TWI714040B - 船舶導航系統及其導航方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提出一種船舶導航系統及其導航方法，該導航方法包含以下步驟 ：（a）船舶沿一航行路徑航行，且航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點為一第一節點及一第二節點，且該第一與該第二節點之連線為第一線段；（b）該船舶航行至距離該第一節點小於一第一長度時，產生一第一追蹤點於第一線段上，且該船舶依循第一追蹤點航行，其中該第一追蹤點距離該第一節點一第二長度；（c）該船舶航行至距離該第一追蹤點小於該第一長度時，產生一第二追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及（d）重複上述步驟（b）-（c），直到該船舶經過每一個節點；據此，完成所設航行路徑的導航。
Description
本發明提出一種船舶導航系統及其導航方法，尤指一種模擬磁力相斥的船舶導航系統及其導航方法。
隨著造船科技的演進，船舶扮演海洋運輸主要的工具，而無論是一般船舶或是近年來積極發展之自駕船（無人船），其導航控制或路徑修正在海洋運輸的航行過程中扮演極為重要的角色，如何讓船舶運輸帶來的經濟效益更大而節省航運成本為重要設計目標。
現行船舶路徑的導航大都是以視線導行法（Line of Sight, LOS）或平行修正導航法（Parallel Correction, PC）作為船舶主要航行的依據，然而視線導行法及平行修正導航法皆僅能透過目前船舶所在位置導航路徑節點間的相對位置關係來產生參考航向，引領船舶前往目標節點所在位置前進；但對於風力、波浪或海流等外力干擾所造成航行路徑的偏差，該些方法則無法預作航向的修正。
除此之外，無論是視線導行法或是平行修正導航法，對於複數路徑點節點的導航，容易於路徑轉折處因修正需求而過度打舵造成過衝（Overshoot）的現象（可參照第十一圖），若設定的航行路徑中具有多個路徑轉折處而使得船舶出現多次過衝的情況，無疑會衍生航行時間的增加、航行燃料的浪費及船舶設備的耗損等問題。
為解決先前技術中所提到，如何有效避免導航過程中，於路徑轉折處出現打舵過衝（Overshoot）的現象，或是受到環境因素干擾而偏離預設航行路徑的修正。本發明提出一種船舶的導航方法，包含以下步驟：（a）該船舶沿一航行路徑航行，且該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點及一第二節點，且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段；（b）該船舶航行至距離該第一節點或一原追蹤點小於一第一長度時，產生一第一追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第一追蹤點航行，其中該第一追蹤點距離該第一節點一第二長度；（c）該船舶航行至距離該第一追蹤點小於該第一長度時，產生一第二追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及（d）重複上述步驟（b）-（c），直到該船舶經過每一個節點。
本發明更提出另一種船舶的導航方法，包含以下步驟： （e）該船舶沿一航行路徑航行，且該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點、一第二節點及一第三節點，且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段，該第二節點與該第三節點之連線為一第二線段；（f）該船舶航行至距離該第一節點或一原追蹤點小於一第一長度時，產生一第一追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第一追蹤點航行，其中該第一追蹤點距離該第一節點一第二長度；（g）該船舶航行至距離該第一追蹤點小於該第一長度，且該第一追蹤點至該第二節點的距離小於該第二長度時，產生一第二追蹤點位於該第二線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及（h）重複上述步驟（f）-（g），直到該船舶經過每一個節點。
除此之外，本發明還提出一種船舶導航系統，尤指一種用於船舶的導航系統，包含：一數據收發模組，接收一航行路徑；一中央處理器，與該數據收發模組連接，該中央處理器包含一路徑導航模組，該路徑導航模組依據該航行路經結合一導航方法，產生一航向控制命令以及一航速控制命令；一方向控制模組，與該中央處理器連接，該方向控制模組依據該航向控制命令控制該船舶的方向；以及一動力推進模組，與該中央處理器連接，該動力推進模組依據該航速控制命令控制該船舶的速度。
