JP7531377B2 - 船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラム - Google Patents

船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラム Download PDF

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Description

本発明は、船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラムに関する。
従来から、自動操舵装置が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１に記載された技術では、ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御が自動操舵装置に適用されている。特許文献１には、比例動作、比例ゲイン、積分動作、積分ゲイン、微分動作および微分ゲインについて記載されている。また、特許文献１には、天候の急変等による周囲の環境の変化などによって出力（船舶の実船首方位）が急変する場合に、目標船首方位と実船首方位との偏差の微分に比例して入力値（舵角指示値）を変化させる微分動作を行う（つまり、微分ゲインをゼロよりも大きくする）旨が記載されている。
特許文献２には、手動操舵と自動操舵とを切り替え可能な船舶の自動操舵装置について記載されている。特許文献２に記載された技術では、自動操舵装置が常に動作している状態にならないような制御が行われる。
特許文献３には、船首方位誤差信号（目標船首方位と実船首方位との偏差）が所定閾値以下であるときに舵指令信号を発生する船首方位保持手段、および、船首方位誤差信号が所定閾値を超えたときに舵指令信号を発生する船首方位変更手段について記載されている。また、特許文献３には、自動操舵装置、比例利得調節回路、積分回路および微分回路について記載されている。特許文献３に記載された技術では、船首方位誤差信号が微分され、微分された信号は、オーバシュートを防止するように比例信号と組み合わされる。
「７・１１ 自動操舵装置（ヘッディング・コントロールシステム）」平成１５年度通信講習用船舶電気装備技術講座（レーダー、ＡＩＳ・ＶＤＲ・ＧＰＳ編）船舶の電気装備に関する技術指導等、日本船舶電装協会、日本財団図書館
https://nippon.zaidan.info/seikabutsu/2003/00139/contents/0050.htm
上記のサイトに記載されているように、従来の自動操舵装置では、微分舵（目標船首方位と実船首方位との偏差の微分値に微分ゲインを乗算したもの）は、船舶の動きを抑制するブレーキとして用いられていた。つまり、従来の自動操舵装置では、船舶の動きを抑制するブレーキを効かせる必要がある時に、微分ゲインがゼロより大きい値に設定され、船舶の動きを抑制するブレーキを効かせる必要がない時には、微分ゲインが基本的にゼロに設定されていた。
特開２００８－２３０４８４号公報 特許第５４００５０６号公報 特公昭６３－４７６７９号公報
上述したように、特許文献１には、実船首方位が急変する場合に微分ゲインをゼロよりも大きくする（詳細には、微分ゲインをゼロから増加させる）旨が記載されている。
ところが、本発明者等は、鋭意研究において、実船首方位が急変する場合ではなく、目標船首方位と実船首方位との偏差が所定の閾値以上である場合（詳細には、目標船首方位角が実船首方位角よりも所定の閾値以上大きい状態と実船首方位角が目標船首方位角よりも所定の閾値以上大きい状態とが交互に繰り返される場合）に、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算することによって、目標船首方位と実船首方位との偏差を所定の閾値未満に抑制できることを見い出したのである。
つまり、目標船首方位と実船首方位との偏差が所定の閾値以上である場合に微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量が加算されない特許文献１に記載された技術では、ＰＩＤ制御によって目標船首方位と実船首方位との偏差を適切に制御することができない。
上述したように、特許文献２には、自動操舵装置が常に動作している状態にならないようにする技術について記載されている。
ところで、特許文献２には、ＰＩＤ制御について記載されていない。そのため、特許文献２に記載された技術では、ＰＩＤ制御によって目標船首方位と実船首方位との偏差を適切に制御することができない。
上述したように、特許文献３には、船首方位誤差信号（目標船首方位と実船首方位との偏差）を微分することによって得られる信号が、偏差のオーバシュートを防止するために用いられる技術について記載されている。
ところで、特許文献３には、偏差のオーバシュートを防止するために微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算するのか、あるいは、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算するのかについて記載されていない。そのため、特許文献３に記載された技術では、ＰＩＤ制御によって目標船首方位と実船首方位との偏差を適切に制御することができない。
上述したように、従来の自動操舵装置では、船舶の動きを抑制するブレーキを効かせる必要がない時、微分ゲインは基本的にゼロに設定されていた。
ところが、本発明者等は、上述したように、目標船首方位と実船首方位との偏差が所定の閾値以上である場合（すなわち、目標船首方位と実船首方位との偏差を小さくするために船舶を動かす必要がある時、すなわち、船舶の動きを抑制するブレーキを効かせる必要がない時）に、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算することによって、目標船首方位と実船首方位との偏差を所定の閾値未満に抑制できることを見い出したのである。
つまり、目標船首方位と実船首方位との偏差が所定の閾値以上である場合（すなわち、船舶の動きを抑制するブレーキを効かせる必要がない時）に微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量が加算されない従来の自動操舵装置では、ＰＩＤ制御によって目標船首方位と実船首方位との偏差を適切に制御することができない。
また、本発明者等は、鋭意研究において、船舶が受ける外乱などの影響によって、ＰＩＤ制御により算出される例えば舵角指示値などのような指示値が大きく変化してしまう場合があることを見い出した。
ＰＩＤ制御により算出される指示値が大きく変化すると、船舶の実船首方位を目標船首方位に一致させて安定的に保持することが困難になるおそれがある。したがって、ＰＩＤ制御により算出される指示値が大きく変化してしまうことは避ける必要がある。
