乱によって船舶１０の状態が定まらない場合に、操作者は、外乱を考慮して操作の入力を補正するための熟練の経験を要する。

以下、船舶１０の挙動の制御が発散しにくくなる構成が説明される。

図１に示されるように、本開示の一実施形態に係る操船制御装置１は、船舶１０に搭載され、船舶１０の操作者による操作に基づいて、船舶１０の操船を制御する情報を生成して出力する。操船制御装置１は、制御部２と、位置情報取得部３と、方位情報取得部４と、操作部５と、記憶部６とを備える。

位置情報取得部３は、船舶１０の位置を検出し、位置情報として出力する。現在の船舶１０の位置は、現船舶位置とも称される。位置情報取得部３は、現船舶位置を緯度及び経度によって表してよい。位置情報取得部３は、現船舶位置をブイ等の所定の目印からの相対的な位置として表してもよい。位置情報取得部３は、これらの例に限られず、現船舶位置を種々の形式で表してもよい。位置情報取得部３は、衛星測位システムに対応する受信機を含んでよい。衛星測位システムに対応する受信機は、例えばＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を含んでもよいが、これに限られず、他の種々の受信機を含んでよい。

方位情報取得部４は、船舶１０の方位を検出し、方位情報として出力する。現在の船舶１０の方位は、現船舶方位とも称される。現船舶方位は、船舶１０の船首が向く方角を意味する。方位情報取得部４は、現船舶方位を所定方向に対する角度で表してよい。所定方向は、例えば、東西南北のいずれかの方向であってもよい。方位情報取得部４は、現船舶方位を、東西南北を含む８方位又は１６方位等で表してよい。方位情報取得部４は、例えば、地磁気センサ等の種々のセンサを含んで構成されてもよい。

操作部５は、船舶１０の操作者による操作入力を受け付ける入力デバイスを含んで構成される。入力デバイスは、例えば、キーボード又は物理キーを含んでもよいし、タッチパネル若しくはタッチセンサ又はマウス等のポインティングデバイスを含んでもよい。入力デバイスは、例えば、音声の入力を受け付けるマイク等を含んでもよい。入力デバイスは、これらの例に限られず、他の種々のデバイスを含んでもよい。

操作部５は、表示デバイスを含んで構成されてもよい。表示デバイスは、ＬＥＤ（Light Emission Diode）等の発光デバイスを含んでよい。表示デバイスは、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ:Liquid Crystal Display）であってよい。表示デバイスは、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイ又は無機ＥＬディスプレイであってよい。表示デバイスは、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ：Plasma Display Panel）であってよい。表示デバイスは、これらのディスプレイに限られず、他の種々の方式のディスプレイであってもよい。表示デバイスは、タッチパネルとして入力デバイスと一体に構成されてもよい。

制御部２は、操船制御装置１の各構成部から情報を取得するとともに、各構成部を制御するための情報を出力する。制御部２は、位置情報取得部３から現船舶位置を取得する。制御部２は、方位情報取得部４から現船舶方位を取得する。制御部２は、船舶１０の移動を制御する情報を生成し、船舶１０に出力する。

制御部２は、１つ以上のプロセッサを含んでよい。本実施形態において「プロセッサ」は、汎用のプロセッサ、特定の処理に特化した専用のプロセッサ等であるが、これらに限られない。制御部２は、１つ以上の専用回路を含んでもよい。専用回路は、例えば、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）を含んでよい。制御部２は、プロセッサの代わりに専用回路を含んでもよいし、プロセッサとともに専用回路を含んでもよい。

記憶部６は、例えば半導体メモリ、磁気メモリ、又は光メモリ等を含んで構成されてよい。記憶部６は、磁気ディスク等の電磁記憶媒体を含んで構成されてよい。記憶部６は、これらに限られず、他の種々の記憶デバイスを含んで構成されてもよい。記憶部６は、例えば主記憶装置、補助記憶装置、又はキャッシュメモリとして機能してもよい。記憶部６は、非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体を含んでよい。記憶部６は、操船制御装置１の各構成部の動作に用いられる任意の情報を格納する。例えば、記憶部６は、システムプログラム、又はアプリケーションプログラム等を格納してもよい。記憶部６は、制御部２に含まれてもよい。

