JPH06286694A

JPH06286694A - 船舶の自動着岸・離岸方法

Info

Publication number: JPH06286694A
Application number: JP7603193A
Authority: JP
Inventors: Yukio Tomita; 幸雄冨田; Hiroyoshi Yamamoto; 博敬山本
Original assignee: Japan Hamworthy and Co Ltd
Current assignee: Japan Hamworthy and Co Ltd
Priority date: 1993-04-02
Filing date: 1993-04-02
Publication date: 1994-10-11

Abstract

(57)【要約】【構成】２枚の高揚力舵４ａ，４ｂの回転位置を適宜
組合せることにより船体１ないし船尾に任意方向のスラ
ストを与え、船首部１ａに設けた船首スラスター２によ
り船首に左右方向のスラストを与えて船体運動を制御
し、船首部１ａと船尾部１ｂのそれぞれに設けた横移動
速度センサー８ａ，８ｂおよび距離センサー９ａ，９
ｂ、船体の任意の位置に設けた縦移動速度センサー１０
と方向センサー１１の各センサーの検出値を入力値とし
て演算制御装置１４において船首スラスター２および舵
取機制御装置の制御量を算出して制御する。【効果】機器構成が簡略なものとなるので制御を単純
化でき、船のそのときどきの状態に応じて運動方程式の
係数を算出して高揚力舵および船首スラスターの最適な
制御量を算出するので、最短時間で、行きすぎもせず、
行き足りずもせず、目的の位置に適確に着けることがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は船舶の自動着岸、離岸方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、船舶を自動的に、着岸・離岸させ
るシステムの操船機器の構成は、船体を前後方向に直進
させるプロペラ推進器、船首部を左右に移動させる船首
スラスター、船尾部を左右に移動させる船尾スラスター
から成っている。この船尾スラスターを必要とする理由
は、プロペラ推進器と舵とでは船尾部を左右に移動する
機能を持たないからである。このことはそれだけ制御要
素が多くなり離着岸の制御を複雑にしている。

【０００３】制御の方法としては、船体を目的位置へ移
行させる場合に、別途手段で船位測定や船から岸壁まで
の距離を測定し、測定値に基づいてプロペラ推進器や船
首スラスターあるいは船尾スラスターに適当な制御信号
を与えて船体を所定の位置に移行させている。

【０００４】船を自動的に着岸させるためには、船（船
首部および船尾部）の現在位置から岸壁までの距離を、
操船機器（プロペラ推進器、船首スラスター、船尾スラ
スター）の能力に見合って、最短時間で、行きすぎもせ
ず、行き足りずもせず、目的の位置に適確に着けること
が大切である。行き過ぎは岸壁に衝突する危険があり、
行き不足は所用を果たさない。

【０００５】従来、船の移動を自動的に制御するため
に、船の運動特性を求め、それに見合った制御定数を実
験的に求めて固定的に設定し、操船機器を制御してい
る。ところが、船は大きな慣性を持ちその慣性は船の積
荷の状態で変わり、また水によって受ける抵抗も積荷の
状態すなわち喫水の状態によって変わるので同一船と言
えども一定していない。

【０００６】また、船の受ける力としては、船の推力機
器からだけでなく、潮流、風などの外乱の力もある。即
ち、船の運動特性は、そのときどきの船の状態によって
変わるものである。従って船のある状態のときに、制御
定数を最適に設定していたとしても、積荷などの状態が
変われば最適性を失いオーバシュートしたりクリーピン
グしたりすることになる。着岸時のオーバシュートは極
めて危険で、上述のように岸壁に衝突することが有り得
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
操船機器構成および制御論理によっては、機器構成の複
雑さからそれだけ制御要素が多くなり制御を複雑にする
ことや、船の積荷などの状態によって運動特性が異るた
めに一且制御定数を最適に設定しても、実際の使用時に
は不適切な設定になっていることが多い。このために船
の制御が目的どおりに行えず、着岸時に岸壁衝突するな
どの事故を起こす可能性がある。