本発明者等は、鋭意研究において、指示値の変化量の評価値が所定の閾値以上である場合（すなわち、指示値の変化量を抑制する必要がある時）に微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算することによって、指示値の変化量を抑制できることを見い出したのである。
つまり、指示値の変化量の評価値が所定の閾値以上である場合（すなわち、指示値の変化量を抑制する必要がある時）に微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量が減算されない従来の自動操舵装置では、ＰＩＤ制御によって指示値の変化量を適切に制御することができない。
上述した問題点に鑑み、本発明は、ＰＩＤ制御によって目標船首方位と実船首方位との偏差を適切に制御することができる船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラムを提供することを目的とする。
また、本発明は、ＰＩＤ制御によって指示値の変化量を適切に制御することができる船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラムを提供することを目的とする。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータと、船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出部と、目標船首方位取得部と船首方位偏差算出部とＰＩＤ制御部とゲイン設定部とを有する船首方位制御装置とを備え、前記船首方位偏差算出部は、前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と前記船首方位検出部によって検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出し、前記ＰＩＤ制御部は、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出し、前記ゲイン設定部は、前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行い、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算する、船舶である。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータと、船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出部と、目標船首方位取得部と船首方位偏差算出部とＰＩＤ制御部とゲイン設定部とを有する船首方位制御装置とを備え、前記船首方位偏差算出部は、前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と前記船首方位検出部によって検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出し、前記ＰＩＤ制御部は、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出し、前記ゲイン設定部は、前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行い、前記ＰＩＤ制御部によって算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、船舶である。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御方法であって、前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを備え、前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算する、船首方位制御方法である。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御方法であって、前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを備え、前記ＰＩＤ制御ステップにおいて算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、船首方位制御方法である。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御装置であって、目標船首方位取得部と、前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出部と、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御部と、前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定部とを備え、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算する、船首方位制御装置である。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御装置であって、目標船首方位取得部と、前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出部と、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御部と、前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定部とを備え、前記ＰＩＤ制御部によって算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、船首方位制御装置である。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータを備える船舶に搭載されたコンピュータに、前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを実行させるためのプログラムであって、前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算する、プログラムである。
本発明の一態様は、舵部を有するアクチュエータを備える船舶に搭載されたコンピュータに、前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを実行させるためのプログラムであって、前記ＰＩＤ制御ステップにおいて算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、プログラムである。