以上對本發明的簡述，目的在於對本發明之數種面向和技術特徵作一基本說明。發明簡述並非對本發明的詳細表述，因此其目的不在特別列舉本發明的關鍵性或重要元件，也不是用來界定本發明的範圍，僅為以簡明的方式呈現本發明的數種概念而已。
為能瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，茲進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如後：
本發明提出了一種可用於船舶的導航系統，以及一種船舶導航方法。請參照第一圖，其為本發明較佳實施例之船舶導航系統，要特別強調的是，該船舶除了是具有船員於船上控制其航行的一般船舶外，更可以是無人駕駛的船舶如自動駕駛船舶、自主航行船舶、海洋無人載具及水面自動載具等（在本文統稱為「無人船」），凡涉及自動控制船舶或載具航行路線者，皆應屬於該範圍內。另外，該船舶的外型可設計為流線型的低阻力船型，藉此增加操控船舶的穩定性。
如第一圖所示，本發明之船舶導航系10統包含：一數據收發模組100；一中央處理器200，與該數據收發模組100連接，且該中央處理器200包含有一路徑導航模組210；一方向控制模組300，與該中央處理器200連接；以及一動力推進模組400，與該中央處理器200連接。除此之外，該導航系統10更包含有與該中央處理器200連接的一感測模組500以及一定位模組600，以及與該數據收發模組100連接的無線通訊模組700；其中，該中央處理器200還包含有一電子海圖資料庫210與該路徑導航模組210連接。
要特別強調的是，該船舶除了是一般具有船員駕駛的船隻外，更指國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）所規範之「海上水面自動船舶（Maritime Autonomous Surface Ships, MASS）」，而在本文內皆統稱為「無人船」。
以下將針對本發明之導航系統做進一步說明。首先，該數據收發模組100可經由外部接收一航行路徑，該接收的方式可以是直接將該航行路徑輸入至船舶內使該船舶依照該路徑航行，也可以是透過與該數據收發模組連接的無線通訊模組700，接收由（岸台）控制中心、其他船舶或衛星等外部裝置800所遠端無線傳輸的航行路徑。其中，該通訊方式包含藍芽、ZigBee、Wi-Fi、蜂巢式網路（如GSM、CDMA、GPRS或4G/5G無線網路）、無線電波（RF、高頻HF、甚高頻VHF或超高頻UHF）或衛星通訊，凡透過無線方式將數據傳輸至設定目標者皆屬於該範圍內，本發明不應依此為限。
該中央處理器200與前述之數據收發模組100連接，以接收該航行路徑並透過中央處理器200中的路徑導航模組210依據航行路經結合一導航方法，產生一航向控制命令以及一航速控制命令；其中，該導航方法將於第二圖至第七圖做進一步說明。
除此之外，為提高路徑導航模組計算的精確度，還可以透過與該中央處理器200連接的定位模組600來及時取得船舶或無人船的所在位置坐標（即經緯度）；其中，該定位模組600可以是全球定位系統（Global Positioning System, GPS）、全球導航衛星系統（GLONASS）、北斗衛星導航定位系統或其組合等，凡能取得船舶或無人船所在坐標皆屬於該範圍內，本發明不應依此為限。又，該船舶或無人船航行的過程中亦會有許多外部因素如風力、波浪及洋流等，以及內部因素如船舶之操控而影響行駛的路徑；因此，本發明之導航系統10即可透過與該中央處理器200連接的感測模組500（包含至少一環境感測模組及至少一船舶感測模組）來即時偵測至少一外部環境數據，如風力數據、波浪數據、洋流數據、障礙物數據或其組合等，以及至少一內部船舶數據，如引擎轉速、航行速度、舵角方向或船體溫度等。
進一步而言，前述之路徑導航模組210還可以依據航行路經、船舶所在位置坐標及外部環境數據（及內部船舶數據），同時結合另一導航方法產生一航向控制命令以及一航速控制命令，而該導航方法則將於第八圖至第十一圖做進一步說明之。
而與該中央處理器200連接的方向控制模組300，即可依據路徑導航模組210計算的航向控制命令控制（改變舵角的方向）該船舶的航行方向；除此之外，與該中央處理器200連接的動力推進模組400，則可依據路徑導航模組210計算的航速控制命令控制該船舶的航行速度。據此，該船舶可依循所設定航行路徑的軌跡完成船舶路徑導航。
在本實施例中，該數據收發模組100包含工業電腦（IPC）、人機介面（HMI）、單晶片或其組合等，舉凡能接收外部指令（本實施例為船舶路徑）及發送船舶相關數據之裝置皆屬於該保護範圍內，本發明不應依此為限。該中央處理器200包含可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）、微控制器（Microcontroller Unit, MCU）或其組合等，舉凡能接受各系統模組間資訊之傳遞並進行運算處理後發送控制命令之裝置皆屬於該保護範圍內，本發明不應依此為限。