【０００８】本発明は上記した課題を解決するもので、
着岸・離岸時における操船制御をスムーズにかつ適確に
行わせる船舶の自動着岸・離岸方法を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の船舶の自動着岸・離岸方法は、１基の固定
ピッチプロペラからなるプロペラ推進器を作動させた状
態において、船尾部の前記プロペラの後方に配置した２
枚の高揚力舵の舵角を舵取機制御装置で操作し、２枚の
高揚力舵の回転位置を適宜組合せることにより船体ない
し船尾に任意方向のスラストを与え、船首部に設けた船
首スラスターにより船首に左右方向のスラストを与えて
船体運動を制御し、船首部と船尾部のそれぞれに設けた
横移動速度センサーおよび距離センサーにより船首部と
船尾部におけるそれぞれの横移動速度および岸壁からの
距離を検出し、船体の任意の位置に設けた縦移動速度セ
ンサーと方向センサーにより船体の船首尾方向の速度お
よび船体と岸壁との位置関係を検出し、前記各センサー
の検出値を入力値として演算制御装置において船首スラ
スターおよび舵取機制御装置の制御量を算出し、算出し
た制御量に基づいて船首スラスターおよび舵取機制御装
置を操作する構成としたものである。

【００１０】また、演算制御装置における演算制御を容
易にするために、船体の横移動に関しては船首部および
船尾部のそれぞれに力の集中点を仮想するとともに、船
体の縦移動に関しては船体の一点に力の集中点を仮想し
て、船の運動特性を近似する集中定数的な仮想モデルを
想定し、船体の横移動に関しては船首部・船尾部ごとに
独立した運動方程式を仮定し、船体の縦移動に関して１
つの運動方程式を仮定し、前記運動方程式の係数がその
ときどきの船の状態における最適な値となるように各種
のセンサーの検出値に基づいて前記係数を算出し、算出
した係数を持つ運動方程式に基づいて船首スラスターお
よび舵取機制御装置の制御量を算出する構成としたもの
である。

【００１１】

【作用】上記した構成により、制御要素が二枚の高揚力
舵と船首スラスターとなり、従来に較べて機器構成が簡
略なものとなるので制御を単純化できる。また、船の積
荷などの状態によって異なる運動特性を最適な運動方程
式として表すために、そのときどきの状態に応じて運動
方程式の係数を算出するので、二枚の高揚力舵および船
首スラスターの最適な制御量を算出することができ、最
短時間で、行きすぎもせず、行き足りずもせず、目的の
位置に適確に着けることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１〜図２において、船体１の船首部１ａに
は、船首に左右方向のスラストを与える船首スラスター
２を設けている。船尾部１ｂには、１基の固定ピッチプ
ロペラからなるプロペラ推進器３を設けるとともに、プ
ロペラの後方に２枚の高揚力舵４ａ，４ｂを設けてい
る。高揚力舵４ａ，４ｂは固定幾何学的断面形状をな
し、各高揚力舵４ａ，４ｂを駆動するためにそれぞれ別
途に舵取機５ａ，５ｂを設けている。さらに、舵取機５
ａ，５ｂを制御するために舵取機制御装置６を設けてお
り、操船指令を与える操作器７からの指示信号に基づい
て舵取機制御装置６が舵取機５ａ，５ｂを制御して各高
揚力舵４ａ，４ｂに舵角を与えるように、操舵システム
を構成している。

【００１３】この操舵システムは、プロペラ推進器３を
作動させた状態において、２枚の高揚力舵４ａ，４ｂの
回転位置を適宜組合せることにより、船体１を直前進方
向に移動させるスラスト、船体１を前進させつつ左右旋
回させるスラスト、船体１を直後進方向に移動させるス
ラスト、船体１を後進させつつ左右旋回させるスラス
ト、船体１をその場に静止させるスラスト、船尾をその
場で左右方向に移動させるスラストをそれぞれ発生させ
るもので、船体１の直前進、前進左旋回、前進右旋回、
直後進、後進左旋回、後進右旋回、その場静止および船
尾のその場での左右移動が自由に行える。