本発明によれば、ＰＩＤ制御によって目標船首方位と実船首方位との偏差を適切に制御することができる船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラムを提供することができる。
また、本発明によれば、ＰＩＤ制御によって指示値の変化量を適切に制御することができる船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラムを提供することができる。
第１実施形態の船舶の一例を概略的に示す図である。 第１実施形態の船舶におけるデータの流れなどの一例を示す図である。 本発明者等の研究結果の一部を示す図である。 本発明者等の研究結果の他の一部を示す図である。 第１の実施形態の船舶において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。 図５に示すステップＳ１８において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。
＜第１実施形態＞
以下、本発明の船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラムの第１実施形態について説明する。
図１は第１実施形態の船舶１の一例を概略的に示す図である。図２は第１実施形態の船舶１におけるデータの流れなどの一例を示す図である。
図１および図２に示す例では、第１実施形態の船舶１が、例えば特許第５１９６６４９号公報の図１に記載された水上オートバイ（ＰＷＣ（パーソナルウォータークラフト））などのような船舶である。船舶１は、操作部１１と、アクチュエータ１２と、船首方位検出部１３と、船首方位制御装置１４とを備えている。
操作部１１は、例えば操舵部１１Ａと、スロットル操作部１１Ｂと、目標船首方位設定部１１Ｃとを備えている。操舵部１１Ａは、後述する舵部１２Ａを作動させる操船者の入力操作を受け付ける。スロットル操作部１１Ｂは、後述する推力発生部１２Ｂを作動させる操船者の入力操作を受け付ける。目標船首方位設定部１１Ｃは、船舶１の船首１Ａ（図２参照）の目標の方位である目標船首方位を設定する。目標船首方位設定部１１Ｃは、操船者の入力操作（例えばスイッチ（図示せず）をＯＮする操作など）に応じて船舶１の目標船首方位を設定する。
アクチュエータ１２は、舵部１２Ａと、推力発生部１２Ｂとを備えている。舵部１２Ａは、船舶１に回頭モーメントを発生させる機能を有する。推力発生部１２Ｂは、船舶１の推進力を発生する機能を有する。
船首方位検出部１３は、船舶１の船首１Ａの実際の方位である実船首方位を検出する。船首方位検出部１３は、例えば方位センサを備えている。方位センサは、例えば地磁気を利用することによって、船舶１の実船首方位を算出する。
他の例では、方位センサが、高速回転するジャイロスコープに指北装置と制振装置とを付加し、常に北を示すようにした装置（ジャイロコンパス）であってもよい。
更に他の例では、方位センサが、複数のＧＰＳ（Global Positioning System）アンテナを備え、複数のＧＰＳアンテナの相対的な位置関係から船首方位を算出するＧＰＳコンパスであってもよい。
図１および図２に示す例では、船首方位制御装置１４が、目標船首方位取得部１４Ａと、実船首方位取得部１４Ｂと、船首方位偏差算出部１４Ｃと、ＰＩＤ制御部１４Ｄと、ゲイン設定部１４Ｅとを備えている。
目標船首方位取得部１４Ａは、例えば、図２に示すように、目標船首方位設定部１１Ｃが操船者の入力操作に応じて船舶１の目標船首方位を設定するタイミングで船首方位検出部１３によって検出された実船首方位を、目標船首方位として取得する。
他の例では、目標船首方位取得部１４Ａが、例えば操船者によって数値入力された船首方位角などを、目標船首方位として取得してもよい。
図１および図２に示す例では、実船首方位取得部１４Ｂが、船首方位検出部１３によって検出された例えば現在時刻の実船首方位を、船首方位制御装置１４による制御に用いられる実船首方位として取得する。
船首方位偏差算出部１４Ｃは、目標船首方位取得部１４Ａによって取得された目標船首方位と船首方位検出部１３によって検出された実船首方位（詳細には、実船首方位取得部１４Ｂによって取得された実船首方位）との差である船首方位偏差を算出する。
ＰＩＤ制御部１４Ｄは、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御によりアクチュエータ１２に対する指示値ＳＴＲを算出する。詳細には、ＰＩＤ制御部１４Ｄは指示値ＳＴＲを所定時間間隔で算出する。具体的には、ＰＩＤ制御部１４Ｄが、例えば下記の式に基づいて指示値ＳＴＲを算出する。下記の式において、Ｋｐは比例ゲインを示しており、Ｋｉは積分ゲインを示しており、Ｋｄは微分ゲインを示している。
ＳＴＲ＝Ｋｐ×船首方位偏差＋Ｋｉ×船首方位偏差の積分値＋Ｋｄ×船首方位偏差の微分値
図１および図２に示す例では、ゲイン設定部１４Ｅが、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出された船首方位偏差と、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出された指示値ＳＴＲとに基づいて、ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉおよび微分ゲインＫｄの設定を行う。
他の例では、ゲイン設定部１４Ｅが微分ゲインＫｄの設定のみを行い、比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉが、例えば操船者などによって設定されたり、固定値に設定されたりしてもよい。
図１および図２に示す例では、ゲイン設定部１４Ｅが、変化量算出部１４Ｅ１と、評価値算出部１４Ｅ２とを備えている。上述したように、ＰＩＤ制御部１４Ｄは指示値ＳＴＲを所定時間間隔で算出する。
変化量算出部１４Ｅ１は、例えば時刻ｔにＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出された指示値ＳＴＲｔと、時刻ｔよりも所定時間だけ前の時刻（つまり、時刻（ｔ－１））にＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出された指示値ＳＴＲｔ－１との差である指示値ＳＴＲの変化量｜ＳＴＲｔ－ＳＴＲｔ－１｜を算出する。つまり、ＰＩＤ制御部１４Ｄの変化量算出部１４Ｅ１によって算出される指示値ＳＴＲの変化量｜ＳＴＲｔ－ＳＴＲｔ－１｜は、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって今回算出される指示値ＳＴＲｔと、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって前回算出された指示値ＳＴＲｔ－１との差である。
