JPS59220496A - 船舶の自動操舵装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 本発明は船舶の自動操舵装置に関し、詳しくは、船舶が
波・風などの外乱下で航行する際、その推進エネルギの
直進航行時の推進エネルギからの増加率を評価関数とし
、この評価関数値が最小となるように操舵させる省エネ
ルギ型の船舶の自動操舵装置に関する。

（ロ）従来技術 従来の船舶の自動操舵装置は、周知の通り、設定された
方位に船舶を直進航行させること、すなわち、方位偏差
をできるだ′け小さくすることにある。このために、ジ
ャイロコンパスなどにより検出された実方位と設定方位
との差に、例えば、比例、微分、積分などの演算を施し
て舵を取らせるフィードバック制御が行なわれている。

さらに最近においては、設定された方位に航行し、しか
も、省エネルギを目指すように制御している自動操舵装
置が出現している。そのような装置で制御を行なう際、
ある評価関数を最小にするようそのゲインを調整してい
る。そして、現在までに提案されなお、δ２は舵角の自
乗平均値、 ψ２は方位角の自乗平均値、 ｒは方位角速度の自乗平均値、 λ１、λ２、λ３は重み係数、 であって、最適レギュレータ理論などを用いて最適制御
則を計算によって求めている。

このような制御において、航行中の船体の運動状態を諸
検出量より同定するものや、その状態によって重み係数
を可変にする方法などが採られているが、いずれにして
もジャイロコンパスで検出された方位角に基づいて上記
評価関数値を最小にするものである。このような評価関
数月は上述したような自乗項のみで表わされており、後
述する斜杭角を加味する場合にも斜杭角を舵角と方位角
速度とを用いて近似的に求めている。このような評価関
数が用いられているのは、それが自乗項のみからなって
いてその値を最小にする制御が、旧来から存在する近代
制御理論を用いて極めて容易に行ない得ること、および
、斜杭角βを高精度で検出するのが容易でないという理
由に基づいている。

しかし、このような評価関数を用いた制御は、次のよう
な欠点がある。上述の評価関数月それ自体できるだけ小
さな操作量によりできるだけ小さい偏差に留めようとい
う意味、船舶の制御に適用して言い換えると、船舶が直
進状態からずれたとき、それを直進状態に戻すのに最小
の月で戻すことができるという意味しか持っていない。

したがって、後で詳しく述べるような外乱を受けて航行
する船舶における真の意味での省エネルギ機能を有して
いない。すなわち、船体は舵を取ったときのみならず外
乱を横または斜めから受けたときも斜杭するのであり、
斜杭角βを舵角δまたは方位角速度φのみで近似すると
、操舵に無関係な斜杭が生じた場合上記の返信は全く不
合理となり、燃料消ＩＩ！、量が最小となる適切な操舵
制御がなされないことになる。

（ハ）発明の目的 本発明は上述の欠点を解消するためになされたもので、
コントローラにより舵角を調整し目標針路に船舶を航行
させる場合、上述した外乱をも考慮し、航行中ある目標
に向かう航程において燃料消費量を最小に維持する省エ
ネルギ航行を可能にした船舶の自動操舵装置を提供する
ことを目的とする。

なお、本発明においては、省エネルギを可能にする新し
い評価関数を見ｍすと共に、斜杭角の検出を精度良く行
なうことができるようになったので、実現できたもので
あるが、後者に関しては本、発明の要旨とするところで
ないので説明を省く。

なお、前者の新しい評価関数の詳細については後述する
が、概略は以下の通りである。従来の評価関数月は前述
したように方位角を小さくすることを目的としているが
、船舶がある目標までたとえ方位角が大きい状態で航行
しても燃料消費量が最小になれば何ら差し支えないとい
うことを意味している。本発明でｔよそれに採用される
評価関数を最小にすることによって、推進エネルギの増
加を最小に留めることができるという知見に基づくもの
である。