在本實施例中，該方向控制模組300包含方向舵、電子轉向系統或其組合等，其目的在於接收該中央處理器200的命令後調整方向舵的角度，藉以控制船舶的航行方向；該動力推進模組400包含發電機、引擎、側推器（側向推進器）、油門、電池、馬達或其組合等，其目的在於接收該中央處理器200的命令後調整輸出動力之大小，藉以控制船舶航行的速度。進一步而言，該電池可以是鋰離子電池、鋰聚合物電池、磷酸鋰鐵電池、燃料電池或其組合等，可依據動力推進模組的需求設計；該動力推進模組還可以是混合動力系統，透過配置於船舶上的太陽能板、風帆或波浪能驅動裝置來收集太陽能、風能及波浪能等自主能源，並將該些自主能源轉化成電能儲存於蓄電池中，藉以輔助動力推進模組400的動力來源。
在本實施例中，該感測模組500包含至少一環境感測模組（圖未示）以及至少一船舶感測模組（圖未示）。進一步而言，該至少一環境感測模組包含氣壓感測器、溫度感測器、風向感測器、溼度感測器、光學感測器、聲學感測器、雷達感測器、光達感測器、攝像裝置、船舶自動辨識系統（Automatic Identification System, AIS）或其組合等。
其中，該氣壓感測器、溫度感測器、風向感測器及溼度感測器可感測船舶周遭環境的氣壓、風向、溫度及溼度等資訊；該攝像裝置用以攝錄船舶內外部實際的監視影像；該光學感測器、聲學感測器、雷達感測器，如自動測繪雷達（Automatic Radar Plotting Aids, ARPA）及光達感測器可將對應的電磁波、聲波或光束發射至外部空間中，並藉由反射回來的電磁波、聲波或光束偵測空間中的物體（如礁石、他船或大型動物等障礙物）；船舶自動辨識系統則可透過地理資訊系統（Geographic Information System, GIS）加以整合，並將海洋地理資訊系統（Marine Geographic Information System，MGIS）、避碰章程（International Regulations for Preventing Collisions at Sea, COLREGS）、雷達系統（Radar）及國際電腦網路（Internet）結合，以主動詢問或被動告知方式，掌控與蒐集鄰近水上交通區域的船舶動態資訊及水文環境資訊。
該至少一船舶感測模組包含油料感測器、電量感測器、陀螺儀、速度感測器、方向舵感測器、傾斜角度感測器或其組合等。其中，該油料感測器監測船舶的油料存量，該電量感測器監測船舶的電源存量，該陀螺儀及速度感測器監測船舶的航行速度，該方向舵感測器監測船舶的航行方向，該傾斜角度感測器監測船舶水面上的傾斜角度，而透過上述感測模組所包含的各式感測器，可以收集到船舶眾多的原始資訊，以利於後續的運算處理。
在本實施例中，該無線通訊模組700可以是天線、藍芽通訊模組、Wi-Fi通訊模組、蜂巢式網路通訊模組、無線電波通訊模組、衛星通訊模組或其組合等，舉凡透過無線方式將數據傳輸至設定目標者之設備皆屬於該保護範圍內，本發明不應依此為限。
進一步而言，本發明之導航系統10還可包含有一自動避障模組900與該中央處理器200、該感測模組500及該定位模組600連接，該自動避障模組900具有引導引船舶迴避障礙物的能力，藉由該感測模組500及該定位模組600所提供的資訊，可以自動判斷航行路線與障礙物的相對位置及相對速度，即時告知該中央處理器200以操控船舶自動閃避障礙物。該自動避障模組900更包含一雷達分析單元、一影像分析單元以及一陀螺儀，其中，該雷達分析單元（圖未示）分析前述之光學感測器、聲學感測器及雷達感測器的雷達回波，藉以判斷該船舶周圍之物體大小、遠近等資訊；該影像分析單元（圖未示）分析前述之攝像裝置的影像資訊，同樣可判斷該船舶周圍之情況；該陀螺儀（圖未示）提供定向的功能；同時，結合定位模組900取得的船舶所在位置，自動規劃出合適的行徑方向以迴避障礙物。
進一步而言，本發明之導航系統10還可包含有一資訊安全模組1000與該中央處理器200及／或無線通訊模組700連接，該資訊安全模組1000負責當該中央處理器200接收的資訊有誤或無線通訊模組700與外部連線出現問題時，提供該船舶的安全防護機制。當出現無線通訊模組700連線異常導致外部資訊無法送達、無線通訊模組700進行通訊時受到干擾或出現第三方使用者（如惡意程式或病毒等）不當控制中央處理器200之運作時，將會自動將該船舶打至空檔，同時禁止該船舶的無線通訊模組在接收外部資訊或命令，以避免發生碰撞意外，也能讓工作人員安全的登上該船舶進行維修作業。其中，該資訊安全模組1000可以是透過入侵檢測系統（Intrusion-detection system, IDS）監控無線通訊傳輸，檢查是否有可疑活動或者違反船舶航行規章，偵測到時發出警報或者採取主動反應措施；身分驗證系統（Authentication），僅授權通過身分驗證（如共用金鑰或生物學特徵驗證）的使用者與船船進行通訊；防火牆系統（Firewall）建立於外部裝置與無線通訊模組之間，可依據船舶預設保護內容的來監控往來的傳輸，並攔截不當的外部資訊；或是透過白名單（Whitelisting）系統或應用系統白名單（Application Whitelisting）來執行正面表列的模組或應用程式，而不允許執行名單以外的應用程式，換言之，資訊安全模組1000僅允許導航系統10內部所有模組或應用程式彼此資訊的傳遞與執行，一旦出現名單以外的模組或應用程式，系統10不會執行並且立刻發出警示提醒，透過白名單在第一線做隔離，以確保抵禦惡意程式入侵而干擾船舶的航行。
