JPS61263896A - 舶用オ−トパイロツト - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、舶用オートパイロットの省力化ト、操舵特性
および省燃費性の改善に関するものである。さらに詳し
くは、正確な波浪外乱補正と、省エネモードへの出力切
換が可能な舶用オートパイロットに関するものである。

（従来技術） 従来の舶用オートパイロットは、例えば船首方位信号発
生器であるジャイロコンパスからの船首方位信号に基づ
いて自己位置を連続的に推定演算し、船体を設定コース
上にヨー軸周りの姿勢制御のみで乗せる様な自動制御方
法を採用するものがほとんどであった。、即ち、ヨー軸
周りの姿勢制御のみで船体の設定コースと船首方位の差
、変針時の設定ターンレート（切替スイッチ等を用いて
手動でターンレートを設定し出力していた）と実測のタ
ーンレートの差がゼロになる様に制御ゲインを航海士が
調整し、比例・積分・微分（以下「ＰＩＤＪという）制
御を行っていた。

第７図はこの様な舶用オートパイロットの従来例を示す
ブロック線図である。図において、１は船体、２は船首
方位信号ψを出力するジャイロコンパス、３は命令舵角
信号Ｕｏを演算し出力する演算部である。この演算部３
は船首方位信号ψと設定針路信号ψｎｏとから針路偏差
信号Δψ。を出力する減算器４と、ターンレート信号ψ
（・は１階微分を表わす。以下同様）を出力するターン
レート演算部５　（図では船首方位信号ψを微分回路を
用いて微分しているが、別途ターンレートメータ（図省
略）を用いる場合もある）と、ターンレート信号ψと外
部から機械的に設定された設定ターンレート信号ψｎｏ
との差を取りターンレート偏差信号Δψ０を出力する減
算器５１と、−次遅れもしくは二次遅れフィルタ等から
成る入力フィルタ部６と、この入力フィルタ部６でフィ
ルタリ△ ングされた針路偏差Ｆ信号Δψｏ　　（Ｆはフィルタリ
ングを表わし、°は計算された値（推定値）を表わす。

以下同様）及びターンレート幅差Ｆ信号／ト Δψ０をＰＩＤ演算し命令舵角信号Ｕｏを出力するＰＩ
Ｄ演算回路７とから成る。８は命令舵角信号ＵＯに基づ
いて舵９を駆動させる舵取り機である。

この様な構成の舶用オートパイロットにおける操舵機能
を以下に説明する。

減算器４は、船首方位信号ψと設定針路信号ψｍＯとを
比較し、針路偏差信号Δψ０を入力フィルタ部６に出力
する。又、減算器５１は、ターンレート信号ψと設定タ
ーンレート信号ψｎｏとを比較し、ターンレート偏差信
号Δψ０を入力フィルタ部６に出力する。針路偏差信号
Δψ０とターンレート偏差信号Δψ０は、入力フィルタ
部６であらかじめ手動設定されたフィルタ設定値Ｍｆに
基ハ づいてフィルタリングされ、針路偏差Ｆ信号Δφへ ０、ターンレート偏差Ｆ信号Δψ０としてＰＩＤ演算回
路７に導かれる。ＰＩＤ演算回路７は、外部から航海士
によって手動で設定される制御パラメータＭ（１（例え
ばＰＩＤ制御ゲインや時定数）に基づいて針路偏差Ｆ信
号Δ今。とターンレート偏差Ｆ信号Δψ０をＰＩＤ演算
し、命令舵角信号Ｕｏとして舵取りｖｓ８に出力し舵９
を駆動する。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、この様な構成の舶用オートパイロットには、
次の様な問題点があった。

■：ＰＩＤ演算回路７において、制御パラメータＩＶＨ
Ｉを外部から航海士が手動設定しているため、船体１の
運動特性の変化に対して前記制御パラメータＭＱを常に
適正な値に調整することが容易でない。制御パラメータ
Ｍｇを適正な値に調整できないと、望ましい制御特性、
即ち高い保針能力（針路保持）と高い変組能力（針路変
更）が得にくく、従って輸送の高信頼性が望めず、又パ
イロットシステムの省燃費化を達成することも困難であ
る。

■：仮に制御パラメータＭｇを適正な値に調整すること
ができたとしても、気象や海象の変化にいちいち対応し
てこれを設定する航海士にかかる負担は非常に大きなも
のとなる。

■二人力フィルタ部６は一次遅れ（又は、二次遅れ）フ
ィルタで構成されているので十分なフィルタリング効果
が得られず、操舵特性および省燃費性が低下する。

■＝変針時においては、設定ターンレートと実測ターン
レートとの差を検出しこの差に応じて一定の設定ターン
レート信号を変針終了時点まで保持するので、船体が慣
性の影響を受けて大きなオーバーシュートを起こしてし
まう。狭水道航行中にオーバーシュートが大きいと、他
船との衝突や対岸への坐礁等の危険が生じる。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたものであって
、その船体にとって高い保針性と高い変針性を満足しつ
つ燃料滴資料を最小にするような最適な制御ゲインを航
海士の手をわずられせることなく、自動的に決定できる
ようにするとともに、船体の運動特性等が変化した場合
にあっても、常に最適運航を可能にする舶用オートパイ
ロットを提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段および作用）本発明の舶
用オートパイロットは、船首方位信号、ターンレート信
号および舵角信号にもとづいて制御すべき船体に最適な
操舵角信号を得るようにしたもので、以下のような構成
および作用とした。