【００１４】船首部１ａには船首部横移動速度センサー
８ａおよび船首部距離センサー９ａを設けており、船尾
部１ｂには船尾部横移動速度センサー８ｂおよび船尾部
距離センサー９ｂを設けている。船首部横移動速度セン
サー８ａおよび船尾部横移動速度センサー８ｂは、船首
部１ａと船尾部１ｂにおけるそれぞれの横移動速度を検
出するものであり、船首部距離センサー９ａおよび船尾
部距離センサー９ｂは、船首部１ａと船尾部１ｂの岸壁
からの距離を検出する。

【００１５】船体の任意の位置には縦移動速度センサー
１０と方向センサー１１を設けており、縦移動速度セン
サー１０は船体１の船首尾方向の速度を検出し、方向セ
ンサー１１は岸壁１２に設けた目標物標１３の方向を測
定して岸壁１２と船体１との位置関係を検出する。ま
た、必要に応じて船首方向の計測装置（ジャイロコンパ
ス）を設け、岸壁までの距離センサーを船首部１ａまた
は船尾部１ｂのどちらか一方に設けて、他方の岸壁１２
までの距離を算出する構成とすることも可能である。

【００１６】また、船首スラスター２および舵取機制御
装置６を操作するために演算制御装置１４を設けてお
り、演算制御装置１４は各センサー８ａ，８ｂ，９ａ，
９ｂ，１０，１１の検出値を入力値として船首スラスタ
ー２および舵取機制御装置６の制御量を算出する。

【００１７】ところで、船は体積を持ち、従って質量は
分布し、また水、大気から受ける抵抗も分布している。
したがって、厳密にはこの分布した状態を運動特性とし
て表現するべきであるが、運動方程式の複雑化を招くこ
とになる。また、複雑な運動方程式を船のそのときどき
の状態に適合させて決定することは極めて困難であり、
着岸（離岸）制御をする目的のためには実用的でない。

【００１８】このために本実施例においては、図３に示
すように、船の運動特性を近似する集中定数的な仮想モ
デルを考える。図３の（ａ）は、船体１の横（船幅方
向）移動に関する仮想モデルを示すものであり、船（船
体１および積荷）の質量、船体が受ける抵抗および横推
力が船首部１ａ・船尾部１ｂのそれぞれに集中している
と想定し、船首部１ａ・船尾部１ｂの運動特性を独立し
た運動方程式で表現し、船首部１ａ、船尾部１ｂの横移
動を独立に制御する。

【００１９】即ち、船の横方向運動に対して船首部１ａ
については、仮想質量Ｍｆ，横方向仮想抵抗係数Ｒｆ，
船首部横方向に働く力Ｆｆ（船首スラスター２および潮
流、風など外乱から受ける力の合力）とし、同様に船尾
部１ｂについては、仮想質量Ｍａ，横方向仮想抵抗係数
Ｒａ，船尾部横方向に働く力Ｆａ（推進器−舵の横方向
分力および潮流、風など外乱から受ける力の合力）とし
て運動方程式を設定する。

【００２０】また、図３の（ｂ）は、船体１の縦（船首
尾方向）移動に関する仮想モデルを示すものであり、船
（船体１および積荷）の質量、船体が受ける抵抗および
縦推力が船の１点に集中していると想定し、船の運動特
性を運動方程式で表現し、船体１の縦移動を制御する。

【００２１】即ち、船の縦（船首尾）方向運動に対して
は、仮想質量Ｍ，仮想抵抗係数Ｒ，縦方向に働く力（推
進器−舵の縦方向分力および潮流、風など外乱から受け
る力の合力）をＦとして運動方程式を設定する。

【００２２】したがって、船首部横方向、船尾部横方向
および縦方向の運動方程式は次式で表わすことができ
る。

【００２３】

【数１】

【００２４】ここで、ｖ_f は船首部の横方向移動速度、
ｖ_a は船尾部の横移動速度、ｖは船の縦方向移動速度と
し、ｔは時間とする。式の取扱を簡単にするために、上
式で、

【００２５】

【数２】

【００２６】とおくと、（１．１），（１．２），
（１．３）式はそれぞれ、

【００２７】

【数３】

【００２８】と書き替えられる。（２．１）式につい
て、船首スラスター２を作動させる直前（ｔ＝０）の船
首部横移動速度をｖ_foとし、船首スラスター２の作動に
よって力Ｆ_fiが発生し、Ｖ_fi＝Ｆ_fi／Ｒ_fi（＝一定）と
なるとすると、時間ｔ＝ｔのときの船首部横移動速度は