操船制御装置１は、船舶１０に搭載されず、船舶１０と通信可能に接続されてもよい。この場合、位置情報取得部３は、船舶１０に搭載されている位置情報検出装置から船舶１０の位置情報を取得する。方位情報取得部４は、船舶１０に搭載されている方位情報検出装置から船舶１０の方位情報を取得する。制御部２は、船舶１０と通信するための通信モジュールを介して、船舶１０の制御情報を送信してよい。通信モジュールは、例えば４Ｇ（4th Generation）及び５Ｇ（5th Generation）等の移動体通信規格に対応する通信モジュールを含んでよいが、これらに限られない。

（船舶１０の構成例）
船舶１０は、第１推進装置３１と、第２推進装置３２と、第３推進装置３３とを備える。図２に示されるように、第１推進装置３１及び第２推進装置３２は、船舶１０に対して前進方向又は後退方向の推進力を加えるように船舶１０に設置されるとする。第３推進装置３３は、船舶１０に対して左右方向の推進力を加えるように船舶１０に設置されるとする。第１推進装置３１、第２推進装置３２及び第３推進装置３３は、推進装置とも総称される。推進装置は、例えば、プロペラ等の旋回式推進装置を含んで構成されてよいし、ウォータージェット推進装置を含んで構成されてもよい。推進装置は、これらの例に限られず、ポッドドライブ又は船内外機等の種々の装置を含んで構成されてよい。

船舶１０は、第１アクチュエータ２１と、第２アクチュエータ２２と、第３アクチュエータ２３とを更に備える。第１アクチュエータ２１は、第１推進装置３１が出力する推進力を制御する。第２アクチュエータ２２は、第２推進装置３２が出力する推進力を制御する。第３アクチュエータ２３は、第３推進装置３３が出力する推進力を制御する。第１アクチュエータ２１、第２アクチュエータ２２及び第３アクチュエータ２３は、アクチュエータとも総称される。アクチュエータは、例えばプロペラを回転させるモータ又はエンジン等を含んで構成されてよい。アクチュエータは、ウォータージェット推進装置から水を噴出させるポンプそのものを含んで構成されてもよいし、ポンプを制御する装置を含んでもよい。

船舶１０は、第１推進装置３１又は第２推進装置３２の推進力によって前進したり後退したりできる。また、船舶１０は、第１推進装置３１の推進力と第２推進装置３２の推進力とが異なることによっても、左右に旋回できる。船舶１０は、第３推進装置３３の推進力によって、左右に旋回できる。制御部２は、各推進装置の推進力を制御することによって、船舶１０の位置及び速度、並びに方位を制御し、船舶１０の前進若しくは後退又は旋回を制御できる。

図１及び図２の例において、船舶１０は、３つの推進装置を備える。船舶１０は、少なくとも２つの、独立に制御可能な推進装置を備えることによって、船舶１０の位置及び速度、並びに方位を変更できる。つまり、制御部２は、少なくとも２つの推進装置の推進力を制御することによって、船舶１０の位置及び速度、並びに方位を制御し、船舶１０の前進若しくは後退又は旋回を制御できる。

（操船制御動作）
操船制御装置１は、例えば以下のように動作することによって、船舶１０の位置及び方位を制御できる。操船制御装置１は、操船者による操作入力に基づいて船舶１０を移動させることができる。操作入力に基づいて船舶１０を制御するモードは、操作入力モードとも称される。

操作部５は、船舶１０の操作者から、制御部２が操作入力モードに移行することを指示する操作の入力を受け付ける。制御部２は、操作に基づいて操作入力モードに移行する。制御部２は、操作入力モードに移行した時点の船舶１０の位置及び方位をそれぞれ位置情報取得部３及び方位情報取得部４で取得する。