最後，在本實施例中該中央處理器更包含一電子海圖資料庫220與該路徑導航模組210連接，該電子海圖資料庫220儲存歷史的航行路徑，往後當該船舶相同之該航行路徑時，即可使用資料庫220所儲存的歷史航行路徑進行輔助航行，如此一來可減少中央處理器重新計算的時間及能量消耗。除此之外，該電子海圖資料庫更儲存了包含海洋圖資、地理資訊系統（Geographic Information System, GIS）、航海資訊記錄（Voyage Data）、國際避碰規章（COLREGS）、海洋環境資料、海流資料、潮汐潮流資料、航線航道資料、港埠設施資料、助導航設施、航標資料、現況資訊、港埠即時動態資訊、海難資料庫、氣象預報資料、歷史性氣象資料、陸岸資料庫、海圖水深點資料庫、重要道路資料庫及燈標浮漂資料庫等至少一種以上的相關資料。
接下來將針對前述之導航方法做進一步的說明。
首先，請參照第二A、二B圖並配合第三圖至第七圖，第二A圖為本發明較佳實施例之船舶導航方法流程圖（未跨節點），第二B圖為本發明較佳實施例之船舶導航方法流程圖（跨節點）。如第二A圖所示，本發明之船舶導航方法包含以下步驟：（a）該船舶沿該航行路徑航行，且該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點及一第二節點（其節點數可依據航行路徑自行設定，本發明不應依此為限），且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段；（b）該船舶航行至距離該第一節點或一原追蹤點小於一第一長度時，產生一第一追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第一追蹤點航行，其中該第一追蹤點距離該第一節點一第二長度；（c）該船舶航行至距離該第一追蹤點小於該第一長度時，產生一第二追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及（d）重複上述步驟（b）-（c），直到該船舶經過每一個節點。
其中該步驟（a）之後還包含一步驟（a1）該船舶沿該第一線段航行並受到一外部因素干擾而偏離該航行路徑，結束後執行步驟（f）。而該外部因素可以是感測模組所偵測到的（請參照第一圖）風力、波浪、洋流或其組合等；或是在預設船舶路徑的航行過程中，感測模組偵測到該路徑上有突發事件，如他船航行至預設航行路徑上，或航行路徑中出現礁石或大型海洋生物等，皆會使船舶在航行過程中因迴避障礙物而偏離原始的航行路徑。
如第二B圖所示，本發明之船舶導航方法包含以下步驟：（e）該船舶沿該航行路徑航行，且該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點、一第二節點及一第三節點（其節點數可依據航行路徑自行設定，本發明不應依此為限），且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段，該第二節點與該第三節點之連線為一第二線段；（f）該船舶航行至距離該第一節點或一原追蹤點小於一第一長度時，產生一第一追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第一追蹤點航行，其中該第一追蹤點距離該第一節點一第二長度；（g）該船舶航行至距離該第一追蹤點小於該第一長度，且該第一追蹤點至該第二節點的距離小於該第二長度時，產生一第二追蹤點位於該第二線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及（h）重複上述步驟（f）-（g），直到該船舶經過每一個節點。而第二B圖與第二A圖的差異在於，由於原追蹤點至下一節點的距離小於第二長度，此時新追蹤點須坐落於原節點連線的下一節點連線上，而發生航行路徑出現跨節點的現象。值得注意的是，當船舶V依循追蹤點航行的過程中，若其路徑上有偵測到障礙物，則應優先迴避障礙物後再繼續依循追蹤點航行。
其中該步驟（e）之後還包含一步驟（e1）該船舶沿該第一線段航行並受到一外部因素干擾而偏離該航行路徑，結束後執行步驟（f）。而該外部因素可以是感測模組所偵測到的（請參照第一圖）風力、波浪、洋流或其組合等；或是在預設船舶路徑的航行過程中，感測模組偵測到該路徑上有突發事件，如他船航行至預設航行路徑上，或航行路徑中出現礁石或大型海洋生物等，皆會使船舶在航行過程中因迴避障礙物而偏離原始的航行路徑。