第１の発明： まず船体特性推定演算部は船首方位信号とターンレート
信号と舵角信号から船体特性の推定値である推定船体パ
ラメータを演算し出力する。船体運動推定演算部は前記
船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信号を
入力して、前記推定船体パラメータ信号で係数が設定さ
れる船体モデルを用いて前記船体の運動を推定演算し推
定針路方位信号と推定ターンレート信号を出力する。波
浪外乱周波数決定部は前記ターンレート信号と前記舵角
信号と前記推定船体バラメ′−夕を入力し、波浪外乱周
波数を決定して波浪外乱周波数信号を出力する。波浪外
乱推定演算部は前記船首方位信号と前記ターンレート信
号と前記舵角信号と前記波浪外乱周波数信号と前記推定
船体パラメータから前記船体が制卸可能な周波数の前記
船体に働く波浪外乱の大きさを推定演算する。海象判定
部は前記ターンレート信号と前記波浪外乱周波数信号を
入力し・前記波浪外乱の状態から海象状況を判定し判定
波浪外乱周波数を出力する。保針変針最適ゲイン調整部
は前記船体特性推定演算部から入力する推定船体パラメ
ータ信号に対応する最適ゲインを出力し、保針変針最適
操作１演算部はこの最適ゲイン出力によって制御ゲイン
を設定され、前記船体運動推定演算部からへカする推定
針路方位信号と推定ターンレート信号に演算を施す。波
浪外乱最適ゲイン調整部は前記海象判定部の判定波浪外
乱周波数出力に対応する最適ゲインを出力し、波浪外乱
最適操作量演算部はこの最適ゲイン出力によって制御ゲ
インを設定され、前記波浪外乱推定演算部から入力する
推定波浪外乱信号に演算を行なう。合成最適操作量演算
部は前記保針変針最適操作量演算部および前記波浪外乱
最適操作量演算部からの操作量出力を加算して最適操舵
角信号を出力する。

第２の発明： まず船体特性推定演算部は船首方位信号とターンレート
信号と舵角信号から船体特性の推定値である推定船体パ
ラメータを演算し出力する。船体運動推定演算部は前記
船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信号を
入力して、前記推定船体パラメータ信号で係数が設定さ
れる船体モデルを用いて前記船体の運動を推定演算し推
定針路方位信号と推定ターンレート信号を出力する。波
浪外乱周波数決定部は前記ターンレート信号と前記推定
船体パラメータを入力し、波浪外乱周波数を決定して波
浪外乱周波数信号を出力する。波浪外乱推定演算部は前
記船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信号
と前記波浪外乱周波数信号と前記推定船体パラメータか
ら前記船体が制御可能な周波数の前記船体に働く波浪外
乱について複数のカルマンフィルタで交互に推定演算と
予測演算を行う。海象判定部は前記ターンレート信号と
前記波浪外乱周波数信号を入力し、前記波浪外乱の状態
から海象状況を判定し判定波浪外乱周波数を出力する。

保針変針最適ゲイン調整部は前記船体特性推定演算部か
ら入力する推定船体パラメータ信号に対応する最適ゲイ
ンを出力し、保針変針最適操作量演算部はこの最適ゲイ
ン出カニよって制御ゲインを設定され、前記船体運動推
定演算部から入力する推定針路方位信号と推定ターンレ
ート信号に演算を施す。波浪外乱最適ゲイン調整部は前
記海象判定部の判定波浪外乱周波数出力に対応する最適
ゲインを出力し、波浪外乱最適操作量演算部はこの最適
ゲイン出力によって制御ゲインを設定され、前記波浪外
乱推定演算部から入力する波浪外乱予測信号に演算を行
なう。合成最適操作量演算部は前記保針変針最適操作量
演算部および前記波浪外乱最適操作量演算部からの操作
量出力を加算して最適操舵角信号を出力する。

（発明の実施例） 以下図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の舶用オートパイロットの一実施例を示
すブロック線図、第２図は第１図装置の動作を説明する
ためのフローチャートである。第１図において第７図と
重複する部分・機能については同一番号・符号を付けて
その説明を省略する。

第１図において、１０は船首方位信号ψとターンレート
信号ψと舵角信号δから船体特性の推定値である推定船
体パラメータ９．　ｆ（、は推定値を意味する）を出力
する船体特性推定演算部、１１は前記船首方位信号ψと
前記ターンレート信号↓と前記舵角信号δを入力して前
記推定船体バラメー△　△ 夕信号α、βで係数が設定される船体モデルを用いて前
記船体１の運動を推定演算し推定針路方位△ 信号ψと推定ターンレート信号ψを出力する船体運動推
定演算部、１２は前記ターンレート信号ψと舵角信号δ
と推定船体パラメータ台、６を入力し、波浪外乱周波数
ω１．ω２を決定して出力する波浪外乱周波数決定部、
１３は前記船首方位信号ψと前記ターンレート信号ψと
前記舵角信号δと前記波浪外乱周波数信号ω１．ω２と
前記推定船体パハ　△ ラメータα、βから前記船体１が制御可能な周波数の前
記船体１に働く波浪外乱を推、定または予測演痒する波
浪外乱推定演算部、１４は前記ターンレート信号ψと前
記波浪外乱周波数信号ω１．ω２を入力し、前記波浪外
乱の状態から海象状況を判定し判定波浪外乱周波数を出
力する海象判定部、１５は前記船体特性推定演算部１０
から入力する推定△　　△ 船体パラメータ信号α、βに対応する最適ゲインＩＫ　
、を出力する保針変針最適ゲイン調整部、１６はこの保
針変針最適ゲイン調整部１５からの前記最適ゲイン出力
ＩＫ　ｌによって制御ゲインを設定され、前記船体運動
推定演算部１１から入力する推定針路方位信号ψと推定
ターンレート信号ψに演算を行なう保針変針最適操作量
演算部、１７は前記海象判定部１４の出力に対応する最
適ゲインｌＫ２を出力する波浪外乱最適ゲイン調整部、
１８はこの波浪外乱最適ゲイン調整部１７からの前記最
適ゲイン出力区２によって制御ゲインを設定され、前記
波浪外乱推定演算部１３から入力する波浪外乱予測信号
Ｑｄに演算を行なう波浪外乱最適操作量演算部、１９は
前記保針変針最適操作量演算部１Ｂおよび前記波浪外乱
最適操作量演算部１８からの操作量出力Ｕδ１゜Ｕδ２
を加算して最適操舵角信号Ｕδを出力する合成最適操作
量演算部である。