（ニ）発明の構成 本発明の構成を第１図を参照して説明すると、コントロ
ーラ４により舵角を調整し目標針路に船舶を航行させる
場合、航行中のある状態における船体２の斜杭角を加味
して波・風などによる外乱の強さを推定し、この外乱の
強さから燃料消費量に関する評価関数値を最小とすると
きのコントローラ４のゲインを推定し、このゲインを有
するコントローラ４により船舶を目標に向かって航行さ
せる自動操舵装置としたことで、航行中に検出された舵
角、方位角、斜読角からそのときの船体の動特性を推定
する動特性演算手段５と、検出された方位角、斜読角か
ら外乱の強さを推定する外乱演算手段６と、この外乱演
算手段６および動特性演算手段５から出力される外乱の
強さと船体２の動特性を用いてコントローラ４で制御さ
れる船舶の航行状態をシミュレーションする航行シミュ
レーション部１０と、この航行シミュレーション部１０
から出力される舵角、方位角、方位角速度、斜読角に基
づいて評価関数値を計算する評価関数演算部１１と、こ
の評価関数値が最小となる航行シミュレーション部１１
のコントローラ１３のゲインを探索する最適利得探索部
１２とを有すると共に、コントローラ４にその最適ゲイ
ンを出力するゲイン出力手段７と、を具備する船舶の自
動操舵装置１である。

（ホ）実施例 以下、本発明をその実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明の実施例である船舶の自動操舵装置１の
全体系統図で、これは、船体２の舵３に舵角を指令する
コントローラ４と、船体２の動特性を表わす運動微係数
を推定する動特性演算手段５と、外乱の強さを推定する
外乱演算手段６と、最適ゲインを出力するゲイン出力手
段７とを、その主たる構成としている。

詳述すると、前記動特性演算手段５は、船舶が航行中の
ある状態下で船速を変更した時などからある一定の時間
間隔で検出された舵角δ、方位角ψ、斜読角βと、方位
角ψより求められた方位角速度Φとから、そのときの船
体２の船速、積荷や燃料残存状態により定まる動特性を
推定するもので、船体２の運動方程式に上記値を与える
ことにより、その時点における運動微係数を演算し、こ
の係数をゲイン出力手段７の後述する航行シミュレーシ
ョン部１０に出力するものである。

前記外乱演算手段６は、上述と同様の方位角ψと斜読角
βおよび求められた方位角速度ψとから、そのときの波
・風などによる外乱の強さを演算し、その外乱の強さを
航行シミュレーション部１０に出力するものである。な
お、この外乱の強さとは、波・風により船体２に生じる
旋回モーメントと横力（サイドフォース）などであり、
これらを周波数領域でスペクトル処理するものであって
も、また、時間領域で処理するものであってもよいが、
図では前者によるものを示している。この場合、船体運
動スペクトル密度計算部８と外乱スペクトル密度計算部
９が設けられ、前者においては、方位角ψ、斜読角β、
方位角速度φより、周波数領域でそれぞれの運動スペク
トル密度が計算され、これらのスペクトル密度を受けて
後者では周波数領域で外乱スペクトル密度が計算される
ようになっている。そして、これらの外乱スペクトル密
度が航行シミュレーション部１０に出力され、前述した
運動微係数と共に幾種類もの仮想操舵における航行状態
のシミュレーションに供される。

前記ゲイン出力手段７は、航行状態をシミュレーション
する航行シミュレーション部１０と、評価関数演算部１
１と、最適利得探索部１２とを有し、コントローラ４に
その最適ゲインを出力するものである。その航行シミュ
レーション部１０は、数学モデルのコントローラ１３、
舵１４、船体１５とを用いて演算するものであって、前
述した船体２の運動微係数と外乱スペクトル密度を用い
て、コントローラ１３による幾種類もの舵角調整信号、
すなわち、各ゲインにおける異なる値でもってそれぞれ
に対応する幾通りものシミュレーションを行なうもので
ある。そして、この各シミュレーションにおける舵角δ
Ｓ、方位角ψＳ、斜読角βＳおよび方位角ψＳより求め
られる方位角速度ｔｆｉｓ、または、それぞれのスペク
トル密度および相互スペクトル密度を評価関数演算部１
１に出力する。