第三圖至第七圖進一步展示了船舶導航方法流程的示意圖。首先在第三圖中，船舶V沿著一航行路徑（在此為沿著節點OABC的軌跡）航行，其中節點O在本圖中表示船舶V已通過的一航行點，節點A（在此為第一節點）、B（在此為第二節點）及C（在此為第三節點）表示船舶V欲前往的至少一目標點，又第一節點A在本圖中為船舶V的下一目標點。除此之外，在本圖中節點O（在此為航行點）與第一節點A之連線為第一線段OA，第一節點A與第二節點B之連線為第二線段AB，第二節點B與第三節點C之連線為第二線段BC。
當船舶V航行至距離該第一節點A小於一第一長度時D1時，產生一第一追蹤點（新追蹤點）P1生成於該第二線段AB上，且該船舶V將原先依循（自動追蹤）第一節點A航行的路線改變為依循（自動追蹤）該第一追蹤點P1航行（航行路線如圖中之粗體虛線），其中該第一追蹤點P1距離該第一節點A一第二長度D2。
接續在第四圖中，船舶V追蹤該第一追蹤點P1航行並且靠近至與該第一追蹤點P1小於該第一長度D1時（此時船舶V已通過第一節點A），產生一第二追蹤點（新追蹤點）P2生成於該第二線段AB上，且該船舶V將原先依循（自動追蹤）第一追蹤點P1航行的路線改變為依循（自動追蹤）該第二追蹤點P2（新追蹤點）航行（航行路線如圖中之粗體虛線），其中該第二追蹤點P2距離該第一追蹤點P1該第二長度D2。
而在第五圖中，船舶V追蹤第四圖之第二追蹤點P2（在本圖為追蹤點P1），且靠近至與追蹤點P1小於該第一長度D1時，產生一新追蹤點P2生成於該第二線段AB上，且該船舶V將原先依循（自動追蹤）追蹤點P1航行的路線改變為依循（自動追蹤）該追蹤點P2（新追蹤點）航行（航行路線如圖中之粗體虛線），其中該追蹤點P2距離該追蹤點P1該第二長度D2。
進一步而言，請同時參照第五、六圖，當該第二追蹤點P2至該第二節點B間的距離小於該第二長度D2時，產生一第三追蹤點P3生成於該第三線段BC上，且該船舶V依循（自動追蹤）該第三追蹤點P3航行。具體而言，當船舶V追蹤第五圖之第二追蹤點P2，且靠近至與追蹤點P2小於該第一長度D1時，原先應該產生一新追蹤點生成於該第二線段AB上；然而，由於該第二追蹤點P2至該第二節點B的距離小於該第二長度D2，無法生成新追蹤點於該第二線段AB上，故新追蹤點（即第三追蹤點P3）即生成於第二線段AB之下一線段（即第三線段BC）上，且該船舶V將原先依循（自動追蹤）第二追蹤點P2航行的路線改變為依循（自動追蹤）該第三追蹤點P3（新追蹤點）航行（航行路線如圖中之粗體虛線），其中該第三追蹤點P2距離該第二追蹤點P2該第二長度D2。
最後在第七圖中可明顯看出，相較於先前技術於路徑轉折處會因過度打舵而造成過衝的現象，本發明所提出之導航方法會為了依循（自動追蹤）新的追蹤點而自動提早修正舵角的方向，藉以節省因過衝而造成航行時間增加和航行燃料浪費等問題。如第七圖所示，本圖中的導航方法類似於第四圖之情況，當船舶V追蹤第六圖之第三追蹤點P3（在本圖為追蹤點P1），且靠近至與追蹤點P1小於該第一長度D1時（此時船舶V已通過第二節點B），產生一新追蹤點P2生成於該第三線段BC上，且該船舶V將原先依循追蹤點P1航行的路線改變為依循該追蹤點P2（新追蹤點）航行（航行路線如圖中之粗體虛線），其中該追蹤點P2距離該追蹤點P1該第二長度D2。
其中，在本實施例前述所有提及的第一長度D1，其為兩倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP）；而所有提及的第二長度D2則為三倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP），在此垂標間距長是指船舶自艏垂標（Forward Perpendicular／F.P.，由艏柱與水線交點所繪的假想直線）至艉垂標（After Perpendicular／A.P.，由艉柱與水線交點所繪的假想直線）沿載重水線所測得的水平長度；而當受測船體無艉柱時，則可以以舵桿軸心的中線為船尾標記以測量垂標間距。
而在其他可能的實施例中，第一長度D1和第二長度D2可依照使用者的需求自行設定，或是根據外部環境或偏離航行路徑的程度來自動調整第一長度D1和第二長度D2的距離，本發明不應依此為限。舉例而言，當感測器偵測到船舶偏離航行路徑的距離在可修正範圍（安全範圍）內，則第一長度D1和第二長度D2可以是原先預設長度（即兩倍的垂標間距長和為三倍的垂標間距長）的正負20%內的誤差範圍；若船舶偏離航行路徑的距離超出可修正範圍，則第一長度D1和第二長度D2的誤差必須降至最小，以利於船舶修正導航至原航行路徑。其中，該可修正範圍為垂標間距長的20%以內。