【００２９】

【数４】

【００３０】となる。同様に船尾部横移動ｖ_a および縦
方向（船首尾方向）の速度ｖは、

【００３１】

【数５】

【００３２】で与えられる。以下、上記構成における作
用を説明する。船首部横移動センサー８ａと船尾部横移
動速度センサー８ｂにより船首部１ａと船尾部１ｂにお
けるそれぞれの横移動速度を検出する。また、船首部距
離センサー９ａと船尾部距離センサー９ｂにより船首部
１ａと船尾部１ｂにおけるそれぞれの岸壁１２からの距
離ｓ_f ，ｓ_aを検出する。さらに、縦移動速度センサー
１０と方向センサー１１により船体１の船首尾方向の速
度および船体１と岸壁１２との位置関係を検出する。

【００３３】そして、センサーの検出値を演算制御装置
１４に入力し、前述の運動方程式によって船首スラスタ
ー２および舵取機制御装置６の制御量を算出し、算出し
た制御量に基づいて船首スラスター２および舵取機制御
装置６を操作する。

【００３４】このとき、着岸制御の方法は次のとおりで
ある。（１）岸壁１２にほぼ平行に停船している船体１を岸
壁１２との平行関係を保って着岸させる場合（ケース
１）一般に船首スラスター２の推力の大きさに比べて、前述
の２枚の高揚力舵４ａ，４ｂを組合せることによって得
られる船尾の横方向推力は十分大きく、かつ推力の大き
さを自由に制御することができる。

【００３５】従って、船首スラスター２によって制御さ
れる船首部横移動の速さにフォローするように、船尾横
移動の速さを制御するとスムーズな制御を行うことがで
きる。このために以下の演算と制御を演算制御装置１４
によって行わせる。図４に着岸の様子を示す。図４は横
移動のみを示すが、縦方向移動についても同様である。
Ａは停船状態を示し、このとき（３．１）式で初速を０
とする。即ち、

【００３６】

【数６】

【００３７】今、船首スラスター２を接岸する方向へ推
力を発生させるものとする。また、本実施例では計算式
の簡略化のために、その推力の大きさは一定（Ｆ_fi）と
し、距離ｓｉを移動するまで持続させるものとする。
（１−Ａ）式で抵抗係数Ｒ_f が一定であるからＶ_f が一
定となる。その大きさは下式に示すものとなる。

【００３８】

【数７】

【００３９】Ｂの位置、即ち距離ｓ_i を移動するに要す
る時間をｔ_i とすると、

【００４０】

【数８】

【００４１】即ち、

【００４２】

【数９】

【００４３】（６）式から、ニュートン法等を適用して
演算制御装置１４によりｔｉを求める。このとき（ｔ＝
ｔ_i 時点）の船首横移動速度は

【００４４】

【数１０】

【００４５】となる。上述したように、船尾横推力の発
生能力は十分大きいのでその大きさを加減することによ
って、船首部移動と同じに追従させることができ、ｔ＝
ｔ_i 時には、横移動距離はｓ_i となるように制御する。
すなわち船体１は岸壁１２と平行を保ったまま横移動を
し、ｓ_i まで移動した時点の船の横移動速度は船首、船
尾ともｖ _fiである。

【００４６】次に着岸位置Ｃまでの残行程ｓ_d は、横移
動速度を減速させて着岸位置Ｃで、即ち残行程ｓ_d を行
き切ったとき丁度横移動速度が０となるように制御する
ものとする。