記憶部６は、操作入力モードに移行した時点の船舶１０の位置及び方位をそれぞれ初期位置及び初期方位として格納する。また、記憶部６は、１回の操作で船舶１０が移動したり回転したりする量を目標到達量として格納してよい。例えば、記憶部６は、１回の操作で船舶１０が前後方向又は左右方向に移動する距離を目標到達量として格納してよい。記憶部６は、１回の操作で船舶１０が回転する角度を目標到達量として格納してよい。

制御部２は、操作部５が操作者による操作入力を受け付けるまで、初期位置及び初期方位を変更しない。制御部２は、操作部５が操作者による操作入力を受け付けた場合、操作入力に対応する目標到達量に基づいて初期位置又は初期方位を更新する。具体的には、制御部２は、操作入力の種類毎に定められた動作によって初期位置又は初期方位を更新する。

制御部２は、操作部５が船舶１０を前後方向に移動させる操作入力を受け付けた場合、前後方向の移動距離を目標到達量として取得する。制御部２は、初期方位に沿う直線上において船舶１０が初期位置から前後方向の移動量だけ離れた位置を算出して、算出した位置で初期位置を更新する。また、制御部２は、初期方位を更新しない。

制御部２は、操作部５が船舶１０を左右方向に移動させる操作入力を受け付けた場合、左右方向の移動距離を目標到達量として取得する。制御部２は、初期方位に直交する直線上において船舶１０が初期位置から左右方向の移動量だけ離れた位置を算出して、算出した位置で初期位置を更新する。また、制御部２は、初期方位を更新しない。

制御部２は、操作部５が船舶１０を回転させる操作入力を受け付けた場合、回転角度を目標到達量として取得する。制御部２は、初期方位から回転角度だけ回転した方位を算出して、算出した方位で初期方位を更新する。また、制御部２は、初期位置を更新しない。

制御部２は、位置情報取得部３から現船舶位置を取得するとともに、方位情報取得部４から現船舶方位を取得する。制御部２は、現船舶位置と初期位置との間の位置偏差が０になり、かつ、現船舶方位と初期方位との間の方位偏差が０になるように、各推進装置に出力させる推進力の大きさ及び方向を算出する。制御部２は、算出した推進力に基づいて、各アクチュエータを制御する制御情報を生成して出力する。各アクチュエータは、制御情報に基づいて各推進装置に推進力を出力させる。これによって、船舶１０は、初期位置及び初期方位に近づく。

初期位置及び初期方位が更新されていない場合、制御部２は、操作入力モードに移行した時点の船舶１０の位置及び方位を維持するように船舶１０を制御する。つまり、制御部２は、船舶１０を静止させるように船舶１０を制御する。制御部２は、初期位置及び初期方位が更新された後、更新後の初期位置及び初期方位に船舶１０を近づけるように、船舶１０を制御する。

＜フローチャート例＞
操船制御装置１の制御部２は、図３に例示されるフローチャートの手順を含む操船制御方法を実行してもよい。操船制御方法は、制御部２のプロセッサに実行させる操船制御プログラムとして実現されてもよい。操船制御プログラムは、非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体に格納されてよい。

制御部２は、位置情報取得部３から現船舶位置を取得するとともに、方位情報取得部４から現船舶方位を取得する（ステップＳ１）。

制御部２は、操作部５から、船舶１０の操作者による操作量の入力を受け付ける（ステップＳ２）。具体的には、船舶１０の操作者は、操作量として、船舶１０の回転角度、又は、船舶１０の前後方向若しくは左右方向の移動距離を、操作部５から入力する。

制御部２は、船舶１０の目標位置及び目標方位を算出する（ステップＳ３）。具体的には、制御部２は、現船舶位置に、船舶１０の前後方向若しくは左右方向の移動距離を加えることによって船舶１０の目標位置を算出する。制御部２は、現船舶方位に、船舶１０の回転角度を加えることによって船舶１０の目標方位を算出する。