以下に、これら各部を第１図及び第２図にもとづいて更
に詳細に説明する。

く船体運動推定演算部１１〉 船体運動推定演算部１１は船首方位信号ψとターンレー
ト信号ψと舵角信号δを入力して、次式により推定針路
方位信号ぐと推定ターンレート信号に５ ψを推定演算する。

／Ｘ　　　　　　　　　　　　Ａ ｄψ（ｔ）／ｄｔ−一α（１）ψ（１）十分（１）δ（
１）十分（ｔ）Ｑ′ｄ（ｔ）十Ｋ・・　（ゐ（１）一ψ
（ｉ＞）＋に＋２　（ψ（１）−ぐ（１＞）＋に＋　＋
　Ｖ＋　　（ｉ）＋に＋　２　Ｖ２　　（ｉ）”（１）
ｄ令（ｔ）／ｄｔ−↑（ｔ）＋Ｋｚ＋　（ψ（１）ハハ ーψ（ｔ））＋に２２（ψ（ｔ）・−ψ（１））＋に２
＋Ｖ＋（ｉ）＋に２２Ｖ２（ｉ）・”（２）ただし脅（
−１／Ｔｖ；Ｔｖは追従性指数）、含（−Ｋｖ／ＴＶ　
：　Ｋｖは旋回性指数）は後述の船体特性推定演算部１
０で推定される船体自身のパラメータ、やｄは後述の波
浪外乱推定演算部１３で推定される波浪外乱の推定値、
Ｖ　Ｉ　＊　ｖ２は測定ノイズ、ｔは時間である。

推定式（１）（２）は、船体の旋回時の数式モデルを、
外乱によるヨーイングを等価的な舵角に置き換えて波浪
外乱Ｗｄとした式 φ（１＞＋αΦ（１）−βδ（ｔ））＋βＷｄ（１）　
　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３）で表わし
て、これに公知のカルマンフィルタの理論を適用するこ
とにより得ら れる。この結果カルマンゲインに＋＋〜に２２はハ　　
　ハ ψ−ψ、ψ−ψの分散を最小にするように決定される。

く船体特性推定演算部１０〉 船体特性推定演算部１０は船首方位信号ψとターンレー
ト信号ψと舵角信号δから船体特性の推定値である推定
船体パラメータな、省を前記（１）（２）式および次の
（４）’（５）式により推定演ハ 十にコ２　（ψ　（１）　　−ψ　（ｉ＞）＋に３　　
＋　　Ｖ＋（ｔ）＋に３２　Ｖ２　（ｔ）　　　　　　
　　　・・・（４）ハ　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　・さｄβ　（ｔ）／ｄｔ＝に４　Ｉ　（ψ　
（１）　−ψ（ｔ）　）へ ＋Ｋａ　　２　（ψ　（１）　　−ψ　（ｔ＞）＋に４
　＋　　Ｖ冒（ｔ）＋に４ｚＶｚ　　（ｔ）　　　　　
　　　・・・（５）これらの式は前記同様船体モデルを
（３）式で表わすとともに、船体パラメータα、βも未
知聞として取扱い、これにカルマンフィルタの理論、を
適用することにより得られる。この場合カルマンゲイン
に■〜Ｋａｚはψ−’＄”、　＜４１−ψ、　ａ−ａ。

β−かの分散を最小にするように決定される。

上記の船体特性推定演算部１０の演算速度を船体運動推
定演算部１１よりも速くすれば、相互の干渉をなくして
動作特性を向上することができる。

〈波浪外乱周波数決定部１２〉 海象が変化した時、船体特性推定演算部１０からの推定
船体パラメータ４．Ｑとターンレート信号ψと舵角信号
δを入力する波浪外乱周波数決定部１２は、次のように
してその海象における、その船体１にとって制御可能な
波浪外乱周波数を決定する。

すなわち、ネず推定船体パラメータ会、公から船体１が
制御可能〈又は応答可能）な低周波数帯域ωεを求める
（第３図）。

次にターンレート信号小と舵角信号δと船体の伝達関数
Ｇ（推定船体パラメータ金、金により定まる）より次式
で等価舵角波浪外乱のパワースペクトル密度Φｗｄを計
痺する。

Φｗｄ　（ω）−Φ妾　（ω）／１°Ｇ（ω）１２−Φ
ａ（ω）　　　　　　　　　　　・・・（６）ただしΦ
↓はターンレート信号のパワースペクトル、Φ、は舵角
信号のパワースペクトルである。