評価値算出部１４Ｅ２は、変化量算出部１４Ｅ１によって算出された指示値ＳＴＲの変化量｜ＳＴＲｔ－ＳＴＲｔ－１｜の評価値Ｅｔを算出する。詳細には、評価値算出部１４Ｅ２は、下記の式に基づいて指示値ＳＴＲの変化量の評価値Ｅｔを算出する。
Figure 0007531377000001
すなわち、上記の式によって表される指示値ＳＴＲの変化量の評価値Ｅｔは、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出された指示値ＳＴＲの変化量｜ＳＴＲｔ－ｋ－ＳＴＲｔ－ｋ－１｜を、現在時刻（ｋ＝０）から、予め設定された時間（ｋ＝ｎ）さかもどって積算した値に対応する値である。
図３は本発明者等の研究結果の一部を示す図である。換言すれば、図３は第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４の船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差の時間波形、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出される指示値ＳＴＲの時間波形などの一例を示す図である。詳細には、図３（Ａ）は図３の横軸で示す期間中における比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉおよび微分ゲインＫｄを「Ｐ」、「Ｉ」および「Ｄ」で示している。図３（Ｂ）はＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出される指示値ＳＴＲの時間波形などを示している。図３（Ｃ）は船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差の時間波形などを示している。
図３に示す例では、時刻ｔ１１以降に第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御が行われ、時刻ｔ１１以前においては上述した従来の自動操舵装置による自動操舵と同様の制御が行われている。
時刻ｔ１１以前においては、つまり、上述した従来の自動操舵装置による自動操舵と同様の制御が行われる場合（微分ゲインＫｄが例えばゼロに固定される場合）には、波、風、潮流などの外乱、波、風、潮流などの強さが絶えず変化すること等が原因で、船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）が閾値ＴＨ１（図３（Ｃ）参照）より大きくなってしまう。詳細には、目標船首方位角が実船首方位角より閾値ＴＨ１以上大きい状態（例えば実船首方位が目標船首方位よりも左側を向いた状態）と実船首方位角が目標船首方位角より閾値ＴＨ１以上大きい状態（例えば実船首方位が目標船首方位よりも右側を向いた状態）とが交互に繰り返されてしまう。また、従来の自動操舵装置による自動操舵と同様の制御では、指示値として、比例ゲインＫｐと船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）との積が算出されるため、指示値の時間波形（図３（Ｂ）参照）も、船首方位偏差の時間波形（図３（Ｃ）参照）と同様に、増減を繰り返してしまう。
時刻ｔ１１以降においては、第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御が行われる。
詳細には、時刻ｔ１１～時刻ｔ１２の期間中、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）が閾値ＴＨ１未満であるため、ゲイン設定部１４Ｅは、微分ゲインＫｄの現在値に微分ゲイン増加補正量（例えば「０．０１」）を加算することなく、微分ゲインＫｄの値を「３」に維持する（図３（Ａ）参照）。その結果、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）は、目標船首方位角が実船首方位角より閾値ＴＨ１以上大きい状態（例えば実船首方位が目標船首方位よりも左側を向いた状態）から、実船首方位角が目標船首方位角より閾値ＴＨ１以上大きい状態（例えば実船首方位が目標船首方位よりも右側を向いた状態）に遷移しようとする。
次いで、時刻ｔ１２～時刻ｔ１３の期間中、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）が閾値ＴＨ１以上になる。詳細には、実船首方位角が目標船首方位角より閾値ＴＨ１以上大きい状態（例えば実船首方位が目標船首方位よりも右側を向いた状態）になる。
そこで、第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御では、ゲイン設定部１４Ｅは、微分ゲインＫｄの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算する処理を例えば所定時間間隔で実行する。その結果、微分ゲインＫｄの値が「３」から「８」まで増加する。
従って、第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御では、時刻ｔ１３以降の期間中に、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）を閾値ＴＨ１未満にすることができる。
詳細には、時刻ｔ１３以降の期間中、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）が閾値ＴＨ１未満であるため、ゲイン設定部１４Ｅは、微分ゲインＫｄの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算することなく、微分ゲインＫｄの値が「８」に維持される（図３（Ａ）参照）。
図３に示すように、第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御を行うことによって船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）を適切に制御できることを、本発明者等の研究において確認することができた。
つまり、本発明者等は、船首方位偏差（図３（Ｃ）参照）が閾値ＴＨ１以上である場合に、微分ゲインＫｄ（図３（Ａ）参照）の現在値に微分ゲイン増加補正量を加算することによって、船首方位偏差を閾値ＴＨ１未満に抑制できることを見い出した。