ここで、本発明で採用される新しい評価関数について説
明する。新しい評価関数Ｊ２は、外乱による斜読角を加
味した推進エネルギの増加率を示す下記の式（６）で与
えられるものである。この評価関数Ｊ２は次のような論
理により導かれる。

第２図に示すように船体２の座標原点をその重心Ｇに採
ると、外乱下で蛇行したり針路からのず０ れを起こしなから一航海を行なうに必要な推進工と表わ
される。なお、Ｔは推力、Ｕは船体２の前進方向速度す
なわち船速Ｕの斜読角β余弦、τは一航海に要する時間
である。ところで、船舶が舵と表わせ、船体２が蛇行や
斜航することなく、舵角を零に保ったま＼船首方向に理
想的に航行する場合の推進エネルギである。なお、τ０
は一般にτより小さい。これらの式（２）および（３）
から推進エネルギの増加率Ｊ２は、 Ｊ　２−（Ｅ−Ｅｏ　）　／Ｅｏ　　　　・−−−−−
−−−（４）と表わされ、自動操舵により波・風・潮流
などの外乱下を航行するときに必要な推進エネルギと、
平水状態を直進するときに要するそれとを比較した場合
の増加率である。この式（４）に船体２の前進Ｊ２−μ
ｍ　（ψ−β）”十μ２　（β＋Ｔφ）φ十μ３　β２
＋μ４　δ”　　　　−−−−−−（５１表わされるも
のである。なお、μｍ、μ２、μ３、μ４は定数、Ｔは
距離を表わす定数である。加えて、上記式（５）の各項
の物理的意味は次の通りである。第１項の（ψ−β）は
、船舶が蛇行することによって航路が直進時より長くな
ることによる推進エネルギの損失、第２項の（β十ｒｆ
ｉ）ψは、船体が遠心力すなわち慣性抵抗を受けること
によｒ っで生ずる推進エネルギの損失、第３項のβは、船体が
斜航することによって受ける抵抗による推］ 進エネルギの損失、第４項のδは、操舵操作による推進
エネルギの損失を表わしている。

上記の式（５）をさらに整理すると、評価関数Ｊ２は、
次式で表わされる。

Ｊ２−λ１７（λ２ｙトλ３０−＋λ４ｙ了 ＋λ５ψ＋λ６βψ　　　　　〜−−−−−−−−Ｔ６
）なお、δは舵角、βは斜読角、ψは方位角、↓は方位
角速度、λ１〜λ６は定数である。

１ 再び、前述したゲイン出力手段７の残りの構成を述べる
。最適利得探索部１２は、前記評価関数演算部１１で演
算される評価関数値を最小にするように、例えば、山登
り法などの手法を用いてコントローラ１３のゲインを探
索するもので、そのゲインを最適ゲインとして船体２を
操舵調整するコントローラ４に出力するものである。な
お、コントローラ４へのゲイン入力のために、最適制御
ゲイン自動設定部１６が必要に応じてゲイン出力手段７
の内部または外部に設けられる。

このような実施例によれば、次のようにして燃料消費量
が最小となるよう船舶を自動操舵させることができる。

第１図において、まず、目標に向かう針路ψ０がコント
ローラ４に入力される。いま、コントローラ４において
例えばＰＩＤ制御がなされるとすると、そこに予め入力
されているＰＩＤの各ゲインＫｐＯ＋　Ｋｉｏ、　Ｋｄ
ｏにより、舵３が舵角δ０となるよう操舵指令がなされ
る。その結果、船体２は舵角δ０にしたがって目標針路
φ０を採って航行３ ２ する。ところが、このような航行中に波・風などの外乱
が船体２に作用すると、第２図に示すように船体２が針
路ψ０より方位角ψ外れた針路ψｂを採ったり、また、
場合によっては横滑りを起こして左右方向速度Ｖが生じ
、これによる斜読角βが発生したりする。ところで、船
体２に作用する外乱は急変することもあるが、通常はあ
る一定時間持続するのて゛、その外乱が持続する間にお
ける航行中設定されている船速Ｕの下で、ある目標に向
かう間の燃料消費量を最小にする必要がある。