この周波数スペクトル密度が前記低周波数帯域において
最大値（その船体の保針性に最も影響を及ぼすｉｌ［）
及び２１目の値をとる周波数（正確には角周波数）ω１
．ω２を求め、これらを波浪外乱周波数として出力する
（第３図）、。

（６）式はターンレート信号のパワースペクトルΦ−の
他に舵角信号のパワースペクトルΦδ　の影響も反映し
ているので、正確に波浪外乱周波数を決定することがで
きる。

上記の（６）式は次のようにして求められる。

船体１の不規則雑音■（平均値はＯ）を含んだターンレ
ートｙは、 ｙ（ｔ）−ψ（ｔ）＋ｖ（ｔ）　　　　・・・（７）と
なる。簡単のためにｖ−Ｑとし、（３）式の船体運動方
程式に（７）式を代入しラプラス変換すると ｙ　（ｓ）　−Ｇ　（ｓ）　　（δ（ｓ）　＋Ｗｄ　（
ｓ））・・・（８） となる。ただしＧ（Ｓ）は船体の運動特性を表す伝達関
数である。（８）式から出力ｙすなわちターンレートの
パワースペクトル密度Φ；を求めると次式であられされ
る。

Φ↓　（ω）−１Ｇ（ω）１２　（Φ＃　（ω）＋Φｌ
ＩＷ＋Φ勺　＋Φｗｃｉ（ω）’）　　・　（９）ここ
で、Ｇ（ω）はＧ　−（ｓ　）の周波数表現、Φδ（ω
）は前述の通り、Φδ、と０ｗ６は舵角信号と波浪外乱
の相互パワースペクトル密度、Φｗｄ（ω）は波浪外乱
のパワースペクトル密度である。

（９）式を波浪外乱のパワースペクトル密度の７ｄ（ω
）について解くと、 Φｗｄ（ω）−Φ↓　（ω）／ＩＧ（ω）Ｉ２−（Φδ
　（ω）＋Φり、＋Φッ、）　　・・・（１０）となり
、ここでΦδ）Φσ７．Φσ）ΦＷ、なので、Φ、Ｗ、
ΦＷ、を無視でき、前記の（６）式を得ることができる
。

尚、上記の例では波浪外乱周波数として前記低周波数帯
域における第１．第２の周波数成分のみを求めているが
、これに限定されるものではなく、第３周波教戒分以降
をさらに追加して後述の波浪外乱推定に利用してもよい
。このようにすれば、波浪外乱に関するフィードフォワ
ード制御特性は更に改善される。

〈波浪外乱推定演算部１３〉 波浪外乱推定演算部１３における複数のカルマンフィル
タは、それぞれ船首方位信号ψとターンレート信号めと
舵角信号δと船体特性推定演算部１゜からの推定船体パ
ラメータ會、省および前記波浪外乱周波数決定部１２か
ら出力される波浪外乱周波数ω言、ω２を入力して、船
体１にとって制御可能な周波数の波浪外乱Ｗｄの大きざ
を前記（１）（２）式および次の（１１）（１２）（１
３）（１４）式により推定演算する。

仝　　　　　　　　　　　　△ ｄｘ、２　　（ｉ）／ｄｔ−−（ｔ）ＩＸＩ　２　　（
ｔ）＋に△　　　　　　　　△ 一ψ　（ｔ＞）＋Ｘｚｚ　　（ｔ）＋Ｋｓ　　＋　　Ｖ
ｌ　　（ｔ）＋Ｋｅ２Ｖ２（ｔ＞　　　　　　　　　　
・・・（１”ｌ）△　　　　　　　　　　　　　へ ｄｘ、２　　（ｔ）／ｄｔ−ｘ、２　　（ｊ）＋に？１
〆＼ （ψ（１＞−ψ（１：））＋に７２　　（ψ（１）−ψ
（ｔ′　〉　ン　＋　Ｋｒ　　Ｉ　Ｖｌ　　　（ｔ）＋
Ｋｙｚ　　Ｖ２　　　（ｊ＞・・・　（１２） 一仝（ｔ））＋Ｋｓ　＋　Ｖｌ　　（ｉ）＋Ｋｅ　２　
Ｖ２（１＞　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・
・（１３）△　　　　　　　　　　　　へ ｄｘ２　ｚ　　（ｔ）／ｄｔ−ｘ２　２　（ｔ）＋に９
１△ （ψ（１）−ψ（ｉ））＋に１１２　　（ψ（１＞−令
（ｊ））＋に＋ｓ　　＋　　Ｖｌ　　　（ｆ：）＋Ｋ１
１２　　Ｖ２　　　（ｔ）・・・　（１４） ただし　　貧ｄ（ｔ）−ぐ１゜（１） これらの式は前記同様船体モデルを（３）式で表わすと
ともに、波浪外乱のモデル式を２つの周波数ω１．ω２
の正弦波と白色ノイズＷｒとで構成した次の（１５＞　
　（１６）（１７）式で表わし、これにカルマンフィル
タの理論を適用することにより得られる。

Ｘ＋　２　　（ｔ）−Ｗｄ　（ｔ＞　　　　　・＝（１
５）Ｘ　盲　２　　　（ｊ）−−ω　＋　　ＸＩ２　　
　（ｔ　）　＋Ｘ２２　　　（ｊ）・・・（１６） Ｘ２２　　（ｊ）＝−ω２　Ｘ２２　　（ｉ）＋Ｗｒ　
（ｔ）・・・（１７） ・−り、　２　＋　交２２”２２の分散を最小にするよ
うに決定される。