結合第三圖至第七圖的導航方法，船舶可不斷重複上述步驟直到該船舶經過每一個目標點（節點）；換言之，使用者僅需設定航行路徑的起迄點及其之間的節點，該船舶即能從起點依循每一個節點的軌跡自動航行至終點，完成該航行路徑之導航。除此之外，上述之導航方法皆可透過第一圖的船舶導航系統實現之。
具體而言，上述的導航方法是透過模擬磁力相斥的作用，當船舶接近位於節點連線上的追蹤點時，該追蹤點會自動「彈」向前方並形成新的追蹤點（仍位於節點連線上），使得追蹤點總是位在船舶前方一定距離（第二長度D2）且船舶會持續依循追蹤點的軌跡直至最後一個節點。值得注意的是，當新追蹤點與原追蹤點的距離（即前述之第二長度D2）小於原追蹤點至下一節點的距離時，新追蹤點的生成位置則會在下一節點線段上，又若該下一節點線段為路徑轉折處時（請參照第五圖之情況），追蹤點會提前進入轉折後的節點線段中（即第五圖中追蹤點P3位於線段BC上），使得船舶打舵的航向提早開始修正往新的追蹤點航行，藉此即可避免轉折點過衝的現象。
除此之外，上述之導航方法還可應用於當船舶因外部因素干擾而偏離原始航行路徑時，所進行之輔助方法使得船舶自動並且穩定地回到原始規劃的航行路徑上。首先，請參照第八A、八B圖並配合第九、十圖，第八A、八B圖為本發明較佳實施例之另一船舶導航方法的流程圖，第九圖及第十圖則為本發明較佳實施例之另一船舶導航方法流程的示意圖。
如第八A圖所示，本發明之另一船舶導航方法包含以下步驟：（A）一船舶沿一航行路徑航行，該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點及一第二節點，且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段；（B）該船舶沿該第一線段航行並受到一外部因素干擾而偏離該航行路徑；（C）該船舶航行至距離一第一追蹤點小於一第一長度時，產生一第二追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點一第二長度；以及（D）該船舶返回該航行路徑以完成軌跡導航修正導航。
如第八B圖所示，本發明之另一船舶導航方法包含以下步驟：（E）一船舶沿一航行路徑航行，該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點、一第二節點及一第三節點，且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段，且該第二節點與該第三節點之連線為一第二線段；（F）該船舶沿該第一線段航行並受到一外部因素干擾而偏離該航行路徑；（G）該船舶航行至距離一第一追蹤點小於一第一長度，且該第一追蹤點至該第二節點的距離小於一第二長度時，產生一第二追蹤點位於該第二線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及（H）該船舶返回該航行路徑以完成軌跡導航修正。而第八B圖與第八A圖的差異在於，由於原追蹤點至下一節點的距離小於第二長度，此時新追蹤點須坐落於原節點連線的下一節點連線上，而發生航行路徑出現跨節點的現象。
除此之外，本實施例之導航方法與第二A、二B圖之導航方法的差異在於，該船舶在航行的過程受更受到一外部因素干擾而偏離原始的航行路徑，而該外部因素可以是感測模組所偵測到的（請參照第一圖）風力、波浪、洋流或其組合等；或是在預設船舶路徑的航行過程中，感測模組偵測到該路徑上有突發事件，如他船航行至預設航行路徑上，或航行路徑中出現礁石或大型海洋生物等，皆會使船舶在航行過程中因迴避障礙物而偏離原始的航行路徑。
而在第九圖和第十圖中進一步呈現了船舶另一導航方法流程的示意圖，如第九圖所示，當船舶V在航行的過程中受到突然的外部因素I干擾而偏離原先設定的航行路徑（在此為線段AB）時，船舶V仍會自動依循原追蹤點P1行駛，而當船舶V航行至距離該原追蹤點P1小於一第一長度時，產生一新追蹤點P2生成於原線段（在此為線段AB）上，且該船舶V依循該新追蹤點P2航行（航行路線如圖中之粗體虛線），其中該新追蹤點P2距離該原追蹤點P1一第二長度。
另一方面，如第十圖所示，當該追蹤點P2至節點B的距離小於該第二長度D2時，產生一新追蹤點P3生成於下一線段BC上，且該船舶V依循（自動追蹤）該新追蹤點P3航行。具體而言，當船舶V追蹤第九圖之追蹤點P2，且靠近至與追蹤點P2小於該第一長度D1時，原先應該產生一新追蹤點生成於原線段AB上；然而，由於追蹤點P2至該節點B的距離小於該第二長度D2，無法生成新追蹤點於原線段AB上，故一新追蹤點P3即生成於原線段AB之下一線段BC上，且該船舶V將原先依循（自動追蹤）追蹤點P2航行的路線改變為依循（自動追蹤）該新追蹤點P3（新追蹤點）航行（航行路線如圖中之粗體虛線），其中該第三追蹤點P2距離該第二追蹤點P2該第二長度D2。