【００４７】

【数１１】

【００４８】とおき、またｖ_fo＝ｖ_fiとおくと（２．
１）式から、

【００４９】

【数１２】

【００５０】が得られる。（９）式において速度０とな
るまでの時間ｔ_d は、ｖ_f ＝０として、

【００５１】

【数１３】

【００５２】時間ｔ_d の間に移動する距離ｓ_d は、

【００５３】

【数１４】

【００５４】（１１）式に（１０）式を適用して、

【００５５】

【数１５】

【００５６】（１２）式を満足するＶ_fdをニュートン法
等によって求め、（１−Ａ）式に適用すると、船首スラ
スター２が発生すべき推力は、

【００５７】

【数１６】

【００５８】即ち、位置Ｂから着岸するまでの間、船首
スラスター２は推力ｖ_fol を発生しつづけると着岸位置
で船首の横移動は０となるので、このとき船首スラスタ
ー２を中立にすると推力も０となり船首横移動は停止す
る。

【００５９】船尾部１ｂは上述したように、横移動推力
は十分大きくすることができるので、船首の動きに追従
制御させることができる。即ち、船首が着岸したとき、
船尾も同時に着岸しかつ横移動速度が０となるように制
御する。このとき横推力を０となるように舵角を制御す
ることによって船尾横移動は停止する。

【００６０】船体１の船首尾方向の運動は（１．３）
式，（２．３）式で表わされるので、本式により船首横
移動の制御で展開したと同様の方法によって必要な前進
又は後進推力を求め、２枚の高揚力舵４ａ，４ｂの回転
位置（舵角）の組合せを制御して推力を加減することに
よって、岸壁１２の目的位置に船体１を誘導・停止させ
る。（２）岸壁に対し任意の角度および速度の状態から着
岸する場合（ケース２）図５において、Ａの状態からＢ，Ｃの状態を経て着岸
（Ｄの状態）へと導き停止させる場合について述べる。

【００６１】Ａの位置から着岸すべき着岸目標位置の近
傍位置Ｂまで操船者が操舵によって導き、船を岸壁１２
の方向とほぼ平行にした状態で、本システムを作動させ
る。着岸目標位置と船体１との船首尾方向とのずれに対
しては、ケース（１）で述べたように２枚の高揚力舵４
ａ，４ｂの組合せを制御して推力を加減することによっ
て修正する。横方向移動については、船首スラスター２
の能力に応じて、着岸するまでに停止できるに十分な残
行程と速度になるように、船首スラスター２および２枚
の高揚力舵４ａ，４ｂの組合せを制御することによって
船首尾横方向速度を加減してＣ位置に導く。Ｃ位置から
は、ケース（１）で述べたと同様に、船首スラスター
２、高揚力舵４ａ，４ｂを制御して着岸位置で横移動速
度が０となるように制御する。以上は、着岸制御につい
て述べたが、離岸についても、全く同様な方法で制御す
ることができる。（３）運動方程式係数の決定上述した（１）、（２）においては、船首部、船尾部横
移動および船の縦移動に関する仮想質量、仮想抵抗、船
に働く力が既知のものとして述べたが、現実にはこれら
の値は船の状態によって変わるものである。従って船を
適確に制御するためには、これらの値を正しく同定しな
ければならない。以下にその方法を述べる。

【００６２】（１．１），（１．２），（１．３）式に
（１−Ａ）式を適用することによって得た（２．１），
（２．２），（２．３）式は、運動特性として（１．
１），（１．２），（１．３）式と同一のものを表現し
ているので、これらの式の各係数（Ｔ_f 、Ｔ_a 、Ｔ、Ｖ
_f 、Ｖ_a 、Ｖ）の同定を行うものとする。（２．１），
（２．２），（２．３）式は同じ形をした方程式である
ので、代表例として（２．３）式、即ちその解の（３．
３）式にもとづいて、係数Ｔ、Ｖを求める方法を述べ
る。

【００６３】ｖ₁ ，ｖ₀ は移動速度であり、ｔは時間で
あるので計測可能であり、上記係数同定のためにこの計
測値を用いる。ｖ₀ は推進器推力を変更する直前（ｔ＝
０）の速度で、ｔは推進器推力を変更してからの経過時
間である。経過時間ｔ＝ｔ₁ ，ｔ＝ｔ₂ における速度
は、次式となる。