第４図の動作説明図に示すように、上記のようにして推
定演算された波浪外乱（ＩＩ単のため、ここでは単一の
周波数のみを取扱う） Ｑｄ　（ｔ）　＝’Ｑｓ　ｉ　ｎ　（、、、ｔＪ）　−
”　（１８）に対し実際の外乱が次式 ％式％）） のように微小な周波数ずれを有していると、推定演算が
整定した段階では’ａ−ａ、ｅ−θと一致していても、
整定後は（カルマンゲインがＯとなって）Ｑ、９を修正
する能力は消失するので、時間ｔとともに位相誤差Δω
ｔが増大する。仮に位相誤差Δωｔの増大を放置すると
、図に示すようにΔωを一Δθ−πのとき最悪の状態と
なる。この様な状態を避けるため、本装置では次のよう
に対応している。

波浪外乱推定演算部１３が２つのカルマンフィルタＡ、
Ｂで構成されている場合の動作を第５図のフローチャー
トを用いて説明する。一方のカルマンフィルタＡにおい
て推定演算が整定すると、このときの整定値は他方のカ
ルマンフィルタＢにおける推定演算の初期値となるとと
もに、フィルタＢが整定するまでの間フィルタＡにおけ
る波浪外乱の予測Ｐｓ１ｊｉに用いられ、その予測値が
制御の段階で（波浪外乱最適操作量演算部１８の入力と
して）使用される。同様にフィルタＢにおいて推定演算
が整定すると、このときの整定値はフィルタＡにおける
推定演算の初期値となるとともに、フィルタＡが整定す
るまでの間フィルタＢにおける波浪外乱の予測演算に用
いられ、その予測値が制御の段階で使用される。すなわ
ち一方のフィルタが予測演算に使用されている間、他方
のフィルタが推定演算を行って常に次の予測演算に備え
るように構成されている。各カルマンフィルタは推定演
算の開始の度にフィルタゲインリセット指令でカルマン
ゲインを再設定されるので、推定演算の整定によりいっ
たん推定能力を失ったフィルタが再び推定能力を回復す
ることができる。この結果、第６図のタイムチャート（
フィルタ２つの場合）に示すように、予測演算中に増大
していた波浪外乱の推定値（整定値）と実際の波浪外乱
との間の位相誤差Δθは、再び推定演算により観測デー
タとモデルの出力の予測値との差にフィルタゲインを掛
けた量で修正されてゆく（これに対し、フィルタが１つ
の場合には、図のようにΔωが一定の場合、整定した波
浪外乱の推定値と実際の波浪外乱との間の位相誤差Δθ
は時間の経過にしたがうて増大し続けてしまう。）。

この様な構成とすることにより、波浪外乱推定値の位相
ずれによる、波浪外乱制御の劣化を防ぎ優れた保針制御
効果を得ることができる。

く海象判定部１４〉 海象が変化すれば波浪外乱Ｗｄの状態も変化し、波浪外
乱Ｗｄの推定も再度実行しなければならないし、波浪外
乱フィードフォワード量も変更しなければならない。海
象判定部１４はターンレート信号ψと舵角信号δおよび
、前記波浪外乱周波数決定部１２で決定された波浪外乱
周波数ω１．ω２を入力して海象の状態を判定する。

即ち、海象判定部１４は（６）式で求められた波浪外乱
のパワースペクトル密度ΦＷｄ　（ω）の最大値を、あ
らかじめ決めておいた設定値Φｗｄｏ。

Φｗｄ１．Φｗｄ２と比較することにより、その時の海
象レベルを判定する。

■：ＣＡＬＭ、５ＥＡ（目視波高がＯ−０，１重程度の
鏡のように滑らかな海象）の場合は、ＭＡＸ　［ΦＷｄ
（ω）］≦Φｗｄｏ”（２０）となるので、波浪外乱の
推定および制御は原則として行なわない。

■：ＲＯＬＩＧＨ５ＥＡ（目視波高が２．５〜４ｍ程度
の波がやや高い海象）の場合は、Φｗｄ　ｏ　＜　Ｍ　
Ａ　Ｘ　［Φｗｄ　（ω）］≦ΦＷｄ＋・・・（２１） となるので、波浪外乱の推定を行なう。

■：ＶＥＲＹ　　ＲＯＵＧＨ５ＥＡ（目視波高力４．０
〜６ｍ程度の波がかなり高い海象）の場合は、 Φｗｄ　Ｉ　＜ＭＡＸ　［Φｗｄ　（ω）］≦Φｗｄｚ
・・・（２２） となるので、波浪外乱の推定を行なう。

■：ＨＩＧＨＲｏＵＧＨ５ＥＡ（目視波高が６ｍ以上の
非常に荒れた海象）の場合は、Φｗｄ　２　＜ＭＡＸ　
［ΦＷｄ（ω）　］　・（２３）となるので、船体の安
全性のために波浪外乱の推定および制御は原則として行
なわない。

上記の■■の場合には判定波浪外乱周波数ωｌＯ−ω１
．ω２ｏ−ω２を波浪外乱最適ゲイン調整部１７に出力
する。

〈保針変針最適ゲイン調整部１５〉 保針変針最適ゲイン調整部１５は前記船体特性推△ハ 定演算部１０で推定されたα、βを入力し、その船の大
きさ９重さ、不安定度などに見合った最適フィードバッ
クゲインを最適ゲインテーブルから選択して、ゲイン行
列ＩＫ　＋とじて出力する。最適ゲインテーブルとして
は、あらかじめ各クラスの船について求めた最適フィー
ドバックゲインを書込んだＲＯＭなどを用いる。