其中，前述所有提及的第一長度D1，其為兩倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP）；而所有提及的第二長度則為三倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP）。
透過上述的導航方法可知，在具有外部因素干擾的條件下，無論是維持原線段航行之路徑，或是具有轉折處的路徑，皆可透過本發明之導航方法將偏離航行路徑的船舶自動導航至節點連線之線段上，得以讓該船舶回到原始設定的航行路徑行駛。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及說明內容所作之簡單變化與修飾，皆仍屬本發明涵蓋之範圍內。
10 … 導航系統
100 … 數據收發模組
200 … 中央處理器
210 … 路徑導航模組
220 … 資料庫
300 … 方向控制模組
400 … 動力推進模組
500 … 感測模組
600 … 定位模組
700 … 無線通訊模組
800 … 外部裝置
900 … 自動避障模組
1000 … 資訊安全模組
V … 船舶
O、A、B、C … 節點
P1、P2、P3 … 追蹤點
D1 … 第一長度
D2 … 第二長度
I … 外部干擾
（a）-（d） … 步驟
（e）-（h） … 步驟
（A）-（D） … 步驟
（E）-（H） … 步驟
第一圖為本發明較佳實施例之船舶導航系統的示意圖。
第二A圖為本發明較佳實施例之船舶導航方法的流程圖。
第二B圖為本發明較佳實施例之船舶導航方法的流程圖。
第三圖為本發明較佳實施例之導航方法流程的示意圖。
第四圖為本發明較佳實施例之導航方法流程的示意圖。
第五圖為本發明較佳實施例之導航方法流程的示意圖。
第六圖為本發明較佳實施例之導航方法流程的示意圖。
第七圖為本發明較佳實施例之導航方法流程的示意圖。
第八A圖為本發明較佳實施例之另一船舶導航方法的流程圖。
第八B圖為本發明較佳實施例之另一船舶導航方法的流程圖。
第九圖為本發明較佳實施例之另一船舶導航方法流程的示意圖。.
第十圖為本發明較佳實施例之另一船舶導航方法流程的示意圖。
第十一圖為現行導航方法造成過衝（Overshoot）的示意圖。
（a）-（d） … 步驟
Claims (30)
- 一種船舶導航方法，包含： （a） 一船舶沿一航行路徑航行，該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點及一第二節點，且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段； （b） 該船舶航行至距離該第一節點小於一第一長度時，產生一第一追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第一追蹤點航行，其中該第一追蹤點距離該第一節點一第二長度； （c） 該船舶航行至距離該第一追蹤點小於該第一長度時，產生一第二追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及 （d） 重複上述步驟（b）-（c），直到該船舶經過每一個節點。
- 如請求項1所述之船舶導航方法，其中該第一長度為兩倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP）。
- 如請求項1所述之船舶導航方法，其中該第二長度為三倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP）。
- 如請求項1所述之船舶導航方法，其中該步驟（a）之後還包含一步驟（a1）該船舶沿該第一線段航行並受到一外部因素干擾而偏離該航行路徑。
- 如請求項4所述之船舶導航方法，其中該外部因素為風力、波浪、海流、障礙物或其組合。
- 一種船舶導航方法，包含： （e） 一船舶沿一航行路徑航行，該航行路徑包含至少二節點，其中該至少二節點包含一第一節點、一第二節點及一第三節點，且該第一節點與該第二節點之連線為一第一線段，該第二節點與該第三節點之連線為一第二線段； （f） 該船舶航行至距離該第一節點小於一第一長度時，產生一第一追蹤點位於該第一線段上，且該船舶依循該第一追蹤點航行，其中該第一追蹤點距離該第一節點一第二長度； （g） 該船舶航行至距離該第一追蹤點小於該第一長度，且該第一追蹤點至該第二節點的距離小於該第二長度時，產生一第二追蹤點位於該第二線段上，且該船舶依循該第二追蹤點航行，其中該第二追蹤點距離該第一追蹤點該第二長度；以及 （h） 重複上述步驟（f）-（g），直到該船舶經過每一個節點。
- 如請求項6所述之船舶導航方法，其中該第一長度為兩倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP）。
- 如請求項6所述之導航方法，其中該第二長度為三倍的垂標間距長（Length between perpendiculars, LPP）。