【００６４】

【数１７】

【００６５】（１４），（１５）式より次式を得る。

【００６６】

【数１８】

【００６７】即ち、推進器推力を変更した時点（ｔ＝
０）における速度ｖ₀ およびｔ＝０からの経過時間ｔ₁
およびｔ₂ における速度ｖ₁ ，ｖ₂ を計測し、（１
６），（１７）式に適用し、ＴおよびＶを求めることが
できる。

【００６８】これと全く同じ方法で、船首および船尾横
移動に関する運動方程式の係数Ｔ_f，Ｖ_f ，Ｔ_a ，Ｖ_a
を求めることができる。外乱となる潮流、風は常時変化
しているものであるが、ある短時間をとれば、これらは
略々一定とみなすことができる。

【００６９】上述の方法で求めた、Ｖ，Ｖ_f ，Ｖ_a はこ
れら外乱の影響をも織り込んだものてある。即ち外乱の
影響を含めた制御を可能とするものである。尚、遂時こ
れらの係数を求め、適当回数の平均値をとることによっ
て、精度をあげることができる。

【００７０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、制御
要素が二枚の高揚力舵と船首スラスターとなり、従来に
較べて機器構成が簡略なものとなるので制御を単純化で
き、船の積荷などの状態によって異なる運動特性を最適
な運動方程式として表すために、そのときどきの状態に
応じて運動方程式の係数を算出するので、二枚の高揚力
舵および船首スラスターの最適な制御量を算出すること
ができ、最短時間で、行きすぎもせず、行き足りずもせ
ず、目的の位置に適確に着けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における自動着岸および離岸
装置の基本構成図である。

【図２】同実施例における操船機器のブロック図であ
る。

【図３】（ａ），（ｂ）はそれぞれ船の横方向運動特性
仮想モデル、縦方向運動特性仮想モデルを示す模式図で
ある。

【図４】同実施例における着岸制御のタイムチャート図
である。

【図５】同実施例における他のケースの着岸制御のタイ
ムチャート図である。

【符号の説明】

１船体１ａ船首部１ｂ船尾部２船首スラスター３プロペラ推進器４ａ，４ｂ高揚力舵５ａ，５ｂ舵取機６舵取機制御装置７操作器８ａ船首部横移動速度センサー８ｂ船尾部横移動速度センサー９ａ船首部距離センサー９ｂ船尾部距離センサー１０縦移動速度センサー１１方向センサー１２岸壁１３目標物標１４演算制御装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１基の固定ピッチプロペラからなるプロ
ペラ推進器を作動させた状態において、船尾部の前記プ
ロペラの後方に配置した２枚の高揚力舵の舵角を舵取機
制御装置で操作し、２枚の高揚力舵の回転位置を適宜組
合せることにより船体ないし船尾に任意方向のスラスト
を与え、船首部に設けた船首スラスターにより船首に左
右方向のスラストを与えて船体運動を制御し、船首部と
船尾部のそれぞれに設けた横移動速度センサーおよび距
離センサーにより船首部と船尾部におけるそれぞれの横
移動速度および岸壁からの距離を検出し、船体の任意の
位置に設けた縦移動速度センサーと方向センサーにより
船体の船首尾方向の速度および船体と岸壁との位置関係
を検出し、前記各センサーの検出値を入力値として演算
制御装置において船首スラスターおよび舵取機制御装置
の制御量を算出し、算出した制御量に基づいて船首スラ
スターおよび舵取機制御装置を操作する船舶の自動着岸
・離岸方法。
【請求項２】演算制御装置における演算制御を容易に
するために、船体の横移動に関しては船首部および船尾
部のそれぞれに力の集中点を仮想するとともに、船体の
縦移動に関しては船体の一点に力の集中点を仮想して、
船の運動特性を近似する集中定数的な仮想モデルを想定
し、船体の横移動に関しては船首部・船尾部ごとに独立
した運動方程式を仮定し、船体の縦移動に関して１つの
運動方程式を仮定し、前記運動方程式の係数がそのとき
どきの船の状態における最適な値となるように各種のセ
ンサーの検出値に基づいて前記係数を算出し、算出した
係数を持つ運動方程式に基づいて船首スラスターおよび
舵取機制御装置の制御量を算出することを特徴とする請
求項１記載の船舶の自動着岸・離岸方法。