〈保針変針最適操作量演算部１Ｇ〉 保針変針最適操作量演算部１６は、前記保針変針最適ゲ
イン調整部１５で決定される最適フィードバックゲイン
ＩＫ＋−（Ｋ＋ｐ、に＋ｏ、に＋ｘ、ＫＣｌ１ＫＣ２）
を入力して、これと設定ターンレートψＮｏｒ設定針路
方位ψｍ０．前記船体運動△ 推定演算部１１からの推定針路方位信号ψおよび推へ 定ターンレート信号ψを、次式で示すように掛合わせる
ことにより第１の操作ＪＩＵδＩ　（ｔ）を演−ψｎｏ
）ｄｉ）＋Ｋｃ＋ψｍｏ＋Ｋｃ２ψｎ。

・・・　（２４） ただし保針時はψｎｏ　””ｏである。

この第１の操作量Ｕδ１は、積荷等によって生じる、船
体への外乱の影響を減らすように操舵角を変化させる。

く波浪外乱最適ゲイン調整部１７〉 波浪外乱最適ゲイン調整部１γは前記海象判定部１４の
出力値である判定波浪外乱周波数ωＴｏｏω２ｏを入力
し、最適ゲインテーブルから最適フィードフォワードゲ
インを選択して、ゲイン行列ＩＫ２として出力する。最
適ゲインテーブルとして、あらかじめＲＯＭなどに種々
の海象に対応する最適フィードフォワードゲインを書込
んでおく。

〈波浪外乱最適操作量演算部１８〉 波浪外乱最適操作量演算部１８は、前記波浪外乱量゛適
ゲイン調整部１７で決定される最適フィードフォワード
ゲインＩＫ２−　（Ｋｌ　＋　、に２２　、に２３　。

Ｋ２４）を入力して、これと前記波浪外乱推定演算部１
３からの波浪外乱予測演算値（波浪外乱推定演算部１３
において予測演算モードにあるフィルタからの出力）　
Ｑｄ　ｒ　貧＋　２１　”２２　、　’Ｑｚ　２を、次
式で示すように掛合わせることにより第２の操作量Ｕδ
２　（ｔ）を演算・出力する。

△　　　　　　ハ Ｘ２２　　Ｋ２４Ｘ２２　　　　　　−（２５）この第
２の操作１１ＬＩδ２　（ｔ）は、波浪外乱の影響を減
らすように操舵角を変化させる。

く合成最適操作量演算部１９〉 合成最適操作量演算部１９は前記保針変針最適操作量演
算部１６から出力される第１の操作量Ｕδ鵞と前記波浪
外−乱最適操作量演算部１８から出力される第２の操作
量Ｕδ２を下式のように加算して最適舵角信号Ｕδを操
舵ＩＩ８に出力する。

Ｕδ−Ｕδ＋＋Ｕδ２　　　　　・・・（２６）船また
は海象の状態によっては（２６）式のように波浪外乱に
対応した操作量Ｕ６２を加算すると却って第７図の命令
舵角信号Ｕｏよりも、舵角を大きく取ってしまつること
がある。これは省エネルギーの観点からは好ましくない
。したがって本装置では（２６）式で表される保針モー
ドからＵδ−Ｕδ１とする省エネルギーモードへ、キー
ボード入力や設定つまみなどにより、必要に応じて切換
えられるようにしている。

上記の保針変針最適ゲイン調整部１５．保針変針最適操
作量演算部１６．波浪外乱最適ゲイン調整部１７、波浪
外乱最適操作量演算部１８９合成最適最適量演算部１９
は以下に示すようなアルゴリズムに従って動作している
。

船体の運動方程式（３）は Ｗｄ（ｔ）　　　　　　　　　　　　・・・（２７）と
なる。さらに関係式 ％式％（） を追加する。上記（２７）〜（３１）式と波浪外乱のモ
デル式（１５）（１６）（１７）式からなる１１ｍ対象
について、次式の評価関数Ｊを最小にするようなδを公
知の最適レギュレータ理論を用いて求めることにより、
最適フィードバックゲインＩＫ＋、フィードフォワード
ゲインＩＫ　２を決定する。

Ｊ＝＝−Ｅ　ｃｆ＜λ１　（ψ−ψｎｏ）’＋λ２　（
小−ψｍｏ）２＋λ３　（ｆ（ψ−ψｍｏ）ｄｉ−）２
＋λ４６２）ｄｔ］　　　　　　　　　・・・（２９）
ただしＥ［］は集合平均を表わす。評価関数Ｊは省エネ
ルギー性、保針性、変針性を表わしている。

以上の解析をあらかじめ各種波浪外乱および各種船体（
α、β）について行い、最適ゲイン行列ＩＫ＋−＜Ｋ＋
ｐ＊　Ｋ＋ｏ、に＋　１．Ｋｃ＋　、Ｋｃ２）、１Ｋ２
−（Ｋ２＋、に２ａ、に２ｓ、に２４）を船体パラメー
タ＜ａ、６＞および海象判定出力から参照できるように
保針変針最適ゲイン調整部１５および波浪外乱最適ゲイ
ン調整部１７内にテーブル化しておく。