図４は本発明者等の研究結果の他の一部を示す図である。換言すれば、図４は第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４の船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差の時間波形、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出される指示値ＳＴＲの時間波形などの他の例を示す図である。詳細には、図４（Ａ）は図４の横軸で示す期間中における比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉおよび微分ゲインＫｄを「Ｐ」、「Ｉ」および「Ｄ」で示している。図４（Ｂ）はＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出される指示値ＳＴＲの時間波形などを示している。図４（Ｃ）は船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差の時間波形などを示している。
図４に示す例では、時刻ｔ２１以前の期間中、第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御が行われ、ゲイン設定部１４Ｅが、微分ゲインＫｄを「１６」より大きい値まで増加させることによって、船首方位偏差算出部１４Ｃによって算出される船首方位偏差（図４（Ｃ）参照）が閾値ＴＨ１未満になった。
本発明者等は、船舶１が受ける外乱などの影響により、時刻ｔ２１～時刻ｔ２２の期間中のように、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出される指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）が大きく変化してしまう場合があることを、鋭意研究において確認した。
更に、本発明者等は、微分ゲインＫｄ（図４（Ａ）参照）の現在値から微分ゲイン減少補正量（例えば「０．１」）を減算する処理を、時刻ｔ２１～時刻ｔ２２の期間中のように実行することにより、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出される指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）が大きく変化することを抑制できることを、鋭意研究において見い出した。
そこで、第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御では、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出された指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）の変化量の評価値Ｅｔが閾値ＴＨ２以上である場合、ゲイン設定部１４Ｅは、微分ゲインＫｄの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する処理を実行する。
図４に示す例では、時刻ｔ２１に、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出された指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）の変化量の評価値Ｅｔが閾値ＴＨ２以上である。そのため、ゲイン設定部１４Ｅは、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出された指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）の変化量の評価値Ｅｔが閾値ＴＨ２未満である状態（時刻ｔ２２の状態）になるまで、微分ゲインＫｄ（図４（Ａ）参照）の現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する処理を繰り返し実行することによって、微分ゲインＫｄを「１６」より大きい値から「８」まで減少させる。
その結果、図４に示す例では、時刻ｔ２２以降の期間中に、指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）が大きく変化することを抑制することができる。
図４に示すように、第１実施形態の船舶１の船首方位制御装置１４による制御を行うことによって、指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）が大きく変化することを抑制できることを、本発明者等の研究において確認することができた。
つまり、本発明者等は、微分ゲインＫｄ（図４（Ａ）参照）の現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する処理を実行することにより、ＰＩＤ制御部１４Ｄによって算出される指示値ＳＴＲ（図４（Ｂ）参照）が大きく変化することを抑制できることを見い出した。
図５は第１の実施形態の船舶１において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。
図５に示す例では、ステップＳ１１において、目標船首方位設定部１１Ｃが、船舶１の目標船首方位を設定する。
また、ステップＳ１２では、船首方位検出部１３が、ステップＳ１１において目標船首方位が設定されたタイミングで、船舶１の実船首方位を検出する。
次いで、ステップＳ１３では、目標船首方位取得部１４Ａが、ステップＳ１２において検出された実船首方位を船舶１の目標船首方位として取得する。
また、ステップＳ１４では、船首方位検出部１３が、船舶１の実船首方位を検出する。
次いで、ステップＳ１５では、実船首方位取得部１４Ｂが、ステップＳ１４において検出された船舶１の実船首方位を、船首方位制御装置１４による制御に用いられる船舶１の実船首方位として取得する。
次いで、ステップＳ１６では、船首方位偏差算出部１４Ｃが、ステップＳ１３において取得された目標船首方位とステップＳ１４において検出された実船首方位（詳細には、ステップＳ１５において取得された実船首方位）との差である船首方位偏差を算出する。
次いで、ステップＳ１７では、ＰＩＤ制御部１４Ｄが、ＰＩＤ制御を実行する。詳細には、ＰＩＤ制御部１４Ｄが、ステップＳ１６において算出された船首方位偏差から、アクチュエータ１２に対する指示値ＳＴＲを算出する。
また、ステップＳ１８では、ゲイン設定部１４Ｅが、ステップＳ１６において算出された船首方位偏差と、ステップＳ１７において算出された指示値ＳＴＲとに基づいて、ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲインＫｐ、積分ゲインＫｉおよび微分ゲインＫｄの設定を行う。
図６は図５に示すステップＳ１８において実行される処理の一例を説明するためのフローチャートである。
図６に示す例では、ステップＳ１８Ａにおいて、ゲイン設定部１４Ｅは、ステップＳ１６において算出された船首方位偏差が閾値ＴＨ１以上であるか否かを判定する。船首方位偏差が閾値ＴＨ１以上である場合にはステップＳ１８Ｂに進み、船首方位偏差が閾値ＴＨ１未満である場合にはステップＳ１８Ｃに進む。