そのための操舵量を計算するために、上記方位角ψと斜
読角βが図示しない計測機器により検出され、その検出
量と前記舵角δ０が動特性演算手段５に入力される。な
お、船体２のそのときの動特性は前述したように、船速
、重心位置などにより異なるので、航行中に異なった船
速を設定したり、排水量や重心位置が異なる事情が生じ
たときなどは、その都度上述の検出が行なわれてその状
態における動特性が演算される。

上述した方位角ψと斜読角βおよびそのときの４ 舵角δ０が検出され、かつ、その方位角ψより方位角速
度φが計算され、これらを用いて動特性演算手段５にお
いてその外乱下における船体２の動特性を指標する運動
微係数が演算され、この微係数がゲイン出力手段７の航
行シミュレーション部１０に出力されて、船体１５の動
特性として扱われる。

一方、外乱演算手段６にも同様に、前記方位角ψと斜読
角βが例えば数分ないし十数骨の一定時間ごとに入力さ
れ、かつ、方位角速度ξが計算され、これらから外乱の
強さが演算される。その過程は、まず、船体運動スペク
トル密度計算部８において、第３図（ａ）〜（Ｃ）に示
すように方位角ψ、斜読角β、方位角速度かの周波数に
対する運動スペクトル密度ΦＰＩ’、Φｆ訃Φ忰令が計
算される。次に、このスペクトル密度を受けて外乱スペ
クトル密度計算部９では、周波数に対する外乱の強さ、
すなわち、旋回モーメントや横力などのスペクトル密度
Φｙｙ、Φｎｎ、Φｙｎが第４図（ａ）、（ｂ）に示す
ように推定計算される。

５ この外乱のスペクトル密度φｙｙ、Φｎｎ、Φｙｎがゲ
イン出力手段７に入力されると共に、すてに動特性演算
手段５から船体１５に入力されている運動微係数に基づ
いて、船体２の航行状態のシミュレーションが、数学モ
デルである航行シミュレーション部１０において行なわ
れる。この際、最適利得探索部１２は、前記評価関数演
算部１１で演算される評価関数値を最小とするように例
えば、山登り法などの手法を用いてコントローラ１３の
ゲインを探索する。そして、このゲインが上述した状態
にある船体２の航行における最小燃料消費量となる最適
ゲインとして、最適制御ゲイン自動設定部１６を介して
実船体２を操舵調整するコントローラ４に入力される。

すなわち、コントローラ４に記憶されている前述のゲイ
ンＫＰｏ＋　Ｋ　ｔｏ。

Ｋｄｏが、最適ゲインであるＫｐｌ、　Ｋｉｌ、　Ｋｄ
ｌに置き換えられる。したがって、コントローラ４は新
しいゲインに基づいて操舵信号を発信する。船体２は上
述した外乱の強さや船体２の速度などが変わらない状態
で所望の目標に向けて航行する間、６ 実質的に燃料消費量が最小となる航海がなされる。

なお、外乱の強さや船体２の状態が変れば、その都度上
述した一連の検出、演算などの処理が行なわれることは
いうまでもない。したがって、船舶が最終目的地に到達
するまでの間に、設定船速を変えてもその状態おける目
標までの航行中の燃料消費量を最小にすることができ、
総じて、−航海における燃料消費量を少なくできる。

以上を簡潔にまとめると、コントローラにより舵角を調
整し、目標針路に船舶を航行させる場合１、航行中のあ
る状態における船体の斜読角を加味して波・風などによ
る外乱゛の強さを推定し、この外乱の強さから燃料消費
量に関する評価関数値を最小とするときのゲインを推定
し、このゲインによりコントローラを稼働させ、船舶を
目標に向かって最小の燃料消費量で航行させることが゛
できる。