なお第２図のフローチャートに示すように、上記の実施
例においてスタート時は、船体特性推定ヘ 値の初期値α（Ｏ）、β（０）を設定され、これを演算
に使用している。

また上記の実施例では船体運動推定演算部１１としてカ
ルマンフィルタを用いているが、これに限らず、通常の
アナログフィルタなどを使用することも可能である。

また上記の実施例では線形の船体モデルを用いているが
、これに限らず、例えばターンレートの３乗項を含む不
安定船モデルの場合も同様に適用できる。

また上記の実施例ではく２６）式で表される保針モード
とＵδ−ｕ６．とする省エネルギーモードの２モ一ド動
作となっているが、さらに中間省エネモードとして（２
９）式の評価関数において舵角重みλ４を大きめの値に
とった時の最適制御ゲインＩＫ　＋を用いてＵ６＋を演
算するようにして、３モ一ド動作としてもよい。

また上記の実施例では波浪外乱推定演算部１３で２つの
カルマンフィルタを用いているが、これに限らず、任意
のＮ（＞２）個のフィルタを交互に用いることにより、
位相誤−差の増大時間をさらに短縮することができ、波
浪外乱推定をより正確にすることができる。

また、上述した実施例ではあらかじめ多くの最適制御ゲ
インを計算により求めておき、それをゲインテーブル（
メモリ記憶形式）として記憶させ、これを推定船体パラ
メータ金、ｆと判定波浪外乱周波数ωＩＯ＋ω２ｏによ
り選択する場合を説明したが、必ずしもこのようにテー
ブル形式で行なう必要はなく、最適制御ゲイン行列ＩＫ
Ｉ、ｌＫ２の演算をオンラインで行なってもよい。

また上記の実施例において、保針変針最適ゲイン調整１
部１５．保針変針最適操作量演算部１Ｇ、波浪外乱最適
ゲイン調整部１７．波浪外乱最適操作量演算部１８１合
成最適最適量演算部１９の部分をまとめてマイクロコン
ピュータで構成してもよい。また他の各部も同様にマイ
クロコンピュータで構成できる。

また、本発明に船速信号を用いる構造、即ち、船速信号
を船体特性推定演算部に取り入れて船体特性を推定する
ような構成としてもよい。このようにすれば船速変化に
逐次対応した補正値が得られるので、本システムの精度
はさらに向上する。

またターンレートかを推定演算部入力とせず、船首方位
信号ψのみを用いて各推定演算を行なうこともできる。

また各推定演算部の入力として、針路方位信号ψおよび
ターンレート信号ψのかわりに針路方位偏差ψｍｏ−ψ
、ターンレート偏差委−φ偏差−小を用いることもでき
る。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、 Ａ：船体特性や波浪を推定する推定機能を設けたので、
船体の保針性及び燃費性を劣化させる外乱の時間的変化
に対応した制御ができる。積み荷の変化やバラストの変
化による船体質量等の船体特性が変化しても制御ゲイン
は自動的に変化に追従できるので安定した操舵ができる
。又、変針時においてもオーバーシュート無く変針でき
る。特に波浪外乱周波数を正確に推定し、波浪外乱推定
値の位相ずれによる波浪外乱制御の劣化を防ぐことによ
り、波浪外乱の正確な直接フィードフォワードが可能な
ので、外乱によるヨーイングを従来以上に押え込むこと
ができ、的確な舵を切ることができる。

Ｂ：本システムは、船体の種類や海象条件に対応して的
確に船体応答波浪外乱を推定でき、波浪外乱に対応した
制御量を得ることができる。故に、従来のように航海士
が海の状態を見て制御ゲインを調整しなくともよいので
、航海士の負担が軽減されると共に経験に富んだ航海士
がいなくとも、それと同等以上の操舵を行なうことがで
きる。

Ｃ：従来の自動操舵装置に比べ高精度の保針制御が可能
となり、狭水道の航行又は遊行がより安全に行なえる。

即ち、どのような情況下でもオーバーシュート無く的確
に変針でき、無駄な操舵がないので、高い変針性を満足
するとともに高い安全性、高信頼性を保持しつつ燃料消
費ｍを最小にすることができる。

Ｄ、省エネモードを設けて２モードを使い分けることに
より、省エネルギー性を優先する場合にも柔軟に対応で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の舶用オートパイロットのブロック構成
図、第２図は第１図の動作を示すフローチャート、第３
図は波浪外乱周波数決定部１２の動作説明図、第４図は
波浪外乱推定演算部１３の動作説明図、第５図は波浪外
乱推定演算部１３の動作を示すためのフローチャート、
第６図は同タイムチャート、第７図は舶用オートパイロ
ットの従来例を示すブロック線図である。 １・・・船体、１０・・・船体特性推定演算部、１１・
・・船体運動推定演算部、１２・・・波浪外乱周波数決
定部、１３・・・波浪外乱推定演算部、１４・・・海象
判定部、１５・・・保針変針最適ゲイン調整部、１Ｇ・
・・保針変針最適操作車演算部、１７・・・波浪外乱最
適ゲイン調整部、１８・・・波浪外乱最適操作量演算部
、１９・・・合成最適操作量演算部、ψ・・・船首方位
信号、ψ・・・ターンレート信・・・推定ターンレート
信号、ω１．ω２・・・波浪外乱周波数、Ｗｄ・・・波
浪外乱の大きさ、ω１０．ω２０・・・判定波浪外乱周
波数、ＩＫ　Ｉ、　ＩＫ２・・・最適ゲイン　Ｑｄ＋＋
推定波浪外乱信号。 第 Ｗ：　（ｓｌ１浪ｒｌ−Ｍ？ｌ、＆演鼾Ｐ）第４図 第７図 ！