- 如請求項6所述之船舶導航方法，其中該步驟（a）之後還包含一步驟（e1）該船舶沿該第一線段航行並受到一外部因素干擾而偏離該航行路徑。
- 如請求項9所述之船舶導航方法，其中該外部因素為風力、波浪、海流、障礙物或其組合。
- 一種船舶導航系統，包含： 一數據收發模組，接收一航行路徑； 一中央處理器，與該數據收發模組連接，該中央處理器包含一路徑導航模組，該路徑導航模組依據該航行路經結合一導航方法，產生一航向控制命令以及一航速控制命令； 一方向控制模組，與該中央處理器連接，該方向控制模組依據該航向控制命令控制該船舶的方向；以及 一動力推進模組，與該中央處理器連接，該動力推進模組依據該航速控制命令控制該船舶的速度； 其中，該導航方法為請求項1或6所述之船舶導航方法。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，更包含一定位模組與該中央處理器連接，該定位模組取得該船舶所在位置的坐標。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，更包含一感測模組與該中央處理器連接，該感測模組偵測至少一外部環境數據。
- 如請求項13所述之船舶導航系統，其中該外部環境數據包含風力數據、波浪數據、洋流數據、障礙物數據或其組合。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，更包含一無線通訊模組與該數據收發模組連接，該無線通訊模組遠端接收該航行路徑。
- 如請求項15所述之船舶導航系統，其中該無線通訊模組的通訊方式包含藍芽、Wi-Fi、蜂巢式網路、無線電波、衛星通訊或其組合。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，其中該中央處理器更包含一電子海圖資料庫與該路徑導航模組連接，該電子海圖資料庫儲存歷史的航行路徑。
- 如請求項13所述之船舶導航系統，更包含一自動避障模組與該該中央處理器、該感測模組及該定位模組連接。
- 如請求項15所述之船舶導航系統，更包含一資訊安全模組與該中央處理器及該無線通訊模組連接。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，其中該數據收發模組包含工業電腦（IPC）、人機介面（HMI）、單晶片或其組合。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，其中該中央處理器包含可程式邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）、微控制器（Microcontroller Unit, MCU）或其組合。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，其中該方向控制模組包含方向舵、電子轉向系統或其組合。
- 如請求項11所述之船舶導航系統，其中該動力推進模組包含發電機、引擎、側推器、油門、電池、馬達或其組合。
- 如請求項12所述之船舶導航系統，其中該定位模組包含全球定位系統（Global Positioning System, GPS）、全球導航衛星系統（GLONASS）、北斗衛星導航定位系統或其組合。
- 如請求項13所述之船舶導航系統，其中該感測模組包含至少一環境感測模組以及至少一船舶感測模組。
- 如請求項25所述之船舶導航系統，其中該至少一環境感測模組包含氣壓感測器、溫度感測器、風向感測器、溼度感測器、光學感測器、聲學感測器、雷達感測器、光達感測器、攝像裝置、船舶自動辨識系統（Automatic Identification System, AIS）或其組合。
- 如請求項25所述之船舶導航系統，其中該至少一船舶感測模組包含油料感測器、電量感測器、陀螺儀、速度感測器、方向舵感測器、傾斜角度感測器或其組合。
- 如請求項15所述之船舶導航系統，其中該無線通訊模組包含天線、藍芽通訊模組、Wi-Fi通訊模組、蜂巢式網路通訊模組、無線電波通訊模組、衛星通訊模組或其組合。
- 如請求項18所述之船舶導航系統，其中該電子海圖資料庫儲存包含海洋圖資、地理資訊系統（Geographic Information System, GIS）、航海資訊記錄（Voyage Data）、國際避碰規章（COLREGS）或其組合的數據。
- 如請求項18所述之船舶導航系統，其中該資訊安全模組包含入侵檢測系統（Intrusion-detection system, IDS）、身分驗證系統（Authentication）、授權與加密系統、防火牆系統（Firewall）、白名單系統（Whitelisting）或其組合。
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