（ｆ）発明の効果 本発明は以上の実施例の説明から判るように、コントロ
ーラにより舵角を調整し目標針路に船舶を航行させる場
合、設定された船速における航行７ 中船体に作用する外乱をも考慮し、そのような外乱や船
体の状態が維持される限り、燃料消費量を最小に維持し
て船舶の真の省エネルギ航行を行なわせることができる
。したがって、外乱などに変化があれば、その都度、そ
れに応じた省エネルギ航行が行なわれ、最終目的地まで
の一航海を通じて、最も少ない燃料消費量でもって船舶
を航行さ、せることができる。

、４、図面の簡単な説明 第１図は本発明の実施例である船舶の自動操舵装置の全
体系統図、警２図は外乱を受けている船体の力学モデル
図、第３ＴＩ！ｌ１（ａ）〜（Ｃ）は運動スペクトル図
、第４図（ａ）、（ｂ）は外乱のスペクトル図である。

１−自動操舵装置、２−船体、４−コントロ“−ラ、５
−動特性演算手段、６−外乱演算手段、７−ゲイン出力
手段、１〇−航行シミュレーション部、１１−評価関数
演算部、１２−最適利得探索部、１３−数学モデルのコ
ントローラ、６８ ０、δａ−舵角、β−斜斜角角ψ−−位角特許出願人　
　　川崎重工業株式会社 代理人　弁理士　吉村勝俊（はが１名）第１頁の続き ０発　明　者　松本反相 神戸市中央区東用崎町３丁目１ 番１号川崎重工業株式会社神戸 工場内 ０発　明　者　西義和 明石市川崎町１番１号川崎重工 業株式会社技術研究所内 手続補正書（自発） １、事件の表示 昭和５８年特許願第０９２０８８号 ２、発明の名称 船舶の自動操舵装置 ３、？！正をする者 事件との関係　　　　　特許出願人 代表者長谷用　謙浩 ４、代理人 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 ６、補正の内容 （１〕　発明の詳細な説明の欄 と訂正する。

■　同第１２Ｗ第１行目 ］　　１ 「十μ３β十μ４δ　　−−〜−−−−−−（５）」と
あるのを、 「　十　μ　３　β　＋　メ！　４　　δｅ　　　　−
−・−−−（Ｆ＋）　ｊと訂正する。

■　同第１２頁第５行目「定数である。」の後に、「ま
た、δｅは有効舵角であり、ａ、ｂを定数としてδｅ−
δ−ａβ−ｂｊと表わすことができる。

」を挿入する。

■　同第１２頁第１３行目。

］　　　　　　　　−１ 「δ］とあるのを、「δｅ」と訂正する。

■　同第１２頁第１８ｊ〒目 「＋λ５ψ十λ６βψ　　−−−−−−（６１Ｊ−・−
ニー＋６１　Ｊ と訂正する。

■　同第１２頁第２０行目 「λ１〜λ６」とあるのを、「λ１〜λ８」と訂正する
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　目標方位と実方位の差に応じて舵を取らせる閉
   ループを構成する自動操舵装置において、航行中に検出
   された舵角、方位角、斜杭角からそのときの船体の動特
   性を推定する動特性演算手段と、 検出された方位角、斜杭角から外乱の強さを推定する外
   乱演算手段と、 この外乱演算手段および前記動特性演算手段から出力さ
   れる外乱の強さと船体の動特性を用いて、前記閉ループ
   の船舶の航行状態をシミュレーションする航行シミュレ
   ーション部と、この航行シミュレーション部から出力さ
   れる舵角、方位角、方位角速度、斜杭角の関数として示
   される推進エネルギ増加率を表わす評価関数値を計算す
   る評価関数演算部と、この評価関数値を最小とする航行
   シミュレーション部のコントローラのゲインを探索する
   最適利ｆ！を探索部とを有すると共に、前記閉ループを
   構成するコントローラにその＠適ゲインを出力するゲイ
   ン出力手段と、 を具備することを特徴とする船舶の自動操舵装置。