制御部２は、船舶１０の推進方向及び推進力を算出する（ステップＳ４）。具体的には、制御部２は、船舶１０の目標位置及び目標方位と、現船舶位置及び現船舶方位とに基づいて、船舶１０の推進方向及び推進力を算出する。

制御部２は、アクチュエータの出力を算出する（ステップＳ５）。具体的には、制御部２は、船舶１０の推進方向及び推進力に基づいて、各アクチュエータの出力を算出する。船舶１０は、各アクチュエータの出力に応じて各推進装置が出力する推進力によって移動する。

制御部２は、現船舶位置及び現船舶方位を更新する（ステップＳ６）。具体的には、制御部２は、位置情報取得部３から現船舶位置を新たに取得する。制御部２は、方位情報取得部４から現船舶方位を新たに取得する。

制御部２は、方位偏差及び位置偏差を算出する（ステップＳ７）。具体的には、制御部２は、ステップＳ６の手順で取得した現船舶位置と目標位置との差を、位置偏差として算出する。制御部２は、ステップＳ６の手順で取得した現船舶方位と目標方位との差を、方位偏差として算出する。

制御部２は、収束時間が所定時間以下であるか判定する（ステップＳ８）。収束時間は、船舶１０の制御開始からの時間を意味する。制御部２は、収束時間が所定時間以下でない場合（ステップＳ８：ＮＯ）、つまり収束時間が所定時間を超えた場合、ステップＳ３の手順に戻る。

制御部２は、収束時間が所定時間以下である場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、方位偏差が第１所定値以下であり、かつ、位置偏差が第２所定値以下であるか判定する（ステップＳ９）。制御部２は、方位偏差が第１所定値以下でない場合（つまり、方位偏差が第１所定値より大きい場合）、又は、位置偏差が第２所定値以下でない場合（つまり、位置偏差が第２所定値より大きい場合）の少なくとも一方の場合（ステップＳ９：ＮＯ）、ステップＳ３の手順に戻る。制御部２は、方位偏差が第１所定値以下であり、かつ、位置偏差が第２所定値以下である場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）、船舶１０が操作者の入力に基づく移動を完了したとみなして、図３のフローチャートの手順の実行を終了する。制御部２は、ステップＳ２の手順に戻ってもよい。

＜小括＞
以上述べてきたように、一実施形態に係る操船制御装置１は、偏差を所定値以下にするように船舶１０を制御することによって、風又は潮流の有無にかかわらず、船舶１０を安定して移動させるように制御できる。操船制御装置１は、例えば、船舶１０が安定して着岸したり離岸したりできるように操船できる。具体的には、操船制御装置１は、船舶１０が前後方向及び左右方向に平行移動するように操船できる。また、操船制御装置１は、船舶１０がその重心と浮心との間を中心に回転するように操船できる。

操船制御装置１は、前後方向及び左右方向、並びに回転方向に、離散的に目標到達距離又は目標到達角度を設定してよい。操船制御装置１は、１つの操作で１つの目標到達地点に船舶１０を移動させたり、１つの目標到達角度に船舶１０を回転させたりする。操船制御装置１は、船舶１０を前後方向及び左右方向に船舶１０の方位を維持したまま移動させてよい。操船制御装置１は、船舶１０をその回転中心を維持したまま回転させてよい。

具体的には、一実施形態に係る操船制御装置１は、以下のように構成されてよい。操船制御装置１は、推進装置を有する船舶１０の移動を制御する制御部２と、船舶１０の位置情報を取得する位置情報取得部３と、船舶１０の方位情報を取得する方位情報取得部４と、船舶１０の操作量の入力を受け付ける操作部５とを備える。制御部２は、操作部５が操作入力モードに移行するときの状態、又は、操作部５が操作入力モードにおいて船舶１０の操作量を受け付ける前の状態のいずれかの状態における船舶１０の位置及び方位を取得する。制御部２は、取得した船舶１０の位置及び方位に、操作部５が受け付けた操作量を加えて目標位置及び目標方位を算出する。制御部２は、船舶１０の現在位置と目標位置との間の位置偏差、及び、船舶１０の現在方位と目標方位との間の方位偏差のうち少なくとも一方の偏差に基づいて、推進装置を制御する。