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）船首方位信号、ターンレート信号および舵角信号
   にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角信号を得る
   構成の舶用オートパイロットにおいて、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信
   号から船体特性の推定値である推定船体パラメータを演
   算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信
   号を入力し前記推定船体パラメータ信号で係数が設定さ
   れる船体モデルを用いて前記船体の運動を推定演算し推
   定針路方位信号と推定ターンレート信号を出力する船体
   運動推定演算部と、前記ターンレート信号と前記舵角信
   号と前記推定船体パラメータを入力し、波浪外乱周波数
   を決定して波浪外乱周波数信号を出力する波浪外乱周波
   数決定部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信
   号と前記波浪外乱周波数信号と前記推定船体パラメータ
   から前記船体が制御可能な周波数の前記船体に働く波浪
   外乱の大きさを推定演算する波浪外乱推定演算部と、 前記ターンレート信号と前記波浪外乱周波数信号を入力
   し、前記波浪外乱の状態から海象状況を判定し判定波浪
   外乱周波数を出力する海象判定部と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体パラメー
   タ信号に対応する最適ゲインを出力する保針変針最適ゲ
   イン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適ゲイン出
   力によって制御ゲインを設定され、前記船体運動推定演
   算部から入力する推定針路方位信号と推定ターンレート
   信号に演算を行なう保針変針最適操作量演算部と、 前記海象判定部の出力に対応する最適ゲインを出力する
   波浪外乱最適ゲイン調整部と、 この波浪外乱最適ゲイン調整部からの前記最適ゲイン出
   力によって制御ゲインを設定され、前記波浪外乱推定演
   算部から入力する推定波浪外乱信号に演算を行なう波浪
   外乱最適操作量演算部と、前記保針変針最適操作量演算
   部および前記波浪外乱最適操作量演算部からの操作量出
   力を加算して最適操舵角信号を出力する合成最適操作量
   演算部と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロット。
2. （２）合成最適操作量演算部が前記保針変針最適操作量
   演算部からの操作量出力のみを出力するように切換える
   ことができる特許請求の範囲第１項記載の舶用オートパ
   イロット。
3. （３）船体特性推定演算部、船体運動推定演算部および
   波浪外乱推定演算部をカルマンフィルタで構成した特許
   請求の範囲第１項記載の舶用オートパイロット。
4. （４）船体特性推定演算部を前記船首方位信号と前記タ
   ーンレート信号から操舵に有害な高周波成分を除外する
   フィルタで構成した特許請求の範囲第１項記載の舶用オ
   ートパイロット。
5. （５）船首方位信号、ターンレート信号および舵角信号
   にもとづいて制御すべき船体に最適な操舵角信号を得る
   構成の舶用オートパイロットにおいて、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信
   号から船体特性の推定値である推定船体パラメータを演
   算し出力する船体特性推定演算部と、 前記船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信
   号を入力し前記推定船体パラメータ信号で係数が設定さ
   れる船体モデルを用いて前記船体の運動を推定演算し推
   定針路方位信号と推定ターンレート信号を出力する船体
   運動推定演算部と、前記ターンレート信号と前記推定船
   体パラメータを入力し、波浪外乱周波数を決定して波浪
   外乱周波数信号を出力する波浪外乱周波数決定部と、前
   記船首方位信号と前記ターンレート信号と前記舵角信号
   と前記波浪外乱周波数信号と前記推定船体パラメータか
   ら前記船体が制御可能な周波数の前記船体に働く波浪外
   乱について複数のカルマンフィルタで推定演算と予測演
   算を交互に行う波浪外乱推定演算部と、 前記ターンレート信号と前記波浪外乱周波数信号を入力
   し、前記波浪外乱の状態から海象状況を判定し判定波浪
   外乱周波数を出力する海象判定部と、 前記船体特性推定演算部から入力する推定船体パラメー
   タ信号に対応する最適ゲインを出力する保針変針最適ゲ
   イン調整部と、 この保針変針最適ゲイン調整部からの前記最適ゲイン出
   力によって制御ゲインを設定され、前記船体運動推定演
   算部から入力する推定針路方位信号と推定ターンレート
   信号に演算を行なう保針変針最適操作量演算部と、 前記海象判定部の出力に対応する最適ゲインを出力する
   波浪外乱最適ゲイン調整部と、 この波浪外乱最適ゲイン調整部からの前記最適ゲイン出
   力によって制御ゲインを設定され、前記波浪外乱推定演
   算部から入力する波浪外乱予測信号に演算を行なう波浪
   外乱最適操作量演算部と、前記保針変針最適操作量演算
   部および前記波浪外乱最適操作量演算部からの操作量出
   力を加算して最適操舵角信号を出力する合成最適操作量
   演算部と、 を具備することを特徴とする舶用オートパイロット。
6. （６）合成最適操作量演算部が前記保針変針最適操作量
   演算部からの操作量出力のみを出力するように切換える
   ことができる特許請求の範囲第５項記載の舶用オートパ
   イロット。
7. （７）船体特性推定演算部および船体運動推定演算部を
   カルマンフィルタで構成した特許請求の範囲第５項記載
   の舶用オートパイロット。
8. （８）船体特性推定演算部を前記船首方位信号と前記タ
   ーンレート信号から操舵に有害な高周波成分を除外する
   フィルタで構成した特許請求の範囲第５項記載の舶用オ
   ートパイロット。