ステップＳ１８Ｂでは、ゲイン設定部１４Ｅが、微分ゲインＫｄの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算し、ステップＳ１８Ｃに進む。
ステップＳ１８Ｃでは、評価値算出部１４Ｅ２が、ステップＳ１７において算出された指示値ＳＴＲの変化量の評価値Ｅｔを算出する。また、ステップＳ１８Ｃにおいて、ゲイン設定部１４Ｅは、指示値ＳＴＲの変化量の評価値Ｅｔが閾値ＴＨ２以上であるか否かを判定する。指示値ＳＴＲの変化量の評価値Ｅｔが閾値ＴＨ２以上である場合にはステップＳ１８Ｄに進み、指示値ＳＴＲの変化量の評価値Ｅｔが閾値ＴＨ２未満である場合にはステップＳ１８Ｅに進む。
ステップＳ１８Ｄでは、ゲイン設定部１４Ｅが、微分ゲインＫｄの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算し、ステップＳ１８Ｅに進む。
ステップＳ１８Ｅでは、ゲイン設定部１４Ｅが、図６に示すルーチンを終了するか否かを判定する。ＮＯの場合にはステップＳ１８Ａに戻り、ＹＥＳの場合には図６に示すルーチンを終了する。
＜第２実施形態＞
以下、本発明の船舶、船首方位制御方法、船首方位制御装置およびプログラムの第２実施形態について説明する。
第２実施形態の船舶１は、後述する点を除き、上述した第１実施形態の船舶１と同様に構成されている。従って、第２実施形態の船舶１によれば、後述する点を除き、上述した第１実施形態の船舶１と同様の効果を奏することができる。
上述したように、第１実施形態の船舶１は、ＰＷＣなどのような船舶である。
一方、第２実施形態の船舶１は、ＰＷＣ以外の船舶である。詳細には、第２実施形態の船舶１の第１例では、第２実施形態の船舶１が、例えば特許第３１１８４７５号公報に記載された小型船舶などのような小型船舶である。
第２実施形態の船舶１の第２例では、第２実施形態の船舶１が、例えば特許第６１９８１９２号公報、特開２００７－２２２８４号公報などに記載された船外機を装備した船舶などのような船外機付き船舶である。
第２実施形態の船舶１の第３例では、第２実施形態の船舶が、船内外機または船内エンジンを備える船舶である。
第２実施形態の船舶１の第４例では、第２実施形態の船舶が、サイドスラスタを備える大型船舶である。
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。上述した各実施形態および各例に記載の構成を組み合わせてもよい。
なお、上述した実施形態における船舶１が備える各部の機能全体あるいはその一部は、これらの機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現しても良い。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶部のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでも良い。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
１…船舶、１Ａ…船首、１１…操作部、１１Ａ…操舵部、１１Ｂ…スロットル操作部、１１Ｃ…目標船首方位設定部、１２…アクチュエータ、１２Ａ…舵部、１２Ｂ…推力発生部、１３…船首方位検出部、１４…船首方位制御装置、１４Ａ…目標船首方位取得部、１４Ｂ…実船首方位取得部、１４Ｃ…船首方位偏差算出部、１４Ｄ…ＰＩＤ制御部、１４Ｅ…ゲイン設定部、１４Ｅ１…変化量算出部、１４Ｅ２…評価値算出部、Ｋｐ…比例ゲイン、Ｋｉ…積分ゲイン、Ｋｄ…微分ゲイン、ＳＴＲ…指示値

Claims (9)

  1. 舵部を有するアクチュエータと、
    船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出部と、
    目標船首方位取得部と船首方位偏差算出部とＰＩＤ制御部とゲイン設定部とを有する船首方位制御装置とを備え、
    前記船首方位偏差算出部は、前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と前記船首方位検出部によって検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出し、
    前記ＰＩＤ制御部は、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出し、
    前記ゲイン設定部は、前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行い、
    前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算し、
    前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差が第１閾値未満である場合に、
    前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値に加算しない、
    船舶。
  2. 舵部を有するアクチュエータと、
    船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出部と、
    目標船首方位取得部と船首方位偏差算出部とＰＩＤ制御部とゲイン設定部とを有する船首方位制御装置とを備え、
    前記船首方位偏差算出部は、前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と前記船首方位検出部によって検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出し、
    前記ＰＩＤ制御部は、前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出し、
    前記ゲイン設定部は、前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行い、
    前記ＰＩＤ制御部によって算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、
    船舶。
  3. 前記ＰＩＤ制御部は、前記アクチュエータに対する指示値を所定時間間隔で算出し、
    前記ＰＩＤ制御部によって算出された指示値の変化量は、前記ＰＩＤ制御部によって今回算出された指示値と、前記ＰＩＤ制御部によって前回算出された指示値との差であり、
    前記ＰＩＤ制御部によって算出された指示値の変化量の評価値は、前記ＰＩＤ制御部によって算出された指示値の変化量を、現在時刻から所定時間さかもどって積算した値に対応する値である、