制御部２は、船舶１０の現在位置が目標位置に一致するように推進装置を制御してもよい。制御部２は、船舶１０の現在方位が目標方位に一致するように推進装置を制御してもよい。

操作部５は、船舶１０の回転角度、船舶１０の前後方向の移動距離、及び、船舶１０の左右方向の移動距離の少なくとも１つを操作量として受け付けてよい。操作部５は、船舶１０の回転角度、船舶１０の前後方向の移動距離、及び、船舶１０の左右方向の移動距離のうち選択された１つを操作量として受け付けてよい。操作部５は、操作量を固定値に設定してよい。

制御部２は、操作部５が操作量の入力を受け付けた後、所定時間が経過することを含む第１条件が満たされるまで、次の入力を無効にしてよい。制御部２は、操作部５が操作量の入力を受け付けた後、方位偏差が第１所定値以下になること、又は、位置偏差が第２所定値以下になることのうち少なくとも１つを含む第２条件が満たされるまで、次の入力を無効にしてよい。制御部２は、第１条件又は第２条件のうち少なくとも１つの条件が満たされた場合に、次の入力を有効にしてもよい。

本開示に係る実施形態を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形及び修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段又は各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段又はステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１ 操船制御装置（２：制御部、３：位置情報取得部、４：方位情報取得部、５：操作部、６：記憶部）
１０ 船舶
２１～２３ 第１～第３アクチュエータ
３１～３３ 第１～第３推進装置

Claims (4)

1. 推進装置を有する船舶の移動を制御する制御部と、
   前記船舶の位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記船舶の方位情報を取得する方位情報取得部と、
   前記船舶の操作量の入力を受け付ける操作部と
   を備え、
   前記制御部は、
   前記操作部が操作入力モードに移行するときの状態、又は、前記操作部が前記操作入力モードにおいて前記船舶の操作量を受け付ける前の状態のいずれかの状態における前記船舶の位置及び方位に、前記操作部が受け付けた操作量を加えて目標位置及び目標方位を算出し、
   前記船舶の現在位置と前記目標位置との間の位置偏差、及び、前記船舶の現在方位と前記目標方位との間の方位偏差のうち少なくとも一方の偏差に基づいて、前記推進装置を制御し、
   前記操作部が前記船舶の操作量の入力を受け付けた後、所定時間が経過する第１条件、又は、前記方位偏差が第１所定値以下になること若しくは前記位置偏差が第２所定値以下になることのうち少なくとも１つを含む第２条件、のうち少なくとも１つの条件が満たされるまで、前記操作部で受け付ける次の入力を無効にする、
   操船制御装置。
2. 前記操作部が受け付けた操作量は、前記操作部に入力された１回の操作で前記船舶が移動又は回転する量である、請求項１に記載の操船制御装置。
3. 前記制御部は、
   前記位置偏差及び前記方位偏差のうち少なくとも一方の偏差に基づく前記推進装置の制御開始からの時間である収束時間が前記所定時間を超えた場合、又は、前記収束時間が前記所定時間以下であるものの、前記方位偏差が前記第１所定値より大きい、若しくは、前記位置偏差が前記第２所定値より大きい場合に、前記操作部に入力された１回の操作に基づく前記目標位置及び前記目標方位の算出を再度実行し、
   前記位置偏差及び前記方位偏差のうち少なくとも一方の偏差に基づく前記推進装置の制御開始からの時間である収束時間が前記所定時間以下であり、前記方位偏差が前記第１所定値以下であり、かつ、前記位置偏差が前記第２所定値以下である場合に、前記操作部に入力された１回の操作に応じた前記船舶の移動を完了したとみなす、請求項２に記載の操船制御装置。
4. 前記制御部は、前記位置偏差及び前記方位偏差の両方に基づいて前記推進装置を制御する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の操船制御装置。

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