    請求項２に記載の船舶。
  4. 舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御方法であって、
    前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、
    目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、
    前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、
    前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを備え、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算し、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差が第１閾値未満である場合に、
    前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値に加算しない、
    船首方位制御方法。
  5. 舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御方法であって、
    前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、
    目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、
    前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、
    前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを備え、
    前記ＰＩＤ制御ステップにおいて算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、
    船首方位制御方法。
  6. 舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御装置であって、
    目標船首方位取得部と、
    前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出部と、
    前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御部と、
    前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定部とを備え、
    前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算し、
    前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差が第１閾値未満である場合に、
    前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値に加算しない、
    船首方位制御装置。
  7. 舵部を有するアクチュエータを備える船舶の船首方位制御装置であって、
    目標船首方位取得部と、
    前記目標船首方位取得部によって取得された目標船首方位と実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出部と、
    前記船首方位偏差算出部によって算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御部と、
    前記ＰＩＤ制御に用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定部とを備え、
    前記ＰＩＤ制御部によって算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定部は、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、
    船首方位制御装置。
  8. 舵部を有するアクチュエータを備える船舶に搭載されたコンピュータに、
    前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、
    目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、
    前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、
    前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを実行させるためのプログラムであって、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差が第１閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値に微分ゲイン増加補正量を加算し、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差が第１閾値未満である場合に、
    前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値に加算しない、
    プログラム。
  9. 舵部を有するアクチュエータを備える船舶に搭載されたコンピュータに、
    前記船舶の船首の実際の方位である実船首方位を検出する船首方位検出ステップと、
    目標船首方位を取得する目標船首方位取得ステップと、
    前記目標船首方位取得ステップにおいて取得された目標船首方位と前記船首方位検出ステップにおいて検出された実船首方位との差である船首方位偏差を算出する船首方位偏差算出ステップと、
    前記船首方位偏差算出ステップにおいて算出された船首方位偏差から、ＰＩＤ制御により前記アクチュエータに対する指示値を算出するＰＩＤ制御ステップと、
    前記ＰＩＤ制御ステップにおいて用いられる比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインのうちの少なくとも微分ゲインの設定を行うゲイン設定ステップとを実行させるためのプログラムであって、
    前記ＰＩＤ制御ステップにおいて算出された指示値の変化量の評価値が第２閾値以上である場合に、
    前記ゲイン設定ステップでは、微分ゲインの現在値から微分ゲイン減少補正量を減算する、
    プログラム。
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